D E S C R I P C I Ó N CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo de recalcado y a una prensa, que tiene aplicación en la industria metalúrgica, y más concretamente en el ámbito de los procesos de conformado mediante forja, permitiendo una mejora del proceso de forja de acero en caliente con prensa verticales, denominado en inglés como drop forging, consiguiendo una reducción del material sobrante, habitualmente denominado rebaba que se produce en la estampación hasta llegar a una pieza o producto final forjado. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad son conocidos procesos de forja de acero en caliente con prensa verticales, en los cuales, hasta llegar a una determinada pieza final, que puede llegar a ser compleja, como es el caso de un cigüeñal, se produce un determinado desperdicio de material, dada la secuencia de operaciones que es necesario seguir hasta llegar a dicha forma objetivo.

Este material sobrante o rebaba se debe al dimensionamiento del taco de partida que se realiza en función de la sección más desfavorable de la pieza a forjar, obteniendo un sobrante de material excesivo en piezas con voiumetrías muy irregulares.

El indicador de cualquier pieza que se encarga de medir la cantidad de material sobrante, se llama Factor de carga (Fe), que se obtiene de la relación de peso de acero del taco de partida y peso de la pieza terminada.

Este indicador permite comparar el gasto de material que se da en los procesos actuales de forja libre en caliente. Actualmente existen diversos métodos especiales para optimizar dicho factor de carga del taco de partida antes del conformado previo y final de las piezas en prensa vertical:

Los métodos del estado de la técnica con preforma del taco de partida son básicamente los siguientes:

Laminado, que puede ser longitudinal o transversal.

Recalcado horizontal, que puede ser con forma o libre. Otros métodos, como el de forja rotatorio, denominado en inglés como swaging.

No obstante, esto procesos de preforma para su posterior forjado en caliente presentan una serie de inconvenientes, tal y como se expone a continuación:

Implican Instalaciones externas en las lineas de producción, que conlleva un mayor gasto en términos de inversiones y mayores dificultades técnicas, que afectan al producto final en términos de calidad y coste.

Complejidad técnica del proceso, debido ai aumento de factores a controiar que implica una menor eficiencia.

Debido a que son operaciones externas ai proceso de forja en caliente convencional, se produce un enfriamiento excesivo del taco de partida, lo que conlleva aumentos de desgaste de las matrices de forja, produciendo cierta dificultad en mantener un ciclo de vida óptimo para dichos utillajes, con la consecuencia de tener un mayor número de paradas de máquina y líneas de producción, además de una limitación de las tolerancias estrechas.

Se producen incrementos elevados en el consumo energético del proceso. En función de la complejidad de los procesos se crean cuellos de botella en las instalaciones, lo que altera el ciclo de producción del proceso.

Requieren personal adicional experimentado para el control del proceso. En el caso del recalcado horizontal, parte de ia barra que no se va a deformar tiene una temperatura fría, lo que lleva a un posterior calentamiento de la totalidad del taco de partida aumentando considerablemente el consumo energético mencionado anteriormente. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo de recalcado, así como a una prensa que comprende dicho dispositivo, si bien el dispositivo puede incorporarse en cualquier equipo de forja, que permite reducir significativamente los tiempos y costes de proceso así como la cantidad de material sobrante, dado que se consigue reducir las dimensiones del taco de partida respecto de los procesos y equipos del estado de la técnica para obtener una misma pieza final.

El dispositivo que la invención propone comprende una matriz superior y una matriz inferior que pueden fijarse a una prensa para forja, de manera que dichas matrices pueden desplazarse según una dirección vertical entre una posición abierta y una posición cerrada, de manera que en la posición cerrada la distancia entre las matrices es menor que en la posición abierta.

Pues bien, de acuerdo con la invención, cada matriz comprende al menos una superficie inclinada respecto de la dirección vertical. Asimismo, el dispositivo comprende al menos dos elementos recalcadores, donde cada elemento recalcador tiene una superficie inclinada complementaria que está en contacto con la superficie inclinada de cada matriz, tanto en la posición abierta como en la posición cerrada. Dichos, al menos dos elementos recalcadores están dispuestos enfrentados de manera que al menos en cualquier posición distinta de la abierta, están en contacto por unas superficies no inclinadas, opuestas a las superficies inclinadas complementarias, es decir, que en la posición abierta también pueden estar en contacto por las superficies no inclinadas.

Así se consigue reducir el desperdicio de material al forjar cualquier pieza, que como en el caso de los cigüeñales, este desperdicio es mayor cuanto más asimétrica sea la geometría del cigüeñal.

Los procesos del estado de la técnica, a diferencia de la invención, requieren maquinaria específica y pasos extra que no se requieren en el caso de la invención. La invención utiliza la propia prensa en la que se realiza el forjado para hacer el recalcado longitudinal, que hasta ahora solía hacerse transversalmente por tramos. Por lo tanto, de acuerdo con la invención la posición según una dirección longitudinal, perpendicular a la dirección vertical de los elementos recalcadores es diferente en las posiciones abierta y cerrada.

Se contempla, de acuerdo con una realización preferente, que las superficies no inclinadas estén contenidas en un plano perpendicular a la dirección vertical.

Asimismo, cada elemento recalcador se puede mantener unido a su respectiva matriz, con posibilidad de deslizamiento respecto de las superficies inclinadas, mediante medios de guiado, lo que impide su separación y colabora en la definición de su trayectoria de deslizamiento.

Con el objeto de reducir el impacto entre elemento recalcador y la matriz, así como devolver los elementos recalcadores a su posición original cuando el dispositivo pasa de la posición cerrada a la posición abierta, se contempla que el dispositivo comprenda medios elásticos entre cada elemento recalcador y su correspondiente matriz.

Tal y como se ha mencionado, un segundo aspecto de la invención se refiere a una prensa para forja, que comprende un dispositivo de recalcado como el anteriormente descrito.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista esquemática en alzado del dispositivo de la invención en la posición abierta.

La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo representado en la figura anterior sin la matriz inferior y uno de los elementos recalcadores.

La figura 3.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo en la posición cerrada.

La figura 4.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo representado en la figura anterior sin la matriz inferior y dos de los elementos recalcadores.

La figura 5.- Muestra una vista esquemática en perspectiva únicamente de la matriz inferior con los recalcadores en la posición abierta y un taco o tocho sin conformar.

La figura 6.- Muestra una vista esquemática en perspectiva como la de la figura anterior en la posición cerrada y con la pieza ya conformada.

La figura 7.- Muestra un esquema de las diferentes secciones a conformar en un tocho para obtener un cigüeñal.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras reseñadas puede observarse cómo en una de las posibles realizaciones de la invención el dispositivo de recalcado que la invención propone comprende una matriz superior (1) y una matriz inferior (2) que pueden fijarse a una prensa para forja, de manera que dichas matrices (1 , 2) pueden desplazarse según una dirección vertical (3) entre una posición abierta y una posición cerrada, de manera que en la posición cerrada la distancia entre las matrices (1 , 2) es menor que en la posición abierta.

Cada matriz (1 , 2) comprende al menos una superficie inclinada (4) respecto de la dirección vertical (3), comprendiendo el dispositivo al menos dos elementos recalcadores (5), donde cada elemento recalcador (5) tiene una superficie inclinada complementaria (6) que está en contacto con la superficie inclinada (4) de cada matriz (1 , 2), tanto en la posición abierta como en la posición cerrada, estando dispuestos dichos, al menos dos elementos recalcadores (5) enfrentados de manera que al menos en cualquier posición distinta de la abierta están en contacto por unas superficies no inclinadas (7), opuestas a las superficies inclinadas complementarias

(6).

Tal y como se aprecia en las figuras, la posición según una dirección longitudinal (8), perpendicular a la dirección vertical (3) de los elementos recalcadores (5) es diferente en las posiciones abierta y cerrada.

En la realización representada, donde no se muestra la prensa, las superficies no inclinadas (7) están contenidas en un plano perpendicular a la dirección vertical (3).

Cada elemento recalcador (5) se mantiene unido a su respectiva matriz (1 , 2), con posibilidad de deslizamiento respecto de las superficies inclinadas (4, 6), mediante medios de guiado (9), que consisten en una guía longitudinal. Asimismo, el dispositivo comprende medios elásticos (10) entre cada elemento recalcador (5) y su correspondiente matriz (1 , 2), consistentes en muelles.

El principal objeto de la invención es realizar un utillaje capaz de realizar en una operación, un recalcado en sentido longitudinal en una prensa vertical destinada a la forja libre en caliente para reducir el factor de carga. Esto supone una reducción de materia prima.

Además, el utillaje se ha diseñado teniendo en cuenta el dimensionamiento de las líneas de producción actuales, lo que no implica una inversión adiciona! en maquinaria, evitando así su costosa integración en lineas automatizadas de forjado de cigüeñales.

El recalcado longitudinal de forja vertical en caliente comprende un utillaje capaz de conformar un taco de partida en un solo golpe. Tal y como se puede apreciar en el esquema de la figura 7. donde se ha representado la obtención de un cigüeñal de 4 cilindros, 4 contrapesos y elípticas, se consideran las siguientes etapas para obtener dicha pieza. Aunque en esta realización se ha representado la obtención de un cigüeñal, este mismo ejemplo es válido para la obtención de cualquier pieza de voiumetría variable, cuyo gradiente volumétrico sea entorno a un 10%.

La pieza presenta volúmenes irregulares en toda su longitud, lo cual es común. Hasta ahora, en los procesos del estado de la técnica, el taco de partida para comenzar a forjar se extraía de la sección más desfavorable, por lo que contiene un factor de carga elevado, siendo este un aspecto que consigue mejorar la invención.

De acuerdo con la invención, se desarrollan matemáticamente las fórmulas y el proceso para el redímensionamíento del taco de partida según la sección más desfavorable. Para ello se estudian los límites del proceso, dando lugar a nuevo método de cálculo para la repartición de los volúmenes en función de las características geométricas.

Ello se consigue con el dispositivo de la invención, dado que conceptualmente este nuevo proceso de recalcado es capaz de integrarse en las instalaciones actuales y más comunes dentro de la forja en caliente, evitando así la inversión de nuevas maquinarias y sus consecuentes especialízaciones en la materia.

De acuerdo con la invención se convierte el movimiento vertical de la prensa y matriz en un movimiento longitudinal de los elementos de recalcado con el objeto de repartir el volumen según lo requiera la pieza:

Para conseguir el objeto de la invención el dispositivo comprende la definición de unas rampas que hacen que los recaícadores se muevan en sentido longitudinal. Esto se debe a que las prensas disponen de carreras determinadas según los pasos de forjado posteriores que se sitúan en la misma bancada, tratando de conseguir que este nuevo proceso sea totalmente flexible a introducirla en la misma línea de producción del componente sin afectar así a su ciclo de producción.

La definición de estas rampas es importante para superar las fuerzas de rozamiento que pueden generarse.

Por io tanto, estos movimientos vienen determinados y deben ser sincronizados según:

Los limites del proceso que vendrán determinados por:

o Datos de volumetria para identificar la conveniencia dei proceso de recalcado.

o Límites de deformación del taco de partida, para evitar el riesgo de pandeo. De este modo, se obtienen unas líneas de fibrado satisfactorios para garantizar un óptimo proceso de forja en pasos posteriores.

o Criterios de diseño de utillaje, donde se exponen las medidas límites de la prensa y carrera, el rozamiento a tener en cuenta, como las dimensiones de los porta matrices.

Los parámetros de recalcado y volumetria con su respectiva formulación.

Dimensiones del utillaje, según ios valores extraídos de la formulación anterior.

Por ello se decide realizar un concepto de matriz que dispone de carros longitudinales capaces de reorientar dichos volúmenes, con el objeto de reducir el factor de carga, es decir, eliminar material sobrante además de todas las ventajas que ello implicaría.

Una realización preferente de la invención se centra en el uso de prensas, por motivos de disponibilidad, dada su extendida utilización. En este sentido, un aspecto novedoso de la invención es la propia integración dei recalcado longitudinal en prensas.

La definición dimensional del utillaje de recalcado longitudinal depende directamente de la carrera de la maza y apertura de la prensa, también denominada luz en e! punto muerto superior.

El utillaje de recalcado, por lo tanto se ajusta a esta característica de carrera limitada (C), es decir, la altura libre a respetar es siempre la carrera de la prensa.

Considerando que la invención contempla integrar el dispositivo o útil de recalcado en la propia prensa y línea de producción de la misma pieza a forjar, en el de la realización preferente, un cigüeñal; lo ideal sería que la matriz de recalcado longitudinal se ajustase a las dimensiones en XYZ de las matrices con el fin de aprovechar la estructura diseñada de los porta-matrices, sin embargo, tal y como ya se ha mencionado el utillaje de recalcado ha de ajustarse a la carrera (C) de la prensa. Por lo tanto, para respetar el parámetro de la carrera, los elementos de recalcado longitudinales que la invención propone se desplazarse ionqitudinalmente mediante rampas a la vez que la prensa llega a su posición cerrada.

Ai bajar la prensa, los útiles de recalcado entran en contacto entre ellos y gracias a las rampas/guías incluidas en la matriz y a la fuerza de reacción que le transmite el movimiento vertical de la prensa, hace que se desplacen longitudinalmente.

Por lo tanto, la definición del ángulo de estas rampas es importante, y está relacionado con el mínimo ángulo necesario para vencer las fuerzas de rozamiento, además de estar ligado a las longitudes de recalcado del taco.

Los útiles de los extremos se desplazan más que ios centrales, el valor depende de la volumetria de la pieza, ello es debido a que, el ángulo de la rampa β, y la altura de la matriz no debe ser mayor que la altura del portamatríz (PT).

Hay que considerar, por lo tanto que la pendiente o inclinación de la rampa, tiene que ser suficiente como para que la componente correspondiente de la fuerza ejercida por la prensa supere o venza la fuerza de rozamiento existente entre ambas superficies. Para definir las variables del proceso, se analiza la sistemática de definición del aplastado que se va a realizar. En primer lugar se realiza un análisis volumétrico de la pieza, en el caso de la presente realización un cigüeñal, con lo que se obtiene unos volúmenes máximo y mínimo. Hay que tener en cuenta que estos volúmenes ya se les ha aplicado el Fe (factor de carga objetivo). Se dimensiona el taco de partida que se obtiene en función de la sección más favorable, que coincide con el Vmin y su formulación es la siguiente: (en este tipo de cigüeñal este Vmin suele darse en (V ₃ , V ₄ , V ₇ y V ₈ ))

A continuación se obtiene el valor del diámetro (0 _t ) a recalcar (a aumentar), para ajustarse a la voSumetría de la pieza.

Las longitudes finales de recalcado (Lf) se conoce, ya que es 2 veces el modulo

Debido a la simetría o valores semejantes de la voiumetría (de V ₂ a V ₉ ) se extrae:

Estas longitudes finales son iguales que la posición final de los útiles de recalcado que se exponen seguidamente.

Por otro lado, conociendo el diámetro inicial del taco de partida y la suma de los volúmenes del componente (V ₁ ... V ₁₀ ) multiplicado por el factor de carga objetivo, es posible sacar la longitud del taco de partida a recalcar.

Tai y como se ba indicado, la longitud del taco está relacionada con las posiciones iniciales de ios útiles de recalcado.

Cada útil de recalcado dispone de tres muelles que trabajan a compresión, en estudios posteriores se avanzará en el cálculo óptimo de sus características.

En las figuras 1 , 2 y 5 se aprecia el utillaje abierto, mientras que en las figuras 3, 4 y 6 está cerrado, de manera que los útiles entran en contacto y gracias a la reacción de fuerza debido a la bajada de la prensa y al vencimiento de la fuerza de rozamiento, éstos se sincronizan y comienzan a desplazarse en sentido longitudinal y vertical simultáneamente. En ia posición de cierre, ia prensa está en el punto muerto inferior, y el desplazamiento longitudinal está en su final de carrera.

Las dimensiones de cada útil de recalcado han de ser dímensionadas de forma suavizada y gracias a la experiencia en otros proyectos, por ejemplo un chaflán con ángulo de 30°, permite que el material recalcado no tenga un cambio brusco, ya que dicho material tiende a copiar la geometría dei útil, y se considera 0,5 M de parte recta.

El ancho total de los recaicadores definidos inicialmente son como mínimo 1 M en total, siempre y cuando no sea poca anchura en términos de esfuerzos debido al conformado.

Este valor varia en función de ios resultados extraídos de ia simulación de forja del recalcado longitudinal.

A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.