instituto tecnológico de aeronáutica divisão de engenharia

Extrusão e Forjamento

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Divisão de Engenharia Mecânica

MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação

Dr. Ronnie Rego

Dr. Alfredo R. de Faria

2

Fechamentos4.

Forjamento3.

Extrusão2.

Introdução1.

Agenda

3

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso

Plasticidade Fundamentos da Conformação

Tecnologias de Conformação

Processos Não-Convencionais

Comportamento mecânico

Tipos de Falhas Análise de tensão

e deformação Relações plásticas Escoamento

plástico

Classificação Modelos

preditivos Influências: atrito,

temperatura; taxa de deformação e anisotropia.

Ensaios de conformabilidade

Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento

Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó

F

dx

4

Conceituação dos processos de conformação de extrusão e forjamento

Objetivos Específicos (para cada processo):1. Prover definições fundamentais sobre o processo e cadeia, suas variantes

tecnológicas e suas aplicações

2. Apontar as influências principais sobre o processo

Objetivo da aula

5

Fechamentos4.

Forjamento3.

Extrusão2.

Introdução1.

Agenda

6

Processo de conformação plástica em que bloco de metal é forçado a passar através de orifício de matriz por ação de compressão Pressões elevadas aplicadas por

pistão acionado hidráulica ou pneumaticamente

Produção de barras, tubos e perfis de geometria complexa, a partir de material fundido ou laminado

Comumente conduzido a temperaturas elevadas (acima da recristalização)

– Sem processo de encruamento

Extrusão

7

Processo de conformação plástica em que bloco de metal é forçado a passar através de orifício de matriz por ação de compressão

Extrusão

Curso do PistãoPr

essã

o de

Ext

rusã

o

1

2

34

1- Compressão Inicial2- Breakthrough pressure (Pmax)

3- Escoamento do material extrudado4- Efeito da redução do comprimento (↓escoamento)

8

Extrusão Direta x Extrusão Indireta

Extrusão

Extrusão Direta

– Pistão age sobre o tarugo forçando-o contra a ferramenta

Extrusão Indireta (Inversa)

– Pistão se mantém fixo, com a ferramenta em sua extremidade

– Recipiente com o tarugo avançam na direção do pistão:

• Atrito inexistente

9

Curso do PistãoPr

essã

o de

Ext

rusã

o

Extrusão Direta x Extrusão Indireta

Extrusão

DIRETA

INDIRETA

Extrusão Direta

– Ferramental barato

– Necessita lubrificação

– Aparecimento de defeitos

Extrusão Indireta (Inversa)

– Pistão oco: caro e pode flambar

– Exige menos esforço (atrito inexistente)

– Produto mais homogêneo

10

Variantes do processo de extrusão: Extrusão por Impacto Pistão desce rapidamente

sobre o tarugo, que é conformado na direção contrária à de movimentação do pistão (similar à extrusão indireta)

Processo usualmente conduzido a frio

Geometria: folga entre pistão e matriz

Extrusão

11

Ferramental: Matriz de extrusão Deve suportar altas pressões, choque térmico e oxidação

Extrusão: Equipamento

12

Ferramental:1. Material Extrudado

2. Suporte da Matriz

3. Matriz

4. Tarugo

5. Falso Pistão

6. Pistão Acionador

7. Recipiente: Bucha Interna (camisa)

8. Recipiente: Cilindro de Extrusão

Extrusão: Equipamento

13

Barras, tubos e perfis de geometria complexa A partir de material fundido ou laminado

Extrusão: Produtos Extrudados / Aplicações

14

1. Diâmetro inicial

2. Intensidade da deformação da seção transversal (redução projetada)

3. Geometria da ferramenta

4. Força de compressão

5. Lubrificação (atrito entre material e recipiente)

6. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)

7. Temperatura de trabalho

8. Velocidade do processo

Extrusão: Fatores de Influência

Quantificação por relações geométricas

e de deformação

15

Relações geométricas e de deformação na extrusão

Extrusão: Fatores de Influência

MatrizRecipiente

Ai, DiAf, Df

Razão de Extrusão (r) [%]

Deformação principal (φP) [%]

16

Geometria da matriz FGES: Força total

FRS: Força de atrito com a matriz (parte cônica)

FSch: Força de cisalhamento (trabalho redundante)

FId: Força ideal de deformação (sem atrito e cisalhamento)

FRW: Força de atrito com o recipiente (parte cilíndrica)

Extrusão: Fatores de Influência

Ângulo ótimo

17

Condição de Lubrificação1. Deformação homogênea

– Baixo atrito, extrusão hidrostática, boa lubrificação

2. Atrito aumentado

– Início do trabalho redundante (cisalhamento não resultante em redução)

3. Atrito severo

– Escoamento da parte central e formação de casca na parede do recipiente

4. Extrusão indireta

– Atrito inexistente

Extrusão: Fatores de Influência

1 2

3 4

Zona Morta

18

Cálculo da Carga e Pressão de Extrusão “Métodos Analíticos”

Força total de extrusão (Pe) é dada pela soma da força na matriz (Pd) mais força de atrito (Pf): Pe = Pd + Pf

Assumindo tensão de atrito constante (i) a pressão no tarugo (pf) pode ser obtida pela equação de equilíbrio de força pfD2/4 = DiL

A pressão total de extrusão é então pe = pd + pf = pd + 4iL/D Se pe e pd forem medidas acha-sei

Usando teoria de campo (slip-line) pd = 0(a + b lnR), onde a e b são parâmetros dependentes da geometria

Extrusão: Fatores de Influência

19

Fechamentos4.

Forjamento3.

Extrusão2.

Introdução1.

Agenda

20

Trabalho de um material para um formato útil por meio de martelamento ou prensagem Conformação é resultado de

esforço de impacto ou de pressão

Em geral conduzidos a quente

Matriz pode ser aberta ou fechada

Processo aplicado a produções de larga escala (amortizar custo do ferramental)

Forjamento

21

Trabalho de um material para um formato útil por meio de martelamento ou prensagem Primeiro dos processo de

conformação: fabricação de espadas (ferreiro)

Avanço: equipamentos mecanizados com a I Revolução Industrial

Forjamento

22

Forjamento a Quente Com aquecimento prévio

– Permite altas deformações

– Demanda baixa carga de conformação

– Menor precisão dimensional

Forjamento a Frio– Maior precisão dimensional

– Deformações limitadas

– Demanda alta carga de conformação

Forjamento: Classificações

23

Forjamento: Classificações

Forjamento com Matriz Aberta Geometria simples da matriz

(em geral, plana)

Componentes de grande volume e geometria simples

Baixa escala de produção

Preparação para processo de matriz fechada

24

Forjamento: Classificações

Forjamento com Matriz Fechada Alta pressão em cavidade fechada

Melhor tolerância dimensional

Alta escala de produção

25

Processo conduzido em sequencia de etapas

Forjamento

26

Classificação (por Kienzle)1. Limitado pela Energia

– Martelos

2. Limitado pelo Curso

– Prensa mecânica

3. Limitado pela Carga

– Prensa hidráulica

Forjamento: Equipamento

1

2

3

27

Limitado pela Energia Por Impacto: Martelo

Efeito da gravidade: restrição da energia potencial (massa e altura do pistão)

Alternativa: Acionamento auxiliado por ar comprimido: energia potencial e cinética

Rápido: pouco tempo de contato (< 10 ms)

Baixo custo do equipamento

Restrito a baixas cargas de conformação (600 ton)

Sem controle de carga e velocidade

Forjamento: Equipamento

Auxílio da pressão do ar: parcela adicional de

energia cinética

28

Limitado pelo Curso Por Prensagem: Prensa Mecânica

Conversão de movimento rotativo em alternativo

Curso limitado pela excentricidade dos eixos

Mais lento: esmagamento, não impacto

Alto custo do equipamento

Maior vida útil da ferramenta

Permite altas cargas (12.000 ton)

Forjamento: Equipamento

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Limitado pela Carga Por Prensagem: Prensa Hidráulica

Pressão hidráulica acumulada movimenta pistão em um cilindro

Em qualquer ponto do curso: carga máxima disponível (controlável)

Controle da velocidade → controle da taxa de deformação

Maior precisão dimensional

Permite altas cargas de conformação (50.000 ton)

O mais lento: conformação por esmagamento, não por impacto

O mais alto custo de equipamento

Forjamento: Equipamento

30

Ferramental: Matriz e Punção Altas tensões de compressão (~ 2000 MPa)

Altas temperaturas (forjamento a quente)

Choque mecânico (martelamento)

Forjamento: Equipamento

Matriz plana Matriz redondaMatriz em “V”

Diferentes geometrias de matriz para forjamento de matriz aberta

• Alta dureza• Elevada Tenacidade• Resistência à Fadiga• Resistência mecânica a Quente• Resistência ao Desgaste

31

Geometria de ferramenta para eliminação de defeitos

Forjamento: Equipamento

32

Geometria de ferramenta para eliminação de defeitos

Forjamento: Equipamento

plate dished swage

33

Relação entre deformação efetiva e defeito

Forjamento: Equipamento

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

Ingot Height (mm)

Effe

ctiv

e St

rain

UPPER VOID WITHOUT VOID

VOID POSITION

EFFECTIVE STRAIN0.617

34

Distribuição de deformação efetiva

Forjamento: Equipamento

plate dished swage

840 mm 790 mm 820 mm

Deslocamento da matriz superior no instante da eliminação do defeito

35

Conclusões:

• Matriz “Dished” é mais eficiente na eliminação de defeitos no centro dos lingote pois apresentou o menor deslocamento final (790 mm);

• Matriz “Dished” requer mais força para o recalque;• Matriz “Swage” obteve resultados intermediários;• Pode-se relacionar eliminação de defeitos com deformação efetiva;• A matriz mais eficiente para a eliminação de defeitos depende da posição dos

defeitos.

Forjamento: Equipamento

36

1. Dimensões iniciais e dimensões finais planejadas

2. Geometria da ferramenta

3. Força de compressão

4. Atrito entre matriz e componente

5. Propriedades mecânicas acumuladas

6. Temperatura de trabalho

7. Velocidade do processo

Forjamento: Fatores de Influência

Quantificação por relações geométricas

e de deformação

37

Relações geométricas e de deformação no forjamento (recalque)

Forjamento: Fatores de Influência

hi

hf

Deformação Convencional (e)

Deformação Verdadeira (ε). Sendo

Redução (r) [%]

Relação de Prensagem (S)

di

38

Cálculo da Carga e Pressão de Forjamento “Métodos Analíticos”

Forjamento: Fatores de Influência

xx + dx

dxxz

xz

p

p

h

aax

xh (x + dx)h 2xzdx = 0 dx/dx = 2xz/hCritério de escoamento de von Mises: 1 3 = 0´ = p x

Uma vez que 0´ não varia com x, dp/dx = dx/dxAtrito está relacionado à força normal xz =pLogo, dp/p = 2dx/h ln p = 2x/h + ln CNa lateral (x = a) a tensão x é nula p = 0´ ln C = ln 0´ + 2a/h

39

Cálculo da Carga e Pressão de Forjamento “Métodos Analíticos”

Forjamento: Fatores de Influência

p = 0´exp[2(a x)/h]Pressão média de forjamento: pmedia = 0´[exp(2a/h) 1]/(2a/h)

40

Atrito entre matriz e componente Tensões de cisalhamento

criadas na superfície de contato

Efeito: abaulamento do perfil forjado

Anéis: perfil de abaulamento influenciado pela intensidade do atrito

Forjamento: Fatores de Influência

Elevado atritoBaixo atrito

SEM atrito COM atrito

41

Velocidade do processoa. Baixa velocidade: prensa hidráulica

– Maior tempo de contato entre matriz e componente, facilitando a refrigeração

– Menores temperaturas

b. Elevada velocidade: prensa mecânica/excêntrica

– Menor tempo de contato, dificultando refrigeração

– Menores gradientes de temperatura

– Deformação mais uniforme, menor abaulamento

Forjamento: Fatores de Influência

42

Fechamentos4.

Forjamento3.

Extrusão2.

Introdução1.

Agenda

43

Objetivos Específicos

Definições Fundamentais

1

Influências Principais

2 MatrizRecipiente

Ai, DiAf, Df

hf