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OBTENCIÓN DE ÚTILES POR FORJA EN MOLDE DE HORMIGÓN.OBTAINING USEFULS BY FORGING IN CONCRETE MOLD.
DESCRIPCIÓN:DESCRIPTION:
SÍNTESIS DEL INVENTO:SUMMARY OF THE INVENTION:
El invento objeto de esta solicitud consiste en el método de producción (así como los elementos producidos) mediante forja cerrada de moldes, matrices o cualquier pieza única o de pequeñas series (siempre piezas metálicas o de compuestos con base metálica) empleando un molde de forma construido de hormigón o mortero (especialmente hormigones y morteros fabricados con cementos de alta resistencia y/o refractarios a base de porcelanatos, aluminosos, silicatos,... y con áridos de basalto, óxido de silicio, u otro árido de los habirualmente empleados en construcción, o áridos a base de alúmina u otros materiales refractarios).The invention object of this application consists in the method of production (as well as the elements produced) by closed forging of molds, dies or any single piece or small series (always metal parts or compounds with metal base) using a mold of form constructed of concrete or mortar (especially concretes and mortars made of high-strength cements and / or refractories based on porcelain, aluminous, silicate, ... and with aggregates of basalt, silicon oxide, or other aggregate of those usually used in construction, or aggregates based on alumina or other refractory materials).
El principal interés del invento se centra en la drástica reducción de costes y tiempo que conlleva el poder conformar por forja cerrada, piezas metálicas de difícil geometría. Para el caso del presente invento (obtención de moldes, matrices y piezas de pequeña serie) es fundamental que el coste de producción del molde de forma no sea excesivamente elevado.The main interest of the invention is focused on the drastic reduction of costs and time involved in being able to form metal parts of difficult geometry by closed forging. In the case of the present invention (obtaining molds, dies and small series pieces) it is essential that the production cost of the shape mold is not excessively high.
Otro punto de interés es la posibilidad del conformado de materiales, en base metálica, muy difíciles de mecanizar, o no-mecanizables, pero que por otro lado presentan suficiente fluencia en caliente para ser conformados por forja.Another point of interest is the possibility of forming materials, metal based, very difficult to machine, or non-mechanizable, but on the other hand they have enough hot creep to be shaped by forging.
ANTECEDENTES Y SITUACIÓN:BACKGROUND AND SITUATION:
A menudo se obtienen industrialmente las piezas de plástico y las piezas metálicas mediante el uso de moldes y matrices. Este es generalmente el caso cuando el número de
piezas a producir es elevado puesto que la construcción de un molde o matriz es casi siempre muy costoso, pudiéndose justificar este elevado coste, solamente cuando puede distribuirse entre muchas unidades producidas.Plastic parts and metal parts are often obtained industrially through the use of molds and dies. This is usually the case when the number of pieces to produce is high since the construction of a mold or matrix is almost always very expensive, being able to justify this high cost, only when it can be distributed among many units produced.
Se considera molde o matriz a cualquier elemento con forma empleado para conformar piezas de metal, polímero, cerámico, o compuestos de estos. (La forma del molde o matriz puede ser el negativo de la pieza a obtener, como es el caso de los moldes de inyección, prensado, matrices de embutición, doblado, estampado o cualquier otra forma de conformado, también pueden ser sencillamente un perfil contorneado como en el caso de algunas matrices de corte). El molde o matriz puede emplearse para obtener una sola pieza o más comúnmente para obtener de centenares a millones de piezas por acción repetida, y a menudo también, obteniendo más de una pieza en cada etapa de conformado.Mold or matrix is considered to be any element shaped to form metal, polymer, ceramic, or composite parts. (The shape of the mold or matrix can be the negative of the piece to be obtained, as is the case of injection molds, pressing, drawing dies, bending, stamping or any other form of forming, they can also simply be a contoured profile as in the case of some cutting matrices). The mold or matrix can be used to obtain a single piece or more commonly to obtain hundreds to millions of pieces per repeated action, and often also, obtaining more than one piece at each stage of forming.
NOTA ACLARATORIA DE TERMINOLOGÍA: A menudo se entiende por "conformado" en el sector industrial de la estampa de chapa metálica a una operación muy concreta consistente en deformar chapa de geometría plana, hasta que adquiera una forma determinada ( generalmente pieza final), esto puede hacerse en una o más operaciones. En este documento se utiliza la expresión "conformado" para designar cualquier operación que de forma a un material en la que se utilice un molde o matriz (Ejemplos de operaciones designadas por el término "conformado": corte, estampa, embutición, forja en caliente, forja en frío, extrusión, moldeo a presión, moldeo por gravedad, termo conformado, prensado, soplado,...).CLARIFICATION NOTE OF TERMINOLOGY: It is often understood as "forming" in the industrial sector of sheet metal stamping to a very specific operation consisting of deforming flat geometry sheet, until it acquires a certain shape (usually final piece), this can be done in one or more operations. In this document the term "forming" is used to designate any operation that forms a material in which a mold or matrix is used (Examples of operations designated by the term "forming": cutting, stamping, drawing, hot forging , cold forging, extrusion, pressure molding, gravity molding, thermoforming, pressing, blowing, ...).
NOTA ACLARATORIA DE TERMINOLOGÍA: En este documento se emplea la denominación "molde de forma" para designar cualquier recipiente capaz de dar forma a una pieza metálica en una operación de forja cerrada (También comúnmente denominados: estampas de forja, moldes de forja, matrices de forja o útiles de forja).CLARIFICATION NOTE OF TERMINOLOGY: In this document the denomination "form mold" is used to designate any container capable of shaping a metal part in a closed forging operation (Also commonly referred to as: forging stamps, forging molds, dies of forging or forging tools).
Según la aplicación se pueden distinguir tres tipos principales de moldes o matrices, las diferencias se encuentran no solo en la aplicación sino también en el tipo de materiales empleados para construirlos y el proceso:
1.- Moldes para conformado de polímeros (termoplásticos y termoestables). [operaciones de conformado más típicas en este caso: inyección, termo conformado, curado, soplado, prensado de termoestables,...].Depending on the application, three main types of molds or dies can be distinguished, the differences are found not only in the application but also in the type of materials used to build them and the process: 1.- Molds for forming polymers (thermoplastics and thermosets). [more typical forming operations in this case: injection, thermoforming, curing, blowing, thermostable pressing, ...].
2.- Moldes y matrices para trabajo en caliente: Conformado de cualquier aleación metálica a elevada temperatura, generalmente superiores a 0,5 Tm y a menudo con la aleación en estado líquido. [Operaciones de conformado más típicas en este caso: inyección o prensado en caliente, extrusión, forja cerrada, embutición y estampado en caliente,....].2.- Molds and dies for hot work: Forming of any high temperature metal alloy, generally greater than 0.5 Tm and often with the alloy in a liquid state. [Forming operations more typical in this case: injection or hot pressing, extrusion, closed forging, drawing and hot stamping, ....].
3.- Matrices y moldes para trabajo en frío: conformado de aleaciones metálicas a temperaturas inferiores a 0,5 Tm [operaciones de conformado más típicas en este caso: corte, embutición, estampado, doblado...].3.- Matrices and molds for cold work: forming of metal alloys at temperatures below 0.5 Tm [more typical forming operations in this case: cutting, drawing, stamping, bending ...].
En la actualidad se emplean principalmente dos métodos para la obtención de moldes y matrices para las aplicaciones descritas anteriormente: Mecanizado por arranque de viruta y fundición. Cada método tiene ventajas e inconvenientes respecto al otro y resulta la opción económicamente dependiendo de la geometría y el número de piezas a obtener.At present, two methods are mainly used to obtain molds and dies for the applications described above: Machining by chip removal and casting. Each method has advantages and disadvantages with respect to the other and is the option economically depending on the geometry and the number of pieces to obtain.
En el mecanizado por arranque de viruta, se parte de un bloque de metal (generalmente un bloque forjado, o cortado de una barra forjada o laminada, pero también se emplean bloques fundidos), obteniéndose la geometría deseada mediante la eliminación por mecanizado del material sobrante. Si se parte de material forjado, la tenacidad es muy superior a la de la misma aleación obtenida por fundición lo que a menudo se traduce en una mayor vida del útil (NOTA: en el presente documento se emplea el término útil para designar simultáneamente a moldes y matrices). Esta opción se utiliza generalmente para la fabricación de series largas donde el perfil de la pieza a obtener no tenga diferencias de cotas muy grandes. Pues el mecanizado por arranque de viruta es un proceso caro y cuanto mayor sea el vaciado más material se convierte en viruta y más horas se invierten en ello. Además el incremento de tenacidad conseguido mediante el proceso de forja o laminación es menor cuanto más lejos de la superficie del material con el que se construye el útil, así en un vaciado profundo la parte de la cavidad de la matriz o molde acabado, que es la parte que trabaja, tiene estructura y propiedades prácticamente de material fundido. Así pues
raramente se emplea este método para útiles con diferencias de cotas superiores a los 400mm con la mayoría de materiales de construcción de moldes y matrices. Es el método preferido para series largas, puesto que los útiles fabricados con este método acostumbran . a tener mayor durabilidad. De hecho este método es en principio rocambolesco, puesto que el material fundido en vez de colarse directamente a una geometría próxima a la deseada, se cuela en unos lingotes, que son posteriormente forjados para convertirlos en palanquillas que vuelven a ser forjadas o laminadas para obtener bloques forjados o barras, en el último caso hay que cortar las barras a la medida de bloque deseado, y en ambos casos (bloque forjado o cortado de barra) hay que mecanizar el bloque mediante arranque de viruta o electro-erosión confiriendo la geometría deseada. Los procesos posteriores de temple, mecanizado de acabado,... son comunes para ambos métodos de producción.In machining by chip removal, a metal block is used (usually a forged block, or cut from a forged or laminated bar, but molten blocks are also used), obtaining the desired geometry by mechanically removing the excess material . If starting from forged material, the toughness is much higher than that of the same alloy obtained by casting which often translates into a longer life of the tool (NOTE: in this document the term useful is used to simultaneously designate molds and matrices). This option is generally used for the manufacture of long series where the profile of the piece to be obtained does not have very large differences in dimensions. Well, machining by chip removal is an expensive process and the greater the emptying, the more material becomes a chip and more hours are spent on it. In addition, the increase in toughness achieved by the process of forging or rolling is smaller the farther from the surface of the material with which the tool is constructed, thus in a deep emptying the part of the cavity of the finished die or mold, which is the part that works, has structure and properties practically of molten material. So that rarely is this method used for tools with differences in dimensions greater than 400mm with most mold and die building materials. It is the preferred method for long series, since the tools manufactured with this method are customary. to have greater durability. In fact, this method is in principle rocambolesque, since the molten material instead of sneaking directly to a geometry close to the desired one, sneaks into ingots, which are subsequently forged to turn them into billets that are again forged or rolled to obtain Forged blocks or bars, in the latter case the bars must be cut to the desired block size, and in both cases (forged block or bar cut) the block must be machined by chip removal or electro-erosion conferring the desired geometry . The subsequent processes of tempering, finishing machining, ... are common for both production methods.
De todos los procesos de obtención de útiles por fundición el más empleado en la actualidad es la fundición en molde de arena y modelo de poli-estireno, que se consume durante el llenado del molde. Normalmente se obtiene una preforma, pues hay que acabar mecanizando el útil por arranque de viruta, para conseguir las tolerancias dimensionales que se requieren en la zona de trabajo. La preforma tiene una geometría muy parecida a la final, con lo que se reduce en gran medida la cantidad de mecanizado a efectuar y el consiguiente material desechado. Con este método se consiguen moldes y matrices más económicos (la diferencia es mayor cuanto mayores sean las diferencias de cotas y por consiguiente el material a eliminar si se parte de un bloque forjado), pero que generalmente duran menos. Es el método preferido cuando las series de piezas a manufacturar son cortas o las diferencias de cotas grandes.Of all the processes for obtaining cast iron tools, the most commonly used is sand casting and polystyrene model, which is consumed during mold filling. Normally a preform is obtained, since the tool must be machined by chip removal, to achieve the dimensional tolerances that are required in the work area. The preform has a geometry very similar to the final one, which greatly reduces the amount of machining to be carried out and the resulting scrap material. With this method, cheaper molds and matrices are achieved (the difference is greater the greater the differences in dimensions and therefore the material to be removed if it is part of a forged block), but which generally last less. It is the preferred method when the series of parts to be manufactured are short or the differences in large dimensions.
La forja se emplea desde hace muchos años como medio de obtención de piezas con forma, proceso que generalmente se denomina de "forja cerrada", puesto que hay que emplear un molde de forma o cavidad para que la pieza a obtener adquiera la forma deseada mediante la fluencia del material llenando y copiando la forma de la cavidad o molde de forma. En este proceso se emplean moldes de forma metálicos o de cerámicas tecnológicas para la obtención de varias piezas con el mismo molde, para amortizar el coste del citado molde. En el presente invento puesto que los moldes y matrices son generalmente únicos, y muy excepcionalmente hay más de diez cavidades o segmentos con la misma geometría, el
coste del molde tiene que amortizarse en una sola o muy pocas piezas. Así el producto producido, molde o matriz, tiene que tener un coste netamente superior al del molde de forma. Este es también el caso en la obtención de moldes y matrices mediante fundición en molde de forma de arena. OBJETIVO DEL INVENTO:The forge has been used for many years as a means of obtaining shaped pieces, a process that is generally called a "closed forge", since a mold of a shape or cavity must be used so that the piece to be obtained acquires the desired shape by the creep of the material filling and copying the shape of the cavity or shape mold. In this process, molds of metallic or technological ceramics are used to obtain several pieces with the same mold, to amortize the cost of said mold. In the present invention since the molds and dies are generally unique, and very exceptionally there are more than ten cavities or segments with the same geometry, the Mold cost has to be amortized in one or very few pieces. Thus the product produced, mold or matrix, has to have a cost clearly higher than the shape mold. This is also the case in obtaining molds and dies by casting in a sand-shaped mold. OBJECTIVE OF THE INVENTION:
Con el proceso del presente invento, se consiguen moldes y matrices tan económicos y de manera tan sencilla como se consigue actualmente con la fundición, pero al mismo tiempo con cualidades de durabilidad tan buenas o incluso superiores a las de los moldes y matrices obtenidos mediante el mecanizado de bloques forjados o laminados (a menudo bloques cortados de barras forjadas y/o laminadas). El método permite la utilización de materiales de difícil mecanización (incluso los considerados "no-mecanizables") que incrementan en gran medida las horas de servicio y/o productividad de los útiles o piezas fabricados con estos materiales.With the process of the present invention, molds and dies are obtained as economically and as simply as is currently achieved with the foundry, but at the same time with durability qualities as good or even superior to those of the molds and dies obtained by the machining of forged or laminated blocks (often blocks cut from forged and / or laminated bars). The method allows the use of materials of difficult mechanization (even those considered "non-mechanizable") that greatly increase the hours of service and / or productivity of the tools or parts manufactured with these materials.
El presente invento consiste en proporcionar un método de producción de matrices, moldes y piezas únicas o de serie corta por forja en molde de forma. El método consiste en la construcción de un molde de forma capaz de soportar la temperatura y solicitaciones mecánicas necesarias para la forja en un sistema cerrado del material a emplear para la construcción del molde o matriz (no es importante si el molde de forma queda destruido durante el proceso de forja si se consigue deformar al material del molde, matriz o pieza), siendo el molde de forma suficientemente económico para que su importe no supere la reducción de coste respecto al proceso de mecanizado. La optimización de los parámetros de forja a emplear (especialmente temperatura y velocidad de deformación), así como la geometría de la forma a obtener, y el material con el que se quiera construir el molde o matriz , tienen gran influencia en las solicitaciones a que se ve sometido el molde de forma, determinando en gran medida los materiales potenciales para la construcción del molde de forma.The present invention consists in providing a method of producing matrices, molds and single or short series pieces by forging in a mold form. The method consists in the construction of a mold so that it can withstand the temperature and mechanical stresses required for forging in a closed system of the material to be used for the construction of the mold or matrix (it is not important if the shape mold is destroyed during the forging process if it is possible to deform the material of the mold, matrix or piece), the mold being sufficiently economical so that its amount does not exceed the cost reduction with respect to the machining process. The optimization of the forging parameters to be used (especially temperature and deformation speed), as well as the geometry of the shape to be obtained, and the material with which the mold or matrix is to be constructed, have great influence on the solicitations to which the form mold is subjected, largely determining the potential materials for the construction of the form mold.
Los materiales empleados para la construcción del molde de forma tienen que ser lo más económicos posibles pero con las propiedades térmicas y mecánicas requeridas para la operación de forja. Son especialmente indicados los morteros y hormigones: con cementos
de alta resistencia (a base de porcelanatos, sílice,...), con cementos refractarios (a base de alúmina, aluminosilicatos,...), con árido basáltico, arena (SiO2), otros áridos refractarios (a base de alúmina, ), u otros áridos comúnmente empleados en la construcción. También se pueden emplear otros morteros (a base de: MgO, SiC, ZnO, Cr2O3, ZrO2, B2O3, Al2SiO5, CeO2, C2Si3, CaF2, Silica, grafito, magnesita, silicatos, linosulfonatos, fosfatos (de boro, aluminio,...)) ). También puede utilizarse alguno de los áridos mencionados anteriormente con un aglomerante (por ejemplo de fosfato de aluminio).The materials used for the construction of the form mold have to be as economical as possible but with the thermal and mechanical properties required for the forging operation. Mortars and concrete are especially indicated: with cements high strength (based on porcelain, silica, ...), with refractory cements (based on alumina, aluminosilicates, ...), with basaltic aggregate, sand (SiO 2 ), other refractory aggregates (based on alumina ,), or other aggregates commonly used in construction. Other mortars can also be used (based on: MgO, SiC, ZnO, Cr 2 O 3 , ZrO 2 , B 2 O 3 , Al 2 SiO 5 , CeO 2 , C 2 Si 3 , CaF 2 , Silica, graphite, magnesite, silicates, linosulfonates, phosphates (boron, aluminum, ...))). Some of the aggregates mentioned above can also be used with a binder (for example aluminum phosphate).
También representa una gran ventaja la aplicación de parte del invento en la obtención de moldes matrices o piezas por fundición, puesto que si se emplean moldes de forma de mortero u hormigón, las tolerancias dimensionales que se pueden lograr así como la calidad del acabado superficial, se ven notablemente incrementadas.The application of part of the invention in the production of die molds or castings is also a great advantage, since if molds of mortar or concrete form are used, the dimensional tolerances that can be achieved as well as the quality of the surface finish, They look remarkably increased.
El presente invento presenta también una gran ventaja para la obtención de piezas acabadas o preformas (especialmente si se trata de una pieza única o pocas unidades), especialmente si el material empleado para la obtención de la pieza tiene un coste elevado o es de difícil mecanización. Algunas geometrías no son posibles de obtener de manera económica de ninguna otra forma en el caso de materiales de muy difícil mecanización como es el caso de compuestos de matriz metálica o polimérica con carga cerámica.The present invention also has a great advantage for obtaining finished parts or preforms (especially if it is a single piece or few units), especially if the material used to obtain the piece has a high cost or is difficult to mechanize . Some geometries are not possible to obtain economically in any other way in the case of very difficult machining materials such as metal or polymer matrix compounds with ceramic charge.
También se aporta una ventaja económica importante en la obtención de piezas sinterizadas con el empleo de moldes de forma de hormigón, especialmente si se emplea hormigón de alta resistencia. En este proceso el material con el que quiere obtenerse el molde, matriz o pieza se introduce en forma de polvo en el molde de forma y se efectúa el prensado en frío o caliente para obtener la geometría final o preforma prensado en verde, algo sinterizado o sinterizado totalmente con o sin fase líquida.
An important economic advantage is also provided in obtaining sintered parts with the use of concrete molds, especially if high strength concrete is used. In this process the material with which the mold, matrix or piece is to be obtained is introduced in powder form into the form mold and cold or hot pressing is performed to obtain the final geometry or preform pressed in green, something sintered or fully sintered with or without liquid phase.