apostila fabio martins
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1
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
ME – 65 I
PROF. DR. FÁBIO MARTINS
2
MATERIAIS PRODUTOS
ENERGIA
CONHECIMENTO
TÉCNICA
HABILIDADE
ÉTICA
RECURSOS MATERIAIS
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
Definição: Modificação da forma de um corpo para outra, pré-
definida, com geometria e dimensões controladas, pela aplicação
de esforço mecânico.
Na fabricação mecânica, aproximadamente 80% de todos os
produtos são submetidos à conformação em um ou mais estágios
do processo de fabricação.
SELEÇÃO DO
PROCESSO DE
FABRICAÇÃO
(CUSTO/BENEFÍCIO)
3
4
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE
CONFORMAÇÃO
Grande quantidade de processos: critérios de classificação
Quanto ao tipo de esforço predominante:
– Compressão direta (forjamento e laminação)
– Compressão indireta (trefilação, extrusão,
embutimento)
– Tração (estiramento de chapas)
– Flexão ou dobramento (dobramento e calandragem)
– Cisalhamento (corte de chapas)
Quanto à temperatura de trabalho
– Trabalho mecânico a frio (cold working)
– Trabalho mecânico aquecido (warm working)
– Trabalho mecânico a quente (hot working)
Trabalho isotérmico (Isothermal forming)
Trabalho Mecânico a Frio (Cold Working)
Temperatura ambiente ou levemente aquecido
Encruamento
Precisão dimensional
Qualidade superficial e dimensional
Empregado para produtos acabados
Equipamentos e ferramentas mais robustos
Maiores potências
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Trabalho mecânico a morno (warm working)
Aquecimento abaixo da temperatura de recristalização,
mas superior a 0,3.Tf
Deformação plástica facilitada com o aumento da
temperatura
Menor necessidade de potência, comparado ao trabalho a
frio
Geometrias mais complexas
Necessidade de recozimento minimizada ou eliminada
Reúne características dos trabalhos mecânicos a frio e a
quente
Trabalho mecânico a quente (Hot working)
Aquecimento acima da temperatura de recristalização e
abaixo de Tf ( TR T 0,7 Tf)
Sem encruamento
Aplicado a produtos semi-acabados (grandes
deformações)
Menor qualidade superficial e dimensional
Oxidação
Menor necessidade de potência
Aplicável a materiais frágeis
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Trabalho isotérmico (Isothermal working)
Trabalho a quente, com peça e ferramenta com
temperaturas próximas
Minimiza a transferência de calor entre peça e ferramenta
Vida da ferramenta menor
Aplicado a materiais que apresentem dureza a quente
(aços rápidos, ligas de titânio e certas ligas de níquel)
Algumas vezes realizado a vácuo
Classificação dos processos de conformação em função da
temperatura de trabalho
Outros Critérios de Classificação
Quanto à forma do produto final
– Chapas, perfis: Laminação, Estampagem
– Tubos e fios: Trefilação, extrusão
Quanto ao tamanho da região deformada
– Deformação localizada: Laminação, Trefilação e
Extrusão
– Deformação generalizada: estampagem profunda e
forjamento
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Quanto ao tipo de fluxo de deformação
– Fluxo contínuo ou quasi-estacionário (movimento
constante): Laminação, Trefilação e Extrusão a quente
– Fluxo intermitente: Estampagem e Forjamento
ATRITO E LUBRIFICAÇÃO
Uma das forças predominantes
Desgaste da ferramenta ou matriz
Defeitos de forma ou dimensão
Dificulta o fluxo do metal
Aumenta a exigência de potência para a conformação
Fat = . N
Força normal atinge grandes intensidades
Material aquecido e no regime plástico: altos valores de
coeficiente de atrito
Tipo ou Classificação Temperatura de trabalho Coeficiente de atrito
Trabalho a frio 0,3 Tf 0,1
Trabalho morno 0,3 Tf – 0,5 Tf 0,2
Trabalho a quente 0,5 Tf – 0,75 Tf 0,4 – 0,5
Lubrificantes
Trabalho a frio: óleos minerais, emulsões a base de água, sabões
Trabalho a quente: óleos minerais, grafite e vidro fundido
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METALURGIA DA CONFORMAÇÃO1
CONCEITOS INICIAIS
METAIS: Estrutura cristalina – arranjo tridimensional e
periódico
Menor arranjo possível: célula unitária
Maioria dos metais: CCC, CFC e HC
CCC: Nb, Ta, Cr, Mo, V, Fe - (até 912 ºC)
CFC: Al, Cu, Au, Pb, Ag, Ni, Fe - (acima de 912 ºC)
1 Bibliografia adicional: Callister Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. Rio
de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 5a Edição, 2002, 589 p.
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HC: Mg, Co, Cd, Be, Zn
Alotropia: existência de mais de um tipo de estrutura
cristalina diferente, em um mesmo material.
ESTRUTURA CRISTALINA DAS LIGAS
METÁLICAS
Metais puros: apenas um elemento na estrutura cristalina
Ligas: outros elementos adicionados ao elemento básico.
Propriedades diferentes
Solução sólida:
- Intersticial - Substitucional
- Diferença de raio atômico 15% - Limitação de solubilidade: fases
intermetálicas (Fe3C)
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Solução sólida substitucional total: Cu – Ni
Solução sólida intersticial parcial: Fe – C
Solução sólida Substitucional Parcial: Ag – Cu
Fases (ou compostos) intermetálicos: Mg2Si, Mg2Pb, Fe3C
DEFEITOS CRISTALINOS
Estrutura cristalina sem defeitos: Perfeita (e inexistente!)
Defeitos na estrutura tem grande influência nas
propriedades dos materiais, principalmente as que se
referem à deformação plástica
São classificados em defeitos de ponto, de linha e de
planos
Defeitos de ponto: vacância (lacuna), intersticial,
impurezas (substitucionais) e deslocamento.
Defeitos de linha: discordância de linha ou de cunha
Defeitos de plano (de superfície): contornos de grão, etc.
Defeitos tridimensionais: poros, inclusões, etc.
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS
Solicitações mecânicas acima do limite de escoamento do
material: deformação permanente
Dois mecanismos:
- Escorregamento
- Maclação
Deformação por escorregamento
Esforços de cisalhamento (tração ou compressão)
Deslizamento de blocos cristalinos, uns sobre os
outros
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Cálculos demonstram que a energia necessária
seria mais alta do que ocorre na realidade
Mecanismo mais real: Escorregamento por
movimento de discordâncias (PRINCIPAL)
Deformação por maclação (maclagem)
Inclinação de parte do reticulado cristalino a partir
de um plano, formando configurações especulares
Maclação é mais comum em CCC e HC: cargas de choque
e temperaturas decrescentes
CFC: temperaturas criogênicas e altas velocidades de
deformação
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Deformação plástica: movimentação de discordâncias
(mecanismo mais comum)
Multiplicação de discordâncias durante a
deformação
Acúmulo de discordâncias: aumento da resistência
Presença de impurezas e/ou elementos de liga:
idem
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DEFORMAÇÃO EM ESTRUTURAS
POLICRISTALINAS
Resposta a esforços mecânicos mais complexa e
com maior dificuldade de previsão do que para
monocristais
Fatores de maior influência:
- Contornos de grão
- Poligonização
- Soluções sólidas
- Segundas fases
Contornos de grão
Região de transição entre grãos: estrutura
deformada, maior energia, maiores espaços
interatômicos
Movimento de discordâncias é dificultado: grãos
apresentam diferentes orientações cristalinas
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Quanto maior for a quantidade de contornos de
grão, ou quanto menor o tamanho do grão, maior a
resistência do material à deformação
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Poligonização
Formação de subgrãos no interior de um grão pelo
movimento e acúmulo de discordâncias, gerando
obstáculos para a posterior movimentação das mesmas.
Soluções sólidas
Soluções sólidas, intersticiais ou substitucionais,
provocam o tensionamento da estrutura cristalina pela
distorção da mesma, dificultando o movimento das
discordâncias.
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Segundas fases
A precipitação de fases na matriz metálica pode
apresentar influência sobre a resposta do material à
solicitações mecânicas. O tipo de precipitado,
quantidade, forma e tamanho das partículas tem papel
preponderante. Exemplo clássico: envelhecimento e
super-envelhecimento.
ENCRUAMENTO
Elevação da resistência do material à deformação
plástica
Influenciado por diversos fatores:
Tipo de estrutura cristalina
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Composição química
Grau de pureza
Orientação cristalina dos grãos
Temperatura
Forma e tamanho dos grãos
Condições superficiais dos grãos
O encruamento produz deformação da estrutura
cristalina e modificação das propriedades do material
Os grãos se tornam mais alongados e orientados em
um sentido
A movimentação de discordâncias se torna mais
intensa durante o processo de encruamento, com
acúmulo das mesmas em determinadas regiões, tais
como contornos de grão e precipitados
A condutividade elétrica e a resistência à corrosão
diminuem
Ocorre aumento no número de discordâncias:
Metal no estado recozido: 106 a 108 discordâncias
/ mm2
Metal severamente encruado: 1012 discordâncias /
mm2
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LIGA
ESTADO
PROPRIEDADES MECÂNICAS
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO ALONGAMENTO
(%)
DUREZA
BRINELL Kgf/mm2 MPa
Aço doce
(AISI 1010)
Normal 33,6 336 38 120
Trabalhado a frio,
90%
91,0 910 2 265
INOX 301 Normal 77,0 770 60 165
Severamente
laminado a frio
129,5 1295 9 380
Alumínio
puro
Normal 9,1 91 40 23
Severamente
laminado a frio
16,8 168 10 44
Latão para
cartuchos
Normal 33,6 336 55 70
Trabalhado a frio 77,0 770 14 155
RECRISTALIZAÇÃO
Temperatura de recristalização (ou recozimento):
50%Tf
Eliminação do encruamento (e de seus efeitos)
Tratamento térmico de recozimento: 3 etapas
- Recuperação
- Recristalização
- Crescimento de grão
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RECUPERAÇÃO
Propriedades mecânicas alteradas pelo
encruamento retornam aos valores originais
Microestrutura não sofre alteração
Minimização ou eliminação parcial das
discordâncias
Poligonização
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RECRISTALIZAÇÃO
Alteração intensa da microestrutura (nucleação de
cristais que absorvem os grãos deformados)
Recuperação de todas as propriedades
CRESCIMENTO DE GRÃO
Aumento do tamanho e diminuição do número de
grãos do material
Fenômeno indesejável
Movimentação de átomos em direção às
superfícies côncavas dos contornos de grão (maior
estabilidade)
Grãos menores: maior convexidade
Proporcional à temperatura
A diminuição da temperatura diminui ou
interrompe o processo, mas não o inverte
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FATORES DE INFLUÊNCIA SOBRE A RECRISTALIZAÇÃO
Percentual de deformação (ou encruamento) inicial
Temperatura e tempo à temperatura
Tamanho de grão inicial
Composição química
Quanto menor for o percentual de encruamento, maior
deve ser a temperatura para ocorrer a recristalização
Tempos maiores exigem menores temperaturas para a
recristalização, e vice-versa
Altos níveis de encruamento e pequenas temperaturas
produzem estruturas refinadas
O grau de pureza do metal é inversamente
proporcional à temperatura: quanto mais puro o metal,
menor a temperatura necessária para a recristalização
Ligas do tipo solução sólida apresentam maiores
temperaturas de recristalização
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TEXTURA E ANISOTROPIA
Textura: orientação preferencial dos planos
cristalográficos da estrutura policristalina na direção de
máxima deformação
A ocorrência de textura em um metal produz
diferentes níveis de propriedades mecânicas em função
do sentido do esforço mecânico e orientação cristalina.
Em outras palavras,
um material texturizado apresenta comportamento
anisotrópico.
A forma mais comum e utilizada para a
determinação da textura de um metal é a técnica de
difração de raios-X.
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Entre os fatores que afetam a ocorrência de textura
em estruturas cristalinas de metais, pode-se citar:
- Tipo de estrutura cristalina
- Composição química do metal
- Grau de deformação
- Temperatura de trabalho
- Existência de textura prévia
- Processo de conformação: modo de
escoamento, estado de tensões
Um dos fatores mais importantes é o tipo de estrutura
cristalina do metal, que determina o número e o tipo de
sistemas de deslizamento disponíveis: pequenos números
de planos de deslizamento favorecem a ocorrência de
textura.
Estrutura HC: desenvolvimento de textura a partir
de 20 a 30% de deformação
Estrutura CFC: somente a partir de 50% de
deformação
Arames, fios e barras trefiladas ou laminadas:
textura simétrica ao eixo longitudinal do produto
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Tipo mais simples: textura de fibra
- Fibramento cristalográfico: reorientação dos
grãos durante a deformação
- Fibramento mecânico: alinhamento de
inclusões, cavidades e constituintes de
segunda fase
A ocorrência de textura evidencia variações no
módulo de elasticidade, limite de escoamento, elongação
e outras propriedades relacionadas à deformação
plástica.
26
Um material isotrópico (não texturizado) apresenta
deformabilidade igual em todas as direções.
A deformabilidade do material é determinada, via de
regra, em ensaios de tração onde se ensaia o material em
diferentes direções referentes à direção de alinhamento
da estrutura cristalina.
Índice (ou coeficiente) de anisotropia plástica (R): razão
entre e deformação na largura (w) e na espessura (t)
t
wR
27
0
lnw
ww
0
lnt
tt
onde:
t0 - espessura inicial do corpo de prova
t - espessura final de ensaio
w0 - largura inicial do corpo de prova
w - espessura final de ensaio
Índice (ou coeficiente) de anisotropia médio: resistência
ao afinamento durante a estampagem
4
2 000 90450RRR
R
Um valor de índice de anisotropia médio maior do
que 1 indica que a deformabilidade da chapa na direção
da espessura é menor do que na largura, o que é
vantajoso para operações de embutimento (chapa
reforçada por textura). No caso contrário, diz-se que a
chapa está amolecida por textura. Metais do tipo CCC,
como o aço, atingem valores até 2,0. Metais HC, como o
titânio, atingem valores da ordem de 5 a 6.
28
Índice (ou coeficiente) de anisotropia planar:
probabilidade de formação de orelhas durante o
embutimento profundo
2
2 000 45900RRR
R
Um material isotrópico apresentaria R0 = R45 = R90 =
1. Quando esta relação se apresenta diferente de 1, tem-
se a anisotropia normal. Quando estes valores diferem
entre si poderão ocorrer problemas de orelhamento no
embutimento profundo.
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Módulo de Elasticidade (Gpa)
Metal [100] [110] [111]
Alumínio 63,7 72,6 76,1
Cobre 66,7 130,3 191,1
Ferro 125,0 210,5 272,7
Tungstênio 384,6 384,6 384,6
Fonte: Callister, Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. LTC
Editora, Rio de Janeiro, 2002, `p. 36.
30
A ocorrência de textura no metal pode ser utilizada a
favor do projeto e fabricação de equipamentos. Um
exemplo seria a utilização de chapas finas de ferro-silício
na fabricação de transformadores de energia, onde a
orientação da estrutura cristalina minimiza as perdas de
energia. No embutimento profundo, a maior resistência
da chapa na direção da espessura diminui o risco de
afinamento das paredes. Por outro lado, pode causar o
surgimento de orelhas nas chapas embutidas.
31
LAMINAÇÃO
Processo de fabricação por conformação plástica direta que
consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros,
de modo que sua espessura sofre diminuição, enquanto que a
largura e o comprimento do corpo sofrem aumento
proporcional.
CONCEITOS BÁSICOS
• Aplicado geralmente a metais
• Primeiro relato: século XIV (Leonardo da Vinci)
• Laminação moderna: Inglaterra, 1783
• Potência elevada: rodas d’água, motores a vapor,
motores elétricos
32
• Movimentação da peça: Atrito
• Volume constante
• A quente e a frio
• Compressão direta
• Produtos planos e não-planos
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LAMINAÇÃO A QUENTE
• Lingotes fundidos
• Placas e tarugos
• Temperatura superior à temperatura de recristalização do material
• Operações iniciais (Desbaste)
• Grandes deformações
• Grandes dimensões
• geometrias complexas
• Recuperação da estrutura
• Ausência de encruamento
• Baixa precisão dimensional
• Baixo acabamento superficial
• Casca de óxidos (carepa)
• Produtos semi-acabados
LAMINAÇÃO A FRIO
• Matéria-prima: chapas e barras laminadas a quente
• Aplicado a peças semi-acabadas
• Pequenas deformações
• Operações de acabamento
• Temperatura abaixo da temperatura de recristalização do material
• Melhor acabamento superficial
• Superfícies regulares
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• Melhor precisão dimensional e geométrica
• Encruamento
• Maior resistência mecânica
• Tratamentos térmicos intermediários
TERMINOLOGIA
• Bloco: Seção quadrada, 36 pol2 (23.225 mm2), produto
de primeira redução
• Tarugo: Seção retangular, resultado de passagem
posterior
• Placa: Seção retangular, área maior do que 16 pol2,
largura pelo menos 3 vezes maior do que a espessura.
• Chapa: Seção retangular, espessura maior do que 1/4 de
pol.
• Folha, chapa fina ou tira laminada: Espessura menor do
que 1/4 de pol. Tiras, em geral, tem largura inferior a 24
polegadas
35
LAMINADORES
• Alta potência
• Arranjados em linha: trem de laminação
• Classificados em função do número e arranjo dos
cilindros
36
• Mais simples e comum
• Movimento em um único sentido
• Mesma configuração básica
• Movimento em dois sentidos
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• Cilindros superior e inferior movidos por motores
• Cilindro central movido por atrito
• Diminuição do diâmetro dos cilindros condutores
representa diminuição substancial da potência requerida
• Necessários cilindros de encosto
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• Cada um dos rolos de trabalho é apoiado por dois
cilindros de encosto
• Laminador Mandrilador
• Tubos com diâmetro interno entre 57 e 426 mm, com
espessura entre 3 e 30 mm
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Laminador de tubos com costura:
Tubos com diâmetro interno entre 10 e 114 mm e espessura
de parede entre 2 e 5 mm
CILINDROS DE LAMINAÇÃO
• Considerados os principais componentes de um
laminador
• Superfície cilíndrica ou ranhurada
• Laminação primária: resistência mecânica, maiores
diâmetros
• Laminação de acabamento: dureza superficial, diâmetros
menores
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• Materiais:
– Desbaste: aços carbono e aços ligados
– Intermediária: Aços ligados e ferro fundido
– Acabamento: ferros fundidos
FORÇAS E RELAÇÕES GEOMÉTRICAS
• Esforço preponderante: Compressão direta
• Arco de contato
• Ponto neutro (C): Pressão máxima, Atrito nulo
• Ângulo de laminação (), ângulo de contato ou ângulo de ataque
• min: ângulo de mordida
• tg
• variável. Para efeitos de cálculo:
– laminação a frio, com lubrificação: = 0,05 - 0,10
– laminação a quente: = 0,2 a grimpamento
41
• Força de atrito: no sentido de laminação até o ponto neutro e no sentido contrário a partir dele.
• Carga de laminação: Força de compressão, também conhecida como força de separação
• Pressão exercida: carga de laminação dividida pela área de contato.
• Considerando-se volume constante:
– b.h0.v0 = b.hf.vf = b.h.v
b = largura da chapa
– Observações experimentais indicam maiores variações em v.
– Velocidade aumenta em contato com cilindros
No ponto neutro a velocidade da chapa se iguala à velocidade tangencial dos cilindros
42
• Arco de contato:
• Lp = 𝑅(∆ℎ)
h = h0 - hf
• Pressão dos rolos: P = Pr/b.Lp
Pr = Força de compressão
b = largura da chapa
Lp = arco de contato entre a peça e o cilindro
• Valor máximo (C): Curva - superfície de contato
• Área hachurada: força de laminação necessária para
vencer a força de atrito
• Área sob AB: força para a deformação
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DEFEITOS
PRODUTOS SEMI-ACABADOS
• Blocos losangulares • com colarinhos • com nervuras • torcidos • cambados • bojudos • Tarugos bojudos • TRINCAS
• Tarugos com uma nervura lateral
• com duas nervuras laterais
• com colarinhos • com cantos incompletos • retangulares
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DEFEITOS
PRODUTOS ACABADOS
FORMA • Encurvamento • Arco transversal • Retorcimento • Cambamento • Laterais ou centro
alongados • Espinhas de peixe • Ondulação a um quarto
SUPERFÍCIE • Cascas • Carepas • Costuras • Orifícios • Marcas de cilindros • Linhas de distensão • Casca de laranja • Ferrugem
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FORJAMENTO
DEFINIÇÃO
Processo de conformação plástica direta no qual se
obtém a forma desejada por impacto ou aplicação
gradual de pressão.
CONCEITOS BÁSICOS
Grande importância industrial
Variados setores industriais (automobilístico,
aeroespacial, etc.)
A mais antiga forma de transformação de metais
(5.000 A.C.)
Maioria das operações: a quente
Forjamento a frio (tenacidade; encruamento)
Latão, alumínio, aços-carbono, aços-liga, aços
ferramenta, inoxidáveis, titânio e cobre.
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CLASSIFICAÇÃO
Forjamento livre
Forjamento em matriz
FORJAMENTO LIVRE
Ferramentas planas ou de formato simples
Escoamento perpendicular à aplicação da força
Peças de grandes dimensões ou pré-conformação
Produção em pequena escala
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FORJAMENTO EM MATRIZ (FORJAMENTO EM MATRIZ
FECHADA)
Utiliza moldes (matrizes) usinados para conferir forma
desejada à peça
Matriz bi-partida
Geometrias mais complexas
Boa tolerância dimensional
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Custo elevado da matriz (altas taxas de produção)
Forjamento em etapas: matrizes usinadas em um mesmo bloco
Calhas para rebarba
49
Rebarba atua como válvula de segurança: controla a pressão no interior da matriz
50
ETAPAS DO PROCESSO
Corte
Aquecimento
Forjamento livre
Forjamento em matriz
Rebarbação
Tratamento térmico
MÁQUINAS PARA FORJAMENTO
Classificadas de acordo com o princípio de operação:
-Martelos
-Prensas
Martelos de forjamento
Carga fornecida pelo impacto de massa cadente
Gravidade ou gravidade + aceleração adicional
Conversão de energia cinética em mecânica
51
Martelo de queda livre
Base com colunas, fixada ao piso
Sistema de elevação da massa cadente até a altura desejada
Mecanismo de elevação operado por pedais (operador tem as mãos livres)
Elevação por ar comprimido ou rolos de atrito e prancha
60 a 150 pancadas/minuto
Trabalho do martelo:
T = Q.H
52
T = trabalho
Q = peso da massa
H = altura de elevação da massa
Martelo de dupla ação (martelo mecânico)
Peso da massa + força adicional
Ar comprimido ou vapor
Carga pode chegar a até 20 vezes o peso da massa
cadente (regulável)
Trabalho do martelo:
T = (Q + F).H
F = força exercida pelo sistema
53
Martelo de contragolpe
Duas massas colidindo no meio do percurso, com
mesma energia
Energia do impacto não é dissipada no piso: maior
eficiência de absorção de energia pela peça
Menores vibrações: tolerâncias mais precisas
Maiores despesas com manutenção e alinhamento
Impossibilidade de manipulação da peça durante o
forjamento
54
HERF (high-energy-rate forging machine)
Energia para deformação obtida pela alta
velocidade de impacto ao invés de aumento de massa
PRENSAS PARA FORJAMENTO
Mecânicas ou hidráulicas
Menos utilizadas (custo maior)
Aplicação de carga lenta e progressiva
Vida útil das matrizes mais longa
Maior tempo de contato entre peça e matriz:
maiores perdas de calor
Taxas de produção similares aos martelos: força
maior, velocidade menor
Prensas mecânicas
Maioria: manivela excêntrica: curso limitado
(pratos de fricção e parafusos)
Carga máxima: próxima ao final do curso
Carga: 300 a 12.000 toneladas
55
Prensas hidráulicas
Verticais ou horizontais
Limitação: carga
Velocidade de conformação baixa
-Tempo de contato entre matriz e peça mais
longo
- Fator de deterioração da matriz
Boas tolerâncias
500 a 18.000 toneladas
56
MARTELOS PRENSAS
Impacto Compressão a baixas
velocidades
Tempo de aplicação de carga:
curto
Tempo de aplicação de carga:
longo
Golpes sucessivos Contato constante entre
peça e matriz
Carga máxima: contato inicial
entre peça e ferramenta
Carga máxima: final da
conformação
Limitação: carga Limitação: curso (mecânicas)
carga (hidráulicas)
57
Máquina Velocidade de deformação (m/s)
Martelo de queda livre 3,6 – 4,8
Martelo de dupla ação 3,0 – 9,0
HERF 6,0 – 24,0
Prensa mecânica 0,06 – 1,5
Prensa hidráulica 0,06 – 0,30
MATRIZES DE FORJAMENTO
Blocos de metal usinados
Tolerâncias precisas
Alto custo: produção em escala elevada
Altas tensões de compressão: até 2.000 Mpa
Altos gradientes de temperatura
Choque mecânico
Alta dureza
Alta tenacidade
Resistência à fadiga e ao desgaste
Resistência mecânica a quente
Aços Cr-Ni e Cr-Ni-Mo: não ferrosos (alta tenacidade)
Aços ligados ao tungstênio: aços (resistência mecânica a quente
Metal duro
58
FORJAMENTO LIVRE
Mais simples
Operações iniciais
Produção em pequena escala
Aquecimento generalizado ou localizado
Recalque, estiramento e alargamento
Recalque
Estiramento e alargamento
Furação, dobramento, fendilhamento e expansão, corte e rebaixamento
Fendilhamento
Expansão
59
FORJAMENTO EM MATRIZ
(Forjamento em matriz fechada)
Geometrias mais complexas
Produção em larga escala
Forjamento em etapas
Fatores:
-Tensão de escoamento do material
-Atrito entre peça e matriz
-Condições para escoamento no interior da
matriz
Projeto
-Peso e volume do material
-Etapas de forjamento
-Dimensões da rebarba
-Requisitos de carga e energia
60
INTERVALO DE TEMPERATURAS PARA O FORJAMENTO
Inserção do material a quente
Perdas de calor
Principal extrator de calor: matriz
Variação de temperatura durante o forjamento:
intervalo de temperatura (característico e específico
para cada material)
MATERIAL FAIXA DE TEMPERATURAS (ºC)
Ligas de alumínio 320 – 520
Ligas de cobre (latões) 650 – 850
Aços de baixo teor de C 900 – 1150
Aços de médio teor de C 850 – 1100
Aços de alto teor de C 800 – 1050
Aços-liga com Mn ou Ni 850 – 1100
Aços-liga com Cr ou Cr-Ni 870 – 1100
Aços-liga com Cr-Mo 850 – 1050
Aço inoxidável (18-8) 750 – 1100
Plasticidade ao início e final do processo
Estrutura grosseira e crescimento de grãos
Refino por forjamento
61
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Prática comum pós-forjamento
Remoção ou minimização de tensões internas
Homogeinização de propriedades e estrutura
Melhoria de usinabilidade
Recozimento e normalização
VELOCIDADE DE DEFORMAÇÃO
Influência sobre resistência à conformação
Deformação (%) Rd (Kgf/mm2)
Martelo Prensa
0 a 10 10 – 15 4 – 6
10 a 20 25 – 20 6 – 12
20 a 40 20 – 30 12 – 22
40 a 60 30 – 36 22 – 28
Acima de 60 36 – 50 28 – 38
Obs.: deformação a quente (1000 a 1200 ºC), aço
62
DEFEITOS EM FORJADOS
Técnica mais utilizada: metalografia (macro e micro)
Trincas
Superficiais
Na rebarba
Internas
Falta de redução
Incrustração de óxidos
Descarbonetação e queima
Gotas frias
63
EXTRUSÃO
DEFINIÇÃO
Processo de conformação plástica no qual o material sofre
redução em sua área de seção transversal pela aplicação de
pressões elevadas e escoamento através do orifício de uma
matriz.
CONCEITOS BÁSICOS
Primeiros experimentos: final do século XIX
Conformação indireta (reação da matriz à
pressão do pistão)
64
Em geral, a quente
– Redução dos esforços
– Evitar encruamento
Aplicado a materiais de difícil conformação
(inoxidáveis e ligas de níquel)
Metais e não-metais (ex.: polímeros)
– Esforços de compressão minimizam
trincamentos
Extrusão a frio
– Menos utilizado
– Maiores esforços
– Alto nível de encruamento
– Maior precisão dimensional e geométrica
Metais submetidos à extrusão:
– Alumínio
– Cobre
– Metais não ferrosos
Metais ferrosos: aplicação restrita:
– Temperaturas mais elevadas
– Maiores esforços
Matéria prima: lingotes (fundidos) ou tarugos
(laminados)
Formas variadas
65
Boa homogeneidade estrutural e dimensional
Baixo índice de oxidação superficial
Custo inicial elevado
Limitação de comprimento do produto
Baixas velocidades de trabalho
66
EXTRUSÃO DIRETA
EXTRUSÃO INDIRETA
Êmbolo vazado
Minimização de atrito
Menos utilizado
Processo mais antigo
Material e êmbolo movimentam-se em sentido
contrário
67
EXTRUSÃO HIDROSTÁTICA
68
Pressão constante
Sem atrito com as paredes do container
Menores esforços
Lubrificação otimizada
Bom acabamento superficial
Tolerâncias precisas
Limitações para a temperatura e pressão de
operação
69
EXTRUSÃO DE TUBOS
EXTRUSÃO DE TUBOS SOLDADOS
70
MÁQUINAS DE EXTRUSÃO
Quase sem exceção: prensas
– Cilindro/pistão
– Bomba hidráulica ou sistema acumulador
Prensas horizontais (mais comuns)
– Material tem maior contato com a região
inferior do container: maior resfriamento
– Deformação assimétrica
Prensas verticais
– Grandes espaços verticais livres
– Resfriamento uniforme
– Tubos de paredes finas
Pistão sujeito a grandes esforços e elevadas
temperaturas
– Aço-liga resistente ao calor
Container (recipiente)
– Sujeito a altas temperaturas e atrito
– Aço-liga resistente ao calor
71
FERRAMENTAS DE EXTRUSÃO
Matrizes ou fieiras
Capacidade de resistência a altas temperaturas,
oxidação e atrito
Aços ligados ou metal duro
Faces planas ou cônicas
72
Face plana (a): metal escoa e forma seu próprio
ângulo de entrada
Face cônica (b): aumento de homogeneidade de
extrusão e diminuição da pressão, com aumento do
atrito nas paredes da fieira. Devem ser utilizadas
com boa lubrificação (mais comum: vidro fundido).
MECÂNICA DA EXTRUSÃO
Metal sob pressão: fluxo pela matriz, adotando a
forma de saída da mesma.
Altos níveis de atrito entre material e container
73
Condição (a): Extrusão homogênea
Atrito baixo: boas condições de lubrificação;
extrusão hidrostática
Deformação homogênea
Condição (b): Aumento do atrito entre peça e
paredes do container
Distorção do modelo reticulado
Zona neutra nos cantos do container
Centro do tarugo: elongação
Bordas do tarugo: cisalhamento
Cisalhamento requer gasto adicional de
energia: trabalho redundante
Condição (c): Alto nível de atrito
Escoamento concentrado no centro
Plano de cisalhamento interno
Superfície do tarugo resfriada por container
frio
Fina camada externa do tarugo permanece
aderida ao container
74
O atrito entre tarugo e container eleva o consumo
de energia durante o processo e o desgaste nas
paredes do container. Em condições de atrito
elevado, a superfície oxidada do tarugo pode ser
arrastada para o interior do produto extrudado,
provocando defeitos. O uso de lubrificação pode
minimizar este problema. Outro modo de contornar
este problema é a utilização de um disco na
extremidade do pistão com diâmetro menor do que o
do container, de modo a extrudar o material interno
ao tarugo, livre de oxidação superficial. No interior
de container forma-se uma casca oca de metal não
extrudado e aderida às paredes do recipiente, que
deve ser removida. A porção final do tarugo também
não sofre extrusão, sendo retirada ao final do
processo. A remoção se dá pelo afastamento do
container e do pistão. Um disco raspador é acionado
para a remoção do material do interior do container.
Força de extrusão
A força requerida para o processo depende da
resistência do material, da relação de extrusão, da
fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis
como a temperatura e a velocidade de extrusão.
A força pode ser estimada pela fórmula:
75
(Força Ideal)
onde:
F = Força de Extrusão
Ao = área de seção transversal do tarugo antes da
extrusão
Af = área de seção transversal do tarugo após a
extrusão
K = constante de extrusão
A força máxima de atrito entre o tarugo e o
container é obtida por:
Fa = U.l0..K
Onde:
U = perímetro interno do container
l0 = comprimento inicial do tarugo
= coeficiente de atrito
K = Constante de extrusão
76
Sendo o atrito uma força a ser superada durante
o processo, a força máxima de extrusão é calculada
por:
Fmax = F + Fa
FATORES DE INFLUÊNCIA NO PROCESSO DE
EXTRUSÃO
Homogeneidade de composição e estrutura da
matéria prima
Temperatura de operação
– Baixa: minimização de consumo de
energia, desgaste de máquina, ferramentas e
container e de oxidação e/ou corrosão do
material
77
– Alta (maioria dos casos): superior a
temperatura de recristalização (limite inferior) e
50 ºC abaixo de Tf (limite superior). Na prática,
o limite superior é fixado a temperaturas mais
baixas, para evitar fragilidade a quente (fusão de
microconstituintes de menor ponto de fusão)
Pressão de trabalho
– Consumo de energia, robustez e custo do
equipamento, desgaste.
– Fator de maior influência: intensidade de
redução. Reduções acima de 90% acentuam
aumento de pressão.
Velocidade de trabalho.
– Produtividade
– Minimização das perdas de calor
É fácil de notar que estas condições são, não
raro, contraditórias entre si. Em condições reais,
deve-se buscar um ponto de equilíbrio entre estes
fatores, de modo a se obter a melhor condição
possível de operação. Via de regra, esta é uma das
atribuições do engenheiro ou tecnólogo.
78
DEFEITOS
Os materiais metálicos mais comumente
extrudados são o alumínio e suas ligas e o cobre e
suas ligas. Outros metais não-ferrosos também
podem ser extrudados, mas tem aplicação mais
restrita. Tubos e barras de aço podem também ser
produzidos por extrusão, mas apresentam
dificuldades operacionais, relacionadas,
principalmente, à temperatura de operação.
Os defeitos típicos do processo de extrusão são
os seguintes:
Vazios internos na parte final do extrudado,
decorrentes do modo de escoamento. Velocidades
de extrusão muito elevadas podem acentuar o
problema.
Trincas de extrusão, perpendiculares ao
sentido de extrusão, decorrentes de defeitos na
matéria-prima, associadas à temperaturas de
operação muito elevadas e/ou velocidades muito
altas.
79
Escamas superficiais, ocasionadas pela
aderência de partículas de materiais duros na
superfície das ferramentas, devido a desgaste ou
quebra de camadas superficiais do container.
Temperaturas de operação muito elevadas ou
desalinhamento do pistão podem também
colaborar na ocorrência deste defeito.
Riscos de extrusão, causados por
irregularidades superficiais na ferramenta ou por
resíduos de óxidos metálicos retidos na sua
superfície.
Inclusões de partículas de materiais estranhos,
arrastadas longitudinalmente, dando ao produto a
aparência de manchas provocadas por raspagens.
Bolhas superficiais provenientes de gases
retidos na fundição do lingote ou no tratamento
térmico para aquecimento da matéria-prima.
Marcas transversais, provocadas pela parada e
retomada do movimento da prensa.
80
Manchas e perda de cores, decorrentes da
oxidação e contaminação superficial com
substâncias estranhas ou provenientes do
lubrificante.
Além destes defeitos, pode-se ainda mencionar
granulações grosseiras ou segregações na
superfície do produto, provocadas pela falta de
homogeneidade estrutural, ou pela não
uniformidade de temperatura através da seção
transversal da peça durante a extrusão.
Os defeitos em produtos extrudados podem ser
classificados de acordo com a causa principal:
Defeitos relacionados à geometria do lingote
Defeitos decorrentes do estado superficial do
lingote
Defeitos relacionados à lubrificação
Defeitos decorrentes do metal (trincas, sulcos,
etc.)
Defeitos decorrentes do desgaste da ferramenta
81
A falta de coesão interna em forma de “V”,
defeito também conhecido como chevron, pode
ocorrer na conformação através de um canal cônico,
como é comum na extrusão e na trefilação,
dependendo de uma série de fatores como taxa de
redução de seção, ângulo do cone da ferramenta,
atrito e características do metal. Pode ser
minimizado pelo tratamento térmico de recozimento
do tarugo a ser extrudado ou pelo arredondamento
do canto formado pela parte cônica com a cilíndrica
da ferramenta.
82
83
TREFILAÇÃO
DEFINIÇÃO
Processo de conformação plástica indireta para a
fabricação de produtos pela passagem do material através
de uma ferramenta que provoca a diminuição do seu
diâmetro.
CONCEITOS BÁSICOS
• Pequenas reduções de seção por passada
• Matéria-prima:
– arames
– barras
– tubos
84
• Lubrificação
– Evitar engripamento
– Resistência a altas temperaturas
– Limpeza de resíduos provenientes do recozimento
– Emulsões de óleo em água
– Óleos lubrificantes
– Pastas ou graxas
– Sabões
• A frio
– Atrito gera calor (10 m/s – aço, 20 m/s – cobre)
– Encruamento
– Boa precisão geométrica e dimensional
– Tratamentos térmicos intermediários (grandes taxas de redução)
• Produtos
– Barras: produto maciço com diâmetros superiores a 5,0 mm
–Arames ou fios: produto maciço com diâmetros inferiores a 5,0 mm
– Tubos: produtos ocos
85
MÁQUINAS DE TREFILAÇÃO
Três critérios de classificação
• Modo de esforço
• Sistema de lubrificação
• Diâmetro dos produtos
Classificação quanto ao modo de exercer o esforço
Sem deslizamento
Com deslizamento
Trefilação sem deslizamento
86
Trefilação com deslizamento
• Classificação quanto ao tipo de lubrificação
– Imersão (Trefilação por via úmida)
– Aspersão (Trefilação por via seca)
• Classificação quanto ao diâmetro dos produtos
– Barras (Ø > 5,0 mm)
– fios grossos (2,0 < Ø < 5,0 mm)
– fios médios (0,5 < Ø < 2,0 mm)
– fios finos (0,15 < Ø < 0,5 mm)
– fios capilares (Ø < 0,15 mm)
87
88
89
FERRAMENTAS DE TREFILAÇÃO
•Metal duro: Ø > 2,0 mm
• Diamante: Ø 2,0 mm
•Atrito:
–Desgaste
–Defeitos
90
Geometrias diversas
TREFILAÇÃO DE PRODUTOS MACIÇOS
Fios
Arames
Vergalhões (não podem ser bobinados)
91
Arames de aço: material revestido com cobre ou cal (neutraliza resíduos de
ácidos decapantes e melhora a aderência do lubrificante)
TREFILAÇÃO DE TUBOS
Operações de acabamento (tubos produzidos por outros processos de
conformação): melhores tolerâncias dimensionais
Ausência de dispositivos internos pode gerar enrugamento e
diminuição do diâmetro interno.
Plugue fixo: cilíndricos ou cônicos
Plugue flutuante: maiores reduções; lubrificação deficiente
Mandril passante: melhor lubrificação
- Remoção: retificação.
- Aumento do diâmetro interno
- Alteração de tolerâncias dimensionais
92
EQUIPAMENTOS AUXILIARES
- Afiadoras de ponta
- Soldagem a topo
- Linhas de decapagem
- Fornos de recozimento (contínuo ou estático)
- Linhas de revestimento superficial
DEFEITOS
Relacionados à fieira:
- Anéis de trefilação
- Marcas de trefilação
- Trincas
- Rugosidade excessiva
- Riscos
Relacionados à matéria-prima
- Achatamento da seção
- Dobras longitudinais
- Defeitos nas extremidades
- Vazios
- Riscos longitudinais
- fissuras
93
ESTAMPAGEM
DEFINIÇÃO
Processo de conformação plástica de chapas finas para a
produção de perfis variados pela aplicação de esforço
mecânico.
Diversas operações:
Dobramento
Estiramento
Corte
Estampagem profunda (embutimento)
CONCEITOS BÁSICOS
Indústrias:
- Automobilística
- Aeroespacial
- Naval
- Informática, etc.
94
Primeiros produtos estampados: Mesopotâmia e Egito
(4.000 A.C.) Copos de ouro e prata embutidos com
martelos de pedra.
900 A.C.: Martelos de ferro com cabos.
Aplicação industrial em produção seriada: Século XVIII
(chapas finas de aço).
Século XIX: Utilização de prensas, ferramentas de corte e
embutimento profundo.
Produto mais processado por estampagem: Chapas finas
de aço.
Principais produtos: autopeças, eletrodomésticos,
talheres e embalagens.
Aproximadamente 15% da produção siderúrgica do Brasil
é destinada à estampagem, depois de processados por
laminação.
Determinação das propriedades mecânicas das chapas:
Ensaio de tração, Ensaio Erichsen e Ensaio sob pressão
hidráulica (Bulge-teste)
95
96
97
CLASSIFICAÇÃO
Pela forma do produto:
Peças simplesmente curvas
Peças flangeadas
Seções curvas
Peças com embutimento profundo
Peças com embutimento raso
98
Pelo processo de obtenção da peça
Por estiramento
Por dobramento
Por estampagem profunda, etc.
Dois grandes grupos:
Estampagem profunda, ou embutimento
Conformação em geral
99
Na maioria das vezes, a frio.
– Encruamento
– Boa tolerância geométrica
– Boa tolerância dimensional
– Resistência mecânica
• À quente:
– Peças de maior espessura
– Materiais frágeis
Matéria-prima: laminados delgados de aço, ligas de
alumínio, cobre, etc., à partir do estado recozido.
MÁQUINAS PARA ESTAMPAGEM
Grande maioria: prensas (simples, duplo ou triplo efeito) Mecânicas (podem ser substituídas, em alguns casos,
por martelos de queda livre) Corte, dobramento e estampagem rasa Ação rápida (golpes de curta duração)
Hidráulicas Estampagem profunda Ação mais lenta Melhor controle de deslocamento, pressão e
velocidade de operação
100
Prensas de simples efeito: cursor único, geralmente na
vertical.
Prensas de duplo efeito: dois cursores: fixação e
conformação da peça.
Prensas de triplo efeito: 3 mecanismos de aplicação de
pressão, dois sobre a peça e um abaixo da mesma.
FERRAMENTAS PARA ESTAMPAGEM
Ferramentas básicas: punção (convexo) e matriz
(côncava) ESTAMPOS
Geralmente o punção é a parte móvel.
Fixação da peça: evitar enrugamento
- Anel de fixação
- Molas ou cilindros pneumáticos
Materiais: escolhidos em função da severidade da
operação e do volume de produção
-Madeira
- Kirksite (liga de zinco)
- Resinas epoxi
-Aços ferramenta
-Metal duro
101
CORTE
Produção em larga escala (custo do estampo)
Forma da peça definida pela seção transversal do estampo
Tira metálica inserida no estampo, entre a matriz e o punção
Punção desce e insere o metal na matriz cisalhamento
Folga: parâmetro de grande importância
Folgas excessivas ou insuficientes: superfícies de
corte irregulares, aumento da energia necessária para
o corte e diminuição da vida útil do estampo.
102
Borda externa do punção e interna da matriz:
cantos vivos e bem definidos
Recuperação: retificação, têmpera e afiação
103
DOBRAMENTO (REPUXO)
Pode produzir peças prontas (calhas ou tambores)
ou ser uma etapa de um processo de fabricação mais
complexo.
Superfície externa: tensões de tração
Superfície interna: tensões de compressão
Interior da chapa: linha neutra
104
Limite para o dobramento: tipo e propriedades do
material (trincamento)
Efeito da recuperação elástica: dobramento além
do desejado, para compensação.
ESTIRAMENTO
Tracionamento sobre um bloco, conformando a
chapa de acordo com o perfil desejado.
Peças com grandes raios de curvatura, e até com
curvaturas duplas.
Recuperação elástica quase inexistente (gradiente
de tensões quase uniforme)
Não utiliza punções. Matriz móvel e garras para
tracionamento.
105
ESTAMPAGEM PROFUNDA (EMBUTIMENTO)
Produção de cavidades e chapas cortadas (blanks)
Matriz e punção
Realizado em etapas (estampo progressivo)
Chapa presa por dispositivo de fixação
Peças apresentam simetria geométrica
Simetria dos estados de tensão
Solicitações mecânicas variáveis em diferentes
regiões da peça.
106
Borda: sujeita à compressão, atrito e tração.
Regiões de dobramento: tração (longitudinal),
compressão (normal) e atrito.
107
Laterais: idem. Compressão e atrito dependentes
da folga entre punção e matriz.
Fundo: compressão e tração radial.
Diferentes esforços sobre as diversas regiões da peça:
espessuras variáveis. A região do fundo da peça
normalmente não apresenta variação de espessura.
A região de dobramento, adjacente ao fundo, apresenta
diminuição de espessura. A partir daí, em direção à borda
da peça, espessura tende a aumentar, igualando-se à
espessura da chapa original, e em seguida, superando-a.
108
A maior espessura é encontrada na borda externa da
peça.
Estampagem:
- Uma ou mais etapas
- Formas simples ou complexas
- Re-estampagem: conformação de cavidade no
interior de outra, já estampada.
- Re-estampagem reversa: re-estampagem em
sentido contrário.
109
FATORES DE INFLUÊNCIA NA ESTAMPAGEM
Metalúrgicos
Estrutura e composição química da matéria-prima
Histórico do material (processos anteriormente
aplicados à peça, tipo de solicitações, tratamentos,
térmicos, etc.)
Mecânicos
Forma e dimensões projetadas
Forma e dimensões da peça a ser estampada
Tipo de prensa
Forma e dimensões do estampo (raios do punção e
da matriz)
Condições de funcionamento do equipamento
Condições de lubrificação (determinada em função
do nível e tipo de esforços atuantes. Sulfeto de
molibdênio é um dos lubrificantes utilizados)
110
Determinação dos esforços necessários à conformação e
dos limites máximos admissíveis de deformação plástica
(conformabilidade na estampagem ou estampabilidade):
dificuldade proporcional à complexidade da forma
desejada.
Fator complicante: deformação dinâmica (esforços e
solicitações variam durante a conformação)
Índice de estampabilidade da chapa: deformação máxima
sem ruptura (Ensaio Erichsen)
DEFEITOS
Trincas
Ondulações e rugas
Casca de laranja e nervuras de distensão
Abaulamento e pregas
111
Atrito em processos de conformação
Visto que a conformação mecânica é quase sempre realizada
colocando-se a peça em contato direto com uma ferramenta, é inevitável
o atrito entre os dois corpos em contato, e as forças do atrito
correspondentes representam um fator importante na grande maioria dos
processos.
Na maioria das situações físicas e de engenharia, os efeitos do
atrito são descritos pelo coeficiente de atrito = F/P, onde P é a força
normal e F a força de atrito na interface. Está bem estabelecido que o
contato entre dois corpos sólidos é normalmente limitado a umas poucas
saliências microscópicas (asperezas ou rugosidades); não obstante,
costuma-se calcular as tensões assumindo que as forças estão distribuídas
sobre toda a área aparente de contato, A. Assim, a pressão interfacial é p
= P/A, a tensão de atrito (tensão cisalhante na interface) é i = F/A, e
=i/p.
Nos processos de conformação o material da peça se deforma e,
ao fazê-lo, desliza sobre a superfície mais dura da ferramenta; tem -se
assim o chamado atrito de deslizamento. Para valores relativamente
moderados da pressão interfacial, pode-se supor que a tensão de atrito é
proporcional a p (atrito coulombiano). Contudo, a tensão cisalhante
interfacial não pode exceder a tensão de escoamento em cisalhamento do
material da peça, e, pois neste ponto a peça para de deslizar sobre a
superfície da ferramenta e passa a deformar-se por cisalhamento sub-
superficial; é o chamado atrito de aderência. É uma situação freqüente no
trabalho a quente, onde a lubrificação é, em muitos casos, difícil. É
possível também, e relativamente freqüente, as condições de atrito
112
variarem entre a aderência total e o deslizamento, ao longo da interface,
dependendo do valor local da pressão.
Os principais efeitos práticos do atrito são:
Aumentar o esforço necessário à conformação;
Acentuar a tendência à ruptura a ao trincamento da peça (pois
tende a tornar a deformação mais heterogênea);
Prejudicar o acabamento superficial do produto;
Ocasionar desgaste das matrizes e demais ferramentas.
OBSERVAÇÕES:
1. As rugosidades da superfície mais dura da ferramenta podem
“arranhar” a superfície da peça, produzindo sulcos, que podem ser
minimizados pelo bom acabamento das ferramentas, sobretudo das
matrizes.
2. Se a lubrificação é deficiente e o acabamento das ferramentas é
precário, ou se o lubrificante falha sob alta pressão ocasionando um
caldeamento local entre a ferramenta e a peça, pode ocorrer o
arrancamento de metal da superfície da peça, que fica retido na
superfície das ferramentas. As conseqüências podem ir desde a
descamação e esfoliação da peça até o emperramento
(engripamento) do fluxo de material.
3. O mecanismo principal de desgaste das ferramentas é a abrasão por
partículas duras de óxidos das peças; mas também contribuem a
fadiga superficial resultante dos diversos ciclos de trabalho, e as
tensões térmicas decorrentes do aquecimento e resfriamento
alternados das ferramentas, especialmente no trabalho a quente.
113
Eficiência (rendimento) de processo
O trabalho total necessário para se produzir uma dada forma por
deformação plástica pode ser dividido em três componentes:
RAPT WWWW
Onde: WP = trabalho de deformação plástica ideal (homogênea);
WA = trabalho para vencer as forças de atrito na interface
metal-ferramenta;
WR = trabalho redundante, i.e., envolvido em processos de
cisalhamento interno devido as deformações heterogêneas, que não
contribuem para a mudança de forma da peça.
A eficiência ou rendimento de um processo é obtido por:
T
P
W
W
Valores típicos de para processos de conformação são: extrusão
direta 30 a 60%; trefilação 50 a 75%; laminação de chapa 75 a 95%;
forjamento em matriz 25 a 40% .
Lubrificação em conformação
O uso de lubrificantes em conformação visa primariamente reduzir
o atrito, introduzindo entre a ferramenta e a peça uma camada de fácil
cisalhamento. Há na verdade muitos casos em que a disponibilidade ou
não de um lubrificante adequado determina a viabilidade ou não da
operação; por exemplo, a extrusão a quente dos aços não foi
comercialmente possível até que fosse usado vidro fundido como
114
lubrificante. (processo Ugne-Sejournet) e a extrusão a frio dos aços só é
possível com um revestimento de fosfato como lubrificante.
Na seleção de um lubrificante, a peça, as ferramentas e o
lubrificante devem ser considerados como um sistema único. As funções
do lubrificante podem ser diversas:
Reduzir a carga necessária para a deformação;
Aumentar a deformação possível antes da fratura
(trabalhabilidade);
Controlar o acabamento superficial do produto;
Minimizar a retenção (pickup) de metal nas ferramentas;
Minimizar o desgaste das ferramentas;
Isolar termicamente a peça das ferramentas;
Resfriar a peça e/ou as ferramentas.
Os requisitos mais comuns para um bom lubrificante são:
Funcionar numa larga faixa de temperaturas, pressões e velocidades
de deslizamento;
Ter boas características de molhabilidade e espalhamento nas
superfícies;
Ser compatível com os materiais da peça e das ferramentas com
relação ao ataque químico;
Ter boa estabilidade térmica e resistência ao ataque bacteriano e de
contaminantes;
Produzir um resíduo inofensivo e facilmente removível,
Não manchar a peça em caso de tratamento térmico ou soldagem
subseqüentes;
Ser não-tóxico, não-inflamável, e barato.
115
Pode-se distinguir quatro tipos de lubrificação em processos de
conformação:
(i) LIMÍTROFE ou LIMITE (ingl."boundary lubrication") - as superfícies
metálicas ficam separadas por um filme de lubrificante muito tênue, de
apenas algumas moléculas de espessura, havendo um considerável
contato metal-metal entre as asperezas (rugosidades) das duas
superfícies. É o tipo mais comum de lubrificação em operações de
conformação, em virtude das altas pressões e relativamente baixas
velocidades envolvidas. Os lubrificantes mais usados são os de moléculas
orgânicas de cadeia longa, polares, que se ligam às superfícies metálicas
pela extremidade polar, ficando a cadeia aproximadamente perpendicular
à superfície (p.ex. ácidos e óleos graxos, sabões e ceras), porém tendendo
a decompor-se acima de 200-250 C.
(ii) HIDRODINÂMICA - as superfícies ficam inteiramente separadas pelo
filme de lubrificante, que se desenvolve devido ao movimento relativo
delas; é pouco comum em conformação, podendo ser obtida em geral
somente quando o lubrificante é pressurizado. O coeficiente de atrito
correspondente é baixo, da ordem de 0,001 a 0,03.
(iii) QUASE-HIDRODINÂMICA - as superfícies ficam separadas por um
filme espesso e viscoso, tal como o vidro fundido (pastoso) na extrusão a
quente do aço.
(iv) QUASE-HIDROSTÁTICA - as superfícies ficam separadas por um filme
contínuo formado por sólidos dúcteis e macios (Pb, Cu, teflon, nylon,
polietileno, silicones) ou lamelares (MoS2, grafite, etc.).
Em casos especiais empregam-se também:
116
Aditivos de extrema pressão: são substâncias contendo sólidos
inorgânicos finamente dispersos (pigmentos ou agentes mecânicos
de extrema pressão) ou então substâncias orgânicas contendo
halogênios, enxofre ou fósforo, capazes de reagir localmente
(agentes químicos de extrema pressão) com as superfícies quando o
filme de lubrificante é rompido sob calor e alta pressão, formando
um composto com propriedades lubrificantes.
Revestimentos conversivos: são substâncias aplicadas sobre as
peças para formar uma base capaz de reter lubrificante, algumas
tendo elas próprias características lubrificantes (ex.: cal, bórax,
fosfatos, cromatos).
A tabela I apresenta alguns lubrificantes típicos e os valores do
coeficiente de atrito comumente encontrados em processos de
conformação mecânica dos metais.
Representação esquemática da lubrificação (a) hidrodinâmica; (b) limítrofe
com um agente polar; (c) limítrofe com um aditivo mecânico de extrema
pressão (pigmento).
TENSÕES RESIDUAIS EM PRODUTOS CONFORMADOS
Tensões residuais são o sistema de tensões que pode existir em
um corpo quando ele está livre de forças externas. São produzidas sempre
que um corpo é submetido a deformação plástica não-uniforme, sendo
portanto freqüentes em produtos conformados.
117
Considere-se, por exemplo, uma chapa metálica grossa sendo
laminada sob condições tais que só ocorre escoamento plástico próximo
às superfícies da chapa. Os grãos da superfície da chapa são deformados e
tendem a se alongar, enquanto que os grãos do centro permanecem
inalterados. Mas dado que a chapa tem de permanecer como um todo
contínuo, as regiões central e superficiais têm de se acomodar em termos
de deformação: As fibras centrais tendem a restringir o alongamento das
fibras superficiais, enquanto que estas procuram esticar as centrais. O
resultado é um padrão de tensões residuais na chapa, consistindo de altas
tensões compressivas na superfície e uma tensão residual trativa no
centro da chapa.
Em geral, o sinal da tensão residual produzida por deformação
heterogênea é oposto ao sinal da deformação plástica que a produziu; no
caso da chapa laminada as fibras que foram alongadas na direção
longitudinal pela laminação são deixadas num estado de tensão residual
compressiva quando a carga externa é removida.
O sistema de tensões residuais existente em um corpo tem de
estar em equilíbrio estático. Assim, a força total que atua em qualquer
plano através do corpo e o momento total das forças em qualquer plano
têm de ser nulos. Para o padrão de tensões longitudinais, a área sob a
curva sujeita a tensões compressivas tem de ser numericamente igual à
área sujeita a tensões trativas. Por outro lado, não se pode descartar a
possibilidade de tensões residuais nas outras duas direções principais, ou
seja, de se ter um estado triaxial de tensões residuais.
As tensões residuais são elásticas, não podendo, portanto serem
maiores do que o limite de escoamento do material.
118
A eliminação ou a redução em intensidade das tensões residuais,
conhecida como alívio de tensões, pode ser efetuada tanto por
aquecimento como por deformação plástica a frio. O alívio de tensões por
aquecimento ocorre primeiramente a partir da temperatura em que a
limite de escoamento do material se torna inferior à tensão residual; a
tensão residual em excesso deste limite é imediatamente eliminada por
escoamento plástico. O restante vai diminuindo gradativamente através
de mecanismos internos de relaxação dependentes do tempo. O
resfriamento a partir da temperatura de tratamento deve ser
suficientemente lento para não reintroduzir tensões residuais, devidas à
contração térmica não-uniforme da peça.
A deformação plástica a frio pode também reduzir
substancialmente os gradientes de deformação responsáveis pelas
tensões residuais. Por exemplo, produtos tais como chapas, placas e
extrudados são freqüentemente tracionados bem acima do limite de
escoamento a fim de aliviar gradientes de deformação por meio de
deformação plástica. As tensões residuais em chapas, barras de seção
circular e tubos trabalhados a frio podem também ser aliviadas através de
flexão alternada, de modo a ultrapassar o limite de escoamento das fibras
mais externas, nas chamadas desempenadeiras ou endireitadoras de
rolos.
119
(a) Deformação heterogênea na laminação de uma chapa; (b) esquema da
distribuição resultante das tensões residuais longitudinais ao longo da
espessura da chapa.
Aplainamento pelo estiramento. A garra estacionária é ajustável ao
comprimento da chapa a endireitar e a garra móvel está ligada ao pistão
hidráulico que opera o aplainamento.
120
Desempenadeira de rolos. Os rolos de entrada flexionam mais fortemente
a chapa num e noutro sentido, enquanto os rolos de saída servem apenas
para acabamento.
Diferentes esquemas de máquinas desempenadeiras para barras e tubos,
utilizando flexão alternada.
121
MATERIAL DE
TRABALHO
REGIME
DE
TRABALHO
FORJAMENTO EXTRUSÃO TREFILAÇÃO LAMINAÇÃO CONF. CHAPA
Lubrificante Lubrificante Lubrificante Lubrificante Lubrificante
Sn, Pb, Zn, e SUAS
LIGAS OG – OM 0,05 OG ou SABÃO OG 0,05
AG-OM ou
OM-EM
0,05
0,1 OG-OM
0,0
5
LIGAS de Mg QUENTE OU
MORNO GR e/ou MoS2
0,1
0,2 NENHUM OM-AG-EM 0,2 OM-AG-EM 0,2
GR em OM
ou SABÃO
SECO
0,1
0,2
LIGAS de Al
QUENTE GR ou MoS2 0,1
0,2 NENHUM OM-AG-EM 0,2
FRIO AG-OM ou
SABÃO SECO 0,1
LANOLINA ou
SABÃO em FF
AG-OM-EM
AG-OM
0,1
0,3
1-5% AG em OM
(1-3) 0,03
OG,
LANOLINA
AG-OM-OM
0,0
5
0,1
LIGAS de Cu
QUENTE GR 0,1-
0,2
NENHUM OU
GR OM – EM 0,2
FRIO
SABÃO SECO
ou CERA ou
SEBO
SABÃO SECO
ou CERA ou
SEBO
OG – SABÃO –
EM – OM
0,1
0,03 OM – EM 0,1
OG- SABÃO-
EM ou OG-
SABÃO
0,0
5
0,1
122
AÇOS
QUENTE GR 0,1-
0,2
VD(100-300)
GR
NENHUM ou GR-
EM
AD+
0,2+ GR 0,2
FRIO EP-OM ou
SABÃO em FF
0,1
0,05 SABÃO em FF
SABÃO SECO
ou SABÃO em
FF
0,05
0,03
10% OG-EM 0,05
EP-OM, EM
ou SABÃO
em
POLÍMERO
0,0
5
0,1
AÇOS INOX; Ni e
SUAS LIGAS
QUENTE GR 0,1-
0,2 VD(100-300) NENHUM AD++ GR 0,2
FRIO PC-OM ou
SABÃO em FF
0,1
0,05
PC-OM ou
SABÃO em FF
SABÃO em FF
ou PC-OM
0,03
0,05
OG-PC-EM ou
PC-OM
0,1
0,05
PC-OM,
SABÃO ou
POLÍMERO
0,1
LIGAS de Ti
QUENTE VD ou GR 0,2 VD(100-300) VD-GR 0,2
FRIO SABÃO ou
OM 0,1 SABÃO em FF POLÍMERO 0,1 OM 0,1
SABÃO ou
POÍMERO 0,1
PC – PARAFINA CLORADA
EM – EMULSÃO; Os ingredientes lubrificantes estão finamente dispersos em água.
EP – Compostos para EXTREMA PRESSÃO (contendo S, Cl e P).
123
AG – ÁCIDOS E ÁLCOOIS GRAXOS; p. ex. ácido oléico, ácido esteárico, álcool estearílico.
OG – ÓLEOS GRAXOS; p. ex. óleo de coco natural ou sintético.
VD – VIDRO (viscosidade na temperatura de trabalho em unidades de Poise).
GR – GRAFITE, normalmente num fluido transportador à base de água.
OM – ÓLEO MINERAL (viscosidade entre parênteses, em unidades de centipoise a 40 C).
FF – revestimento conversivo de FOSFATO (ou similar), facilitando a retenção do Lubrificante.
+ – Coeficiente de atritos são poucos definidos na extrusão, não sendo portanto fornecidos aqui.
++ – O símbolo AD significa atrito aderente.
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