CONSIDERAŢII PRIVIND MATRIŢELE ŞI LUBREFIEREA ACESTORA LA EXTRUDAREA DIRECTĂ CU ACTIVAREA FRECĂRII

Petru MUNTEAN*, Rodica MUNTEAN**

*S.C. CIMP S.A. Baia Mare **Şc. Nr. 1 Baia Sprie

Abstract: The paper present a classification of the moulds (following different classification criteria), the form of the calibration channel and their placement in moulds both for simple and complex profiles, the materials used for the moulds manufacturing (steel, carbide insertion, diamond materials, multigranulated synthetic materials), the process of determination and calculation relations, for the right semiangle of the conic moulds and the lubricating methods of the moulds, the moulds for the aluminum extrusion when the friction forces for the direct extrusion are activated.

Cuvinte cheie: Mould, calibration channel, the proper angle of the mould, the mould’s lubricating.

Piesa cea mai solicitată la extrudare este matriţa. Ea este acea piesă prin care produsul extrudat capătăforma sa finală. În funcţie de geometria ei pot rezulta diverse profile ale produselor extrudate. De aceea atât materialele din care se fac matriţele cât şigeometria matriţelor sunt probleme intens studiate de către specialişti şi cercetători. Matriţele se clasifică după mai multe criterii dintre care amintim: [9]

- după semiunghiul conului de deformare α în:

- matriţe conice (2πα < );

- matriţe plane (2πα = );

- după numărul de canale de extrudare în: - matriţe cu un canal; - matriţe cu mai multe canale; - după forma constructivă în: - matriţe monobloc; - matriţe formate din mai multe părţi

componente, etc.

Matriţele conice, chiar dacă sunt confecţionate monobloc, au două părţi distincte:

- partea de deformare - caracterizată desemiunghiul conului de deformare α ;

- partea de calibrare - caracterizată de diametrul d şi de înălţimea h . [9]

Matriţele plane au doar partea de calibrare. Partea de calibrare a matriţei are ca mărimi

caracteristice, pe lângă diametrul d şi de înălţimea h şi semiunghiul conului de deformare α (deşi nuaparţine zonei de calibrare are influenţă asupra acesteia), precum şi raza de racordare (figura 1.a).

Figura 1. Forme ale porţiunii de calibrare a matriţelor.

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV Catedra Design de Produs şi Robotică

Simpozionul naţional cu participare internaţionalăPRoiectarea ASIstată de Calculator

P R A S I C ' 02 Vol. I – Mecanisme şi Tribologie 7-8 Noiembrie ■ Braşov, România

ISBN 973-635-064-9

Pentru extrudarea clasică, o curgere bună se asigură dacă °÷= 6045α . Cu toate acestea pentru o mai uşoară execuţie a matriţelor utilizate la extrudarea unor bare profilate se folosesc şi matriţeplane (figura 1.b). Pentru extrudarea materialelor cu deformabilitate redusă se folosesc uneori şi matriţecu dublă înclinaţie (figura 1.c). [5] Înălţimea de calibrare h se alege constructiv ( 155 ÷=h mm). Înălţimea mică contribuie la micşorarea forţei de deformare şi invers. Înălţimea mare contribuie la prelungirea durabilităţii matriţei. Uneori, la extrudarea directă (ED) şi extrudarea indirectă (EI), se construiesc matriţe cu înălţimea canalului de calibrare h mare pentru a se mări forţade frecare pe acestă porţiune în scopul micşorării eforturilor de întindere care apar în zona de deformare. S-a constatat însă că prin mărirea înălţimii peste o anumită limită ( 12>h mm) forţade frecare nu mai creşte semnificativ. De aceea, cu scopul măririi rezistenţei de înaintare a metalului prin porţiunea de calibrare, se aplică o teşire a părţii de calibrare (figura 1.d). La extrudarea cu acţiune activă a forţelor de frecare (AAFF), deşi se lucreazăcu viteze mai mari, datorită fluxului periferic, eforturile de întindere, ce apar pe suprafaţa conică amatriţei, nu sunt mai mari şi de aceea înălţimea canalului de calibrare va fi la fel ce mare ca la ED. Raza de racordare are influenţă asupra procesului curgerii şi a calităţii suprafeţei produsului extrudat. Ea se alege în funcţie de geometria matriţei şi de calitatea metalului supus extrudării. În general raza de racordare are valori mici de ordinul unităţilor sau zecilor de milimetri. S-a constatat că rezultate bune se obţin dacă se extrudează cu aceeaşi razăpentru acelaşi metal. De exemplu pentru aliajele de aluminiu se indică 21÷≈ mm, iar pentru aliajele de cupru 52 ÷≈r mm. [5]; [8];

La extrudarea profilelor complexe, pentru a se asigura o curgere uniformă a metalului prin porţiunea de calibrare se acţionează asupra înălţimii h , aceasta făcându-se variabilă, aşa cum este arătat, pentru două profile, în figura: 2.a – fără teşirea muchiilor, sau în figura 2.b - cu teşirea muchiilor.[5]

Figura 2. Porţiunea de calibrare a matriţelor pentru profile complexe.

La extrudarea prin matriţă cu mai multe canale aşezarea acestora este indicat să se facă simetric faţă de conul matriţei, astfel încât, prin această aşezare săse asigure şi o uniformizare a curgerii materialului prin container şi matriţă, aşa cum se arată în figura 3. [5]; [9];

Figura 3. Plasarea orificiilor de extrudare în matriţă.

Materialele din care se construiesc matriţele sunt impuse în special de solicitările mecanice şi termice, la care sunt supuse acestea, de viteza de lucru, geometria şi calitatea metalului produsului extrudat, de preţul de cost, etc. Pentru dimensiuni mari, din considerente economice, se utilizează oţeluri călite de scule. Pentru mărimi medii matriţele se fac din carburi sau cu inserţii de carburi. Pentru cele mai mici mărimi matriţele trebuie să aibă o duritate mare şi o rezistenţă la uzură ridicată şi de aceea se folosesc materiale diamantate.

Materialele refractare devin din ce în ce mai utilizate pe măsură ce devin mai dure, mai rezistente la uzură şi mai ieftine. De asemenea matriţele de oţel pot fi placate, pe feţele de lucru, cu materiale dure refractare pentru a combina rezistenţa la uzură aplacajelor cu tenacitatea suportului de oţel, utilizând la minim materialele refractare, care sunt mai scumpe. În plus tehnici combinate de mărirea durităţii suprafeţei prin implantări de ioni şitratamente termice cu raze laser lărgesc tot mai mult posibilităţile de alegere. Astfel pot fi prelucrate diametre din ce in ce mai mari datorită avantajelor materialelor refractare. Se descoperă, destul de des, materiale refractare cu o duritate şi o rezistenţă la uzură din ce în ce mai mare. Pentru că sunt mai ieftine decât diamantele sunt folosite pentru diametre din ce în ce mai mici. [1] În încercarea de a utiliza matriţe pentru extrudarea la preţuri de cost, pe unitatea de produs extrudat, cât mai mici, bune rezultate dau diamantele sintetice multigranulate, ele putându-se obţine la preţuri rezonabile şi pentru dimensiunile mari. Aceste matriţe, când sunt prelucrate la înclinaţia şirugozitatea cerută, au o durată de viaţă de câteva sute de ori mai mare ca matriţele obişnuite. Ele vor înlocui, în mod treptat, matriţele din carburi sau

diamante naturale. După ce faţa conică a matriţei s-a uzat ea este din nou prelucrată pentru a i se reface geometria şi utilizată în continuare. Dacă porţiunea cilindrică a canalului de calibrare s-a uzat matriţaeste prelucrată crescându-se diametrul pânădiametrul următor, la care se face extrudare şi se utilizează mai departe. În procesul de întreţinere a matriţelor se utilizează echipamente speciale. [1]; [9] La extrudarea directă cu acţiune activă a forţelor de frecare (EDAAFF), datorită faptului că matriţele au diametrul exterior egal cu diametrul containerului şi în consecinţă au secţiunea transversală mai micădecât la extrudarea clasică, materialele din care se confecţionează trebuie să aibă calităţi mecanice superioare celor de la extrudarea clasică. Datorităfaptului că la EDAAFF matriţa, în timpul extrudării, intră în container, suportul matriţei, având secţiunea transversală mică şi raportul dintre lungime şidiametru mare, trebuie să fie confecţionat din oţeluri rezistente la compresiune şi flambaj. La extrudarea la rece a aluminiului şi a aliajelor pe bază de aluminiu se folosesc, de obicei, trei tipuri de matriţe plane redate în figura 4. [4]; [9]

Figura 4. Matriţe utilizate la extrudarea aluminiului şi a aliajelor de aluminiu.

a) matriţă solidă; b) matriţe cu suport şi cuzinet; c) matriţele canelate orizontal.

1 – matriţă; 2 – cuzinet; 3, 4 – elemente de intercalare; 5 – suport; 6- susţinător; 7 – suportul

monobloc; 8 – inel de reducere.

Matriţele solide (figura 4.a) sunt de obicei mai economicos de confecţionat. Ele se construiesc cu câte o cavitate la fiecare capăt, astfel încât pot fi întoarse când un orificiu se fisurează sau se uzează.Matriţele cu suport şi cuzinet (figura 4.b) se folosesc la presiuni de extrudare foarte mari. Acest tip de matriţă constă dintr-unul sau mai multe inele (suporţi) de reducere 5, un cuzinet 2 placat cu materiale rezistente la uzură (diamantate, refractare sau diamante sintetice) şi un element de intercalare 3, 4. Cuzinetul este pretensionat, cu ajutorul

elementului de intercalare, în suport până când se ajunge la o presiune de pretensionare egală cu presiunea de extrudare din timpul lucrului. Matriţele canelate orizontal (figura 4.c) sunt confecţionate din patru părţi componente: un inel de reducere 8, un cuzinet 2, un inel de intercalare 3 şi un suport. Suportul matriţei poate fi dintr-o bucată 7 sau din două bucăţi: un suport 5 şi un susţinător 6. [1]; [4] Comparate cu cavităţile matriţelor folosite la extrudarea aluminiului şi a aliajelor pe bază dealuminiu, cavităţile matriţelor pentru oţeluri, sunt mai adânci reflectând diferenţa majoră între caracteristicile mecanice ale celor două metale, în special a limitei de curgere 0σ . [9]

Un parametru foarte important, la matriţele conice, este semiunghiul conului de deformare α .Se doreşte ca să se lucreze cu matriţe având semiunghiul egal cu 0α , care este semiunghiul optim al matriţei, adică semiunghiul la care presiunea de extrudare are valoare minimă. El depinde de gradul de reducere şi de condiţiile de frecare. Semiunghiul optim al conului de deformare al matriţelor 0α se poate determina, la orice tip de extrudare, atât experimental cât şi teoretic.

Experimental, pentru EDAAFF, 0α se poate determina astfel:

1) se ia un set de matriţe conice, ale căror semiunghiuri α variază de la valori foarte mici la valori foarte mari, confecţionate din acelaşi material şi având aceleaşi condiţii de prelucrare (frecare) şiacelaşi diametre: de intrare D şi ieşire d (acelaşiraport de reducere);

2) se extrudează direct cu AAFF bare din acelaşimaterial, având aceeaşi temperatură, dimensiuni şicondiţii de suprafaţă.

Valoarea lui α pentru care presiunea de extrudare p este minimă este 0α .

Teoretic, pentru EDAAFF, valoarea lui 0α se poate determina în mai multe moduri:

1) prin încercări succesive în relaţiile presiunii de extrudare, pentru fiecare tip de extrudare în parte, introducând peα cu diferite valori (de exemplu din grad în grad) obţinem valorile presiunii de extrudare. Valoarea lui α pentru care presiunea de extrudare p este minimă este 0α .

2) prin derivarea relaţilor presiunii de extrudare şi egalarea derivatei cu 0 se obţin ecuaţii transcedente în α a căror rezolvare se face prin aproximări succesive. În ambele cazuri, atunci când se cunosc coeficienţii şi factorii de frecare: dintre container şisemifabricat µ , m şi dintre matriţă şi metal `µ , `m

şi dacă aceştia au valori apropiate, adică `µµ ≅ şi`mm ≅ , se va porni de la cea mai mică dintre

următoarele valori ale lui α :

⋅⋅=

dDm ln

23α (1)

- obţinută la calculul lui m pentru valori mici

ale lui α ;

⋅⋅=

dDln6,2 µα (2)

- valoarea lui α pentru extrudarea directă;

⋅⋅+

−=

dDm ln32

21arcsinα (3)

- obţinută prin determinarea presiunii relative

minime folosind metoda discontinuităţii vitezelor şiînlocuirea suprafeţelor sferice cu suprafeţe plane, pentru `mm ≅ .

Toate valorile lui α din relaţiile (1), (2) şi (3) sunt valori aproximative ale lui 0α .

3) prin trasarea graficului presiunii relative în funcţie de α . Unghiul 0α se obţine prin citirea sa de pe grafic la presiunea relativă minimă: (figura 5).

Figura 5. Determinarea lui 0α prin citirea de pe graficul presiunii relative.

Valoarea lui 0α este foarte importantă deoarece,

când unghiul real este mai mic sau nu cu mult mai mare decât 0α , curgerea metalului prin matriţă este stabilă. Când unghiul matriţei este cu mult mai mare decât 0α se formează zona moartă, din metal care

aderă la matriţă şi rămâne imobilizat pe pereţii acesteia. În acest caz deformarea se va face la un unghi 0αα = , dar pe această suprafaţă metalul se va forfeca şi valoarea coeficientului de frecare `m va fi maximă ( 1=̀m ). Datorită acestui fenomen în produsul extrudat apar defecte iar presiunea de extrudare va creşte.

O problemă importantă, atât pentru uzura matriţelor cât şi pentru micşorarea presiunii de extrudare şi îmbunătăţirea calităţii suprafeţei produsului extrudat, este lubrefierea matriţei. Extrudarea fără lubrefierea matriţei duce la uzura excesivă a acesteia astfel încât după câteva treceri nu se mai poate face o extrudare corespunzătoare. [10]

Pe de altă parte coeficientul sau factorul de frecare fiind mari, forţa de extrudare creşte necesitând utilaje mai mari. Lubrefierea matriţei fiind astfel necesară. Prin lubrefiere se îmbunătăţeşte curgerea metalului şi scade forţa de extrudare F .

La extrudarea clasică prin matriţă plană lipsa părţii conice a matriţei poate fi înlocuită cu diverse materiale, ca de exemplu la procedeul UGINE – SEJURNET folosit la extrudarea directă (ED), când pentru extrudarea oţelurilor şi a altor metale, care se extrudează la o temperatură mai mare sau apropiatăde cea a oţelurilor, “partea conică” a matriţei este formată din praf de sticlă presat pe matriţă. Alte materiale folosite pentru lubrefierea matriţelor sunt: grafitul, praful de cretă, uleiurile minerale, etc.

La extrudarea directă cu acţiune activă a forţelor de frecare prin matriţă plană a oţelurilor şi a altor metale şi aliaje care se extrudează la o temperaturămai mare sau apropiată de cea a oţelurilor, “partea conică” a matriţei se poate face prin introducerea prafului de sticlă presat pe matriţă astfel încât în zona moartă să nu avem metal, iar contactul dintre metal şi praful de sticlă să se facă pe suprafaţaconică a zonei moarte (unghiul 1α ) ca şi la procedeul UGINE – SEJURNET de la ED, figura 6:

Figura 6. “Matriţă” din praf de sticlă pentru EDAAFF prin matriţă plană. [7]; [9]

“Matriţa” va fi formată din praful de sticlăpresat, care la contactul cu metalul cald se va topi formând o peliculă de sticlă topită între metal şipraful netopit. Praful se va topi în continuare evitând contactul metalului cu matriţa şi ferind-o de uzură.Deformarea metalului se va face, respectând legea rezistenţei minime, întotdeauna pe suprafaţa decontact dintre praful de sticlă şi metal. Cantitatea de praf de sticlă care se consumă va fi refăcută după unanumit număr de treceri. Acest număr se poare determina experimental sau teoretic, considerând căpe suprafaţa produsului extrudat se află un strat de sticlă topită de grosime egal cu maxim 1 mm. Deoarece la EDAAFF forţa de frecare CF ,dintre container şi semifabricat, este o forţă activă şicând se doreşte ca ea să aibă o valoare ridicată,semifabricatul nu se va acoperi cu strat de sticlă, ca la procedeul UGINE – SEJURNET, pentru a nu micşora coeficientul de frecare şi implicit forţa defrecare CF .

Pentru a micşora forţa de frecare de tip rezistiv, dintre container şi “matriţa” de praf de sticlă, acesta poate fi pus într-o piesă de tip cilindru gol (bucşă) cu pereţi subţiri având înălţimea egală cu cea a unei matriţe conice care are semiunghiul de conicitate αegal cu unghiul optim al matriţei 0α (figura 6).

La EDAAFF prin matriţă conică lubrefierea acesteia se poate face cu ulei mineral sub presiune introdus prin matriţă. Matriţa se poate face concavăca în figura 7. Grosimea stratului de ulei, ca şi aprafului de sticlă, poate să fie de maxim 1 mm. [1]; [10]

Figura 7. Lubrefierea matriţei la EDAAFF cu ulei sub presiune, introdus prin matriţă. [7]; [9]

Presiunea uleiului trebuie foarte bine aleasă. Ea trebuie să fie apropiată de presiunea de deformare din zona matriţei. Dacă presiunea este prea micăuleiul este împiedicat să ajungă pe pereţii matriţei. Dacă presiunea este prea mare straturi de ulei pot ajunge în produsul extrudat provocându-i defecte de suprafaţă.

Tot la EDAAFF prin matriţă conică se poate folosi ca lubrefiant praful de sticlă. După fiecare trecere pereţii matriţei se vor acoperi cu un strat de praf de sticlă presat, corespunzător temperaturii de extrudare. Astfel pe timpul extrudării partea superioară a stratului de praf se va topi asigurând lubrefierea. Stratul de praf de sticlă va trebui să aibăo grosime astfel încât produsul extrudat să aibă petoată suprafaţa lui o grosime de maxim 1mm. Fubrefierea matriţei duce la:

- micşorarea forţei de frecare rezistivă dintre metal şi matriţă mF şi implicit a forţei totale de extrudare F ;

- înlocuirea tensiunilor suplimentare de întindere, datorate frecării rezistive dintre metal şimatriţă, cu cele de compresiune, realizate prin curgerea periferică;

- uniformizarea vitezei de curgere a particulelor; - micşorarea temperaturii metalului în zona de

deformare şi a temperaturii produsului extrudat; - îmbunătăţirea calităţii suprafeţei produsului

extrudat, etc.

BIBLIOGRAFIE 1. Avitzur, B. Handbook of Metal-Forging

Processes. A. Wilei – Intensience Publication, New York, 1989.

2. Berejnoi, L. ş.a. Pressavanie s activnăm desviem sil trenia. Ed. Metallurghia, Moscova, 1988.

3. Canta, T. ş.a. Consideraţii privind utilizarea frecării ca forţă activă la extrudare. A VII –a Conferinţă Naţională “Tehnologii şi Utilaje pentru Prelucrarea Metalelor prin Deformare plastică la rece”, pag 11-12, 85-91, mai 200.

4. David, J.R. Aluminium and Aluminium Alloys.ASM International, Metal-Park Ohio 44073004, 1996.

5. Drăgan, I. Tehnologia deformărilor plastice.EDP Bucureşti, 1976.

6. Laue, K. ş.a. Extrussion. American Societty for Metal – Park Ohio, 1981.

7. Muntean, P. Direcţii de cercetare şi metode experimentale privind deformarea plasticăînsoţită de frecare. Referat II la Teza de Doctorat, Cluj-Napoca, Oct. 1995.

8. Muntean, P. Influenţa condiţiilor de deformare asupra calităţii produselor deformate în condiţiile activării frecării. Referat III la Teza de Doctorat, Cluj-Napoca, Apr. 1996.

9. Muntean, P. Cercetări privind utilizarea forţei de frecare ca forţă activă în procesele de deformări plastice. Teză de doctorat, Cluj-Napoca, 2001.

10. Schey, A.J. Tribologi in Metalworking.American Society for Metals, Metal-Park, Ohio, 1984.

11. Sellars, C. ş.a. Woked Examples in Metalworking. London, 1985.

12. Wagener, H. Friction in Forging of Steel.Proceedings of the 9 – th Inteernational Cold Forging Congres, Solihull, U.K., 1995.