processos de conformação parte i

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁCENTRO TECNOLÓGICO

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

DISCIPLINA: CONFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS

PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA

LAMINAÇÃO

LAMINAÇÃO

LAMINAÇÃO

A laminação consiste na passagem de um corpo sólido (peça) entre dois cilindros (ferramentas) que giram à mesma velocidade periférica, mas em sentidos contrários.

Processo de Laminação.

Fundamentos do Processo

Processo pode ser realizado:• continuo ou em etapas• com uma ou mais ferramentas rotativas

(cilindros de laminação)• com ou sem ferramentas adicionais (p.ex.:

mandris, calços ou hastes)

Permitindo:• alcançar as dimensões dos produtos semi-

acabados ou da peça pronta.• caldeamento de rechupes e poros provenientes

do processo de lingotamento• conformação da estrutura de solidificação do

lingote.• melhora das propriedades mecânicas.

Característica básica do processo

• A tensão predominante, que conduz o processo é a tensão de compressão.

• Os cilindros de laminação podem tanto ser motores ou então movidos pelo movimento do material que está sendo laminado.

TRANSVERSALLONGITUDINAL

CISALHANTE

CLASSIFICAÇÃO CONFORME A CINEMÁTICA

LAMINAÇÃO PLANA

LAMINAÇÃO DE

PERFIS

CLASSIFICAÇÃO CONFORME A GEOMETRIA

• Tipos de laminadores

• duo reversível: usado na LQ para “desbaste”de lingotes e para esboço

• trio: usado na LQ para chapas e placas• quádruo, quádruo reversível: usado em

LQ e LF para chapas grossas e planos• linhas contínuas: chapas de espessura

média e fina a quente• Sendzimir: usado na LF para chapas

finas

• Sequencial: usado na LQ e LF de perfis e tubos com costura a partir de tiras

• Mannesmann: usado na LQ e LF de tubos sem costura, com o uso de mandris

TIPOS DE LAMINADOR PARA LAMINAÇÃO CONVENCIONAL

DUO DUO REVERSÍVEL

TRIO

SENDZIMIR

QUADRUO

Um laminador consiste basicamente em cilindros laminadores, mancais, gaiola e um motor.

Gaiola e cilindro de Laminação.

CILINDRO

LAMINAÇÃO

Tipos de laminadores.

LAMINAÇÃO

O processo de laminação pode ser conduzido a frio ou a quente.

Laminação de barras e perfis estruturais.

LAMINAÇÃO

LAMINAÇÃO A QUENTE

• Utilizada para materiais que tenham baixa plasticidade a frio.

• Serve como etapa de preparação para laminação final, a frio.

• Permite grandes reduções de espessura.

• Forças de laminação menores que as da laminação a frio

• Produz acabamento superficial pobre.

• Resulta em tolerâncias dimensionais largas.

LINGOTAMENTO CONTÍNUO PARA PRODUÇÃO DE CHAPAS POR LAMINAÇÃO

A QUENTE

LAMINAÇÃO A QUENTE

PRODUTOS OBTIDOS POR LAMINAÇÃO A QUENTE

LAMINAÇÃO A FRIO

• Requer material com boa plasticidade a frio.

• É precedida por laminação a quente.

• As reduções de espessura são limitadas pelo encruamento.

• As forças de laminação são bem maiores que as da laminação a quente.

• Produz acabamento superficial bom ou ótimo.

• Resulta em tolerâncias dimensionais mais estreitas que a laminação a quente.

LAMINAÇÃO A FRIO DE CHAPAS

PROCESSO INDUSTRIAL PARA LAMINAÇÃO A FRIO DE CHAPAS

PRODUTOS OBTIDOS POR LAMINAÇÃO A FRIO

PRODUTO SEMI ACABADO

Produto que necessita de acabamento final

PRODUTO ACABADO Produto empregado na forma em que se encontra

PRODUTO PLANO Produto obtido com cilindros de geratriz

BLOCO Produto semi-acabado de secção transversal > 15.600 mm², relação largura/espessura ≤ 2

PLACA Produto semi-acabado de espessura > 40 mm, relação largura/espessura > 2

TARUGO Produto semi-acabado de secção transversal ≤ 15.600 mm², espessura > 40 mm relação largura/espessura ≤ 2

BARRA Produto acabado com secção transversal constante e com geometria simples

PERFIL Produto acabado com secção transversal com geometria simples ou composta

VERGALHÃO Barra redonda com ampla tolerância dimensional

TUBO Produto oco de secção constante e parede uniforme

VIGA METÁLICA Perfil de secção transversal na forma de H, I, U, etc.

CHAPA Produto plano de espessura ≥ 0,3 mm, largura ≥ 300 mm

CHAPA GROSSA Chapa com espessura > 5 mm, largura < 300 mm

CHAPA FINA Chapa com espessura entre 0,3 e 6 mm, largura ≥ 300 mm

FOLHA Produto plano de espessura < 0,3 mm

FITA Produto plano de largura ≤ 300 mm

Classificação de alguns produtos laminados.LAMINAÇÃO

MECÂNICA DA LAMINAÇÃO

• Arco de contato• Esforço predominante: compressão

direta• Ponto neutro: pressão máxima dos cilindros

sobre a peça• Ângulo de laminação: ângulo de contato, ângulo de ataque, ângulo de mordida

• Forças de atrito: no sentido da laminação até o ponto neutro e contrário a partir dele tendência de movimento

para trás e para frente da peça a laminar• Carga de laminação: força de separação

dividida pela área de contato Tensão de laminação• Cilindros de diâmetros

menores

• Área de contato menor

• Força de separação menor

• Forças de atrito menores

• Maior rigidez e precisão • Aplicação nos quádruos e múltiplos

LAMINAÇÃO

Relações Geométricas na Laminação de

Planos

Figura 5 - Relações geométricas na laminação de planos.

Comprimento do Arco de Contato (L)O arco de contato está sobre o cilindro de

laminação, e encontra-se entre os pontos A e C (figura 5).

LAMINAÇÃO

Ângulo de Contato (α)Define-se o ângulo de contato α como o

ângulo limitado pela linha OC, que une os centros dos cilindros, e o raio AO do cilindro que passa pelo ponto de entrada A (figura 5).

LAMINAÇÃO

Deformação e Redução na Laminação

Figura 6 - Deformação na laminação.

Condições de Mordida e Arrastamento

No instante em que a chapa entra em contato com os cilindros de laminação, duas forças atuam sobre ela: a força normal e a força de atrito (Figura 7a) .

A condição para que a mordida ocorra é Fx > 0.

LAMINAÇÃO

LAMINAÇÃOA condição para o arrastamento é Fx > 0 (Figura 7b).

ou

a b

Figura 7 – (a) Agarramento da chapa pelo cilindro; (b) Condições de arrastamento.

LAMINAÇÃO

A posição do ângulo neutro pode ser calculada através da equação:

(forma simplificada para pequenos ângulos)

Figura 8 – Ângulo Neutro.

Ângulo Neutro ou Ângulo de Não Deslizamento

LAMINAÇÃO

ONDE: P = carga (força) de laminação W = largura da chapa Δh = hi - hf

Deformação Elástica dos Cilindros de

Laminação

Equação de HitchoockA análise mais comumente usada para a

deformação elástica dos cilindros é a desenvolvida por Hitchoock. De acordo com essa análise o raio de curvatura aumenta de R para 'R.

LAMINAÇÃO

Cálculo da Carga de Laminação de Chapas

a Frio

Deformação homogêneaUma estimativa para a força de laminação

de chapas a frio pode ser obtida considerando o processo de laminação como um processo de compressão homogênea entre placas bem lubrificadas.

Com atrito - Orowan

Sem atrito

LAMINAÇÃOEquação de Ekelund

Para o cálculo da força de laminação, foi proposta por Ekelund em 1927, uma expressão de grande utilidade, por sua facilidade e razoável precisão.

LAMINAÇÃO

Chapa de Espessura Mínima

Quando se lamina uma chapa fina, conclui-se experimentalmente que não é possível reduzir sua espessura abaixo de um certo valor. Tal tentativa resultará em uma deformação maior dos cilindros e nenhuma deformação plástica da chapa.

Sendo: h = espessura mínima μ = coeficiente de atrito R = raio do cilindro σ = tensão média de escoamento

LAMINAÇÃO

Cálculo da Força de Laminação a Quente

Deformação Plana

Onde:

Equação de Ekelund

Onde:

Equação de Sims

LAMINAÇÃO

Figura 9 – Diagrama para o cálculo de Qs.

Equação de Orowan-Pascoe

Onde:

LAMINAÇÃO

Torque na Laminação

O torque é igual à força total de laminação multiplicado pelo braço de momento efetivo.

Onde:

λ = 0,5 (laminação a quente)λ = 0,45 (laminação a frio)

Figura 10 – Braço de alavanca na laminação.

LAMINAÇÃO

Potência na Laminação

A potência N consumida para cada cilindros:

Se é expresso em Kgf.m e deseja-se obter N em CV:

A potência total necessária para os dois cilindros:

LAMINAÇÃO DE TUBOS

Etapas de conformação:

1. produção de bloco oco2. laminação longitudinal do bloco oco com mandril3. laminação de redução

a) cilindro motorb) mandrilc) retornod) haste do mandrile) mancal de encostof) bloco oco

EXEMPLO DE LAMINAÇÃO NÃO-CONVENCIONAL: LAMINAÇÃO PLANA DE ROSCAS

EXEMPLO DE LAMINAÇÃO NÃO-CONVENCIONAL: LAMINAÇÃO DE ROSCAS COM ROLOS

EXEMPLO DE LAMINAÇÃO NÃO-CONVENCIONAL: LAMINAÇÃO DE ROSCAS COM SEGMENTOS

Perfis estruturaisBlocos Laminados

Placas Laminadas

LAMINAÇÃO

Além das características, os produtos laminados apresentam defeitos que, geralmente, originam-se dos defeitos de fabricação do próprio lingote. Assim, os defeitos mais comuns dos produtoslaminados são:

• Vazios  - podem ter origem nos rechupes ou nos gases retidos durante a solidificação do lingote. Causam tanto defeitos de superfície quanto enfraquecimento da resistência mecânica do produto.

• Gotas frias - respingos de metal que se solidificam nas paredes da lingoteira durante o vazamento. Posteriormente,eles se agregam ao lingote e permanecem no material até o produto acabado na forma de defeitos na superfície.

DEFEITOS DOS PRODUTOS LAMINADOS

LAMINAÇÃO • Trincas - aparecem no próprio lingote ou

durante as operações de redução que acontecem em temperaturas inadequadas.

• Dobras - provenientes de reduções excessivas em que um excesso de massa metálica ultrapassa os limites do canal e sofre recalque no passe seguinte.

• Inclusões - partículas resultantes da combinação de elementos presentes na composição química do lingote, ou do desgaste de refratários e cuja presença pode tanto fragilizar o material durante a laminação, quanto causar defeitos na superfície.

• Segregações - concentração de alguns elementos nas partes mais quentes do lingote, as últimas a se solidificarem. Podem acarretar heterogeneidades nas propriedades, fragilização e enfraquecimento de seções dos produtos laminados. O produto pode ficar empenado, retorcido, ou fora de seção, em consequência de deficiências no equipamento, e nas condições de temperatura sem uniformidade ao longo do processo.

TREFILAÇÃOFundamentos do

ProcessoA trefilação é um processo de conformação

plástica que se realiza pela operação de conduzir um fio (barra ou tubo) através da fieira – que possui formato cilíndrico e um furo.

Esquema simplificado do processo de trefilação.

TREFILAÇÃOA fieira é constituída de quatro regiões

distintas, ao longo do furo interno: cone de entrada, cone de trabalho, cilindro de calibração e cone de saída.

Representação das regiões da fieira.

a = cone de entradab = cone de trabalhoc = cilindro de calibraçãod = cone de saída

TREFILAÇÃO

O semi-ângulo da fieira se refere ao ângulo do cone de trabalho.

Representação dos semi-ângulos dos cones, altura e diâmetro do cilindro de calibração.

α = semi-ângulo do cone de trabalhoβ = semi-ângulo de entradaγ = semi-ângulo de saídaHc = altura do cilindro de calibraçãoDc = diâmetro do cilindro de calibração

MATERIAL DA FIEIRA

O material é escolhido conforme as exigências do processo (dimensões, esforços) e o material a ser trefilado. Os materiais mais utilizados são: – Carbonetos sinterizados (sobretudo WC –

Widia)– Aços de alto C revestidos de Cr (cromagem

dura)– Aços especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc.)– Ferro fundido branco– Cerâmicos (pós de óxidos metálicos

sinterizados)– Diamante (p/ fios finos ou de ligas duras)

Barras Ø < 25mm

Arames Comuns Grossos: Ø = 5...25mm

Médios: Ø = 1,6…5,0mm

Finos: Ø = 0,7...1,6mm

Especiais

Ø < 0,02mm

Tubos Trefilados de diferentes formas

PRODUTOS MAIS COMUNS

VANTAGENS

– O material pode ser estirado e reduzido em secção transversal mais do que com qualquer outro processo;

– A precisão dimensional obtida é maior do que em qualquer outro processo exceto a laminação a frio, que não é aplicável às bitolas comuns de arames;

– A superfície produzida é uniformemente limpa e polida;

– O processo influi nas propriedades mecânicas do material, permitindo, em combinação com um tratamento térmico adequado, a obtenção de uma gama variada de propriedades com a mesma composição química.

BANCADA DE TREFILAÇÃO

EQUIPAMENTOSClassificam-se em dois grupos:• BANCADAS DE TREFILAÇÃO – Utilizadas

para produção de componentes não bobináveis, como barras e tubos.

• TREFILADORAS DE TAMBOR – Utilizadas para produção de componentes bobináveis, ou seja, fios e arames.

TREFILADORAS DE TAMBOR

Classificam-se em três grupos:

• Simples (um só tambor) – Para arames grossos

• Duplas – Para arames médios

• Múltiplas (contínuas) – Para arames médios e finos

Os elementos das máquinas de trefilação dependem das características de cada máquina. Existem entretanto componentes básicos que ususalmente sempre estão presentes nas trefiladoras. Eles são:– Carretel alimentador– Porta-fieira– Garra ou mordaça para puxar a primeira porção

do arame– Tambor para enrolar o arame trefilado

MÁQUINA DE TREFILAÇÃO CONTÍNUA DE FIOS LEVES

MÁQUINA DE TREFILAÇÃO CONTINUA DE FIOS PESADOS

TREFILAÇÃO

Cálculo da Força de Trefilação de Seções

Circulares

Força Ideal

(Para seção circular)

(Equação da força)

TREFILAÇÃOForça de trefilação real

Onde:

(Redução da área)

Método da divisão em elementos

TREFILAÇÃOEquação de Avitzur

Onde: L = 0, comprimento da zona cilíndrica m = coeficiente de atrito

Deformação homogênea

Efeito do atrito Efeito do trabalho

TREFILAÇÃO

Figura 14 – Representação gráfica das energias dissipadas em função de α, segundo Avitzur.

TREFILAÇÃO

Cálculo do Ângulo Ótimo de Trefilação

O ângulo ótimo satisfaz:

Equação para o ângulo ótimo:

TREFILAÇÃO

Redução Máxima por Passe

MÉTODOS DE TREFILAÇÃO DE TUBOS

O PROCESSO PRODUTIVO• Matéria-prima: Fio-máquina (vergalhão laminado

a quente)• Descarepação:

- Mecânica (descascamento), dobramento e escovamento.

- Química (decapagem): com HCl ou H2S04 diluídos.

• Lavagem: em água corrente.• Recobrimento: comumente por imersão em leite

de cal Ca(OH)2 a 100°C a fim de neutralizar resíduos de ácido, proteger a superfície do arame, e servir de suporte para o lubrificante de trefilação.

• Secagem (em estufa) - Também remove H2 dissolvido na superfície do material.

• Trefilação - Primeiros passes a seco. Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e trefilação a úmido.

LUBRIFICAÇÃO

• Por imersão ou por aspersão

• Seca: sabões sólidos em pó • Úmida: soluções ou emulsões de óleos

em água

• Lubrificantes

• Pastas e graxas

EQUIPAMENTOS AUXILIARES

• Afinadoras de ponta • Soldadoras topo-a-topo • Decapagem • Fornos para recozimento (contínuo

ou estático) • Linhas de revestimento superficial

DEFEITOS EM TREFILADOS

Podem resultar: - de defeitos na matéria-prima (fissuras,lascas, vazios, inclusões); - do processo de deformação.

anéis de trefilação (marcas circunferenciais e transversais) decorrentes do desgaste na região do cone de trabalho, provocado pela operação com fios de metais moles;

marcas de trefilação (marcas longitudinais) decorrentes do desgaste na região do cone de trabalho, provocado pela operação com fios de metais duros;

trincas, que variam desde quebras de parte da ferramenta até fissuramentos superficiais, provocadas por diversos fatores como impurezas do material do fio e do lubrificante, defeito de fiação do núcleo da fieira em seu montante e redução excessiva; •

DEFEITOS EM TREFILADOS

Podem resultar: - de defeitos na matéria-prima (fissuras,lascas, vazios, inclusões); - do processo de deformação.

rugosidades decorrentes de erros na operação de polimento ou de lubrificação deficiente no uso;

riscos decorrentes de erros na operação de polimento.

Também devem ser considerados os defeitos que podem surgir no processamento de preparação por laminação ou por extrusão. Esses defeitos são transmitidos ao fio trefilado de forma mais ou menos intensa, conforme a sua natureza e as condições de trefilação, e podem ser revelados, muitas vezes, através do ensaio de torção (principalmente para casos em que se manifestam na superfície do fio, antes e após a trefilação).

DEFEITOS EM TREFILADOS

Exemplo de defeito:Trincas internas em ponta de flecha ("chevrons") - veja figura abaixo

TRATAMENTO TÉRMICO DE FIOS TREFILADOS

• RECOZIMENTO: Indicação: principalmente para arames de baixo carbono Tipo: subcrítico, entre 550 a 650°C Objetivo: remover efeitos do encruamento.

• PATENTEAMENTO: Indicação:aços de médio a alto carbono (C> 0,25 %) Tipo: aquecimento acima da temperatura crítica (região g) seguido de resfriamento controlado, ao ar ou em banho de chumbo mantido entre 450 e 550°C. A seguir, encruamento em trefila.

Objetivo: obter uma boa combinação de resistência e ductilidade, pela estrutura resultante de perlita fina ou bainita encruadas.

PRODUTOS TREFILADOS: FIOS DE AÇO

PRODUTOS TREFILADOS: CONDUTORES ELÉTRICOS

PRODUTOS TREFILADOS:

TUBOS MICROTUBOS