Guia de forjamentos de matriz aberta: planejamento de processo, tolerâncias, custos e prazo de entrega

O eixo principal de um britador cônico de 12 toneladas começa a vida como um lingote de 18 toneladas, e a primeira decisão que um comprador enfrenta não é a tolerância de usinagem, mas sim como o metal será moldado. As peças forjadas em matriz aberta resolvem esse problema para a maioria das peças grandes, de baixo volume e de alta integridade, porque a peça quente é trabalhada entre matrizes planas ou de contorno simples que nunca a envolvem totalmente. O metal pode fluir livremente lateralmente e a forma é construída ao longo de uma série de passagens, em vez de pressionada de uma só vez. Essa única característica decide a faixa de tamanho que você pode comprar, as ferramentas pelas quais você paga, as tolerâncias realistas e quanto metal resta para a oficina mecânica. Este guia explica o processo, compara-o de forma justa com o trabalho de matriz fechada e mostra os números que importam quando você libera um pedido de compra.

Forjamentos em matriz aberta explicados em termos práticos

O forjamento em matriz aberta, também chamado de forjamento livre, usa um martelo ou prensa com matrizes planas, em forma de V ou de contorno simples. Um operador ou manipulador gira e reposiciona a peça entre golpes, de modo que a geometria final é desenvolvida em etapas. As operações do núcleo são recalque, que reduz a altura e aumenta o diâmetro, denteamento ou trefilação, que reduz a seção transversal e aumenta o comprimento, além de perfuração, puncionamento e expansão do anel em um moinho de anéis. Os produtos típicos são eixos, discos, anéis, blocos, buchas e eixos escalonados que podem atingir vários metros de comprimento. Como as matrizes são simples e geralmente compartilhadas entre vários números de peças, o investimento em ferramentas permanece baixo, e esse é o principal motivo pelo qual o forjamento em matriz aberta continua sendo a rota padrão para peças pesadas únicas e em pequenos lotes. A compensação é o controle dimensional: como as tolerâncias forjadas são maiores do que as matrizes fechadas, os desenhos normalmente carregam uma tolerância de usinagem e a oficina corta a peça no tamanho final posteriormente.

Forjamento em matriz aberta versus forjamento em matriz fechada

Comece com a regra de decisão. Se a peça for grande, encomendada em pequenas quantidades e destinada de qualquer maneira à oficina mecânica, o forjamento em matriz aberta é quase sempre o caminho mais barato. Se a peça for compacta, necessária em dezenas de milhares e usada próximo ao formato final, o forjamento em matriz fechada vence. A tabela abaixo resume as diferenças que motivam essa escolha.

O gráfico de radar pontua ambos os processos de 0 a 100 em cinco critérios de compra, onde uma pontuação mais alta sempre significa um resultado melhor para o comprador. O forjamento em matriz aberta leva em consideração a capacidade de tamanho, custo de ferramentas e variedade de materiais, porque matrizes simples lidam com grandes seções transversais e ligas incomuns sem ferramentas dedicadas. O forjamento em matriz fechada assume os eixos de precisão e volume, uma vez que as matrizes de impressão controlam a forma em um único golpe e o custo do ferramental é distribuído por lotes muito grandes. Os dois contornos se cruzam no meio, e esse cruzamento é a razão prática pela qual muitas fábricas usam ambas as rotas, matriz fechada para peças compactas de alto rendimento e matriz aberta para eixos, anéis e discos grandes. Como regra aproximada de compra, uma peça mais pesada que cerca de 500 kg ou mais larga que cerca de 600 mm quase sempre cai no lado da matriz aberta desse cruzamento. As pontuações são indicadores relativos e não especificações, portanto, confirme os limites reais do equipamento de uma forja específica antes de divulgar um desenho.

Fluxo de grãos, taxa de redução e as propriedades pelas quais você paga

O forjamento muda mais do que a geometria. Ele quebra a estrutura fundida do lingote, fecha a porosidade interna e alinha as inclusões ao longo da direção do fluxo do metal, razão pela qual um eixo forjado supera um equivalente fundido ou simplesmente usinado em fadiga e impacto. O número chave é a taxa de redução, calculada como a área da seção transversal inicial dividida pela área da seção transversal acabada. As especificações de equipamentos de energia, offshore e de pressão geralmente exigem um mínimo de 3:1, e aplicações exigentes exigem 4:1 ou mais. A questão útil é saber onde é que a redução adicional deixa de se compensar.

O gráfico de linhas representa a resistência relativa ao impacto e a resistência à tração em relação à taxa de redução do forjamento, com uma linha de base fundida de 100. Ambas as curvas sobem acentuadamente entre 1:1 e 3:1, a faixa onde a porosidade é fechada e a estrutura fundida grosseira é substituída por um grão mais fino e uniforme. Entre 3:1 e 4:1 a melhoria continua, mas a um ritmo muito mais lento, e depois de 5:1 as linhas ficam quase planas. Em termos comerciais, pagar por uma redução de 5:1 numa peça que será maquinada até uma fração da sua secção transversal acrescenta custos sem um ganho de propriedade mensurável. As duas curvas também mostram porque a taxa de redução deve ser especificada juntamente com a direção do fluxo dos grãos, porque as propriedades longitudinais melhoram mais rapidamente do que as transversais. Uma abordagem prática é definir a relação mínima entre a fadiga ou o requisito de pressão no projeto e, em seguida, deixar a forjaria selecionar o cronograma de passagem que atenda a ela.

Materiais, tratamento térmico e forjado versus fundido

Aços-liga como 42CrMo4 e 34CrNiMo6 cobrem a maioria dos eixos, engrenagens e anéis, e os tipos de aço inoxidável são escolhidos quando a corrosão ou a higiene são importantes. Nos serviços de alimentos, rações, bombas e marítimos, o SS316L é comum para impulsores e limpadores, enquanto o SS420 é usado para anéis de desgaste e outras peças resistentes à abrasão. O trabalho em aço inoxidável é menos indulgente no forno, portanto o aquecimento e o resfriamento devem ser controlados para evitar sensibilização e formação de fases indesejadas, e a mesma disciplina descrita neste guia para forjar peças forjadas de aço inoxidável também determina quanta limpeza de usinagem será necessária posteriormente. O tratamento térmico após o forjamento, seja normalização, têmpera e revenido ou recozimento em solução, é o que finalmente fornece as propriedades mecânicas, portanto a especificação deve indicar a condição, a posição da amostragem e o padrão de teste, em vez de apenas um número de dureza.

O gráfico de barras mostra um índice relativo de propriedades para peças forjadas em matriz aberta em comparação com peças fundidas da mesma liga, com a fundição definida em 100. A resistência à fadiga e a solidez interna mostram os maiores ganhos, que é exatamente o que você esperaria quando a porosidade fosse fechada e o fluxo dos grãos estivesse alinhado com o caminho da carga. A resistência ao impacto e a resistência à tração também melhoram, embora por uma margem menor. A razão pela qual as barras de fadiga e de integridade são muito mais longas é que as peças fundidas retêm a porosidade de contração e os dendritos grosseiros que atuam como locais de iniciação de trincas sob carregamento cíclico. Vale a pena notar que o índice descreve o comportamento típico em vez de uma proporção garantida para uma classe específica, e a vantagem diminui quando uma peça fundida recebe um tratamento térmico completo e um exame não destrutivo completo. Use a comparação para justificar a rota do processo em uma revisão de projeto e, em seguida, confirme as propriedades reais com os resultados dos testes do fornecedor de forjamento.

Para onde vão o prazo de entrega e o custo

Em um grande eixo forjado com matriz aberta, o ferramental raramente é o item de maior custo porque as matrizes são simples e muitas vezes já estão na oficina. O peso do material, o número de passes de forjamento, os ciclos de tratamento térmico, a margem de usinagem e os requisitos de inspeção determinam o preço. O lead time se comporta da mesma maneira: a maior parte das semanas é passada antes e depois do martelo, e não sob ele. O gráfico abaixo mostra uma avaria típica para um eixo na faixa de 2 a 5 toneladas.

O gráfico de colunas divide um prazo de entrega típico de nove semanas em cinco estágios, e o padrão muitas vezes surpreende os compradores que esperam que o forjamento seja o gargalo. A preparação de ferramentas e acessórios leva cerca de duas semanas, o aquecimento e o forjamento apenas cerca de uma semana e meia, e o tratamento térmico outras duas porque uma seção grande precisa de taxas controladas de aquecimento e resfriamento. A usinagem de desbaste consome o maior bloco individual em duas semanas e meia, enquanto a inspeção final, o teste ultrassônico e a documentação levam cerca de uma semana. A mensagem de planejamento é direta: economiza-se dinheiro e tempo reduzindo a margem de usinagem e simplificando a rota de tratamento térmico, e não pressionando a forja para obter um martelo mais rápido. Quando o cronograma do projeto estiver apertado, reserve antecipadamente a capacidade do forno de tratamento térmico e as ranhuras de usinagem, porque esses dois estágios são os menos flexíveis. Confirme também se o prazo de entrega cotado começa a partir da aprovação do desenho ou da chegada do material, já que essa diferença por si só pode atrasar a data de entrega em semanas.

Aplicações que dependem de peças forjadas em matriz aberta

A geração de energia é o maior consumidor de peças forjadas pesadas em matriz aberta. As caixas de engrenagens de turbinas eólicas na classe de 3 MW a 10 MW usam transportadores planetários forjados, engrenagens planetárias, engrenagens solares e engrenagens anelares, usinas hidrelétricas usam palhetas guia e eixos de gerador, e estações nucleares usam peças de ilha convencionais, bicos de tubulação e placas de tubos. Em cada caso, a peça está relacionada à segurança, é inspecionada por testes ultrassônicos e espera-se que sobreviva a décadas de carregamento cíclico.

Forjados do portador do planeta da turbina eólica 3MW-10MW Fabricante chinês de peças forjadas para transportadores planetários de turbinas eólicas Ver Produto →

As máquinas marítimas e portuárias dependem de eixos e mecanismos de direção forjados. Eixos de hélice, eixos intermediários, eixos de popa, coronhas de leme e pinos de leme são produzidos por forjamento em matriz aberta porque combinam uma grande seção transversal com um ciclo de trabalho crítico de fadiga e porque as sociedades de classificação exigem fluxo de grãos documentado e resultados de testes.

Forjados de eixo de hélice Como um componente central forjado, o eixo da hélice (referindo-se especificamente aos eixos da hélice marítima) serve como uma peça forjada chave para hélices, utilizada principalmente em c... Ver Produto →

A mineração e a metalurgia funcionam com impacto. Os eixos principais do britador cônico, os blocos de cilindros do rompedor hidráulico, as carcaças dos rolamentos do moinho, os eixos dos rolos e os rolos de endireitamento são peças típicas de matriz aberta, geralmente em liga de aço com uma zona de trabalho temperada ou com superfície tratada. Os compradores petroquímicos especificam uma rota semelhante para corpos de válvulas, dispositivos de prevenção de explosão, suportes de mandril e chapas de tubos, onde a retenção de pressão e o serviço de hidrogênio geralmente determinam o nível de inspeção. Um fornecedor que cobre forjamento, tratamento térmico, usinagem, soldagem e acabamento superficial elimina muitos riscos de coordenação, e nossa linha completa de componentes forjados é organizada por indústria para que uma peça possa ser adaptada rapidamente a uma aplicação.

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Como especificar peças forjadas em matriz aberta em uma RFQ

Uma consulta que obtém uma resposta rápida e comparável contém os seguintes itens.

1. Um desenho da peça acabada mais um desenho de forjamento separado mostrando a margem de usinagem e as linhas de partição.
2. Classe do material, padrão do material e quaisquer alternativas aceitáveis.
3. Taxa de redução mínima e direção de fluxo de grãos necessária.
4. Condição de tratamento térmico com requisitos de teste mecânico, posição de amostragem e padrão de teste.
5. Requisitos de exame não destrutivo, normalmente testes ultrassônicos com nível de aceitação.
6. Condição de entrega: forjado, usinado em bruto ou acabado e pintado.
7. Quantidade, data prevista de entrega e se é necessária a aprovação do primeiro artigo.

O forjamento em matriz aberta continua sendo o caminho prático para peças metálicas grandes, de baixo volume e de alta integridade, e a decisão de compra geralmente se resume ao peso, ao tamanho do lote e à quantidade de usinagem planejada. Obtenha a taxa de redução, a condição do tratamento térmico e o nível de inspeção diretamente na especificação e o processo fornecerá uma peça com fluxo contínuo de grãos e propriedades previsíveis. Deixe-os vagos e o custo extra reaparecerá mais tarde como retrabalho, barras de teste rejeitadas ou atraso na data de entrega. Use as comparações neste guia como ponto de partida para essa conversa com seu fornecedor de forjamento.