Matrice închisă, forjare cu matriță deschisă și piese forjate din oțel carbon: Ghid complet al procesului

Procesul de forjare cu matriță închisă: cum funcționează și unde excelează

Forjare cu matriță închisă - numită și forjare cu matriță de imprimare - modelează metalul prin comprimarea unei țagle încălzite între două sau mai multe matrițe care conțin o cavitate prelucrată care se potrivește cu geometria finală a piesei. Pe măsură ce matrițele se închid sub presiunea sau forța ciocanului, metalul curge pentru a umple complet cavitatea, producând o componentă de formă aproape netă, cu toleranțe dimensionale strânse și o linie de despărțire bine definită în locul în care matrițele se întâlnesc.

Secvența procesului pentru forjarea cu matriță închisă urmează de obicei următoarele etape:

1. Pregătirea biletului: Stocul brut este tăiat la o greutate calculată - excesul de material (flash) va fi tăiat după forjare, dar depășirea semnificativă risipește material și crește sarcina de tăiere
2. Incalzire: Tagla este încălzită la intervalul corespunzător de temperatură de forjare într-un cuptor cu inducție sau cu gaz, de obicei 1.100–1.250 °C pentru oțelurile carbon și aliate
3. Preformare (blocare): La sculele în mai multe etape, țagla trece printr-una sau mai multe cavități de blocare pentru a redistribui masa către forma finală înainte de a intra în cavitatea de finisare.
4. Finisare forjare: Preforma încălzită este plasată în cavitatea matriței de finisare și lovită sau presată până la închiderea completă, forțând metalul în toate adânciturile amprentei.
5. Tăierea blițului: Excesul de metal extrudat la linia de despărțire este îndepărtat într-o presă de tăiere, de obicei în timp ce piesa este încă fierbinte
6. Tratament termic și finisare: Piesele sunt normalizate, călite și revenite sau recoapte în funcție de cerințele materialelor și proprietăților mecanice

Forjarea cu matriță închisă se execută pe prese mecanice, prese hidraulice sau ciocane cu picătură gravitațională. Prese hidraulice — comune în dimensiuni de la 500 de tone la peste 50.000 de tone — aplicați o presiune controlată, susținută, potrivită pentru forme mari sau complexe. Prese mecanice și cu șuruburi oferă un impact de înaltă energie, potrivit pentru piesele mai mici care necesită un control precis al cursei. Ciocanele de picătură rămân utilizate pe scară largă pentru producții mari de piese mici și medii.

Avantaje și limitări

Forjarea cu matriță închisă produce componente cu rapoarte superioare rezistență-greutate în comparație cu piese turnate sau bare prelucrate deoarece procesul de forjare rafinează structura cerealelor și aliniază fluxul de cereale cu geometria piesei. Îmbunătățiri ale rezistenței la oboseală cu 20-30% față de piețele turnate echivalente sunt raportate în mod obișnuit în componentele structurale aerospațiale și auto. Repetabilitate dimensională este ridicată odată ce matrițele sunt dovedite, ceea ce face ca forjarea cu matriță închisă să fie foarte potrivită pentru producția de volum mediu spre mare de biele, roți dințate, flanșe, arbori cotiți și piese de suspensie pentru automobile.

Principala limitare este costul sculelor. Seturile de matrițe închise din oțel pentru scule de lucru la cald H13 costă de la zeci de mii la sute de mii de dolari, în funcție de complexitatea piesei, făcând procesul viabil din punct de vedere economic doar peste un volum minim de producție - în general 500-1.000 de bucăți sau mai mult, în funcție de dimensiunea piesei. Durata de viață a matriței variază de obicei între 10.000 și 100.000 de lovituri, influențată de temperatura de forjare, abrazibilitatea materialului și practica de lubrifiere.

Forjare matriță deschisă Proces: flexibilitate pentru piese mari și personalizate

Forjarea cu matriță deschisă modelează metalul între matrițe plate sau pur și simplu conturate care nu înglobează complet piesa de prelucrat. Operatorul sau manipulatorul automat repoziționează și rotește țagla fierbinte progresiv între cursele de presă, lucrând treptat materialul la forma dorită printr-o serie de pași de deformare. Deoarece nicio cavitate de amprentare nu limitează metalul, geometria piesei depinde de mișcarea matriței, cursa presei și controlul operatorului sau CNC - nu de o cavitate pre-tăiată.

Configurațiile obișnuite de scule cu matriță deschisă includ plăci plate, matrițe în V, matrițe de presărare, inele de dorn pentru piese goale și matrițe de șa pentru profile conturate. Procesul găzduiește o gamă enormă de geometrii ale pieselor, inclusiv:

• Arbori, fusuri și osii - forjate progresiv pe lungimea lor din lingouri mari
• Inele și flanșe - formate prin perforare, răsturnare și rulare inele
• Blocuri, plăci și plăci pentru scule, semifabricate pentru vase sub presiune și oțel pentru matrițe
• Componente unice personalizate pentru mașini grele, generare de energie și apărare

Cogging: Operațiunea de bază în forjare cu matriță deschisă

Cea mai fundamentală operație de matriță deschisă este cogging — numită și extragere — în care țagla este comprimată progresiv pe lungimea sa în trepte de mușcătură suprapuse pentru a reduce secțiunea transversală și a crește lungimea. Fiecare mușcătură deformează o zonă localizată; operatorul de presă avansează țagla între curse, astfel încât mușcăturile adiacente să se suprapună cu 30–50%, asigurând o deformare continuă fără închideri la rece sau ture la limitele mușcăturii. Cogging este metoda principală de prelucrare a lingourilor mari (de la 1 tonă la 300 de tone) până la dimensiuni intermediare pentru prelucrarea ulterioară sau prelucrarea finală.

Forjarea cu matriță deschisă funcționează pe prese hidraulice variind de la 800 de tone la peste 125.000 de tone pentru cele mai mari piese forjate aerospațiale și de generare a energiei. Cele mai mari prese de forjare cu matriță deschisă din lume - clasa 50.000 până la 80.000 de tone - sunt capabile să forjeze componente din superaliaje de titan și nichel pentru cadrele fuselajului aeronavelor și discuri mari de turbină.

Matrice deschisă vs. matriță închisă: Cum să alegi

Cele două procese sunt mai degrabă complementare decât concurente. Forjarea cu matriță deschisă este preferată atunci când dimensiunea piesei depășește ceea ce poate găzdui în mod economic sculele cu matriță închisă (de obicei peste 200-500 kg), când volumele de producție sunt prea mici pentru a justifica investiția în matriță sau când geometria este prea complexă sau variabilă pentru o matriță cu o singură cavitate. Forjarea cu matriță închisă este preferată atunci când precizia dimensională, finisarea suprafeței și volumul de producție favorizează investiția în scule. Multe componente mari încep ca preforme forjate cu matriță deschisă, care sunt ulterior forjate cu matriță închisă pentru caracteristici critice.

Temperatura pentru sudarea forja: imbinarea metalului prin caldura si presiune

Sudarea în forja este unul dintre cele mai vechi procese de prelucrare a metalelor - unește două bucăți de metal prin încălzirea ambelor într-o stare plastică sau semi-topită și apoi aplicând suficientă forță de compresie pentru a le lipi la nivel atomic, fără nici un metal de adaos sau flux, altul decât cel folosit pentru curățarea suprafețelor îmbinării. Temperatura corectă de sudare în forjă pentru oțel cu conținut scăzut de carbon și oțel moale este de obicei 1.260–1.370 °C (2.300–2.500 °F) — punctul în care suprafața de oțel dezvoltă un aspect caracteristic alb-gălbui strălucitor, aproape de scântei și devine suficient de plastică pentru legarea prin difuzie atomică sub lovituri de ciocan.

Temperatura după material

Temperatura de sudare a forjei variază semnificativ în funcție de compoziția aliajului, deoarece este guvernată de temperatura solidului metalului și de comportamentul său la deformare plastică:

• Oțel cu conținut scăzut de carbon (0,05–0,20% C): 1.260–1.370 °C — cel mai îngăduitor interval, cu o fereastră largă de lucru din plastic
• Oțel cu carbon mediu (0,20–0,50% C): 1.200–1.315 °C — fereastra de temperatură se îngustează pe măsură ce conținutul de carbon crește, iar riscul de supraîncălzire crește
• Oțel cu conținut ridicat de carbon / oțel pentru scule (0,60–1,0% C): 1.100–1.260 °C — fereastră foarte îngustă; supraîncălzirea chiar și cu 30–50 °C provoacă ardere (oxidare ireversibilă a granulelor) și sudura va eșua
• Fier forjat: 1.315–1.425 °C — conținutul ridicat de zgură facilitează de fapt sudarea prin formarea unei zguri lichide care elimină oxizii de la interfață
• Oțel inoxidabil (304/316): 1.200–1.260 °C - necesită atmosferă inertă sau flux pentru a preveni formarea oxidului de crom, care inhibă legarea

Pregătirea fluxului și a suprafeței

Scara și oxizii de pe suprafața metalică împiedică contactul atomic și trebuie îndepărtate imediat înainte de lovirea sudurii. Boraxul (tetraboratul de sodiu) este cel mai utilizat flux de sudura forja — aplicat la aproximativ 900–1.000 °C, pe măsură ce oțelul se apropie de temperatura de sudare, se topește și formează o barieră lichidă care dizolvă depunerile de oxid de fier și previne reoxidarea în timpul fazei finale de încălzire. Fără flux, scara prinsă la interfața îmbinării creează incluziuni care slăbesc sau împiedică sudarea. Unii fierari folosesc nisip de silice, pilitură de fier sau formulări de flux de proprietate pentru sisteme de aliaje specifice.

Sudarea Forja Industrială Modernă

În timp ce sudarea manuală cu forja supraviețuiește în forjărie și fierărie artistică, sudarea în forja industrială este aplicată cel mai bine în sudare cap la cap cu fulger şi sudare sub presiune prin inducție pentru fabricarea țevilor și îmbinarea șinelor. Sudarea prin fulger încălzește suprafețele de contact prin arc de rezistență electrică (flashing), apoi aplică o forță de răsturnare (compresie axială) pentru a consolida îmbinarea - realizând condițiile de sudură forjată într-un mod controlat și repetabil. Această metodă este utilizată pentru a suda țevi de foraj, lanț de ancorare și secțiuni de șină în care este necesară o îmbinare complet forjată, fără zone afectate de căldură, cu proprietăți mecanice ale metalului de bază.

Piese forjate din oțel carbon: clase, proprietăți și aplicații

Piesele forjate din oțel carbon sunt produse din oțel al cărui mecanism principal de întărire este conținutul de carbon - variind de la grade cu conținut scăzut de carbon sub 0,20% C până la grade cu conținut ridicat de carbon peste 0,60% C - fără adaosurile semnificative de aliaj (crom, nichel, molibden) care caracterizează piesele forjate din oțel aliat. Piesele forjate din oțel carbon reprezintă cel mai mare segment de volum al industriei globale de forjare , utilizat în componentele transmisiei auto, mașini industriale, echipamente de construcții, fitinguri pentru petrol și gaz și unelte de mână.

Calități de oțel carbon utilizate în mod obișnuit în forjare

Conținutul de carbon este variabila dominantă care guvernează proprietățile mecanice realizabile în oțelul carbon forjat:

• AISI 1020 / 1025 (cu emisii reduse de carbon): Rezistență la tracțiune 380–480 MPa ca forjat; sudabilitate și tenacitate excelente; utilizat pentru pârghii, știfturi, arbori și forjate structurale generale unde nu este necesară o rezistență ridicată
• AISI 1040 / 1045 (carbon mediu): Rezistență la tracțiune 570–700 MPa normalizată, până la 800–950 MPa călită și revenită; calitatea calului de lucru pentru biele, arbori cotiți, roți dințate, arbori de osie și elemente forjate cu flanșe - combinând prelucrabilitatea rezonabilă cu rezistența bună
• AISI 1060 / 1080 (cu conținut ridicat de carbon): Rezistență la tracțiune 800–1.100 MPa tratat termic; duritate ridicată și rezistență la uzură; folosit pentru roți de cale ferată, arcuri, unelte de mână și componente de prelucrare a solului agricol
• AISI 1095 (cu conținut ridicat de carbon): Duritate de suprafață de până la 65 HRC realizabilă; lame de cuțit, unelte de tăiere și plăci de uzură unde reținerea marginilor este critică

Cum forjarea îmbunătățește proprietățile oțelului carbon

Procesul de forjare oferă îmbunătățiri microstructurale care disting piesele forjate din oțel carbon de piese turnate sau bare laminate la cald din aceeași calitate. Lucrarea la cald peste temperatura de recristalizare (aproximativ 720–750 °C pentru oțelurile carbon) descompune structura dendritică turnată , închide porozitatea și golurile de solidificare și produce o structură de cereale rafinată, echiaxială. Prelucrarea mecanică dezvoltă, de asemenea, un flux de cereale fibroase care, atunci când este aliniat cu direcția tensiunii principale din piesa finită, îmbunătățește semnificativ rezistența la oboseală și rezistența la impact în comparație cu materialul de bare prelucrat peste granulație.

Îmbunătățirile documentate ale proprietăților forjate din oțel cu carbon mediu AISI 1045 față de piese turnate echivalente includ îmbunătățiri ale rezistenței la oboseală de 20–37% și îmbunătățiri ale tenacității la impact Charpy de 30–50% la temperatura camerei, cu avantaje și mai mari la temperaturi sub zero relevante pentru petrol și gaze și aplicații arctice.

Tratarea termică a pieselor forjate din oțel carbon

Componentele din oțel carbon forjate sunt de obicei normalizate (răcite cu aer de deasupra Ac3) pentru a reduce tensiunile de forjare și pentru a produce o microstructură perlitic-feritică uniformă ca linie de bază pentru prelucrarea ulterioară sau tratamentul termic. Proprietățile mecanice finale sunt obținute prin:

• stingere și temperare (Q&T): Austenitizare la 820–870 °C, stingere cu apă sau ulei până la martensită, apoi temperare la 400–650 °C pentru a atinge echilibrul țintă de duritate/tenacitate - calea standard pentru forjarea din oțel cu conținut mediu și ridicat de carbon în aplicații structurale și de uzură
• Întărire prin inducție: Întărirea selectivă a suprafeței zonelor critice de uzură (dinți angrenajului, suprafețe de rulment) păstrând în același timp un miez dur - aplicat pe scară largă pe arbori și roți dințate 1045 și 1050
• Recoacere: Recoacere completă sau recoacere sferoidizată pentru calități cu conținut ridicat de carbon pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea înainte de prelucrare finală și întărire finală

Piese forjate din oțel carbon vs. Piese forjate din oțel aliat

Piesele forjate din oțel carbon sunt selectate atunci când proprietățile mecanice necesare se încadrează în intervalul realizabil de grade de carbon tratate termic și când cerințele de călire pot fi îndeplinite în secțiunea transversală care este forjată. Pentru secțiunile de peste aproximativ 50–75 mm, limitările de călire devin semnificative — miezul unei forjate mari din oțel carbon poate să nu atingă duritatea martensitică completă în timpul călirii, rezultând o duritate a miezului mai mică decât suprafața. Clasele de oțel aliat (4140, 4340, 8620) sunt specificate atunci când cerințele de călire adâncă, rezistență la temperatură ridicată sau rezistență la coroziune depășesc ceea ce poate oferi oțelul carbon. Compensația este costul: piesele forjate din oțel carbon din AISI 1045 sunt cu 15–35% mai mici ca material decât piesele forjate echivalente din oțel aliat.