FORJAREA CU STRUCTURĂ FIBROASĂ CONTINUĂ A ARBORILOR COTIŢI DE DIMENSIUNI MARI

Cristian FĂNICĂ

FORGING WITH CONTINUOUS FIBROUS STRUCTURE OF LARGE DIMENSIONS CRANKSHAFTS

This paper establishes that the further processing of continuous fibrous

structure may cause a progressive break of large crankshafts.

Keywords: crankshafts, continuous fibre, macrostructure, micro chipped, microstructure, purity

Cuvinte cheie: arbori cotiţi, fibraj continuu, macrostructură, micropuritate, microstructură, grad de puritate

1. Introducere

Fabricarea arborilor cotiţi de dimensiuni mari a fost întotdeauna una din problemele cele mai grele a forjării libere. Prin introducerea metodelor de încercări nedistructive, problema a devenit şi mai complicată, în special după introducerea metodelor de defectoscopie magnetică şi cu ultrasunete.

Cerinţele de siguranţă în funcţionarea motoarelor cer o cercetare amănunţită, însă condiţiile exagerate de siguranţă măresc considerabil riscul de fabricaţie.

Se cunoaşte că segregaţia la piesele forjate liber, în special la arborii cotiţi mari, se manifestă prin semne vizibile cu ochiul liber sau prin semne care apar la defectoscopia magnetică. Aceste semne sunt de obicei paralele cu axa longitudinală a arborelui şi poartă denumirea

453

de „defecte longitudinale”. Defecte transversale în mod practic nu prea există, de aceea nici nu fac obiectul prezentei cercetări.

Defectele longitudinale în schimb, provenite din segregaţii şi având cauzele arătate, sunt inevitabile, deci este necesar ca să fie elucidate următoarele aspecte:

- dacă astfel de defecte longitudinale produc rupturi la oboseală;

- unde se produc rupturi la oboseală de obicei, dacă nu la locul defectelor longitudinale; - care este aspectul rupturilor la oboseală; - la ce mărime de solicitări nominale se poate conta că va

apare o ruptură la oboseală; - care este relaţia între solicitările arborilor cotiţi şi durabilitatea

lor în exploatare.

2. Cuprinsul lucrării

Pentru forjarea arborilor cotiţi de dimensiuni mari, care, în general nu se fabrică în serie ci numai în fabricaţie individuală sau în serie mică, s-a dezvoltat în ultimul timp metoda forjării cu structură fibroasă, cunoscută şi sub numele de „metoda RR”.

Fig. 1 Dispozitiv acţionat hidraulic pentru forjarea arborilor cotiţi, după metoda „RR”

454

Prin această metodă, arborii cotiţi se forjează într-un dispozitiv aplicat la o presă hidraulică. Dispozitivul poate să fie acţionat hidraulic (figura 1) sau mecanic.

În dispozitivul din figură se refulează mai întâi câte două braţe, în formă de butoiaş, se îndoaie braţele şi se continuă refularea până la o formă eliptică (figura 2).

Prin acest procedeu se obţine un arbore cu o structură fibroasă bună chiar şi în zona solicitărilor maxime şi cu incluziuni intercristaline situate în partea centrală, unde solicitările sunt minime.

Avantajul procedeului constă în faptul că dispozitivul de forjare se poate utiliza prin simplă schimbare a câtorva elemente pentru diferite tipuri de arbori, iar pe lângă aceasta, forţa necesară pentru refulare şi îndoire este mică, întrucât coturile se forjează individual şi pe rând. Din acest motiv şi încălzirea materialului se face din loc în loc, necesitând şi un cuptor mai mic.

Fig. 2 Fazele de refulare ale braţelor

Superioritatea acestei metode de forjare semiliberă, faţă de

metoda de forjare liberă cu scule ajutătoare, rezultă în afară de cele arătate, şi din faptul că la prelucrarea mecanică se pierde mai puţin material şi timp. Astfel, de exemplu, pentru ultimul arbore din tabelul 1, se îndepărtează, în cazul utilizării unui semifabricat forjat după metoda RR, 4,4 t aşchii, iar în cazul forjării libere 11 t, deci de două ori şi jumătate mai mult.

Dimensiunile coturilor, masa arborilor cotiţi forjaţi, precum şi forţa de presare necesară, rezultă din tabelul 1.

455

Tabelul 1

Fig. 3 Confecţionarea unul arbore cotit,

prin forjarea cu structură fibroasă continuă

456

Figura 3 prezintă două faze ale confecţionării unui arbore cotit cu bridă, după metoda forjării cu structură fibroasă continuă. Figura 3, a arată fixarea materialului de pornire în dispozitiv pentru refularea bridei, figura 3, b, terminarea refulării, figura 3, c, fixarea materialului de pornire pentru confecţionarea unui cot, iar figura 3, d, terminarea îndoirii şi refulării cotului.

Mărimea arborelui cotit forjat dintr-o bucată este însă limitată de puterea utilajului. Astfel, pentru un arbore cotit forjat după această tehnologie, cu o masă de 9,6 t este necesară o presă de 60 MN.

Ca materiale de pornire pentru forjare cu structură fibroasă continuă a arborilor cotiţi se pot utiliza bare laminate sau bare forjate liber.

Cercetările realizate de autorul lucrării s-au efectuat pe un arbore cotit cu fibraj continuu a motorului Diesel 2100 CP, executat de fostele uzine „Progresul” Brăila.

Studiul a debutat cu efectuarea tuturor încercărilor calitative prevăzute în prescripţiile de admitere în fabricaţie, şi anume: analiza chimică, determinarea caracteristicilor mecanice; verificarea macrostructurii; verificarea microstructurii şi a gradului de micropuritate; examen ultrasonic. Din analize a rezultat o compoziţie chimică corespunzătoare.

Caracteristicile mecanice prescrise comparativ cu cele realizate sunt trecute în tabelul 2, în care informativ au fost trecute şi valorile obţinute pe un arbore din import.

Tabelul 2

De asemenea, s-au obţinut valori corespunzătoare ale caracteristicilor mecanice. Cercetarea macrostructurii a cuprins amprenta de sulf, care a evidenţiat incluziunile sulfidice fine, uniform repartizate. Amprenta nu prezintă segregări şi corespunde.

457

De asemenea, atacul cu soluţii de acizi nu a pus în evidenţă fulgi sau alte defecte - deci corespunde.

Cercetarea microstructurii şi a gradului de puritate a arătat că microstructura este formată dintr-o sorbită fină, după cum se observă în figura 4, deci corespunde.

Atac: Nital 2 %, 500x

Fig. 4 Microstructura rezultată - sorbită de revenire

În privinţa micropurităţii, aceasta s-a determinat în paralel atât

pe arborele de import din Elveţia (I), cât şi pe cel indigen (II), obţinându-se rezultatele din tabelul 3.

Tabelul 3

Rezultatul acestei probe, atât în cazul arborelui cu fibraj continuu, cât şi în cazul celui din Elveţia este mediocru.

Dat fiind faptul că micropuritatea are un caracter facultativ, ea constituind o probă suplimentară atunci când valorile caracteristicilor mecanice sunt la limita inferioară, sau uşor sub aceasta, micropuritatea arborelui presat se consideră satisfăcătoare.

458

În privinţa fibrajului (figura 5) pe considerentul că tehnologia de presare se bazează pe o execuţie individuală a fiecărui cot în parte cu aceleaşi scule, prin urmare în ce priveşte orientarea fibrajului o diferenţă de la un cot la altul nu există.

Fibrajul realizat este arătat în amprente cu tuş din figura 5, a şi b.

Fig. 5 (a şi b) Fibrajul arborelui presat, în cazul semifabricatului strunjit

Se observă că orientarea fibrajului nu este continuă, acesta

fiind oarecum tăiat la marginea exterioară şi interioară a fălcilor maneton (figura 5, b).

Apariţia fibrajului tăiat în fălcile maneton se datorează operaţiei

de strunjire aplicată semifabricatului.

Fig. 6 (a şi b) Fibrajul arborelui presat, în cazul semifabricatului

presat la cald

459

Pentru remedierea acestui neajuns, considerăm oportună aplicarea variantei tehnologice propuse de noi şi ilustrată în figura 6, adică presarea gâturilor semifabricatului în loc de obţinerea prin strunjire a acestora.

Ca rezultat final în privinţa continuităţii fibrajului pe flancurile manetoanelor se va obţine fibrajul din figura 6 (a şi b).

3. Concluzii

■ Factorul preponderent care a cauzat ruperea arborelui cotit a fost determinat de o defectuoasă forjare, efectuată fără a ţine seama de prelucrarea ulterioară.

■ În zonele unde continuitatea fibrajului a fost deranjată de prelucrare, s-a creat posibilitatea ruperii progresive care împreună cu alţi factori tehnologici a dus la ruperea arborelui cotit.

■ Pentru remedierea acestui neajuns, s-a considerat oportună aplicarea variantei tehnologice propuse de autori, care constă din presarea gâturilor semifabricatului în loc de obţinerea prin strunjire a acestora. BIBLIOGRAFIE [1] Bejan, M., Rezistenţa materialelor, Vol. 1 , ediția a V-a şi Vol. 2, ediția a IV-a, Editura AGIR, Bucureşti și Editura MEGA, Cluj Napoca, 2009. [2] Nanu, A., Coman, L., Punct de vedere asupra teoriei deformaţiei plastice cu fibraj continuu a arborilor cotiţi, Cercetări metalurgice, Bucureşti, 1970. [3] Bonta, D., Locomotiva Diesel electric 060-DA-2100 CP, Editura ASAB, Bucureşti, 2003.

Şef lucr.Dr.Ing. Cristian FĂNICĂ

Universitatea „Eftimie Murgu” Reşiţa, Facultatea de Inginerie şi Management

membru AGIR, e-mail: c.fanica@uem.ro

460