WO2006056621A2

WO2006056621A2 - Obtención de útiles por forja en molde de hormigón

Info

Publication number: WO2006056621A2
Application number: PCT/ES2004/000510
Authority: WO
Inventors: Isaac Valls Angles; Aniceto Valls Segura
Original assignee: Rovalma SA
Current assignee: Rovalma SA
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2007-05-16
Also published as: EP1892049A1

Description

TITULO:

OBTENCIÓN DE ÚTILES POR FORJA EN MOLDE DE HORMIGÓN.

DESCRIPCIÓN:

SÍNTESIS DEL INVENTO:

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).

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.

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.

ANTECEDENTES Y SITUACIÓN:

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.

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.

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,...).

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).

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,...].

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,....].

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...].

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Claims

REIVINDICACIONES:

NOTA PRELIMINAR: En todas las reivindicaciones, donde se lea "molde o matriz mediante forja" debe entenderse también la obtención mediante forja en un molde de forma de cualquier tipo de preforma que simplifique el mecanizado para la obtención del molde o matriz final.

- 1) Proceso por el cual se obtienen moldes o matrices mediante forja en un molde de forma de hormigón o mortero. Los materiales empleados para la construcción de los moldes o matrices pueden ser metales, aleaciones metálicas o "composites" con fase metálica (ya sea la matriz o cualquiera de las fases).

- 2) Proceso por el cual se obtienen piezas únicas o de serie corta mediante forja en un molde de forma de hormigón o mortero. Los materiales empleados para la construcción de las piezas pueden ser metales, aleaciones metálicas o "composites" con fase metálica (ya sea la matriz o cualquiera de las fases).

- 3) Cualquier molde, matriz o pieza producido mediante forja en un molde de forma de hormigón o mortero.

- 4) Reivindicaciones 1 a 3 cuando el proceso de deformación por forja se hace dentro del régimen de deformación superplástica, en moldes de forma de hormigón o mortero precalentados o atemperados durante el proceso de forja.

- 5) Reivindicaciones 1 a 4 cuando el molde de forma se sitúa en el interior de un zuncho de resistencia mecánica a la tracción superior a la del hormigón o mortero empleado para la construcción del molde de forma. (También cuando la mayor resistencia es en parte debida a la diferencia de temperatura, especialmente si el suncho se refrigera). - 6) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está fabricado con hormigón o mortero de alta resistencia (Rm>=25MPa).

- 7) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está fabricado con hormigón o mortero refractario, con especial mención a los hormigones o morteros fabricados con cementos con contenido de Alúmina superior al 20%.

- 8) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está fabricado con hormigón o mortero refractario de alta resistencia (Rm>=25MPa).

- 9) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está fabricado con hormigón o mortero refractario de alta resistencia (Rm>=25MPa), con especial mención a los hormigones o morteros fabricados con cementos con contenido de Alúmina superior al 20%.

- 10) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está fabricado con hormigón o mortero donde alguno de los áridos empleados tiene un contenido de Alúmina superior al 10%.

- 11) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está en parte fabricado con algunos de los materiales siguientes: MgO, SiC, ZnO, Cr₂O₃, ZrO₂, B₂O₃, Al₂SiO₅, CeO₂, C₂Si₃, CaF₂, Silica, grafito, magnesita, silicatos, linosulfonatos, fosfatos (de boro, aluminio...), porcelanatos, sílice, alúmina o aluminosilicatos.

- 12) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está en parte fabricado con algunos de los materiales siguientes: arena (con o sin aglomerante), granulado o polvo de cualquier material refractario o basalto.

-13) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está fabricado con granulado o polvo de material refractario o cualquier árido y se utiliza cualquier aglomerante, no necesariamente cementoso, como por ejemplo aglomerante a base de fosfatos (con especial mención al fosfato de aluminio). - 14) Reivindicaciones 1 a 5 cuando el molde de forma está fabricado con cualquier material no-metálico.

-15) Reivindicaciones 1 a 14 cuando se emplea una pintura o recubrimiento térmico sobre el molde de forma. Se entiende por pintura o recubrimiento térmico a cualquier capa de grosor inferior a los 5 mm con características refractarias, especialmente cuando la emisividad térmica sea superior a la del material empleado para la construcción del molde de forma. También pinturas o recubrimientos que presentan mayor resistencia a la temperatura de trabajo. (Pinturas o recubrimientos típicos a base de: SiO₂, BN, ZrO₂, YO₂, Al₂O₃,...)

-16) Reivindicaciones 1 a 15 cuando se emplea un zuncho metálico para aminorar los esfuerzos a tracción soportados por el molde de forma (el suncho puede ser refrigerado durante el proceso de forja para incrementar su resistencia a la tracción y/o para aumentar la interferencia con el molde de forma).

-17) Reivindicaciones 1 a 16 cuando el molde de forma se precalienta antes de introducir el material a ser forjado.

-18) Reivindicaciones 1 a 17 cuando el molde de forma se calienta a una temperatura similar a la del material para la fabricación del molde, matriz o pieza, también cuando el material es calentado dentro del propio molde de forma.

-19) Reivindicaciones 1 a 18 cuando el molde de forma se calorífuga para minimizar la pérdida de calor. También cuando se aporta calor al molde de forma durante el proceso de conformación del molde, matriz o pieza, ya sea mediante pantallas radiantes o resistencias de cartucho insertadas en el propio molde de forma, mantas calefactoras o cualquier otro mecanismo de calefacción. - 20) Reivindicaciones 1 a 19 cuando la deformación de forja para obtener el molde, matriz o pieza se aplica dentro del régimen de deformación superplástica del material empleado para la construcción del molde o matriz.

- 21) Reivindicaciones 1 a 20 cuando la deformación de forja para obtener el molde, matriz o pieza se aplica dentro del régimen de recristalización dinámica del material empleado para la construcción del molde o matriz.

- 22) Reivindicaciones 1 a 21 cuando la deformación de forja para obtener el molde, matriz o pieza se aplica dentro del régimen de restauración dinámica del material empleado para la construcción del molde o matriz.

- 23) Reivindicaciones 1 a 22 cuando se emplea una velocidad de deformación superior a 0,1 s^"1 en el proceso de forja.

- 24) Reivindicaciones 1 a 23 donde el molde de forma se ha obtenido a partir de un modelo mecanizado en un material de fácil mecanización (polímero, madera, Aleación ligera).

- 25) Reivindicaciones 1 a 23 donde el molde de forma se ha obtenido a partir de un modelo fundido o inyectado.

- 26) Reivindicaciones 1 a 23 donde el molde de forma se ha obtenido a partir de un modelo de poli-estireno expandido de alta densidad.

- 27) Reivindicaciones 1 a 26 cuando el material empleado para la fabricación del molde, matriz o pieza es un metal o aleación metálica.

- 28) Reivindicaciones 1 a 26 cuando el material empleado para la fabricación del molde, matriz o pieza es un compuesto de matriz metálica. - 29) Reivindicaciones 1 a 26 cuando el material empleado para la fabricación del molde, matriz o pieza es compuesto con matiz polimérica.

- 30) Reivindicaciones 1 a 26 cuando el material empleado para la fabricación del molde, matriz o pieza es un acero.

- 31) Reivindicaciones 1 a 26 cuando el material empleado para la fabricación del molde, matriz o pieza es un acero de herramientas.

- 32) Cualquier molde, matriz o pieza producido mediante fundición en un molde de forma fabricado con hormigón o mortero.

- 33) Cualquier molde, matriz o pieza producido mediante fundición en un molde de forma fabricado con hormigón o mortero de alta resistencia (Rm>=25MPa).

- 34) Cualquier molde, matriz o pieza producido mediante fundición en un molde de forma fabricado con hormigón o mortero refractario, con especial mención a los hormigones o morteros fabricados con cementos con contenido de Alúmina superior al 20%.

- 35) Cualquier molde, matriz o pieza producido mediante fundición en un molde de forma fabricado con hormigón o mortero refractario de alta resistencia (Rm>=25MPa).

- 36) Cualquier molde, matriz o pieza producido mediante fundición en un molde de forma fabricado con hormigón o mortero refractario de alta resistencia (Rm>=25MPa), con especial mención a los hormigones o morteros fabricados con cementos con contenido de Alúmina superior al 20%.

- 37) Cualquier molde, matriz o pieza producido mediante fundición en un molde de forma fabricado con hormigón o mortero donde alguno de los áridos empleados tiene un contenido de Alúmina superior al 10%. -38) Proceso para la obtención de moldes matrices o piezas empleando el prensado de polvos en un molde de forma de hormigón o mortero. El material con el que quiere obtenerse el molde, matriz o pieza se introduce como 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.

- 39) Cualquier molde matriz o pieza obtenido por el proceso descrito en la reivindicación 38.

-40) Reivindicaciones 38 y 39 cuando el molde de forma está fabricado con hormigón o mortero donde el cemento y/o alguno de los áridos empleados tiene un contenido de Alúmina superior al 10%.

-41) Reivindicación 38 y 39 cuando el molde de forma está fabricado con hormigón o mortero de alta resistencia (se entiende por hormigón o mortero de alta resistencia aquel que tiene una resistencia mecánica superior a los 40 MPa).