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Aumentar a vida útil da matriz de extrusão a frio: Estratégias-chave

Última atualização:
19 de abril de 2024
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Índice

Da análise efectuada, é evidente que as condições de trabalho das matrizes de extrusão a frio são extremamente duras, o que conduz a uma vida útil curta. Isto é particularmente verdade para as matrizes utilizadas na extrusão a frio de materiais de aço. Por conseguinte, para promover o desenvolvimento da tecnologia de extrusão a frio, a investigação aprofundada sobre o tempo de vida útil das matrizes de extrusão a frio é uma questão fundamental.

Existem principalmente dois aspectos para prolongar a vida útil das matrizes de extrusão a frio:

Redução da força de extrusão unitária

a) Seleção do método de deformação adequado

Quando uma peça pode ser formada utilizando diferentes métodos de extrusão, deve ser escolhido o método com a força de extrusão unitária mais baixa. Por exemplo, a utilização de um eixo de processo para converter a extrusão simples direta ou indireta em extrusão composta é uma medida eficaz para reduzir a força de extrusão unitária e prolongar a vida útil da matriz.

Durante a moldagem por extrusão, a direção da resistência à fricção é sempre oposta à direção do fluxo do metal. Por conseguinte, os métodos de extrusão apresentados na Figura 9-15 podem ser utilizados para reduzir a força de extrusão unitária.

Figura 9-15: Extrusão usando força de atrito
Figura 9-15: Extrusão usando força de atrito

a) extrusão direta, e b) extrusão indireta.

Os componentes são numerados da seguinte forma:

1 - Soco
2 - Cilindro de extrusão
3 - Peça extrudida
4 - Morre
5 - Haste ejectora

b) Seleção do grau de deformação adequado

Na produção real, para aumentar a produtividade e reduzir o número de operações de deformação, é frequentemente adotado o método de aumentar o grau de deformação, o que é inadequado. Isto aumenta inevitavelmente a força de extrusão da unidade, levando a uma falha precoce da matriz. Por conseguinte, durante a conceção do processo, o grau de deformação permitido deve ser rigorosamente controlado.

c) Utilizar a forma óptima da ferramenta

Independentemente de se tratar de uma matriz de extrusão direta ou indireta, deve existir uma forma óptima que minimize a força de extrusão unitária. Por conseguinte, na produção real, a simulação numérica do fluxo de metal deve ser utilizada para encontrar a forma ideal da matriz para reduzir a força de extrusão unitária e prolongar a vida útil da matriz.

d) Escolher a forma correcta do bloco

Os dados disponíveis indicam que a utilização de uma forma razoável do material em bruto pode reduzir a força de extrusão unitária. Por conseguinte, os esboços utilizados para a extrusão a frio não são retirados diretamente da matéria-prima cortada, mas são processados através de uma operação de pré-forma.

e) Pré-tratamento rigoroso do produto em bruto

Um tratamento razoável de recozimento e lubrificação da superfície da peça em bruto antes da extrusão a frio pode reduzir significativamente a força de extrusão da unidade. Por exemplo, na extrusão a frio de materiais de aço, a força de extrusão será diferente em cerca de metade, dependendo se o tratamento de fosfatização é utilizado antes da extrusão.

Aumentar a resistência do molde aos danos

(1) Melhoria da qualidade dos materiais de moldagem e desenvolvimento de novos materiais

Melhorar a qualidade dos materiais de molde existentes e desenvolver novos materiais são métodos fundamentais para prolongar a vida útil do molde.

1) A principal forma de melhorar a qualidade dos materiais para moldes é exigir que as fábricas metalúrgicas melhorem a sua qualidade metalúrgica. Isto requer não só a garantia da composição química do aço, mas também a pureza e a uniformidade do aço para moldes. Para os fabricantes, é essencial reforçar a inspeção das matérias-primas e adotar atempadamente algumas medidas de processo eficazes para melhorar a qualidade dos materiais de molde.

2) Nos últimos anos, foram feitos progressos significativos no desenvolvimento de novos materiais de molde, tanto a nível nacional como internacional. Foram desenvolvidos numerosos materiais de molde inovadores, tais como novos aços rápidos, ligas duras ligadas a aço, aços de base e materiais cerâmicos, proporcionando pré-requisitos favoráveis para aumentar a resistência do molde e prolongar a sua vida útil.

No entanto, é crucial compreender plenamente as propriedades destes novos materiais e escolhê-los corretamente com base em condições de trabalho específicas para evitar uma utilização incorrecta, que poderia resultar em resíduos graves e em efeitos de utilização potencialmente insatisfatórios.

(2) Seleção correcta dos materiais do molde

Escolher corretamente o material de molde adequado com base nas condições de trabalho do molde de extrusão a frio é uma medida fundamental para prolongar a vida útil do molde e reduzir os custos. Portanto, as duas questões seguintes devem ser consideradas ao selecionar os materiais do molde.

1) A seleção dos materiais do molde deve basear-se nas condições de trabalho do molde. As condições reais de trabalho dos moldes de extrusão a frio variam frequentemente e os modos de falha não são completamente os mesmos. Se o molde falha principalmente devido ao desgaste, não é necessário escolher materiais de molde de alta resistência; em vez disso, devem ser escolhidos materiais de molde com alta resistência ao desgaste.

Se o molde estiver sujeito a grandes forças excêntricas e falhar principalmente por rotura (como os moldes de perfuração), devem ser escolhidos materiais de molde com elevada resistência. A experiência mostra que, se o material de molde selecionado não puder cumprir os requisitos de utilização em alguns aspectos, pode encurtar a vida útil do molde e causar falhas precoces.

2) A seleção dos materiais de molde deve também ter em conta os benefícios económicos. Como é sabido, os preços dos materiais de moldagem são geralmente bastante elevados, especialmente para alguns materiais de moldagem avançados. Por conseguinte, ao selecionar os materiais de molde, é necessário escolher materiais de molde mais acessíveis, tanto quanto possível, satisfazendo os requisitos de utilização, e evitar absolutamente a má utilização arbitrária de materiais de molde avançados.

(3) Conceção de uma estrutura de moldes razoável

Uma estrutura de molde razoável é uma medida importante para melhorar a capacidade de carga do molde e prolongar a sua vida útil. Em resumo, os seguintes pontos devem ser considerados.

1) Assegurar que o molde tem resistência suficiente, rigidez, fiabilidade e bom desempenho de orientação.

2) Evitar, tanto quanto possível, formar uma estrutura de molde com grandes concentrações de tensão. Por exemplo, as peças de transição devem ser concebidas com um raio de filete suficientemente grande; devem ser adoptadas estruturas divididas para as peças da cavidade do molde que são propensas a fissuras, etc.

3) Devem ser escolhidos diferentes métodos de otimização com base no tipo de material de matriz utilizado. Por exemplo, quando se utilizam ligas duras ou ligas duras ligadas a aço para o molde, o projeto de otimização deve visar uma tensão de tração zero na parede interna do molde.

Quando se utiliza aço para ferramentas para o molde, tanto o molde como o material do anel pré-tensionado devem render simultaneamente como função alvo para o design de otimização. Desta forma, o potencial do material do molde pode ser totalmente utilizado.

4) Adotar novas estruturas de molde comprovadas. Por exemplo, a utilização de um molde de enrolamento de tiras de aço ou de um molde de enrolamento de arame pode assegurar uma elevada resistência do molde, reduzindo simultaneamente o seu tamanho e peso; a utilização de um molde combinado por etapas pode suportar uma pressão interna radial superior à de um molde combinado de boca plana da mesma dimensão.

(4) Adoção de um processo de forjamento razoável

A distribuição e a forma dos carbonetos no aço para moldes têm um impacto decisivo nas suas propriedades mecânicas; e a deformação por forjamento é o principal método para quebrar os carbonetos em blocos e em forma de banda no aço, distribuindo-os uniformemente como partículas minúsculas para eliminar a anisotropia do material e melhorar a qualidade interna.

Embora os materiais de molde fornecidos pelas siderurgias tenham sido submetidos a um certo grau de processamento sob pressão, não podem satisfazer os requisitos de utilização e têm de ser forjados de novo. Ao forjar novamente o aço para moldes, devem ser observadas as seguintes questões.

1) Compreender perfeitamente que o principal objetivo do refundição de materiais de molde é melhorar as propriedades mecânicas e só em segundo lugar alterar a forma.

2) Preste especial atenção às diferenças entre os materiais do molde de forjamento e os materiais gerais de forjamento, e cumpra rigorosamente as especificações do processo de forjamento dos materiais do molde.

3) Para quebrar totalmente os carbonetos e dispersá-los uniformemente, deve ser adoptada uma relação de forjamento elevada e um método de extrusão multidirecional para forjar.

(5) Adoção de um processo de tratamento térmico razoável

De acordo com as estatísticas nacionais e internacionais sobre falhas precoces de moldes, a maior proporção de falhas precoces de moldes é causada por processos de tratamento térmico não razoáveis. A experiência mostra que o processo de tratamento térmico do molde é um dos meios importantes para melhorar as propriedades mecânicas dos materiais do molde.

Para garantir que o molde tem elevada resistência, dureza, resistência ao desgaste e dureza térmica, devem ser adicionados processos de tratamento térmico de reforço da superfície, para além dos métodos de tratamento térmico de têmpera e revenido. Isto pode aumentar significativamente a dureza, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga da superfície de trabalho do molde. Atualmente, são utilizados os seguintes processos de tratamento térmico de reforço da superfície para o aço para moldes de extrusão a frio.

1) Carbonitretação

A infiltração simultânea de carbono e azoto na superfície do aço é designada por carbonitretação. Pertence a um tipo de tratamento térmico químico de co-infiltração de vários elementos.

A carbonitretação tem várias vantagens em relação à cementação.

① A superfície da camada infiltrada tem maior dureza e resistência ao desgaste do que o aço cementado, bem como certa dureza térmica e resistência à corrosão.

② O azoto dissolvido na austenite aumenta a estabilidade da austenite sobrearrefecida, melhorando assim a temperabilidade da camada infiltrada.

③ A introdução de azoto pode baixar a temperatura a que se forma a austenite, evitando o engrossamento do grão.

④ A deformação da carbonitretação é menor do que a da cementação.

Devido à série de vantagens mencionadas acima, a carbonitretação está atualmente a substituir a cementação no processo de tratamento térmico de reforço da superfície dos moldes.

Os processos de carbonitretação podem ser divididos em carbonitretação sólida, líquida e gasosa, consoante o estado dos materiais utilizados. A carbonitretação com cianeto tem vindo a ser progressivamente eliminada nos últimos anos devido à sua elevada toxicidade. A carbonitretação gasosa, por outro lado, não é tóxica, proporciona boas condições de trabalho, é fácil de operar e fácil de controlar. Por conseguinte, a carbonitretação gasosa é atualmente muito utilizada.

2) Nitrocarbonetação a gás

Refere-se a um tipo de carbonitretação a gás que envolve principalmente a infiltração de azoto realizada a temperaturas abaixo da temperatura eutéctica do sistema ternário Fe-C-N. A superfície do molde após a nitrocarbonetação gasosa tem maior resistência, resistência ao desgaste e resistência à fadiga. Atualmente, este processo de tratamento térmico de reforço da superfície começou a ser utilizado em moldes de extrusão a frio e tem obtido bons resultados.

Por exemplo, o molde de perfuração utilizado por uma determinada fábrica para a extrusão a frio de 15 assentos de instrumentos de aço, quando feito de aço de base CG-2 sem tratamento de nitrocarbonetação a gás, tinha uma vida útil do molde de 14 500 peças, mas após o tratamento de nitrocarbonetação, a vida útil média atingiu 27 500 peças, com a mais elevada a atingir 45 600 peças.

A especificação do processo para nitrocarbonetação a gás é: a temperatura de aquecimento é de 530 ~ 570 ℃ e o tempo de espera é geralmente de 1 ~ 16h.

Além disso, a nitretação iónica, a cromagem dura, a deposição de vapor de TiC, a infiltração de vanádio em banho de sal, a infiltração de boro, bem como as tecnologias de engenharia de superfícies de terras raras e de nanoengenharia de superfícies estão também a ser aplicadas no tratamento térmico de reforço da superfície do aço para moldes de extrusão a frio. Todas elas podem melhorar a resistência da superfície do molde em diferentes graus e prolongar a vida útil do molde.

(6) Garantia da qualidade da maquinagem e adoção de novos métodos de processamento

1) Garantir rigorosamente a qualidade da maquinagem.

Uma maior qualidade de maquinação pode prolongar a vida útil da ferramenta. Por isso, devem ser tomadas medidas eficazes no processo para garantir o cumprimento dos requisitos técnicos especificados. A experiência mostra que, para alcançar uma maior qualidade de maquinação no processamento mecânico de matrizes de extrusão a frio, os seguintes pontos devem ser enfatizados:

i) Após a maquinagem final da matriz de punção, todas as peças de transição devem ser lisas e sem juntas. A parte de trabalho deve ser coaxial com a parte de fixação e a sua forma deve ser estritamente simétrica. Caso contrário, não só a espessura da peça extrudida será desigual, como a própria matriz de punção poderá também dobrar devido a tensões unilaterais.

ii) Para garantir a elevada resistência da matriz de perfuração e evitar fissuras devido à concentração de tensões, a matriz de perfuração não deve ter orifícios centrais residuais em ambas as extremidades. Por conseguinte, ao processar a matriz de perfuração, deve ser reservada uma "saliência" na superfície superior para perfurar o orifício central.

iii) A rugosidade da superfície da matriz de punção deve geralmente aderir a certos requisitos com base no tipo de matéria-prima da peça extrudida. Para matrizes de punção de extrusão inversa de aço, a rugosidade superficial Ra deve ser <0,2μm; para metais não ferrosos como o alumínio puro, uma rugosidade superficial Ra de 0,8μm é suficiente.

No entanto, para a parte da banda de trabalho, independentemente de o material a ser extrudido ser aço ou metal não ferroso, deve ser mantida uma rugosidade superficial Ra de <0,2μm.

iv) Quanto menor for a rugosidade da superfície da cavidade da matriz de extrusão para a frente ou para trás, melhor, geralmente deve ser Ra<0,2μm. A cavidade da matriz que foi retificada e depois polida pode reduzir a força de extrusão da unidade, estendendo significativamente a vida útil da matriz.

v) A retificação ou polimento da parte de trabalho da matriz deve ser realizada após o tratamento térmico final. A margem de maquinação deixada antes da retificação não deve exceder 0,1 mm e a rugosidade da superfície Ra deve ser <1,6 μm. Para remover a tensão residual após a retificação, é melhor realizar um tratamento de recozimento de alívio de tensão após a conclusão da retificação.

2) Adoção de novos métodos de transformação.

Para além dos métodos gerais de processamento mecânico, o processamento de matrizes de extrusão a frio também inclui métodos como a maquinação por descarga eléctrica, o processamento eletrolítico e a extrusão a frio de cavidades de matrizes, bem como novos métodos de processamento como a maquinação de ultraprecisão e a fresagem a alta velocidade. Aqui, apresentaremos brevemente o método de extrusão a frio de cavidades de matrizes.

A essência da extrusão a frio de cavidades de matriz consiste em processar diretamente a cavidade da matriz utilizando o processo de extrusão a frio baseado no princípio de conformação plástica dos metais. Normalmente, envolve primeiro o processamento de uma matriz de punção de alta dureza a partir de aço para ferramentas, de acordo com a forma da cavidade da matriz.

Em seguida, sob a ação de uma máquina de extrusão de cavidades (ou de uma prensa hidráulica de grande tonelagem), a matriz de punção é pressionada na peça em bruto, criando assim uma cavidade que corresponde à forma, ao perímetro e à dimensão da peça de trabalho da matriz de punção de uma forma côncava-convexa invertida.

Existem muitos métodos de extrusão a frio de cavidades de matrizes, entre os quais o mais comum é a extrusão de cavidades dentro da estrutura da matriz, como mostra a Figura 9-16. O processo de trabalho é o seguinte: a peça em bruto recozida e amolecida é pré-colocada na estrutura da matriz e a matriz de punção é pressionada na peça em bruto sob a ação da prensa hidráulica.

Figura 9-16: Extrusão de cavidades dentro do conjunto de matrizes

1. Soco
2. Placa de guia
3. Anel exterior
4. Anel interior
5. Bloco de encaixe cónico
6. Em branco

Neste momento, o metal em branco só pode fluir para cima, garantindo um contacto próximo entre o branco e a matriz de punção. Como resultado, a precisão da cavidade da matriz pode atingir IT6-IT7, a forma geométrica é correcta e a rugosidade da superfície Ra é de 0,1~0,2μm.

A matriz de punção para extrusão a frio da cavidade da matriz é um componente crítico relacionado com o sucesso ou fracasso da conformação. Deve ser dada atenção ao fabrico desta matriz de punção. De um modo geral, devem ser consideradas as seguintes questões:

i) Para reduzir a concentração de tensões, a parte de transição da matriz de punção não deve ter mudanças abruptas e deve ter um raio de curvatura mínimo de 0,2 mm.

ii) Para garantir que a matriz de punção tem alta resistência e dureza, o aço de ultra-alta resistência deve ser selecionado como matéria-prima para a matriz de punção, e devem ser implementados processos rigorosos de deformação por forjamento e tratamento térmico.

iii) Após o tratamento térmico, a parte de trabalho da matriz de punção deve ser retificada novamente, com uma rugosidade superficial Ra≤0,1μm.

iv) Para garantir a precisão da guia da matriz de punção, o comprimento da peça de guia da matriz de punção não deve, em geral, ser inferior a 1,2 vezes a dimensão radial máxima da cavidade da matriz.

É de notar que a taxa de produção do fabrico de cavidades de matriz por extrusão a frio é muito mais elevada do que o processamento de corte. Mais importante ainda, depois de a cavidade da matriz ser formada por extrusão a frio, a estrutura interna da matriz é mais densa e a sua força e resistência ao desgaste são maiores, prolongando assim a vida útil da matriz.

No entanto, como a resistência do material da matriz formado por extrusão é maior e a sua plasticidade é menor, este método de processamento só é utilizado para formas simples e processamento de cavidades de matriz pouco profundas.

(7) Utilização racional e manutenção de matrizes

A compreensão das características da conformação por extrusão a frio e a utilização racional e a manutenção cuidadosa das ferramentas são também medidas importantes para prolongar a vida útil das ferramentas.

Durante as baixas temperaturas no inverno, é melhor pré-aquecer a matriz antes de a utilizar para evitar fissuras. Durante a produção de extrusão a frio, devido ao efeito do calor, o aumento da temperatura da matriz é rápido, pelo que a matriz deve ser arrefecida regularmente.

Para matrizes que experimentam grandes forças, após alguns milhares de extrusões, um tratamento de recozimento de alívio de tensão deve ser realizado a 160 ~ 180 ℃ por 2 horas.

Para os anéis pré-esforçados externos e médios que são usados repetidamente, após várias extrusões, um tratamento de recozimento de alívio de tensão deve ser realizado a 180 ℃ por 2 horas; caso contrário, os anéis pré-esforçados médios e externos podem rachar repentinamente, não apenas danificando a matriz, mas também causando acidentes pessoais.

Para prolongar a vida útil da matriz, deve ser estabelecido um conjunto completo de sistemas de manutenção e cuidados. O pessoal designado deve ser designado para ajustar prontamente a prensa, bem como para efetuar a reparação, o ajuste e o armazenamento da matriz. Durante o armazenamento e o transporte da matriz, devem ser tomadas medidas de prevenção da ferrugem e devem existir blocos de proteção entre as bases superior e inferior da matriz para evitar danos.

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