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PLANEJAMENTO DO PROCESSO E PROJETO DE FERRAMENTAS PARA O FORJAMENTO A FRIO


PROF. DR. SÉRGIO TONINI BUTTONDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICAUNICAMP

1999

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ÍNDICEpágina

1 - INTRODUÇÃO 03

2 - FORJAMENTO A FRIO

2.1 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO 032.2 - TIPOS DE PROCESSO 032.3 - LIMITAÇÕES DO PROCESSO 062.4 - LUBRIFICAÇÃO 08

3 - PRODUTOS OBTIDOS NO FORJAMENTO A FRIO

3.1 - GEOMETRIAS 093.2 - QUALIDADE SUPERFICIAL E TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS 103.3 - DEFEITOS EM PRODUTOS FORJADOS A FRIO 11

4 - EQUIPAMENTOS PARA OBTENÇÃO DE PRODUTOS FORJADOS

4.1 - INTRODUÇÃO 134.2 - DESCRIÇÃO DE PRENSAS MECÂNICAS E HIDRÁULICAS 134.3 - DESCRIÇÃO DA PRENSA HIDRÁULICA SMG-SCHULER 174.4 - DESCRIÇÃO DE PROCESSOS E EQUIPAMENTOS AUXILIARES 17

5 - PLANEJAMENTO DO PROCESSO E PROJETO DO FORJADO

5.1 - DIMENSIONAMENTO DO FORJADO A FRIO 195.2 - PLANEJAMENTO DO PROCESSO DE FORJAMENTO A FRIO 225.3 - LIMITAÇÕES DO PROCESSO QUANTO A REDUÇÕES DE ÁREA 225.4 - CRITÉRIOS PARA O SEQUENCIAMENTO DE OPERAÇÕES 27

6 - PROJETO DO FERRAMENTAL 336.1 - DIMENSIONAMENTO DE PUNÇÕES E MATRIZES 346.2 - MATERIAIS EMPREGADOS EM FERRAMENTAS NO FORJAMENTO

A FRIO 45

7 - EXEMPLO DE PLANEJAMENTO DO PROCESSO E DIMENSIONAMENTO DOFERRAMENTAL PARA UM EIXO FORJADO A FRIO

7.1 - ETAPAS PARA O PLANEJAMENTO DO PROCESSO 487.2 - DIMENSIONAMENTO DO FERRAMENTAL 51

8 - BIBLIOGRAFIA 54

1 - INTRODUÇÃO

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Neste roteiro, serão abordados aspectos relativos ao planejamento do processo de forjamento a frio, bem como descritos critérios para o projeto das ferramentas empregadas nesse processo.

2 - FORJAMENTO A FRIO

2.1 - DESCRIÇÃO DO PROCESSO

O forjamento a frio é denominado um processo de conformação plástica, ou seja, que ocorre no campo plástico da liga metálica, sem remoção de material. A designação a frio refere-se ao fato de que durante o processamento, o material conformado encontra-se em temperaturas (na maioria dos casos, a temperatura ambiente) que não provocam seu recozimento. Assim, os produtos forjados a frio apresentam-se encruados, com um nível de resistência mecânica elevado.

O encruamento faz com que a capacidade de deformação plástica do metal (conformabilidade) seja reduzida. Desta forma, reduz-se também a possibilidade de grandes reduções de área ou a obtenção de geometrias complexas. Assim, o forjamento a frio é normalmente empregado para a fabricação de peças similares a sólidos de revolução com dimensões e pesos relativamente reduzidos (eixos, parafusos, pinos, porcas e plugs).

O aspecto vantajoso do processo reside na elevada qualidade dimensional e superficial dos produtos associada ao trabalho a frio, no qual não estão presentes inconvenientes do trabalho a quente como a oxidação, a descarbonetação e a contração térmica.

Comparado à usinagem e ao forjamento a quente, o forjamento a frio apresenta maior produtividade e economia de matéria-prima, o que torna esse processo altamente competitivo para a produção de peças em aço.

A norma VDI 3138 (v.3) apresenta um estudo comparativo para vários exemplos de peças metálicas, determinando a rentabilidade do forjamento a frio quando comparado à usinagem e à fundição.

2.2 - TIPOS DE PROCESSO

O forjamento a frio de eixos de aço consiste de dois processos básicos: o recalque e a extrusão. A figura 1 apresenta esquematicamente uma sequência de etapas para obtenção de um eixo

forjado a frio, na qual se observa as operações de recalque e extrusão.No recalque, a área da seção transversal da peça forjada é aumentada durante o processo, por

meio de esforços de compressão que promovem o escoamento radial do material forjado.Já na extrusão, a área da seção transversal do forjado é reduzido ao ser empurrado através de

uma ferramenta (matriz) que define as dimensões e a geometria da seção do produto.

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Figura 1 - Representação das operações de forjamento a frio de um eixo.

A figura 2 apresenta algumas variações dos processos de recalque e de extrusão.O recalque pode ser (a) livre ou (b) contido, caso o diâmetro da peça recalcada seja ou não

definido por uma ferramenta, respectivamente.No caso de eixos forjados a frio com cabeça recalcada, o processo apresenta as variações

mostradas em (c) recalque frontal e (d) recalque com matriz de sujeição.A extrusão pode ser (e) aberta (também denominada como de matriz aberta ou de redução) em

que o tarugo não está contido numa matriz-guia. Nesse caso, o processo restringe-se a pequenas reduções de seção, impostas pelo risco de flambagem e recalque do tarugo.

No caso de utilizar-se matrizes-guias (f), há possibilidade de maiores reduções de seção porém com limites definidos pelo atrito entre o tarugo e a matriz-guia.

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Figura 2 - Exemplos de variações de processo encontradas no forjamento a frio de eixos.

Tanto (e) como (f) são definidos como extrusão direta (ou para frente) pois o movimento de avanço do produto extrudado coincide com o movimento do punção de extrusão.

Já nos casos (g) de extrusão de peças ocas e (h) de extremidades de eixo, define-se a extrusão como sendo inversa (ou para trás), devido aos diferentes sentidos de movimento do punção e do produto.

A norma VDI 3138 (v.1) apresenta uma série de geometrias de produtos possíveis de se obter pelo forjamento a frio.

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2.3 - LIMITAÇÕES DO PROCESSO

Como em qualquer processo de conformação, as limitações do forjamento a frio de eixos de aço referem-se a aspectos econômicos e relativos à própria natureza do processo.

Como exemplos de limites impostos por aspectos econômicos tem-se: - a limitação de capacidade do equipamento de forjamento em termos de energia disponível e dimensões características de produtos forjados;- as propriedades mecânicas do material empregado na fabricação das ferramentas, em termos de dureza e resistência à compressão.

Esses aspectos fazem com que um dado equipamento seja capaz de produzir forjados com dimensões e geometrias específicas, restringindo seu uso para uma categoria de produtos.

As limitações impostas pelas ferramentas apresentam um caráter econômico relacionado com o seu custo e vida de trabalho.

Como apresentado anteriormente, o forjamento a frio apresenta-se como um processo economicamente competitivo em que a escolha adequada do material e dos processos para fabricação do ferramental influi decisivamente.

Respeitadas as limitações impostas pelo equipamento e pelas ferramentas, deve-se considerar as características específicas do processo que restringem a obtenção dos produtos forjados.

Como apresentado, o forjamento a frio consiste basicamente de operações de recalque e de extrusão.

No recalque há duas limitações principais: uma relacionada com as dimensões do tarugo e outra com a máxima deformação possível.

A esbeltez do tarugo, ou seja, a razão entre a sua altura e seu diâmetro é limitada pela possibilidade de flambagem do tarugo.

No caso do recalque frontal (Figura 2-c) uma possível limitação do processo é a força disponível sob a matriz de recalque.

Já a máxima deformação possível está associada à conformabilidade do material do tarugo e às condições de lubrificação na interface tarugo-matriz.

No caso da extrusão aberta, o limite da redução de área deve-se a duas restrições: a possibilidade de recalque do tarugo à frente da matriz no caso de tarugos curtos e a possibilidade de flambagem do tarugo antes do início da extrusão, no caso de tarugos longos.

Para a extrusão contida (direta ou inversa), a limitação de redução de seção deve-se principalmente às elevadas tensões desenvolvidas durante o processo que transmitidas às ferramentas podem causar sua falha, mesmo que essas ferramentas sejam adequadamente dimensionadas e

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reforçadas. Nesse caso, a lubrificação eficiente da interface tarugo-ferramentas promove a redução dessas tensões, a elevação da vida útil do ferramental e possibilidade de aumento da redução de seção.

A figura 3 apresenta os valores limites de deformação para as diversas variações de processo encontradas no forjamento a frio.

Figura 3 - Limitações de deformação para os processos de forjamento a frio.

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2.4 - LUBRIFICAÇÃO

Devido às elevadas pressões de trabalho observadas no forjamento a frio, o uso de lubrificantes eficientes torna-se essencial para a redução dos esforços, aumento da vida das ferramentas e principalmente para possibilitar a efetivação do processo.

Os requisitos de um lubrificante eficaz são:

· um pequeno coeficiente de atrito, pois em muitos processos o trabalho contra o atrito representa até 50% da energia total empregada;

· resistência a pressões normais elevadas;· boas propriedades de aderência superficial, garantindo um filme contínuo ao longo do processo e,· prevenção de soldagem a frio.

Uma das desvantagens do uso de lubrificantes resistentes a pressões elevadas é a redução da qualidade superficial dos produtos devido ao surgimento de "bolsões" de lubrificante.

No caso do forjamento a frio de aços, os lubrificantes mais indicados são os sabões à base de sódio, o bissulfeto de molibdênio (MoS2) e a grafita.

Os sabões apresentam como desvantagem a queda de viscosidade em temperaturas próximas de 200 oC. Já o MoS2 pode ser empregado até 400 oC, pois oxida-se a partir desta temperatura. Com a

grafita é possível o uso até 800 oC.Grafita e MoS2 apresentam como desvantagem a dificuldade de aplicação que exige o uso de

líquidos, como água ou óleo, para aspersão do lubrificante.Esses lubrificantes são sempre aplicados sobre um revestimento rugoso que funciona como um

depósito e tem por função garantir a eficiência da lubrificação na região de deformação, aderindo à peça conformada e conduzindo o lubrificante.

No caso de processos severos como o forjamento a frio de aços, recomenda-se o emprego de revestimento de conversão, como o fosfato de zinco. Ao reagir com o ferro presente no aço, o fosfato passa a apresentar elevada adesão e sua estrutura superficial favorece o transporte e atuação do lubrificante, usualmente um sabão. Caso as pressões sejam extremamente elevadas, pode-se aplicar MoS2 em pó sobre a camada de fosfato com sabão.

A espessura ideal da camada de fosfato deve ser determinada experimentalmente, considerando aspectos como a redução dos esforços, a qualidade geral dos produtos forjados e a economia da operação de preparação da superfície dos tarugos.

Com o uso do sistema de lubrificação sabão-fosfato, promove-se considerável redução do atrito, com coeficientes de atrito típicos próximos de 0,05 e produtos com qualidade superficial elevada.

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3 - PRODUTOS OBTIDOS NO FORJAMENTO A FRIO

3.1 - GEOMETRIAS

Como apresentado no item 2.2, o forjamento a frio é um processo composto pelas operações de recalque e extrusão. Assim, as geometrias possíveis dos produtos ficam restritas pelos modos de escoamento associados a esses processos: escoamento radial para o recalque e axial na extrusão.

Deste modo, como apresentado na figura 4, alguns detalhes geométricos não podem ser obtidos pelo forjamento a frio, como por exemplo, peças assimétricas (4.a e 4.b) e detalhes internos e externos fora do plano de ação do processo (4.c e 4.d), inviabilizados pelo modo de escoamento do material.

Figura 4 - Restrições geométricas para a obtenção de forjados a frio.

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Por ser um processo de conformação plástica a frio, o forjamento apresenta algumas limitações geométricas pela restrição ao escoamento do material devida ao encruamento, representado pelo significativo aumento da resistência à deformação. Como exemplo, a tensão limite de escoamento do aço AISI 1035 passa de aproximadamente 300 MPa no estado recozido para quase 600 MPa quando deformado à temperatura ambiente com 45% de redução da seção transversal. Esse mesmo material também uma queda sensível de ductilidade, representada pela redução do alongamento de 20% (como recozido) para 8% quando deformado a frio.

A restrição do escoamento metálico devido ao encruamento restringe a obtenção de detalhes como mostrados na figura 4.e (furos longos e de pequeno diâmetro) e 4.f (cantos vivos).

3.2 - QUALIDADE SUPERFICIAL E TOLERÂNCIAS DIMENSIONAIS

O processo de forjamento a frio apresenta algumas características que permitem a obtenção de produtos com elevada qualidade geral (bom acabamento superficial e tolerâncias dimensionais reduzidas). Dentre essas características destacam-se:

· ausência de problemas relacionados ao aquecimento do tarugo, como oxidação, descarbonetação ou contração térmica;

· presença de lubrificação eficiente;· equipamentos (prensas) com elevada rigidez e tolerâncias dimensionais e geométricas apertadas;· ferramentas rígidas com elevada qualidade superficial, dimensional e geométrica.

A qualidade de trabalho normalmente encontrada na extrusão a frio de aços apresenta-se entre IT 8 e IT 13 (em situações especiais, obtém-se até IT7), ou seja, qualidades de trabalho semelhantes às encontradas nas operações de usinagem para desbaste e acabamento, como por exemplo o torneamento.

Já a rugosidade superficial média (Ra) dos produtos, varia entre 0,3 e 3,5 mm, de acordo com as

condições de redução de seção e de acabamento das ferramentas. Esses valores são característicos de processos como a retificação e o torneamento em produção.

No caso dos comprimentos dos eixos forjados, deve-se considerar a variação entre peças de um mesmo lote devida à tolerância nos comprimentos dos tarugos. Essa variação deve-se ao processo de corte dos tarugos, que no caso do cisalhamento em guilhotinas varia entre +0,1 e -0,1 mm.

Sempre que possível deve-se considerar a utilização e a funcionalidade dos produtos acabados, observando as regiões que serão necessariamente usinadas, projetando forjados geometricamente mais favoráveis e com tolerâncias dimensionais mais abertas, de modo que a vida das ferramentas seja aumentada e que os custos totais de fabricação sejam reduzidos, com a consequente melhoria da produtividade.

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As variações dimensionais e geométricas encontradas em produtos forjados a frio podem ser explicadas por alguns fatores, como apresentados na figura 5.

1. Dimensão determinada pelas ferramentas e pela recuperação elástica após extração;

2. Dimensão determinada pela precisão de posicionamento do martelo da prensa durante o forjamento;

3. Precisão da dimensão determinada pela precisão dimensional das ferramentas e pela folga existente entre o

martelo e a estrutura da prensa. Nesse caso, a excentricidade radial comum está entre 0,1 e 0,2 mm;

4. No caso de eixos longos, a flexão de cerca de 0,1% do comprimento do eixo não pode ser eliminada.

Figura 5 - Variações encontradas em dimensões de peças forjadas a frio.

A norma VDI 3138 (v.1) apresenta uma série de indicações e restrições para o projeto de peças forjadas a frio. Também nesta norma, são apresentados valores característicos de tolerâncias dimensionais, geométricas e de rugosidade superficial dos produtos forjados.

3.3 - DEFEITOS EM PRODUTOS FORJADOS A FRIO

Os defeitos que surgem em produtos forjados a frio são causados basicamente por fatores como:

· tratamento térmico incorreto e baixa qualidade superficial dos tarugos de partida;· deficiência da lubrificação na interface tarugo-ferramentas;· execução de etapas de extrusão ou recalque com graus de deformação excessivos e, · uso de ferramentas com geometrias inadequadas.

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A figura 6 (a) esquematiza um defeito de trinca por cisalhamento (a 45o) numa peça de aço recalcada a frio. Nesse caso, o defeito deveu-se a uma escolha inadequada do tratamento térmico do material de partida, utilizado com estrutura perlítica lamelar (de baixa conformabilidade).

Já a figura 6 (b) apresenta um defeito de trinca longitudinal em peça recalcada devido à baixa qualidade superficial do material de partida.

A figura 6.c esquematiza o defeito denominado como "chevron". Esse defeito de ocorrência aleatória apresenta uma série de causas possíveis como, por exemplo, a escolha inadequada das reduções de seção em passes sucessivos de extrusão combinada com o uso de matrizes com ângulo de trabalho incorretos, o uso de lubrificantes ineficazes e materiais de partida com estruturas de baixa conformabilidade.

A norma VDI 3138 (v.1) apresenta diversos defeitos encontrados em forjados a frio e aponta suas prováveis causas.

Figura 6 - Representação esquemática de defeitos em produtos forjados a frio.

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4 - EQUIPAMENTOS PARA OBTENÇÃO DE PRODUTOS FORJADOS

4.1 - INTRODUÇÃO

Os equipamentos empregados na produção de produtos forjados a frio podem ser classificados em equipamentos para o forjamento propriamente dito e equipamentos auxiliares.

4.2 - DESCRIÇÃO DE PRENSAS MECÂNICAS E HIDRÁULICAS

A escolha do equipamento a ser empregado no processo de forjamento normalmente baseia-se em aspectos econômicos como, por exemplo, as instalações e máquinas disponíveis na planta fabril.

Deve-se sempre considerar que a precisão de construção e operação dos equipamentos de forjamento transferem-se ao processo e, conseqüentemente, ao produto, como apresentado na figura 5.

Dentre as características desejadas para um equipamento de forjamento pode-se destacar:

· valores característicos de energia e força;· valores característicos de tempo (velocidade de trabalho, avanço, recuo e transporte);· valores característicos de precisão dimensional e geométrica e,· valores característicos de estrutura (rigidez, vãos, cursos de prensagem e extração).

Como apresentado, o forjamento a frio normalmente ocorre em vários estágios, assim, deve-se analisar tecnicamente e economicamente a forma como esses estágios serão distribuídos em um ou mais equipamentos.

Os produtos forjados a frio apresentam qualidade geral bastante elevada pela própria natureza do processo. Assim, a opção pelo equipamento de forjar recai sobre máquinas que possuam características adequadas de energia e força disponível, velocidades, precisão, rigidez, vãos e cursos, além de possibilitar a execução de vários estágios de conformação simultânea ou separadamente.

Dentre os equipamentos normalmente utilizados para conformação de metais, destacam-se para o forjamento a frio, as prensas acionadas tanto mecânica como hidraulicamente, sendo as prensas hidráulicas tanto de construção vertical como horizontal.

Pelas características de precisão, capacidade e produtividade, as prensas mecânicas mais empregadas no forjamento a frio são as prensas excêntricas (máquinas de curso restrito).

As prensas excêntricas verticais de acionamento por joelho (Figura 7) são empregadas especialmente no forjamento de aço, com peças entre 40 a 250 mm de diâmetro.

Há possibilidade de utilização de ferramentas para vários estágios. A força nominal encontra-se entre 60 e 4000 T e o número de golpes por minuto entre 20 e 250, com cursos entre 50 e 350 mm.

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A força de extração é aproximadamente 15% da força nominal e o curso de extração entre 30 e 50% do curso máximo.

As prensas excêntricas verticais com acionamento por eixo excêntrico ou por virabrequim (Figura 8) podem ser utilizadas com ferramentas de um ou vários estágios.

São utilizadas para produção de lotes pequenos e médios ou para o forjamento de peças com diâmetros superiores a 50 mm. A capacidade nominal de força varia de 60 a 1600 T.

O número de golpes em ciclo contínuo apresenta-se entre 10 e 80 por minuto, com curso entre 150 e 800 mm. A força de extração atinge 30% da capacidade nominal e o curso de extração, 60% do curso máximo.

Figura 7 - Representação esquemática de uma prensa excêntrica com acionamento por joelho.

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Figura 8 - Representação esquemática de prensas excêntricas acionadas por (a) eixo excêntrico e (b) virabrequim.

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As prensas hidráulicas verticais, ou máquinas de força limitada, (Figura 9) têm sido utilizadas no forjamento a frio de peças longas, em operações que se exija cursos elevados, com grande capacidade de trabalho e forças elevadas.

Uma característica vantajosa desse tipo de prensa é a possibilidade de ajuste da força nominal bem como da velocidade de trabalho, ao longo de todo o curso útil.

A força nominal encontra-se entre 100 e 5000 T, com cursos entre 1000 e 1600 mm. O número de golpes por minuto pode ser ajustado desde zero até um máximo entre 2 e 60.

Há possibilidade de se utilizar ferramentas com vários estágios. Nesse caso, a força de extração na mesa pode atingir 5% da força nominal (2% no extrator do martelo) e o curso de extração, 60% do curso total na mesa e 20% no martelo.

Figura 9 - Representação esquemática de uma prensa hidráulica vertical.

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4.3 - DESCRIÇÃO DA PRENSA HIDRÁULICA SMG-SCHULER

Uma prensa hidráulica vertical projetada para o forjamento a frio de eixos é a prensa transfer SMG-SCHULER, modelo HKP 1400-1300/1150 com as seguintes características:

Altura total 12 mPeso total 184.000 kgPotência instalada 470 kWForça de prensagem 14000 kN (»1400 T)Distância máxima entre placa da mesa e martelo 2400 mmCurso máximo 1000 mmComprimento das guias do martelo 1500 mmÁrea da mesa e do martelo (largura x profundidade) 1300 mm x 1150 mmVelocidade máxima de aproximação 500 mm/sVelocidade de trabalho a 4000 kN 75 mm/sVelocidade de trabalho na força máxima 21 mm/sVelocidade de retorno 430 mm/sForça de recuo 1700 kNVelocidade de retorno na força de recuo máxima 180 mm/sCarga excêntrica máxima permissível 1100 kN/mEstações de trabalho 4Passo transfer (distância entre centros das estações) 250 mmCurso vertical do sistema transfer 100 mmExtrator hidráulico na mesa:

Força de extração 1600 kNCurso do extrator 600 mm

Extrator hidráulico no martelo:Força de extração 900 kNCurso do extrator 150 mm

4.4 - DESCRIÇÃO DE PROCESSOS E EQUIPAMENTOS AUXILIARES

Como apresentado anteriormente, o processo de forjamento a frio apresenta algumas limitações que podem ser minimizadas ao se preparar os tarugos iniciais. Nesta preparação, destaca-se as operações de corte, tratamentos térmicos, limpeza e lubrificação.

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A operação de corte reveste-se de grande importância pois a qualidade das superfícies cortadas influi diretamente na qualidade do produto forjado e em alguns casos, no próprio sucesso de execução do processo. A norma VDI 3187 apresenta alguns defeitos de corte por tesoura e suas implicações.

O corte em tesouras por cisalhamento é um dos processos mais empregados para a obtenção de tarugos para o forjamento a frio. É um processo rápido com desperdício reduzido que apresenta algumas desvantagens como a deformação e endurecimento das extremidades cisalhadas e o surgimento de trincas nessas extremidades.

Pode-se cisalhar barras de aço com diâmetros até 120 mm. Há uma limitação quanto à relação entre altura e diâmetro do tarugo: caso seja menor que 0,5 torna-se necessário uma operação adicional de recalque para melhorar o paralelismo entre as superfícies cisalhadas.

Um outro processo para separação de tarugos a partir de barras é o corte por serra. Neste caso, o corte é mais lento (cerca de 10 vezes) e o desperdício maior que no processo anterior, além de necessitar de operações de rebarbação para diâmetros maiores. Porém, apresenta como vantagem a qualidade, precisão e paralelismo das superfícies cortadas, sem modificação estrutural, nem encruamento ou formação de trincas.

As operações de tratamento térmico referem-se às etapas de recozimento do tarugo inicial, recozimentos entre etapas de forjamento a frio e recozimento ou beneficiamento do produto forjado.

Tanto o recozimento do tarugo inicial como os recozimentos intermediários tem por objetivo modificar a estrutura do metal deformado de modo a torná-lo mais dúctil e desta forma, aumentar sua capacidade de deformação, possibilitando a realização do processo e prevenindo defeitos no produto.

O tarugo inicial pode-se apresentar recristalizado (recozimento de recristalização) para aços com baixo e médio teor de carbono, ou esferoidizados (recozimento cíclico) para aços com elevado teor de carbono.

O recozimento intermediário deve ser evitado através de um planejamento adequado das etapas de forjamento a frio, a fim de manter a produtividade do processo pela sua continuidade.

Os tratamentos térmicos posteriores ao forjamento a frio variam de acordo com as propriedades mecânicas desejadas para o produto forjado, desde simples recozimentos de recuperação para alívio de tensões, passando por tratamentos de normalização da estrutura ferrítica-perlítica até tratamento de beneficiamento envolvendo etapas de cementação, nitretação, tempera e revenido

Em todos esses tratamentos deve-se destacar a importância do controle adequado da temperatura, do tempo de permanência e da atmosfera do forno, de modo a garantir-se a qualidade superficial e estrutural da matéria-prima e dos produtos forjados.

A norma VDI 3143 apresenta informações detalhadas sobre tratamentos, equipamentos e atmosferas. A norma VDI 3200 (v. 2) apresenta as curvas de escoamento para alguns aços nos estados normalizado e recozido ciclicamente.

Como as operações de corte e tratamento térmico, a operação de limpeza é extremamente importante pois prepara a superfície do tarugo para a operação posterior de lubrificação.

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Dentre as operações de limpeza destacam-se o desengraxamento e a decapagem. No desengraxamento elimina-se compostos orgânicos que poderiam comprometer a aderência dos lubrificantes à superfície do tarugo. Na decapagem são eliminados os óxidos prejudiciais ao forjamento. Também na decapagem promove-se a modificação da textura superficial do tarugo favorecendo a aplicação posterior do revestimento para lubrificação.

A norma VDI 3161 descreve as operações de limpeza e desengraxamento e a norma VDI 3162 a decapagem de peças para o forjamento a frio.

A lubrificação eficiente exerce um papel preponderante para o sucesso do processo de forjamento a frio e influi diretamente na qualidade dos produtos forjados. Como exemplo tem-se a variação da rugosidade superficial de um produto forjado que passa de 1 a 5 mm para o caso de um tarugo fosfatado para valores entre 5 e 14 mm, no caso de um tarugo não-fosfatado.

No caso do forjamento a frio de aços, o procedimento mais usual é a lubrificação dos tarugos através das etapas de fosfatização e ensaboamento.

Após a fosfatização, o revestimento na forma de fosfato atinge espessuras de 10 a 15 mm e devido à rugosidade superficial obtida nesse tratamento, esse revestimento funciona como um "portador" do lubrificante (no caso o sabão é carregado entre os vales e picos produzidos pela fosfatização).

A preparação da superfície dos tarugos é definida pela seqüência de operações: desengraxar e/ou decapar, enxaguar com água fria, enxaguar e pré-aquecer com água quente, fosfatizar, enxaguar com água fria, enxaguar e ensaboar com água quente e secar.

As normas VDI 3164 e 3165 apresentam respectivamente as condições e equipamentos para a fosfatização e ensaboamento e indicações para escolha de lubrificantes para a conformação a frio.

5 - PLANEJAMENTO DO PROCESSO E PROJETO DO FORJADO

Neste item serão abordados aspectos relacionados ao planejamento do processo de forjamento a frio e apresentados os critérios para o dimensionamento da peça forjada.

5.1 - DIMENSIONAMENTO DO FORJADO A FRIO

O primeiro passo a ser adotado para o dimensionamento do forjado a frio é o estudo da peça pronta fornecida pelo cliente. Esse estudo engloba a análise de informações como:

· material empregado;· detalhes geométricos;· dimensões características, tolerâncias dimensionais e geométricas;· acabamento superficial e,

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· propriedades mecânicas.

De posse dessas informações pode-se efetuar o dimensionamento do forjado, considerando as limitações impostas pelo processo e que foram apresentadas no item 2.3.

Como visto, essas limitações referem-se à capacidade de deformação a frio das ligas metálicas, a restrições quanto à obtenção de detalhes geométricos de difícil execução, às tolerâncias dimensionais e geométricas características do forjamento a frio e ao acabamento superficial dos produtos forjados. Os valores típicos de tolerâncias e rugosidade superficial, bem como as restrições geométricas impostas pelo forjamento a frio podem ser obtidos na norma VDI 3138 (v.1)

As figuras 10 e 11 apresentam duas peças e os correspondentes forjados a frio.No caso da peça da figura 10, nota-se que no dimensionamento do forjado foram suprimidos

detalhes como os dentes da engrenagem cônica, o ângulo de 10° na superfície superior e o rebaixo do diâmetro Æ 21,00 mm. Devido ao limite de redução de seção, o diâmetro Æ 16,00 mm não pode ser obtido.

Observa-se que a tolerância dimensional adotada para a maioria das dimensões do forjado é igual 0,25 mm (0,50 mm para os comprimentos de maior dimensão), bastante superior às exigidas num eixo desse tipo que variam entre 0,1 mm (IT 7) e 0,04 mm (IT 5), nos assentos de rolamentos. O sobremetal adotado no raio e nas faces para posteriores operações de usinagem foi aproximadamente de 1,0 mm.

Na figura 11 observa-se que o forjado não apresenta o furo de diâmetro Æ mm, devido à

restrição de forjar-se furos longos com diâmetros estreitos. Os rebaixos na parte central e na extremidade da peça também foram suprimidos no forjado, o mesmo ocorrendo com o chanfro de 1,14 x 45°.

Também deve ser observado que as tolerâncias exigidas na peça acabada encontram-se entre 0,05 e 0,13 mm enquanto que no forjado elas se apresentam entre 0,10 e 0,38 mm, concluindo-se a necessidade de operações posteriores de usinagem, principalmente nas dimensões relativas aos comprimentos.

Os sobremetais para usinagem variaram de 0,00 mm para os diâmetros (dimensões já prontas) a 0,76 mm nas medidas relativas aos comprimentos. Devido à exigência de perpendicularismo de 0,08 mm (LTI) entre as faces indicadas e o menor furo, deve-se considerar a possibilidade de remoção de material nessas faces visto que essa tolerância geométrica não pode ser obtida no forjamento.

Outras restrições que não estão presentes nesses exemplos poderiam ser considerados como a presença de roscas ou de detalhes internos como rebaixos.

No item seguinte, relativo ao planejamento do processo serão apresentadas as restrições do processo que são incorporadas no desenho do forjado, principalmente aquelas devidas às reduções máximas de área transversal por passe.

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Figura 10 - Exemplo de eixo forjado a frio (a) comparado com o mesmo eixo já usinado (b).

Figura 11 - Exemplo de peça forjada a frio (a) comparada com as dimensões da peça acabada (b).

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5.2 - PLANEJAMENTO DO PROCESSO DE FORJAMENTO A FRIO

Como indicação para o planejamento do forjamento a frio apresenta-se a seqüência abaixo, onde são apresentadas algumas atividades importantes para a definição do processo:

1. Estudar o desenho do cliente e (ou o desenho do forjado caso esteja disponível), verificando dimensões, tolerâncias dimensionais e partes da peça que possam, eventualmente, ser obtidas acabadas já nas operações de extrusão, como apresentado no item 5.1.

2. Verificar as reduções de área a serem obtidas, respeitando os limites do processo que serão apresentados no item 5.3.

3. Calcular o volume e o peso da peça a partir do desenho do forjado.

4. A partir do peso calculado determinar o comprimento inicial do tarugo e utilizar, sempre que possível, bitolas já existentes no estoque.

5. Desenhar a seqüência de etapas de processamento, desde o corte até a operação final de forjamento. Neste desenho observar os limites do processo como, as reduções de área, comprimento máximo do tarugo fora da matriz superior e inferior. Considerar as limitações do equipamento, isso é, curso dos extratores, capacidade e velocidade.

6. Ao projetar as ferramental, adequá-las ao ferramental "padrão" e neste momento verificar o curso dos extratores, superior e inferior, de tal forma que a peça esteja realmente, solta das matrizes, para posterior atuação do sistema transfer.

5.3 - LIMITAÇÕES DO PROCESSO QUANTO A REDUÇÕES DE ÁREA

Como apresentado no item 2.3, os processos de extrusão e recalque a frio definem limites de redução de seção seja pela limitação de capacidade de deformação das ligas metálicas, seja pela limitação de resistência mecânica dos materiais normalmente empregadas na fabricação das ferramentas.

A seguir, serão apresentados valores limites de deformação para as operações de extrusão direta livre e confinada, indireta e para o recalque a frio.

Nos valores limites apresentados para o forjamento a frio dos aços, está incluído o conceito de CARBONO EQUIVALENTE.

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A composição química dos aços apresenta forte influência sobre a conformabilidade. Segundo a norma VDI 3138 (v.1), tanto para os aços sem liga como para os aços ligados, a resistência à deformação pode ser associada diretamente ao teor de carbono presente, devido à relação direta com a proporção de perlita (menos dúctil) na microestrutura do aço.

Para os aços de baixa liga de Cr e Ni e aqueles com um teor elevado de Manganês (Mn >0,6%) ao invés do teor de carbono definido na composição química, deve-se utilizar um teor de carbono equivalente C1 de acordo com a seguinte relação:

Essa norma também indica que se deve dar preferência aos aços com baixo teor de carbono, devendo evitar aços com teor de carbono equivalente superiores a 0,5%.

Como exemplo de cálculo, o aço ABNT 5120 apresenta C1 igual a :

ou seja, esse é um material que se encontra quase no limite aceitável para deformação a frio.O quadro a seguir classifica alguns aços ligados e não ligados quanto a sua conformabilidade a

frio:

CONFORMABILIDADE A FRIO DE AÇOS LIGADOS E NÃO LIGADOS

ÓTIMA BOA REGULAR RUIM1008 1018 1035 10451010 1020 1038 10501013 1022 1040 10601016 1024 2330 10701017 1030 3140 10803115 3120 4130 13405015 3130 4130 43405115 4037 4140 4640

5120 5140 61508620 8640 52100

Deve ser lembrado que essa classificação é influenciada pelo processo de conformação a frio executado, pela lubrificação empregada e pelas condições de acabamento do ferramental.

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A norma VDI 3143 (v.1) apresenta os critérios para escolha, tratamentos térmicos e ensaios de aços para forjamento a frio. Nessa norma, observa-se que os elementos de liga que mais influem em ordem decrescente na forjabilidade a frio são: C, Si, Cr, Cu, Mn e Ni.

Assim, prefere-se aços com teor de carbono menor que 0,5%, Mn menor que 0,6% e Si menor que 0,3% para os aços de fabricação comum.

5.3.a) limites na extrusão a frio livre:

Nesse processo, tem-se dois limites: o primeiro relativo à máxima redução de área que se encontra entre 30 e 35% por passe e é devida à relação entre a tensão de resistência à deformação (kf) e a tensão limite de escoamento (s0,2), valores maiores de redução causariam o recalque do tarugo, antes

de extrudá-lo. Conclui-se que materiais encruados suportam maiores reduções pois apresentam valores maiores de s0,2.

A segunda limitação refere-se ao comprimento livre do tarugo que deve encontrar-se abaixo de duas vezes e meia o seu diâmetro, a fim de evitar sua flambagem durante a extrusão.

A figura 12 apresenta um esquema desse processo, bem como um quadro com os limites e as dimensões típicas para a matriz de extrusão.

Figura 12 - Critérios para a obtenção das dimensões internas de uma matriz para extrusão livre.

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5.3.b) limites na extrusão a frio confinada

Na extrusão a frio confinada (Figura 13), os limites de redução de seção e comprimento do tarugo são definidos pela resistência mecânica dos materiais empregados na construção das ferramentas, mesmo que sejam utilizados materiais de elevada resistência.

Para os aços de boa conformabilidade define-se a máxima redução de área entre 70 e 75% por passe. Já para aços de baixa e média conformabilidade a redução máxima possível varia entre 50 e 55%. O comprimento do tarugo deve-se limitar entre duas a oito vezes seu diâmetro (de acordo com a conformabilidade do material deformado), devido ao aumento considerável dos esforços de atrito no confinamento.

Figura 13 - Critérios para a obtenção das dimensões da matriz na extrusão confinada.

Tanto na extrusão direta livre como na confinada, pode-se determinar um ângulo ideal de cone da matriz que minimiza os esforços de extrusão. Porém, normalmente para a extrusão de aços, adota-se um ângulo de trabalho de 30°. Para esse ângulo, os esforços são relativamente baixos e a vida da matriz é maior do que caso fossem utilizados os ângulos calculados, encontrados na faixa de 25 a 35°, para as reduções limites de seção.

5.3.c) limites na extrusão inversa

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Na extrusão inversa (Figura 14) como na extrusão confinada, os limites máximos de redução de área (entre 70 e 75% para os aços de boa conformabilidade e entre 50 a 55% para os aços de baixa e média conformabilidade) também estão limitados pela resistência mecânica característica dos materiais empregados nas ferramentas.

No caso de aços de boa conformabilidade, a redução de área ideal está próxima de 50%, para a qual a pressão de extrusão atinge um valor mínimo.

Já os valores mínimos de redução de área referem-se ao limite de rigidez do punção de extrusão, pois para reduções de área pequenas (relações d/D baixas), a razão diâmetro/comprimento do punção é reduzida, aumentando o risco de flambagem.

A relação entre a altura e o diâmetro da peça extrudada está compreendida entre 1,5 (aços de baixa conformabilidade) a 2,5-3 para aços de boa conformabilidade.

Figura 14 - Critérios para o dimensionamento do produto na extrusão inversa.

A figura 15 apresenta as dimensões adequadas para o punção na extrusão inversa de furos com profundidades reduzidas.

58


Figura 15 - Critérios de dimensionamento de punções para a extrusão inversa.

5.4 - CRITÉRIOS PARA O SEQUENCIAMENTO DE OPERAÇÕES NO FORJAMENTO A FRIO

A seguir, são mostradas algumas seqüências de forjamento a frio, nas quais são apresentados os critérios para escolha das etapas.

A figura 16 apresenta o forjamento de um eixo longo com uma redução de seção e uma cabeça recalcada. A opção pelas operações iniciais de recalque seguidas da operação de extrusão direta livre explica-se pela facilidade de construção das matrizes que suportam a carga de recalque, bem mais simples caso a extrusão fosse realizada no primeiro estágio.

A figura 17 apresenta o forjamento de um eixo curto (um diâmetro e uma cabeça). Nesse caso, a primeira etapa é a extrusão livre seguida por duas operações de recalque. Caso a extrusão fosse a última operação, o tarugo já recalcado não teria comprimento suficiente para guiar a extrusão direta.

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Figura 16 - Seqüência de forjamento a frio para eixos escalonados longos.

Figura 17 - Seqüência de forjamento a frio para eixos curtos.

A figura 18 apresenta duas seqüências para o forjamento do eixo. A seqüência à esquerda é preferida em relação à da direita por dois motivos. Primeiro, como a maior perda do recobrimento de lubrificante dá-se na extremidade extrudada, deve-se primeiramente promover a maior redução de seção por extrusão livre, caso seja possível (no caso é possível por ser igual a 34%). Segundo, com essa seqüência de reduções evita-se o aparecimento de "chevrons".

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Figura 18 - Duas seqüências para o forjamento a frio de eixos. À esquerda, a preferida.

Deve-se destacar que normalmente o número de passes está limitado a três para uma mesma região do tarugo. Em alguns casos especiais, pode-se prever quatro extrusões.

Um outro critério importante diz respeito à distância (DE) entre reduções de seção por extrusão livre num mesmo passe. Essa distância deve ser igual ou maior a uma vez o diâmetro do tarugo, como mostrado na figura 19.

A figura 20 apresenta a extrusão confinada combinada com a extrusão livre quando as reduções de seção ultrapassam o limite de 35% estabelecida para a extrusão livre de aços de boa conformabilidade.Nesse caso, a extrusão original de Æ 16,51 mm para Æ 12,70 mm correspondia a 41%. Assim, primeiro uma extrusão confinada de Æ 19.05 mm para Æ 12,70 mm (55% de redução, menor que o limite de 75%) seguida por uma extrusão livre de Æ 19,05 mm para Æ 16,51 mm (redução de 25%).

Nos casos em que são necessárias extrusões confinadas numa mesma extremidade deve-se observar o procedimento correto como mostrado no lado direito da figura 21. O cuidado nesse caso é garantir que o material esteja sempre apoiado para evitar sua flambagem, como mostrado no lado esquerdo dessa mesma figura, onde segunda extrusão passaria a ser uma extrusão livre com 45% de redução de área, o que é impossível.

61


Figura 19 - Definição da distância mínima entre reduções sucessivas de seção num mesmo passe.

Figura 20 - Forjamento a frio combinando etapas de extrusão confinada e extrusão livreJá a figura 22 demonstra que a extrusão confinada em ambas extremidades do tarugo não é

possível seja pela existência de regiões não suportadas (lado esquerdo) seja pelo projeto inviável do ferramental (lado direito).

Um exemplo importante para eixos de aço é a combinação simultânea das extrusões direta e inversa em extremidades opostas de um tarugo, como mostrado na figura 23. Nesse caso, a redução de

62


seção deve ser maior na extrusão inversa (próxima do valor ideal de 50%) do que na extrusão direta para garantir o controle dos comprimentos extrudados. A extrusão direta tem o comprimento delimitado pelo posicionamento do pino extrator.

Figura 21 - Duas seqüências de forjamento a frio combinando duas etapas de extrusão confinada.

Figura 22 - Impossibilidade de realização de duas etapas simultâneas de extrusão confinada.

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Figura 23 - Forjamento a frio com etapas simultâneas de extrusão direta e inversa.

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6 - PROJETO DO FERRAMENTAL

Na descrição dos critérios para projeto das ferramentas que compõem o ferramental para forjamento a frio, serão empregados os termos normalmente para montagem na prensa SMG.

As figuras 24 e 25 apresentam essas ferramentas e os termos utilizados para cada uma delas.

Figura 24 - Exemplo de ferramental para forjamento a frio.

65


Figura 25 - Exemplo de ferramental para forjamento a frio.

6.1 - DIMENSIONAMENTO DE PUNÇÕES E MATRIZES

Devido aos esforços desenvolvidos durante o forjamento a frio de eixos, basicamente de extrusão e recalque, as ferramentas mais solicitadas são os punções e as matrizes.

De um modo geral no projeto dessas ferramentas deve-se considerar:

66


a) as matrizes devem possuir anel de contração simples ou múltiplo, conforme solicitação;

b) os punções devem ser os mais curtos possíveis, para evitar flambagem;

c) na extrusão, o punção deve ser cuidadosamente guiado sobre a matriz, para evitar excentricidade;

d) as partes sujeitas a desgaste devem ser de fácil substituição;

e) no caso de empregar-se máquinas ou instalações automáticas de alimentação, deve ser assegurado o transporte adequado da peça bruta (tarugo) e a sua colocação correta na ferramenta de conformação.

A fim de evitar sobrecargas das ferramentas para extrusão, define-se a solicitação limite para matrizes e punções:

a) valores-limite para a pressão interna (pi) das matrizes:sem anel de contração pi < 100 kgf/mm2

com anel de contração simples e núcleo de aço pi < 160 kgf/mm2

com anel de contração simples e núcleo de metal duro pi < 150 kgf/mm2

com anel de contração duplo e núcleo de aço pi < 220 kgf/mm2

com anel de contração duplo e núcleo de metal duro pi < 200 kgf/mm2

b) valores-limite para a tensão axial (pst) em punções e espigas:punções e espigas em aço-ferramenta pst < 180 kgf/mm2

punções para extrusão a frio em aço rápido altamente ligado pst < 250 kgf/mm2

6.1.1 - Determinação das pressões e das forças de extrusão

A deformação alcançada na extrusão a frio é limitada pela capacidade de carga da prensa e das ferramentas de conformação utilizadas no processo. Por isso é importante a correta determinação das forças de extrusão.

Em geral estas forças são determinadas através de nomogramas, devido à complexidade que haveria em utilizar as relações matemáticas da teoria da plasticidade.

Para o cálculo da força de extrusão utilizando os nomogramas considera-se que:

a) os tarugos foram recozidos antes da conformação.b) os tarugos de aço foram fosfatizados e lubrificados antes da conformação.

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c) os tarugos foram conformados a frio.d) a influência da velocidade de deformação é desprezívele) a influência da geometria da ferramenta, quando não considerada no nomograma, é desprezível.

Para a confecção dos nomogramas foram utilizados valores de medida da bibliografia, e medidas obtidas da prática. Utilizando-se estes nomogramas, a força de extrusão pode ser calculado com precisão de aproximadamente 10 %.

A norma VDI 3185 trata dos nomogramas para determinação da máxima força de extrusão, baseada na medição da dureza do material.

O nomograma (extraído da norma ICFG 1/70) apresentado na figura 26 consiste basicamente em 4 campos. No campo 1 é determinada a redução relativa da secção transversal baseado no diâmetro do punção d0 ( também diâmetro externo da peça bruta) e no diâmetro final d1 (da peça).

No campo 2 define-se o material a extrudar e obtém-se a tensão de extrusão. No campo 3 essa tensão é corrigida inserindo-se a relação h/d do tarugo. No campo 4, corrige-se a tensão de acordo com o ângulo de cone da matriz, obtende-se a pressão de extrusão. Finalmente, a força de extrusão pode ser calculada inserindo-se o valor do diâmetro do tarugo no campo 5.

No livro Source Book on Cold Forming, página 212 é apresentado, por Ronald Drake e James Throop, outro método para calcular a pressão de extrusão, considerando a redução de área, o material extrudado, o ângulo de cone da matriz de extrusão e o ângulo do punção na extrusão inversa. A figura 27 apresenta os ábacos relativos a esse método.

A seguir, faz-se a descrição dos punções e matrizes e apresenta-se critérios de dimensionamento.

6.1.2 - Punções

Os punções podem ser divididos em dois grupos principais:

a) punções simples - com a única função de empurrar o material contra a matriz. O critério fundamental para escolha de materiais para este tipo de punção é a alta resistência à compressão, e

b) punções de recalque - que além de comprimir o material contra a matriz inferior também têm a função de conformar a "cabeça" do forjado. Os materiais destes punções devem, além de apresentar alta resistência a compressão, possuir grande resistência ao desgaste.

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Figura 26 - Nomograma para cálculo de forças de extrusão direta

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Figura 27 - Ábacos para cálculo da pressão de extrusão direta.

70


Espiga é a parte do punção que penetra na perfuração de uma peça cilíndrica oca e dá forma a parede interna de uma peça de forma tubular. A espiga está sujeita ao desgaste e à alta solicitação de compressão portanto, o material selecionado para esta ferramenta deve apresentar alta resistência ao desgaste e elevado limite de escoamento.

O contra-punção conforma a base da peça e geralmente é utilizado também para extrair a peça para fora da matriz.

As tabelas 2,4,5,6,7 da norma VDI 3186, V.1 apresentam os materiais para punções e espigas.No caso de punções para extrusão a frio, deve ser considerado que, devido aos esforços a que

estão submetidos, a ruptura ocorre com maior freqüência quanto maior for a relação (h/d), onde h é a profundidade da perfuração e do diâmetro interno. Na produção em série devem-se respeitar para os aços a relação h/d < 2,5.

A norma VDI 3186, V.2 recomenda a seguinte seqüência para o dimensionamento de um punção (ou de uma espiga) :

a) determinação da força de pressão conforme as normas VDI 3185 vols.1, 2 e 3 e 3138 vol. 2.b) projeto da forma externa e das medidas.c) escolha de um material de ferramenta adequado, levando em consideração a tenacidade exigida, a durabilidade, os custos e as possibilidades da produção.d) examinar, sempre que possível, se os valores de tenacidade exigidos poderão ser alcançados no tratamento térmico e se serão suficientes.

A rigidez do punção é fator de grande importância. Portanto, no projeto do punção deve-se evitar concentrações de tensão e esforços de flexão. Não se deve ultrapassar uma determinada relação comprimento-diâmetro, caso contrário pode ocorrer flambagem do punção.. A flambagem freqüente pode levar a ruptura da ferramenta.

A figura 28 apresenta valores de referência da tensão de flambagem para punções de aço.A construção dos punções para extrusão direta é relativamente simples, uma vez que as tensões

requeridas não são superiores a 2000 N/mm2. A configuração do punção vai depender principalmente do tipo de fixação.

A folga entre o punção e a matriz é da maior importância pois deve sempre permitir o aumento do diâmetro do punção pelo recalque elástico e também devido:

a) à necessidade de evitar o surgimento de rebarbas na superfície frontal. Isto é fundamental no caso de materiais relativamente macios.

b) e à necessidade de evitar a danificação do punção e da matriz (por exemplo, devido a superposição do punção).

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0G ra u d e e sb e ltez (L /D )

0

5 0 0

1 0 0 0

1 5 0 0

2 0 0 0

2 5 0 0

3 0 0 0

3 5 0 0

Tens

ão a

dmis

síve

l [M

Pa]

Figura 28 - Limite de flambagem para punções de aço rápido.

Devem ser observadas as seguintes recomendações de projeto:a) o punção deve ser o mais curto possível, levando em consideração o tipo de fixação e a

instalação de extração.b) devem ser evitadas grandes diferenças de secção transversal sem transição, para evitar

grandes concentrações de tensão. c) nas transições de secção transversal devem previstos pequenos ângulos de cone e grandes

raios de transição, pelos mesmos motivos do ítem anterior.

6.1.3 - Matrizes

As matrizes de extrusão são as ferramentas responsáveis pela definição da geometria da seção transversal do produto extrudado. Devido aos esforços de extrusão, as matrizes são submetidas a pressões internas elevadas. Assim, devem ser projetadas e construídas com materiais que apresentem elevada resistência à compressão, bem como elevada resistência ao desgaste.

As normas VDI 3176 e VDI 3186, V.3 apresentam os critérios para dimensionamento de matrizes de extrusão.

Para o projeto das matrizes devem ser considerados três aspectos principais:

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1) A pressão e a força de extrusão exigidas, que podem ser calculadas como mostrado no item 6.1.1. 2) O projeto e a geometria das matrizes e anéis de contração

Geralmente, as matrizes extrusão são submetidas a elevadas tensões que normalmente não são suportadas pelos materiais empregados em sua fabricação. Por isso, as matrizes são geralmente pré-tensionadas, através do uso de anéis de contração de modo a aumentar sua resistência à compressão interna.

Além do uso de anéis de contração, pode-se adotar diversos procedimentos para a construção das matrizes:

Figura 29 - Formas construtivas para matrizes de extrusão direta.

a) matriz de uma só peça (figura 29-a), utilizada principalmente quando a tensão de extrusão não é muito elevada, por exemplo, quando as reduções de secção não são maiores que 48%.

A solicitação deste tipo de matriz depende também da geometria da forma interna. Faz-se então as seguintes recomendações:- raio de entrada superior deve ser o maior possível, com objetivo de reduzir a concentração de tensões.- o ângulo de extrusão deve medir entre 250 e 350 , para manter a força de pressão baixa.

73


- o raio de saída superior deve ser muito pequeno, entre 0,2 e 1,5 mm, conforme o diâmetro de saída.- o polimento não deve aumentar o diâmetro de saída.

b) matrizes de duas peças concêntricas (figura 29-b), utilizada principalmente quando as reduções de secção transversal de aços comuns no forjamento a frio são maiores que 48% ou quando a forma superior da peça exige um maior ângulo de abertura superior (por exemplo maior que 450 ). A peça interposta (1a) deve ser submetida a um ajuste a quente com interferência no diâmetro entre 0,2 e 0,4 %.

c) matriz de duas peças em seqüência (figura 29-c), utilizada quando devem ser empregadas elevadas pressões devido a modificações de secção transversal ou da grande resistência à deformação do material. Este tipo de construção exige grande exatidão na confecção das ferramentas a fim de se obter um perfeito ajuste das partes superior e inferior da matriz devido à grande pressão axial. O escoamento do lubrificante deve ser garantido.

3) Escolha dos materiaisPara a escolha dos materiais é preciso considerar os valores de tenacidade e de resistência à

compressão e ao desgaste, além do aspecto econômico.

6.1.4 - Anéis de contração

Como apresentado, a pressão interna nas matrizes durante a extrusão atinge níveis que muitas vezes podem ultrapassar o limite elástico dos materiais empregados em sua fabricação.

Pode-se aumentar a capacidade de solicitação dessas matrizes, utilizando-se um anel de contração, mediante a prensagem a frio do núcleo ou pela dilatação térmica do anel de contração. É então exercida uma pressão vertical sobre a superfície de contato que coloca o núcleo sob pré-tensões tangenciais e radiais.

Quando a resistência à pressão de uma ferramenta com pré-tensão simples for insuficiente, pode-se alcançar uma elevação da resistência com um segundo anel de contração, sempre observando-se que não se pode ultrapassar os limites elásticos do núcleo e dos anéis.

Um aspecto de grande importância destacado para o projeto das matrizes refere-se ao dimensionamento dos anéis de contração.

A tabela abaixo fornece algumas diretrizes em relação ao projeto de encarcaçamento, de acordo com o esquema mostrado na figura 30:

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Pressão Interna ( pi ) N/mm2Número de anéis

requeridos D/d Diâmetro intermediário aproximado

pi < 1000

1000 < pi < 1600

1600 < pi < 2000

nenhum

um

dois

4 a 5

4 a 6

4 a 6

d1 » 0.9

d:d1 :d2 :D »1 : 1.6 a 1.8 : 2.5 a 3.2 : 4 a 6

A interferência diametral para encarcaçamento é normalmente de 0,2 a 0,4% do respectivo diâmetro de interface.

Figura 30 - Representação do uso de anéis de contração para matrizes de extrusão.

Deve-se destacar que no caso da prensa SMG, devido ao uso de conjuntos padronizados, o diâmetro D deve ser sempre dimensionado igual a 180 mm. Desta forma, os cálculos dos demais diâmetros de interferência devem ser considerados a partir desta restrição.

A geometria das superfícies de contato entre os anéis pode ser cilíndrica ou cônica. Para grandes interferências prefere-se a forma cônica que facilita bastante a montagem da matriz com os anéis. Deve-se verificar, especialmente no caso de superfícies cônicas, que o núcleo não seja expulso pelas forças de prensagem, extração ou separação.

A figura 31 apresenta o critério para a escolha do ângulo de inclinação da superfície de interferência, de acordo com a relação entre o comprimento e o diâmetro da matriz.

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Figura 31 - Critério para escolha do ângulo de inclinação da superfície de interferência.

Se for possível escolher livremente a posição da zona de solicitação da matriz, por exemplo na extrusão, esta zona não deverá situar-se muito perto da superfície frontal da matriz (figura 32-a). A parte do anel de contração que ultrapassa a zona de solicitação exerce uma função de apoio e permite uma maior solicitação da matriz (figura 32-b).

Também devem ser evitadas perfurações no anel que visem o acondicionamento do núcleo (figura 32-c). Recomenda-se introduzir o núcleo num anel com furo passante e colocar logo à sua frente, um núcleo de aço endurecido com medidas idênticas (figura 32-d).

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Figura 32 - Formas construtivas favoráveis e desfavoráveis no encarcaçamento de matrizes de extrusão.

Deve ser evitada a conexão da placa frontal com a matriz por meio de parafusos. O anel ficará enfraquecido. Recomenda-se a fixação através de uma capa externa.

Deve ser evitado qualquer tipo de enfraquecimento localizado que possa prejudicar as ferramentas, como por exemplo concentração de tensão, números gravados com punção, ranhuras e superfícies de ventilação, etc.

Ao prensar núcleos de matrizes em anéis de furo cilíndrico, deve-se fazer um chanfro no diâmetro externo do núcleo, no lado que vai iniciar a prensagem com um ângulo entre 5 e 15o de modo a evitar um efeito de raspagem (formação de cavaco). O comprimento do chanfro deve ser escolhido de forma que o menor diâmetro do chanfro seja inferior ao diâmetro do furo do anel.

As ferramentas com pré-tensão devem ser montadas num porta matriz endurecido e com as medidas correspondentes. O porta matriz evitará que o núcleo se desloque do anel pelo efeito de prensagem. Como afirmado no caso da prensa SMG, devido à padronização do ferramental, o porta-matriz apresenta diâmetro interno igual a 180 H7 e assim, a matriz deve apresentar um diâmetro externo igual 180 g6.

6.1.5 - Extratores

Os extratores fazem parte da ferramenta que expulsa a peça das matrizes. Geralmente, não tomam parte do processo de deformação. Em algumas situações, os extratores são empregados como "tops" definindo o comprimento máximo de extrusão. Os extratores são dimensionados para suportar a tensão de compressão determinada ou pela força de extração ou pela força de extrusão, no caso em que funcionam como limitadores de curso de extrusão.

6.2 - MATERIAIS EMPREGADOS EM FERRAMENTAS NO FORJAMENTO A FRIO

Alguns aspectos devem ser considerados quando da escolha dos materiais e dos procedimentos para fabricação de ferramentas utilizadas no forjamento a frio:

- nível das tensões e dos esforços desenvolvidos no processo, que podem levar à flambagem de punções e à dilatação das matrizes;- exigências de tenacidade e resistência ao desgaste de acordo com o tipo de ferramenta, com a lubrificação, a qualidade superficial e dimensional exigida para o produto e o tipo de prensa empregada;- quantidade total de peças a produzir;- custos das ferramentas, envolvendo tanto os materiais quanto a fabricação;

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- dificuldades na fabricação, como por exemplo etapas de tratamento térmico e de acabamento superficial;- disponibilidade do material na qualidade e quantidade especificadas.

A norma VDI 3186, V.2 indica os seguintes materiais (classificação AISI) de acordo com o tipo de ferramenta e processo empregados:

- para punções na extrusão inversa, aços para trabalho a frio M4, M42, M2 e D2, temperados e revenidos com dureza entre 59 e 64 HRC, devidos às elevadas tensões de compressão e à possibilidade de flambagem;

- para punções na extrusão direta de eixos e tubos, aços para trabalho a frio M2, D2, O1 e S1, temperados e revenidos para dureza entre 56 e 61 HRC, devido às menores tensões de compressão e à menor possibilidade de flambagem;

- para punções na extrusão de tubos, aços para trabalho a frio M4, M42, M2, D2, A2 e H13 (aço para trabalho a quente, de menor custo, beneficiado e nitretado), temperados e revenidos para dureza entre 59 e 64 HRC (entre 46 e 49 HRC no caso do H13), devido às altas tensões de tração causadas pelo atrito.

Em ordem crescente de resistência à compressão e resistência ao desgaste e consequentemente, maiores custos para fabricação, tem-se os aços H13, S1, O1, A2, D2, M2, M42 e M4.

Já a norma VDI 3186, V.3 apresenta os critérios para escolha de materiais para as matrizes e para os anéis de contração.

Tanto no caso das matrizes como dos anéis, o aspecto econômico da escolha apresenta-se preponderante visto que os custos são extremamente elevados quando opta-se por materiais de elevada resistência ao desgaste como é o caso das matrizes em metal-duro.

Segundo a norma, os dois tipos de aços para trabalho a frio mais frequentemente empregados na fabricação de matrizes de extrusão a frio são o M2 e o D2, temperados e revenidos para dureza entre 56 e 61 HRC. Nesse caso, o aço D2 é mais facilmente obtido, apresenta tratamento térmico mais fácil, porém apresenta resistência ao desgaste menor que o M2.

Outro material indicado para a fabricação de matrizes de extrusão é o metal duro de carboneto de tungstênio com adição de cobalto.

A escolha desse tipo de material deve considerar aspectos vantajosos como a elevada rigidez, resistência à compressão e ao desgaste e aspectos desvantajosos como a baixa tenacidade, a baixa resistência à tração e à fadiga e finalmente os custos elevados.

Essas características tornam o metal duro indicado para grandes produções com tolerâncias dimensionais apertadas em equipamentos que possam evitar a falha das matrizes por tração ou fadiga.

Já para os anéis de contração, é indicado o aço H13 temperado e revenido para dureza entre 46 e 53 HRC, nas situações de solicitação elevada. Já para as situações de menor solicitação dos anéis de

78


contração podem ser empregados os aços para beneficiamento 4140 e 4340, temperados e revenidos para dureza entre 42 e 46 HRC.

A figura 33 apresenta um exemplo de ferramental com todos os itens necessários para a conformação a frio de um eixo.

79


48

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7 - EXEMPLO DE PLANEJAMENTO DO PROCESSO E DIMENSIONAMENTO DO FERRAMENTAL PARA UM EIXO FORJADO A FRIO

O eixo para o qual será apresentado o planejamento dos estágios de conformação e o projeto de ferramentas está apresentado na figura 34. Os critérios para dimensionamento do forjado estão apresentados no item 5.1 relativos à figura 10. Os procedimentos adotados neste exemplo são os definidos no item 5.2 deste texto.

Figura 34 - Exemplo de eixo a ser forjado a frio.

7.1 - ETAPAS PARA O PLANEJAMENTO DO PROCESSO:

1) Analisar o desenho do cliente:Como se observa no desenho, as tolerâncias definidas para os diâmetros (+ 0,26) e para os

comprimentos (+ 0,5) são possíveis de obter-se pelo forjamento a frio. O mesmo pode ser afirmado em relação aos detalhes geométricos. Destaque-se que na cabeça (diâmetro de Æ 58,59 + 0,26) já há previsão para um possível excesso de material quando do recalque dessa região (representado por uma espessura de 3,42 + 0,26 mm).

Os ângulos definidos nas reduções de diâmetro (15o), bem como os raios de arredondamento também são típicos do forjamento a frio.

Também é importante observar as tolerâncias geométricas de batimento radial entre os diversos escalonamentos do eixo, que devem ser conseguidas pela montagem adequada do ferramental.

2) Verificar as reduções de área a serem obtidas, respeitando os limites do processo apresentados no item 5.3:

Por se tratar do desenho do forjado a frio, pressupõe-se que os limites de redução não sejam atingidos. Como exemplo, calcula-se a máxima redução, assumindo que a bitola inicial esteja próxima

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da dimensão Æ 32 mm, tendo o menor diâmetro igual a Æ 20,73 mm, obtém-se uma redução de área de 58%. Desta forma, há necessidade de efetuar-se pelo menos duas reduções de seção por extrusão livre visto que a redução limite por etapa é de 30%. O mesmo ocorre para obter-se o diâmetro de 23,95 (43% de redução a partir do diâmetro inicial). Já o diâmetro de 27,2 mm pode ser obtido numa só etapa pois a redução nesse caso atinge 27%.

3) Calcular o volume e o peso da peça a partir do desenho do forjado:Para esse cálculo divide-se a peça em cinco regiões como mostrado na figura 35 e considera-se

o excesso na região da cabeça (diâmetro de Æ 58,59 + 0,26 mm). Outro valor que deve ser considerado no cálculo do volume refere-se à quantidade de material que será removida por corte no terceiro estágio. Esse corte é indicado sempre que há grandes reduções de área a frio com acúmulo de defeitos na extremidade inferior do forjado.

Figura 35 – Definição de volumes na peça forjada.

Assumindo que o comprimento a ser cortado é igual a uma vez o diâmetro da região V, tem-se que o comprimento dessa região sofre um acréscimo de 21 mm.

Calculado o volume do forjado, determina-se seu peso considerando a densidade do aço igual a 7,8 g/cm3, obtendo-se um peso de 1,5 kg.

4) A partir do peso calculado determinar o comprimento inicial do tarugo e utilizar, sempre que possível, bitolas já existentes no estoque.

Nesse caso, optou-se por uma bitola de partida de Æ 31,75 mm (1 1/4") disponível na indústria. Com o peso do forjado e esse diâmetro, obtém-se um comprimento de tarugo igual a 196 mm.

5) Desenhar a seqüência de etapas de processamento, desde o corte até a operação final de forjamento. Neste desenho observar os limites do processo como, as reduções de área, comprimento máximo do tarugo fora da matriz superior e inferior. Considerar as limitações do equipamento, isso é, curso dos extratores, capacidade e velocidade:

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A figura 36 apresenta a evolução da geometria do tarugo ao longo das etapas de extrusão, corte e recalque a frio, considerando os critérios apresentados neste roteiro quanto aos limites de deformação na extrusão livre e no recalque.

Figura 36 - Esquema da evolução do tarugo ao longo do processo.

No primeiro estágio, antes de iniciar-se as extrusões da extremidade inferior ocorre o aumento do diâmetro do tarugo por recalque, que passa de 31,75 para algo em torno de 31,85 mm. Nesse estágio realizam-se as extrusões livres para os diâmetros de 27,2 e 23,95 com reduções de seção de 27 e 22% respectivamente em cada matriz.

No segundo estágio é feita a extrusão do diâmetro de 20,73 (25% de redução), a extremidade inferior é parada pelo extrator e é feito o recalque da extremidade superior. Como o comprimento livre é de aproximadamente 80 mm, ou seja, 2,5 vezes o diâmetro nessa região, não há perigo de flambagem.

No terceiro estágio é feito o cisalhamento da extremidade inferior do eixo, controlando-se o comprimento desejado para a região V, no caso próximo de 29 mm.

No quarto e último estágio, o eixo é guiado e limitado pelos extratores no martelo e na mesa. Um aspecto importante que deve ser observado é verificar se os extratores suportam a força de compressão desenvolvida no recalque. Com o avanço do martelo realiza-se o recalque da cabeça (diâmetro de 58,59+0,26 mm) e ajustam-se os diâmetros do forjado final.

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7.2 - DIMENSIONAMENTO DO FERRAMENTAL

Como exemplo, apresenta-se o dimensionamento da matriz para extrusão no primeiro estágio, do diâmetro de 31,85 mm para o diâmetro de 27,2 mm.

Primeiramente, deve-se determinar as dimensões internas do núcleo da matriz, como apresentado na figura 12.

Assim, Tem-se d = 27,2 mm (definido pelo produto), D = 31,85 mm (definido pelo recalque do tarugo), A = 15°, B adotado igual a 5 mm, com d1 = 27,6 mm e E = 20°.

Usando os ábacos da figura 27 calcula-se a força de extrusão, empregando:- redução de área:

- diâmetro inicial: 31,85 mm Redução = 27 %- diâmetro final: 27,2 mm

- aço com carbono equivalente igual a 0,35%- ângulo de extrusão: 30°

Com esses valores, obtém-se uma pressão interna de aproximadamente 960 N/mm2.Como a pressão interna está próxima do valor de 1000 N/mm2, adotou-se o encarcaçamento da

matriz com um anel de contração. Os diâmetros do núcleo da matriz e do anel de contração, de acordo com a figura 30 são calculados como:

d = 27,2 mm D = 5.d = 136 mm (adotado igual a 180 mm devido à padronização)d1 = 0.9 = 63 mm

A interferência dimensional foi adotada igual a 0,5% do diâmetro de montagem, ou seja, d1. Assim, tem-se uma interferência de 0,3 mm no diâmetro.

De acordo com a figura 31, o ângulo de inclinação para a superfície de interferência deveria ser de aproximadamente 10° para essa matriz. Porém, como a pressão interna não atinge valores elevados, pode-se empregar um ângulo de 1° para essa superfície.

A figura 37 apresenta as dimensões do núcleo e do anel de contração da matriz de extrusão do primeiro estágio.

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Figura 37 - Dimensões para o núcleo e anel de contração da matriz de extrusão.

A figura 38 apresenta alguns itens do ferramental projetado para a conformação do eixo piloto, destacando o primeiro e o quarto estágios.

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8 - BIBLIOGRAFIA

· SOURCE BOOK ON COLD FORMING, ASM International, 1.975.

· J. BILLIGMANN e H.D. FELDMANN, ESTAMPADO Y PRENSADO A MÁQUINA, 2a. EDIÇÃO, ED. REVERTÉ, 1.979.

· I. B. SILVA, MÉTODO DA SIMULAÇÃO PARA DETERMINAR A TENSÃO DE EXTRUSÃO A FRIO, DISSERTAÇÃO DE MESTRADO, UNICAMP, 1.989.

· NATIONAL MACHINERY, TOOL SEMINAR, 1.986.

· K. LANGE, HANDBOOK OF METAL FORMING, JOHN WILEY & SONS, 1.989.

· NORMAS VDI:

· 3137 - CONCEITOS, DENOMINAÇÕES E CARACTERÍSTICAS NOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO

· 3138 - FORJAMENTO A FRIO DE AÇOS E METAIS NÃO FERROSOS - V.1 - PRINCÍPIOS BÁSICOS- V.2 - UTILIZAÇÃO- V.3 - EXEMPLOS DE TRABALHO E RENTABILIDADE

· 3139 - EXTRUSÃO A FRIO DE AÇOS - EXEMPLOS PRÁTICOS

· 3143 - AÇOS PARA FORJAMENTO A FRIO - V.1 - ESCOLHA E TRATAMENTO TÉRMICO

· 3160 - TRATAMENTO DA SUPERFÍCIE ANTES DA DEFORMAÇÃO A FRIO

· 3161 - LIMPEZA E DESENGRAXAMENTO DE SUPERFÍCIES METÁLICAS

· 3162 - DECAPAGEM ANTES DO FORJAMENTO A FRIO

· 3163 - GASES DE PROTEÇÃO E DE REAÇÃO PARA O TRATAMENTO TÉRMICO DE PEÇAS FORJADAS A FRIO

PLANJEMANENTO DO PROCESSO E PROJETO DE FERRAMENTAS PARA O FORJAMENTO A FRIO

· 3164 - FOSFATAÇÃO PARA FACILITAR O FORJAMENTO A FRIO

· 3165 - LUBRIFICANTES PARA CONFORMAÇÃO A FRIO

· 3176 - FERRRAMENTAS COM ANEL DE CONTRAÇÃO PARA FORJAMENTO A FRIO

· 3186 - FERRAMENTAS PARA EXTRUSÃO A FRIO DE AÇO- V.1 - CLASSIFICAÇÃO, MATERIAIS- V.2 - PROJETO, FABRICAÇÃO E MANUTENÇÃO DE PUNÇÕES/ESPIGAS- V.3 - CÁLCULO DE MATRIZES E ANÉIS DE CONTRAÇÃO

· 3187 - CORTE DE BARRAS COM TESOURA - FALHAS DE CORTE

· 3200 - CURVAS DE DEFORMAÇÃO DE MATERIAIS METÁLICOS- V.1 - NOÇÕES BÁSICAS- V.2 - AÇOS CARBONO E AÇOS-LIGA

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