FORJA EN CALIENTE EN MATRIZ CERRADA: INFLUENCIA DEL FLASH Y EL PESO DEL MATERIAL DE PARTIDA SOBRE LA FUERZA Y EL LLENADO DE LA MATRIZ

Transcripción

1 FORJA EN CALIENTE EN MATRIZ CERRADA: INFLUENCIA DEL FLASH Y EL PESO DEL MATERIAL DE PARTIDA SOBRE LA FUERZA Y EL LLENADO DE LA MATRIZ Expositora: Daniela Perez

2 Introducción: Influencia del flash y del peso del material de Independientemente de la operación de forjado, existen operaciones complementarias que suceden antes y después de la misma. Antes Operaciones de corte Calentamiento Forjado Después Tratamiento Térmico Granallado Acuñado Inspección de piezas 2

3 Introducción Influencia del flash y del peso del material de El scrap (material de descarte) puede representar un % importante del peso de la pieza. Referencia: manual de Smeral presenta 84 piezas forjadas en caliente, cuya rebaba promedio es del 37%; la mínima del 3% y la máxima del 155% => hay margen de mejora. Cuanto mayor sea la complejidad geométrica de la pieza, mayor será la cantidad de rebaba. Como contrapartida, permite el llenado de la matriz, obteniendo piezas buenas. 3

4 Introducción Influencia del flash y del peso del material de El scrap (material de descarte) puede representar un % importante del peso de la pieza. Referencia: manual de Smeral presenta 84 piezas forjadas en caliente, cuya rebaba promedio es del 37%; la mínima del 3% y la máxima del 155% => hay margen de mejora. Cuanto mayor sea la complejidad geométrica de la pieza, mayor será la cantidad de rebaba. Como contrapartida, permite el llenado de la matriz, obteniendo piezas buenas. 4

5 Influencia del flash y del peso del material de Esquema de flash y canal de rebaba típicos: Variables principales: espesor de flash (e f ), largo de flash (l f ) y el alojamiento para la rebaba. 5

6 Rebaba Funciones Introducción Influencia del flash y del peso del material de Salvo pocas piezas de revolución efectuadas en grandes series, y que en los países desarrollados se conforman por forja de precisión, la gran mayoría de aquellas que se forjan en caliente, requieren que la matriz disponga de una canal de rebaba 1) Recibe el exceso de material del tocho inicial respecto a la pieza terminada 2) Asegura el llenado de la matriz, al frenar el flujo que intenta salir fuera de ella, aumentando la presión interior. 6

7 Introducción: Influencia del flash y del peso del material de Objetivo: Estudiar la influencia de la geometría del flash y del canal de rebaba sobre la fuerza de forjado y el llenado de la matriz (piezas buenas), en función de las variaciones existentes tanto en el diseño de los mismos, como de la calidad geométrica del material de partida. Material Diseño flash y rebaba LLenado 7

8 Introducción: Pieza simulada: Brida, acero SAE 1045 Peso: 1,601 Kg Influencia del flash y del peso del material de 8

9 Influencia del flash y del peso del material de Introducción, consideraciones: 1 Material de partida Medidas comerciales disponibles: Barras redondas de 25,4mm a 100mm de diámetro, y palanquillas de 50,8mm a 160mm por lado. Corte por cizalla Mayor peso dado lo impreciso del sistema. Corte por sierra Peso de corte mas ajustado, hasta un mínimo que asegure el llenado. Garantiza además un corte en escuadra. 9

10 Influencia del flash y del peso del material de Corte por cizalla 10

11 Influencia del flash y del peso del material de Corte por sierra 11

12 Influencia del flash y del peso del material de Corte por cizalla Corte por sierra Cantidad de cortes Alta Lotes chicos y medianos Perdida de material No Si (viruta) Materiales Baja resistencia. Alta resistencia. Tamaño de barra Mediano. Redondos y palanquillas de hasta 160mm Grande. Redondos y palanquillas de hasta 360mm Precisión Buena Excelente 12 12

13 Influencia del flash y del peso del material de Introducción, consideraciones: 2 Espesor de flash Si resultara excesivo, la cavidad de la matriz podría no llenarse (pieza defectuosa), o si por el contrario, fuera reducido, producir un aumento tan significativo de la carga, que podría poner en riesgo la resistencia de la matriz cuanto de la propia máquina de forja. 13

14 Espesor de flash Espesor de flash Influencia del flash y del peso del material de Área bajo la curva: energía Fuente: Cold and Hot Forging, ASM 14

15 Espesor de flash seleccionado Influencia del flash y del peso del material de Peso pieza (kg) Espesor de flash (mm) 0-0,25 1 0,25-0,50 1,5 0,50-1,25 2 1,25-2,50 3 2,50-5,00 3 5,00-10, ,00-15,00 4 Fuente: Forja Bellucci 15

16 Influencia del flash y del peso del material de Introducción, consideraciones: 3 Largo de flash Será necesario establecer un valor mínimo, que equilibre el alcanzar matrices llenas (piezas buenas) con menores cargas, y con un desgaste acotado. - Jesús del Río establece un mínimo del largo de flash según sea el diámetro o ancho de la pieza, que asegure la resistencia mecánica del flash y controle su desgaste. 16

17 Largo de flash recomendado Influencia del flash y del peso del material de Diámetro o anchura (mm) Largo de flash (mm), prensa , ,5 Fuente: Conformación plástica de materiales metálicos, Jesús del Rio 17

18 Influencia del flash y del peso del material de Introducción, consideraciones:. 4 Canal de rebaba Efectuada una amplia revisión de la bibliografía hallamos que, si bien existen diversas geometrías definidas para el canal de rebaba, con sus dimensiones recomendadas de acuerdo con el tamaño y peso de la pieza a forjar, se desconoce cual sería la influencia de estos diseños, sobre la carga de forjado y la calidad de las piezas. 18

19 Distintas formas del canal de rebaba Canal de rebaba tipo A Canal de rebaba tipo B Canal de rebaba tipo C Canal de rebaba tipo D Canal de rebaba tipo E 19

20 Influencia del flash y del peso del material de En consecuencia, dada la falta de antecedentes, nos hemos propuesto analizar por simulación numérica, para una geometría de pieza (brida) y un espesor de flash fijo (3mm), la influencia de cinco geometrías del canal de rebaba, con sus medidas recomendadas, sobre la carga de forjado, y que garanticen la obtención de piezas buenas. Estos análisis, considerando dos sistemas de corte y el uso de una prensa mecánica. Análisis sobre Sistema de Corte Tocho (mm) 1) Impreciso (cizallado) 58 x 92 2) Preciso (sierra de disco) 58 x 81 20

21 Influencia del flash y del peso del material de Brida acero SAE 1045 Peso neto final: 1,601 kg Volumen: mm 3 Dos materiales de partida: a) 58 mm por 92 mm de largo (1,905 kg) para simular un proceso que hiciera uso de un material de partida cortado en forma imprecisa (cizallado en frío) b) 58 mm por 81 mm de largo (1,678 kg) para simular el sistema de corte preciso (sierra de disco). El proceso fue: recalcado (15 %) y forjado en matriz final 21

22 Datos de simulación: Influencia del flash y del peso del material de 22

23 Datos de simulación: Tipo de pieza Geometrías Influencia del flash y del peso del material de BRIDA Archivos CAD 3D de matrices Material de partida Barra acero SAE 1045 Espesor de flash (e f ) Largo flash (L f ) Prensa Mecánica Velocidad de deformación Temperatura precalentamiento de matrices Temperatura de forja 3 mm 4 mm; 6 mm; 9,5 mm y 12 mm 230 mm de carrera, 842 mm de largo de biela y 100 rpm 2 m/s Coeficiente de rozamiento 0,3 170º C 1200º C 23

24 Resultados: corte impreciso Se realizaron 6 modelizaciones 5 diferentes formas de canal Canales simples ubicados en la matriz superior Geometría tipo A, ubicada en matriz inferior Evaluar la influencia sobre la carga de forjado de la curvatura de la rebaba Tipo de canal Carga (t) Observaciones A (simple) 1645 Largo flash = 12 mm A (simple) 1831 Largo flash = 12 mm ; Canal en matriz inferior B (doble) 1580 Largo flash = 12 mm C (simple) 1150 Largo flash = 9,5 mm D (simple) 943 Largo flash = 6 mm E (doble) 796 Largo flash = 4 mm Nota 1: todas las rebabas se curvaron hacia arriba. Nota 2: en todas las simulaciones se obtuvieron cavidades llenas y piezas sin defectos. 24

25 Canal de rebaba tipo C Canal de Canal de rebaba tipo A Canal de rebaba tipo A Canal Canal de de rebaba rebaba tipo tipo A A Canal de rebaba tipo C Canal de rebaba tipo C Canal de rebaba tipo B Canal Canal de de rebaba rebaba tipo tipo B B Canal de rebaba tipo D Tipo de canal Carga (t) Observaciones Canal Canal de de rebaba rebaba tipo tipo C C C A Canal de rebaba tipo B Canal de rebaba tipo D Canal Canal de de rebaba rebaba tipo tipo D D A (simple) 1645 Largo flash = 12 mm A (simple) 1831 Largo flash = 12 mm ; Canal en matriz inferior Canal de rebaba tipo E B (doble) 1580 Largo flash = 12 mm Canal de rebaba tipo E C (simple) 1150 Canal Largo flash = 9,5 mm Canal de de rebaba rebaba tipo tipo E E D (simple) 943 Largo flash = 6 mm E (doble) 796 Largo flash = 4 mm Canal de rebaba tipo E Nota 1: todas las rebabas se curvaron hacia arriba. Nota 2: en todas las simulaciones se obtuvieron cavidades llenas y piezas sin defectos. D B E 25

26 Análisis de los Resultados: corte impreciso 1600 Carga de conformado "P" (t) P = L f + 11 L f 2 7,5mm Largo de flash "L f " (mm) 26

27 Análisis de los Resultados: corte impreciso Del diagrama anterior se desprende que: La carga aumenta con la longitud del flash. Visto que la rebaba se curva hacia arriba, disponer el canal en la matriz inferior produce un incremento de la carga, aunque de poca significancia (+11,3 %). Recordemos que Jesús del Río establece un mínimo del largo de flash según sea el diámetro o ancho de la pieza. Para un largo de flash seguro de 7,5 mm de longitud, la carga de forjado resultaría de unas 985 t. 27

28 Influencia del flash y del peso del material de Finalmente, el software también permite apreciar: La pieza no tendrá defectos El flujo es adecuado El llenado de la matriz es completo Contacto entre material y matriz Falta de contacto 28

29 Resultados: corte preciso Se realizaron 4 modelizaciones Canales tipos A, C, D y E Al usar materiales de partida ajustados, el alojamiento de rebaba no influye. Canal de rebaba tipo A Canal de rebaba tipo B Canal de rebaba tipo C Canal de rebaba tipo D Canal de rebaba tipo E 29

30 Resultados: corte preciso 30

31 Análisis de los Resultados: corte preciso Del diagrama anterior se desprende que: Con un material de partida ajustado, la carga también aumenta con la longitud del flash. Dado lo acotado del material, con un largo de 4mm no sería posible llenar la cavidad de la matriz. Recordemos que Jesús del Río establece un mínimo del largo de flash según sea el diámetro o ancho de la pieza. Para un largo de flash seguro de 7,5 mm de longitud, la carga de forjado resultaría de unas 820 t (se intuye que, la pieza estudiada hubiera resultado más sensible al llenado, si su cavidad de 22 mm, hubiera sido más profunda aún). 31

32 Resultados: comportamiento de la rebaba Deformación de la rebaba en función de la geometría del canal Gradiente superior Gradiente superior La presión de contacto es mayor en el radio superior, lo cual influye sobre la velocidad de desplazamiento del material. 32

33 Resultados: comportamiento de la rebaba Deformación de la rebaba en función de la geometría del canal La velocidad de desplazamiento del material es mayor en el radio inferior, lo cual produce que la rebaba se curve hacia arriba. 33

34 Conclusiones Influencia del flash y del peso del material de Canal de rebaba tipo A Según sea el largo del flash y donde se ubique el canal de rebaba (matriz inferior o superior), la fuerza puede modificarse en forma significativa o ligera respectivamente. Canal de rebaba tipo C El canal tipo E asegura siempre una carga menor, dado que combina el menor largo de flash junto con una forma de canal donde no influye la curvatura de la rebaba. Canal de rebaba tipo E Dado la baja influencia de la forma del alojamiento de rebaba, sería conveniente utilizar la forma más económica en cuanto a mecanizado. Variables determinantes sobre la fuerza de forjado: espesor de flash, largo y ubicación en la matriz del canal de rebaba, aunque esta última en menor medida. Canal de rebaba Canal de rebaba 34

35 Conclusiones Influencia del flash y del peso del material de Se debe alcanzar un diseño equilibrado, que se adapte a la máquina de forja, que no produzca tensiones excesivas sobre las matrices, pero que alcance para obtener piezas buenas, con una superficie homogénea. Largo de flash reducido Reducción de cargas Menor presión en interior de la matriz Falta de llenado de la cavidad La geometría de pieza estudiada no resultó ser sensible a modificar significativamente el llenado, frente al cambio del peso de corte. Se intuye que a medida que las cavidades sean mas profundas, esta sensibilidad aumente. 35

36 Muchas Gracias! Av. General Paz 5445 B1650WAB San Martín Buenos Aires, Argentina (54 11)