El procés essencial de forja per a unions universals

TL;DR

El procés de forjat per a unions universals és un mètode de fabricació sofisticat que modela aliatges d'acer d'alta qualitat sota pressió extrema per crear components resistents i duradors. Les tècniques clau inclouen el forjat a calent, en què el metall es calenta per sobre de la seva temperatura de recristal·lització per facilitar-ne el modelat, i el forjat a fred per assolir una major precisió. Aquest procés utilitza premses d'alta tonelada i motlles especialitzats per formar les peces principals, com ara forquilles i creus, assegurant una resistència superior i una estructura de grans contínua essencial per a aplicacions amb alta tensió.

Comprendre les Unions Universals i l'Avantatge del Forjat

Una junta universal, sovint anomenada junta en U, és un acoblament mecànic essencial que connecta eixos giratoris, permetent-los transmetre parell i moviment encara que es trobin en angle l'un respecte de l'altre. Aquesta flexibilitat és fonamental en nombroses aplicacions, des de transmissions automotrius i sistemes de direcció fins a maquinària industrial i agrícola. La junta consta típicament de dues forquilles connectades per un component amb forma de creu, o aranya, que allotja rodaments per facilitar una rotació suau.

La forja és el mètode de fabricació preferit per a aquests components degut a la gran resistència que transmet. A diferència de la colada o del mecanitzat a partir d'un bloc massís, la forja modela el metall mitjançant una deformació controlada, alineant l'estructura interna del gra del material amb la forma final de la peça. Això crea un flux continu de gra que segueix els contorns del iug i la creu, resultant en una excepcional resistència a la tracció, resistència a la fatiga i durabilitat als impactes. Aquesta integritat estructural és fonamental per a un component que ha de suportar càrregues constants, complexes i alternatives al llarg de la seva vida útil.

La selecció de materials per a les unions universals ve determinada per aquestes condicions exigents. Els acers d'aliatge d'alta qualitat són l'opció estàndard degut a la seva excel·lent resistència, tenacitat i resistència al desgast. Per exemple, els acers mitjans en carboni com l'acer 45 s'utilitzen habitualment en components com la forquilla de la unió universal. En algunes aplicacions especialitzades, especialment aquelles que requereixen una elevada resistència a la corrosió, es poden utilitzar aliatges d'acer inoxidable, i les superfícies poden ser recobertes per reduir la fricció i evitar el gripat.

Tècniques fonamentals de forja: forja calenta vs. forja freda

La fabricació de les unions universals es basa principalment en dues tècniques de forja: la forja calenta i la forja freda. La tria entre elles depèn del component específic, de les propietats del material requerides i del volum de producció. Cada mètode ofereix un conjunt distint d'avantatges i inconvenients en termes de precisió, resistència i cost.

Forja a Calor és el mètode més comú per produir components d'unió universal com la creu. En aquest procés, el lingot d'acer s'escalfa a una temperatura superior al seu punt de recristal·lització. Aquest calor extrem fa que el metall sigui malleable i plàstic, permetent que es pugui conformar amb menys pressió mitjançant una premsa o martell de forja. El principal avantatge de la forja en calent és la seva capacitat per crear geometries tridimensionals complexes i deformacions grans amb relativa facilitat, fet que la fa ideal per a la forma intrincada d'una creu de junta universal. També refinia l'estructura del gra del metall, eliminant la porositat i millorant la seva tenacitat.

Forja a Fred , en canvi, es realitza a temperatura ambient o propera a aquesta. Aquest procés requereix una pressió significativament més elevada per conformar el metall, però ofereix una precisió dimensional superior, un millor acabat superficial i una resistència millorada mitjançant un fenomen conegut com a endureixement per deformació. Tot i que és menys habitual per a la conformació inicial de peces complexes com la creu, la forja en fred pot utilitzar-se per a certs components o com a procés secundari d'acabat per assolir toleràncies ajustades sense necessitat de mecanitzat extensiu.

A continuació es mostra una comparació dels dos mètodes principals:

El procés de fabricació pas a pas

La creació d'un junt universal mitjançant forja és un procés en múltiples etapes que transforma una barra d'acer simple en un component mecànic d'alt rendiment. Cada pas es controla minuciosament per garantir que el producte final compleixi uns estàndards rigorosos de qualitat i durabilitat. Encara que els detalls concrets puguin variar, el flux general segueix un camí clar i seqüencial.

1. Preparació del material i tall: El procés comença amb la selecció de barres d'aliatge d'acer d'alta qualitat. Aquestes barres s'inspeccionen per verificar-ne la qualitat i després es tallen en longituds precises, conegudes com a billets o llotes. Es calcula el pes i el volum de cada billet per assegurar que hi hagi justament prou material per omplir la cavitat del motlle, minimitzant així el desperdici (conegut com a rebarba).
2. Escalfament (per a la forja a calent): Els lingots tallats es transporten a un forn, sovint un forn d'inducció, on es calenten a la temperatura òptima de forjat. En l'acer, aquesta temperatura sol estar entre 1100°C i 1250°C. Aquest pas és fonamental per fer el metall prou dúctil per poder-lo conformar sota pressió.
3. Forjat i conformació: El lingot escalfat s'introdueix ràpidament a la meitat inferior d'un joc d'estampes dissenyades personalitzadament dins una premsa de forjat d'alta tonelada. La premsa exerceix una pressió immensa, obligant el metall plàstic a fluir i omplir la cavitat de l'estampa, que té la forma del component desitjat (per exemple, una forquilla o creu). Sovint es tracta d'un procés en diverses etapes, que inclou una fase de preforjat per formar aproximadament la peça i una fase final de forjat per assolir la forma definitiva i els detalls fins.
4. Tallat: Després del forjat, la peça presenta una línia fina de material sobrant al voltant dels seus extrems, allà on es trobaven les dues meitats de l'estampa. Aquest excés, anomenat rebarba, s'elimina en una premsa de tallat. Posteriorment, la rebarba es recicla.
5. Tractament tèrmic: Per assolir les propietats mecàniques finals desitjades, els components forjats passen un tractament tèrmic. Tal com detalla HYB Universal Joint , això implica processos com la tempra (refredament ràpid) per endurir l'acer i el reveniment (recalfament a una temperatura més baixa) per augmentar la tenacitat i reduir la fragilitat. Alguns components també poden ser cementats per crear una superfície dura i resistent al desgast.
6. Acabat i mecanitzat: Tot i que la forja crea una forma gairebé definitiva, es requereix un mecanitzat de precisió per assolir les toleràncies ajustades finals en les superfícies de coixinet i els punts de connexió. S'executen operacions com el fornit, l'afinat i el tornejat mitjançant màquines CNC per garantir un ajust perfecte i un funcionament suau.
7. Muntatge i control de qualitat: Finalment, els components individuals —forquilles, creueta i coixinets— es munten. Durant tot el procés, es realitzen controles rigorosos de qualitat, incloent inspeccions dimensionals i proves de durabilitat, per assegurar que cada junta universal compleixi les especificacions de rendiment.

Components específics de forja: iugles i creus

Els components principals de l'articulació universal, l'iugle i la creu, tenen geometries diferents que requereixen dissenys especialitzats d'utillatges de forja i consideracions del procés. Optimitzar aquests processos és clau per millorar l'aprovitament del material, allargar la vida útil dels motlles i assegurar la integritat estructural de la peça final.

Forjat de l'iugle de l'articulació universal

La forquilla de l'articulació universal, o iugle, és una forja típica amb forma de forquilla i amb variacions significatives en la distribució del metall. La seva forma complexa, amb nervis estrets i alts, la fa difícil de forjar de manera eficient. Els mètodes tradicionals poden provocar un flux de material inadequat, generant excessiva llengua en algunes zones i ompliment incomplet en altres. Això no només malgasta material, sinó que també causa un desgast accelerat del motlle i exigeix pressions de forja més elevades.

Per superar aquests reptes, s'han desenvolupat tècniques avançades com el procés de preforja semitancat. Tal com s'explica en un anàlisi realitzat per Xinlong Machinery , això implica redissenyar l'estructura del motlle per controlar millor el flux de metall, forçant-lo a entrar als buits necessaris en lloc d'escapar-se cap al canal de rebaix. En optimitzar la forma de preestampació i la distribució del motlle, els fabricants poden augmentar l'aprovechament del material des d'un 61,5% fins a un 75% o més, reduir significativament la càrrega final de forjat i duplicar-ne més que el doble la vida útil dels motlles.

Per a empreses que busquen components automotrius robustos i fiables, els serveis especialitzats de forjat són essencials. Per exemple, per a components automotrius robustos i fiables, consulteu els serveis de forjat personalitzats de Shaoyi Metal Technology . Especialitzats en forjat calent d'alta qualitat certificat segons la IATF16949 per a la indústria automobilística, ofereixen des de prototipatge ràpid per a petits lots fins a producció massiva a gran escala. La seva experiència en fabricació interna de motlles assegura precisió i eficiència per a peces complexes com les forquilles de junta universal.

Forjat de l'eix creuat

L'eix creuat, també conegut com a aranya, és el component central que connecta les dues forquilles. La seva geometria de quatre braços és un exemple clàssic d'una peça 3D complexa que és idealment adequada per a la forja en calibre tancat a alta temperatura. El procés ha de garantir que el flux de gra sigui continu des del centre cap a cadascun dels quatre trunyons (o eixos). Això és fonamental per suportar les forces de torsió i flexió que experimenta durant el funcionament.

El procés de forja d'un eix creuat de junta universal consisteix a premsar un blau d'acer escalfat en un motlle que obliga el material a fluir cap a l'exterior formant els quatre braços de la creu. El disseny de la preforma i del motlle és crucial per assegurar que el motlle es compleixi completament sense defectes. Després de la forja, l'eix creuat rep un tractament tèrmic, com ara cementació, per crear una superfície molt dura i resistent al desgast als trunyons on s'assentaran els rodaments d'agulla, mantenint alhora un nucli més resistent i dúctil per absorbir les càrregues d'impacte.

Preguntes freqüents

1. Quins són els 4 tipus de processos de forja?

   Hi ha quatre tipus principals de processos de forja utilitzats per donar forma al metall. Aquests inclouen la forja en motlle tancat (o forja en motlle d'empremta), on el metall es premsa entre dos motlles que contenen una forma precisa; la forja en motlle obert, on el metall es modela entre motlles plans sense tancar-lo; la forja a fred, que es realitza a temperatura ambient per assolir precisió; i la forja de secció anular sense solapes, utilitzada per crear components amb forma d'anell.

2. De què estan fets els jocs universals?

   Els jocs universals solen estar fets d'aliatges d'acer d'alta resistència i tractables tèrmicament per suportar parells elevats i el desgast. Els materials més comuns inclouen acers al carboni com l'acer 45 i diversos acers aliats. Per a aplicacions que requereixen alta resistència a la corrosió, com en entorns marins o offshore, els components poden estar fets d'acer inoxidable, com el grau 316L. També es poden aplicar recobriments com el PTFE per reduir la fricció.

3. Què és el procés de forja creuada?

   La forja transversal és el treball preliminar del material forjat en plans alterns per desenvolupar les propietats mecàniques. Per a una creu de junta universal, s'utilitza un procés de forja en motlle tancat on es comprimeix un lingot escalfat, obligant el metall a fluir cap a l'exterior dins les quatre cavitats del motlle. Per a una creu de junta universal, això implica utilitzar un procés de forja en motlle tancat on es comprimeix un lingot escalfat, obligant el metall a fluir cap a l'exterior dins les quatre cavitats del motlle que formen els braços de la creu. El procés està dissenyat per garantir que la cavitat del motlle quedi completament omplerta mentre es minimitza el material sobrant (reble).