Forjamento em Matriz Fechada: Processo, Materiais, Tolerância e Seleção de Fornecedores

O forjamento em matriz fechada cria componentes com melhor fluxo interno de grãos do que a usinagem a partir de barras e, para volumes médios a altos, o custo por peça geralmente cai abaixo das alternativas usinadas. Neste processo, o metal aquecido é pressionado em um par de matrizes que envolvem totalmente a peça de trabalho, forçando o material a preencher a cavidade a cada golpe. Depois de entender como isso altera a resistência, o desperdício de material e a velocidade de produção, você poderá tomar decisões de fornecimento mais inteligentes para eixos de engrenagem, flanges, cubos de roda e outras peças críticas. Este artigo fornece detalhes práticos, incluindo etapas do processo, opções de materiais, expectativas de tolerância e critérios do fornecedor.

Como funciona o forjamento em matriz fechada

O princípio é simples: um bloco de metal é aquecido acima de sua temperatura de recristalização, colocado em uma matriz inferior e atingido por uma matriz superior que direciona o material para o formato da cavidade. Em uma operação típica de prensa ou martelo, a sequência segue estas etapas:

1. Corte a barra ou tarugo no volume calculado e aqueça-o até a temperatura de forjamento (para aço, geralmente 1.050 a 1.250 graus Celsius; para alumínio, 400 a 500 graus Celsius).
2. Execute uma operação de pré-formação ou bloqueador para distribuir o metal em áreas de alto preenchimento.
3. Execute a matriz de acabamento para formar a geometria final; o excesso de material escapa como flash.
4. Corte o flash em uma prensa de corte e, às vezes, execute cunhagem ou dimensionamento para tolerâncias mais restritas.
5. Trate termicamente o forjado normalizando, têmpera e revenido para atender às propriedades mecânicas exigidas.

As matrizes são feitas de aço ferramenta de baixa liga, normalmente pré-endurecido, e sua geometria define ângulos de inclinação, raios e tolerância de usinagem. Como o metal flui em vez de ser cortado, as linhas de granulação seguem o contorno da peça, o que melhora a resistência à flexão e à carga de impacto. Os fabricantes com vários tamanhos de martelo, como os martelos hidráulicos elétricos de 3, 5 e 15 toneladas da ACE, podem selecionar a tonelagem certa para cada componente.

Por que o forjamento em matriz fechada é melhor que a usinagem para peças de suporte de carga

Se o seu componente suportar cargas de flexão ou fadiga, escolha um forjamento em matriz fechada em vez da usinagem a partir de barras. Cortar um formato de uma barra sólida cria uma descontinuidade onde as fibras dos grãos são cortadas, enquanto o forjamento dobra as fibras ao redor do formato da peça. O resultado prático é maior resistência à fadiga, melhor resistência ao impacto e menos falhas em serviço. Essa vantagem é mais importante para virabrequins, eixos de engrenagem, bielas e peças semelhantes. Para peças simples de baixa carga, a usinagem ainda pode ser econômica.

A utilização de materiais é outra diferença clara. Um típico forjamento em matriz fechada utiliza 80 a 90 por cento do material inicial, enquanto a usinagem a partir de barras geralmente deixa 40 a 50 por cento como cavacos, dependendo da complexidade da peça. O gráfico abaixo mostra intervalos típicos.

O gráfico mostra que o forjamento e a fundição em matriz fechada retêm a maior parte do material de entrada, enquanto a usinagem a partir de barras remove uma grande parte na forma de cavacos. Um processo de matriz fechada geralmente fica na faixa de 80 a 90 por cento porque a rebarba é aparada e reciclada. O forjamento em matriz aberta utiliza um conjunto de ferramentas mais simples, mas menos eficiência de material, uma vez que a forma é produzida através de deformação controlada e muitas vezes deixa estoque extra. A usinagem a partir da barra é menos eficiente quando um contorno complexo é criado pela subtração de material. Para ligas de alto custo, a economia de matéria-prima resultante do forjamento em matriz fechada pode compensar o investimento em ferramentas dentro de uma produção modesta. É por isso que os compradores que trabalham com aço inoxidável ou ligas de níquel costumam comparar orçamentos de forjamento com orçamentos de usinagem antes de finalizar um projeto.

Para um eixo de engrenagem, a rota fechada da matriz produz um fluxo de grãos que envolve as raízes dos dentes, proporcionando uma vantagem mensurável na fadiga por flexão.

Forjados de eixo de engrenagem de matriz fechada para equipamentos marítimos e portuários Forjados de eixo de engrenagem em liga de alta resistência com eixo integrado e design de engrenagem, adequados para resistência à corrosão por água do mar e cargas pesadas em guindastes portuários e máquinas de convés de navios. Ver Produto →

Comportamento dos custos em diferentes volumes

Ferramentas iniciais mudam o quadro de custos. Um conjunto de matrizes fechado pode custar milhares de dólares, mas o custo de forjamento por peça é baixo e estável quando a matriz é paga. A usinagem tem uma barreira de ferramentas menor, mas um custo variável por peça mais alto. O cruzamento geralmente acontece entre algumas centenas e alguns milhares de peças, dependendo da geometria e do material. O gráfico abaixo mostra a forma geral das duas curvas de custo.

O ponto de cruzamento marca o volume onde um forjamento em matriz fechada se torna mais barato por peça do que a usinagem. Antes desse ponto, a amortização da matriz faz com que o forjamento pareça mais caro; depois disso, o menor desperdício de material e o tempo de ciclo mais rápido vencem. Para uma peça simples, o crossover pode ficar em torno de 500 unidades; para um componente complexo de aço inoxidável, pode ser inferior a 300 unidades. Os compradores devem solicitar a amortização das ferramentas e o preço da peça, em vez de comparar apenas os preços unitários cotados. Muitos fornecedores de forjamento citam ferramentas separadamente, de modo que a curva de custo total é mais significativa do que um único número.

Materiais usados em forjamento em matriz fechada

A maioria das peças forjadas com matriz fechada é feita de aço carbono, liga de aço, aço inoxidável, alumínio, latão e titânio. O aço continua dominante porque combina resistência, custo e resposta previsível ao tratamento térmico. A tabela abaixo resume escolhas comuns e aplicações típicas.

Se o seu projeto utiliza aço inoxidável, o forjamento deve ser feito dentro de uma janela de temperatura específica para evitar o crescimento de grãos e a precipitação de carbonetos. Algumas classes de aço inoxidável requerem um recozimento pós-forjamento para restaurar a resistência à corrosão. Para obter os detalhes corretos do processo, consulte nosso guia em forjando aço inoxidável . Um bom exemplo é o forjamento do impulsor SS316L usado em máquinas de alimentos e rações, onde tanto a resistência à corrosão quanto a resistência ao desgaste são importantes e a rota de forjamento mantém o fluxo de grãos alinhado com o formato da lâmina.

Forjados do limpador do impulsor SS316L para otimização do fluxo de material Esses defletores de fluxo de aço inoxidável melhoram o caminho e a distribuição do fluxo em máquinas de alimentação, oferecendo resistência ao desgaste, ao calor, à corrosão e à fadiga para uma operação estável. Ver Produto →

Onde peças forjadas de matriz fechada são usadas

As peças forjadas em matriz fechada aparecem onde quer que a confiabilidade seja importante: caixas de engrenagens de turbinas eólicas, eixos de propulsão marítima, britadores, escavadeiras, válvulas de alta pressão e equipamentos de processamento de alimentos. Em turbinas eólicas, as engrenagens planetárias e solares são frequentemente forjadas para suportar cargas cíclicas por 20 anos ou mais. Na construção naval, os eixos intermediários e de popa são forjados porque um eixo quebrado é inaceitável no mar. Para mineração, os fusos do britador e os elos da escavadeira devem resistir ao impacto e à fadiga. Em plantas petroquímicas, os corpos das válvulas e os flanges enfrentam alta pressão e meios corrosivos.

É por isso que a ACE oferece linhas de produtos dedicadas para energia elétrica, máquinas navais e portuárias, mineração, petroquímica e indústrias alimentícias. Você pode revisar todo gama de produtos de forja para ver as dimensões padrão e os tipos de aço disponíveis.

Para aplicações em caixas de engrenagens de turbinas eólicas, a combinação de tamanho e carga de fadiga torna o forjamento em matriz fechada a rota preferida para engrenagens solares e transportadores planetários.

Grandes peças forjadas de engrenagem solar para turbinas eólicas em aço carburizado Engrenagens solares forjadas com precisão feitas de 18CrNiMo7-6 com alta dureza superficial e tenacidade do núcleo, projetadas para caixas de engrenagens de vários megawatts para lidar com cargas e impactos cíclicos. Ver Produto →

Tolerâncias, vida útil e limites de peças

O forjamento em matriz fechada atinge tolerâncias típicas de mais ou menos 0,5 a 1,5 mm para peças pequenas, e a faixa de tolerância aumenta com o tamanho geral. A vida útil da matriz depende da temperatura de forjamento, do material da matriz e da lubrificação. As peças de aço carbono normalmente executam de 5.000 a 15.000 peças por conjunto de matrizes, enquanto as ligas de níquel podem reduzir a vida útil da matriz para menos de 2.000 golpes. É por isso que os revestimentos das matrizes e o resfriamento adequado são essenciais em uma oficina de produção.

A vantagem do forjamento em fadiga é visível em testes de desempenho relativos. O gráfico abaixo compara a resistência à fadiga de um forjamento em matriz fechada, um componente de barra usinada e uma peça fundida.

A comparação é normalizada para um forjamento em matriz fechada em 100 pontos relativos. A usinagem a partir da barra mantém cerca de 80% desse nível porque a usinagem corta as fibras dos grãos que suportam as cargas de flexão. A fundição chega a cerca de 65%, dependendo da porosidade e dos defeitos de solidificação. Os números não são propriedades materiais absolutas; eles representam diferenças típicas no comportamento da fadiga sob o mesmo ciclo de tensão. É por isso que componentes críticos para a segurança, como juntas de direção, engrenagens e peças de guindastes, especificam uma peça bruta forjada sempre que o volume de produção justifica o ferramental.

Como selecionar um fornecedor de forjamento em matriz fechada

Olhe além da cotação mais baixa. Avalie um fornecedor em termos de utilização de material, resistência mecânica, acabamento superficial, flexibilidade de projeto e eficiência de custos em volume. O gráfico de radar abaixo compara o forjamento em matriz fechada com a usinagem de uma peça típica de suporte de carga; o polígono da matriz fechada é muito mais amplo em resistência e custo, enquanto a usinagem ganha em acabamento superficial e flexibilidade de projeto.

O gráfico de radar condensa uma comparação de processos em cinco dimensões. O forjamento em matriz fechada apresenta uma forte vantagem na utilização de materiais e na eficiência de custos em volume, razão pela qual domina as peças críticas produzidas em massa. A usinagem a partir de barras ainda ganha em termos de acabamento superficial e flexibilidade de projeto, especialmente para protótipos e pequenas quantidades. O polígono de usinagem mais estreito explica por que a resistência mecânica é menor quando o fluxo de grãos é cortado. Use esta estrutura para avaliar seus próprios requisitos: se a fadiga for crítica, o forjamento deve ter uma classificação mais elevada. Se você precisar de protótipos únicos ou mudanças rápidas no projeto, a usinagem pode ser o caminho mais seguro.

• Verifique a tonelagem do equipamento. Os tamanhos dos martelos determinam o peso máximo da peça e o curso da matriz; A ACE opera martelos hidráulicos elétricos de 3, 5 e 15 toneladas, além de laminadores de anéis de 1 e 1,5 metros.
• Procure tratamento térmico interno e usinagem de acabamento. Isto reduz o tempo de entrega e evita o manuseio duplo entre subcontratados.
• Pergunte sobre forjamento personalizado fora do padrão. Se o seu desenho estiver fora de um catálogo padrão, um fornecedor com experiência em design de matrizes personalizadas poderá otimizar a colocação do material e reduzir a margem de usinagem.
• Revise a documentação de qualidade. Confirme como o fornecedor inspeciona os primeiros artigos, controla o tratamento térmico e rastreia a rastreabilidade do material.
• Avalie a capacidade de produção. Uma planta de forjamento dedicada com capacidade em expansão suporta entrega estável de protótipos e lotes programados.