laminação e trefilaçãoarfaria/mt717_04.pdf3 [aula#1] processos de conformação mecânica...

Laminação e Trefilação

Dr. Ronnie Rego

Dr. Alfredo R. de Faria

Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Divisão de Engenharia Mecânica

MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação

2

Fechamentos4.

Trefilação3.

Laminação2.

Introdução1.

Agenda

3

[Aula#1] Processos de Conformação Mecânica

Esforço no material

Movimento da ferramenta

Movimento do material

Forjamento ExtrusãoLaminação Trefilação

DobramentoCisalhamento

� Alteração de forma com volume e massa conservados

EstiramentoEmbutimento(Estampagem profunda)

Calandragem

4

� Principais Propriedades

[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Curva Tensão-Deformação

σ (Tensão)

ε (Deformação)

L

A0 L+δLF

F

σ = F/A0

ε = δL/L

E (Módulo de Young ou Módulo de Elasticidade

Longitudinal)

0,2%

σe ou σy

Limite de Escoamento

E

σr ou σu

Limite de Resistência

A ou εf

Alongamento

5

εa

[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Efeitos Particulares

A

E

EfeitoBauschinger

Histerese Elástica

ComportamentoAnelástico

6

[Aula#3] Deformação Excessiva: Deformação Plástica

� Instabilidade Plástica

� A partir de dP = 0 e σ = P/A

� Do conceito de Volume constante:

� Do conceito de deformação

� Portanto:

Critério de Instabilidade

7

� Modos de fratura

� Fratura Frágil

� Fratura Dúctil

� Fratura Intergranular

� Fratura de quasi-clivagem

� Fadiga

[Aula#3] Fratura

8

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso

PlasticidadeFundamentos da

ConformaçãoTecnologias 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

9

� Conceituação dos processos de conformação de laminação e trefilação

� 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

3. Apresentar tipos de falha mais recorrentes

Objetivo da aula

10

1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988.

2. CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, 2015.

3. TSCHAETSCH, H. Metal Forming Practise. Springer, Berlim, 2006.

4. BRESCIANI FILHO, E.; ZAVAGLIA, C.A.C.; BUTTON, S.T.; GOMES, E.; NERY, F.A.C. Conformação Plástica dos Metais. 4.ed. Editora da Unicamp, Campinas, 1991.

5. WRIGHT, R.N. Wire Technology: Process Engineering and Metallurgy. Elsevier, Burlington, 2011.

Processos de Fabricação I (MTP-34): Literatura de Referência

1 2 53 4

11

Fechamentos4.

Trefilação3.

Laminação2.

Introdução1.

Agenda

12

� Processo de deformação plástica que resulta na redução da seção transversal

� Material passa entre dois cilindros que giram na mesma velocidade e sentidos opostos

� Altas tensões compressivas:

– Esmagamento rolo-material

– Atrito entre rolo e material

� Redução: sequência de passes

– Consequente aumento do comprimento

� Alta produtividade

Laminação

13

� Laminação a Quente: Operações de Desbaste

� Temperaturas elevadas, acima da recristalização (Aços: 1000°C a 1200°C)

� Restauração da estrutura

� Promove aumento da ductilidade

– Menor força de laminação

– Maiores reduções de seção

– Alta variação dimensional

� Laminação a Frio: Operações de Acabamento

� Material: produto da laminação a quente

� Sem restauração da estrutura

� Promove aumento do encruamento e refinamento de grão

– Menores reduções de seção (50-90%)

– Maior resistência mecânica

– Baixa variação dimensional

Laminação

14

� Laminador (Gaiola de laminação)

� Cilindro de trabalho (9)

� Cilindro de Encosto (15)

� Parafuso de Ajuste (6)

� Motor do Parafuso de Ajuste (4)

� Calços (11, 12)

� Célula de Carga (12)

Laminação: Equipamento

Laminador Quádruo

15

2

� Variantes de laminadores

1. Duo

2. Duo reversível: laminação nos dois sentidos, no mesmo plano (↑ Produtividade)

3. Quádruo: Produção de chapas finas (↓Ø → ↓F); Combinação com grandes rolos, já que ↓Øreduz a rigidez

4. Trio: laminação nos dois sentidos, sem inversão de rotação (↑ Produtividade)

5. Universal: Laminação de bordas e perfis estruturais

…


1 3

54

16

� Trem de laminação: Conjunto sequencial de gaiolas de laminação


Desenroladeira

Bobinadeira(tração atuante)

Gaiola #1

Gaiola #2

Gaiola #3

Gaiola #4

Processo de Laminação Contínua

17

� Trem de laminação: Conjunto sequencial de gaiolas de laminação


Laminação de tubos com costura

18

� Sequência de etapas de laminação

� Laminação de Perfis Estruturais


19

� Saída da aciaria, no processo de lingotamento

� Lingote, Placa, Tarugo (ABNT NBR 6215)

Laminação: Matéria-Prima

20

� Saída da aciaria, no processo de lingotamento

� Lingote, Placa, Tarugo

Laminação: Matéria-Prima

Processo de Lingotamento Contínuo

21

� Laminação a Quente

� Produtos de maiores dimensões, a sofrerem processos posteriores

� Placas, Chapas, Tarugos, Barras, Vergalhões, Tubos, Perfis estruturais

� Laminação a Frio

� Produtos de dimensões refinadas, semi-acabadas ou já como aplicação final

� Chapas finas, Tiras, Folhas

Laminação: Produto Acabado / Aplicações

22

1. Forma inicial

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

3. Dimensões do cilindro de laminação

4. Rigidez da montagem do cilindro na gaiola de laminação

5. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)

6. Atrito (Acabamento dos rolos e do material)

7. Temperatura do processo

8. Velocidade do processo

9. Potência do laminador

10. Tensões à frente e à ré na chapa

Laminação: Fatores de Influência

Quantificação por relações geométricas

e de deformação

23

� Relações geométricas e de deformação na laminação


Cilindro de Laminação

Material

hihf

AB

C

O

Deformação Absoluta

A

R

α

B

O

C

24



A B

O

C

R

Lα

� Arco de Contato (L)

– Sendo R >> hi, assume-se que

– Da mesma forma,

25



A B

O

C

R

Lα

� Ângulo de Contato (α)

– Ângulo entre e

– Para pequenos ângulos, admite-se sen(α) = α

26



A B

O

C

R

Lα

� Deformação Convencional (e)

� Deformação Verdadeira (ε). Sendo

� Redução (r) [%]

27


� Evolução da deformação ao longo do processo



Material

hihf

AB

C

O

A B

O

C

R

α

D

φ

D

h

28



B

O

C

Rα

φ

D

� Espessura ao longo do processo (h)

� Deformação Convencional ao longo do processo (e)

� Deformação Verdadeira ao longo do processo (ε)

29

� Alteração da Velocidade ao longo do processo

� Ponto neutro ou Ponto de deslizamento nulo



Material

hihf

AB

C

O

Escorregamento

Ponto neutro ou Ponto de deslizamento nulo

vi vf

N

αN

� Conservação do volume

Pre

ssão

de

Co

nta

to

A Arco de contato C

N

30

� Cálculo da Carga e Pressão de Laminação

� “Métodos Analíticos”


31


� Condição de Mordida e Arrastamento



Material

hihf

AB

C

O

α

α

α

N

FAT

� Para garantir o avanço no sentido da laminação:

32


� Condição de Mordida e Arrastamento



Material

hihf

AB

C

O

α

α

α

N

FAT

� A partir de:

� Define-se como Deformação Absoluta Máxima

33



34

� Torque e Potência de laminação

� Dependentes do cálculo da Carga e Pressão de laminação


� Torque de Laminação (MT)

– Laminação à quente: λ ≈ 0,50

– Laminação a frio: λ ≈ 0,45

� Potência de Laminação (W)

35

Relação Geométrica e de Deformação Fatores de Influência

Forma inicial (1); Redução projetada (2)

Forma inicial (1); Redução projetada (2);Dimensão do cilindro (3)

Forma inicial (1); Redução projetada (2);Velocidade do processo (8)

Dimensão do cilindro (3); Material (5); Atrito (6)

Carga e Pressão(“Métodos Analíticos”)

Rigidez da montagem (4); Material (5); Atrito (6); Temperatura do processo (7); Velocidade do processo (8); Potência do laminador (9); Tensões àfrente e à ré na chapa (10)

Mesmos de Carga e Pressão


36

� E se as relações estabelecidas não forem respeitadas?

Laminação: Fatores de Influência x Tipos de Falhas

37

� Diferentes modos de falha em chapas laminadas

Laminação: Tipos de Falhas

38


� Falta de paralelismo ou planicidade nos rolos

� Rigidez de montagem insuficiente


Mecanismo de tensionamento da chapa laminada

σ

Vista de topo (laminado)

39


� Deformação não-uniforme (espalhamento lateral)


Mecanismo de tensionamento da chapa laminada

σ

Vista de frente (laminado)

Vista de topo (laminado)

σ

40

� Fenômeno “Rabo de Peixe” (alligatoring)

� Favorecido por material de baixa ductilidade


41

Fechamentos4.

Trefilação3.

Laminação2.

Introdução1.

Agenda

42

� Processo de passagem de material por ferramenta que impõe a redução de seção, mediante aplicação de força de tração na saída da ferramenta

� Fio, tubo ou barra

– Seção circular, em geral

– Oriundos da laminação

� Ferramenta: fieira

� Equipamento: trefiladora

Trefilação

Material

Fieira

43

� Processo de passagem de material por ferramenta que impõe a redução de seção, mediante aplicação de força de tração na saída da ferramenta

� Deformação plástica é combinação de forças:

– Direta de tração no material

– Indireta de compressão na fieira

� Regime de Lubrificação

– Material é lubrificado antes de processado, ou;

– Processamento imerso em lubrificante

Trefilação

44

� Fios/arames: Processo sequencial de reduções → Trefiladora de tambor

Trefilação

45

Trefilação

� Fios/arames: Processo sequencial de reduções → Trefiladora de tambor

46

� Características

� Temperatura: Ambiente

– Promove encruamento(ductilidade reduzida)

– As grandes deformações promovem considerável aumento da temperatura

– Possível processo intermediário de recozimento

– Recozimento = tratamento térmico para redução da dureza de um material de microestrutura deformada mecanicamente

Trefilação

Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação

47

� Fieira

1. Cone de Entrada: guia o fio ao cone de trabalho e viabiliza lubrificação

2. Cone de Trabalho: redução (região de compressão e atrito)

3. Cilindro de Calibração: ajuste do diâmetro do fio

4. Cone de Saída: proporciona saída livre

Trefilação: Equipamento

1

2

3

4

4321

48

� Fieira

� β - Semiângulo do cone de entrada

� α – Semiângulo do cone de trabalho

� HC e DC: Altura e diâmetro do cilindro de calibração

� γ - Semiângulo do cone de saída

Trefilação: Equipamento

βα γ

HC

DC

49

1. Diâmetro inicial

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

3. Ângulo de trefilação

4. Força de tração

5. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)

6. Lubrificação (atrito entre fio e fieira)

7. Velocidade do processo

8. Potência do laminador

Trefilação: Fatores de Influência

Quantificação por relações geométricas

e de deformação

50

� Relações geométricas e de deformação na trefilação


� Comprimento de contato (LC)

� Comprimento de deformação (LD)

� Razão da zona de deformação (∆)

� Redução (r)

β α γ

HC

DC

Ai Af

Fieira

Fio

Zona de Deformação

αsin2fi

C

ddL

−=

αtan2fi

D

ddL

−=

2

2

2

2

)tan(

)tan(111

αα

+∆−∆−=−=−=

i

f

i

f

d

d

A

Ar

D

fi

L

dd

2

+=∆

51

� Relações geométricas e de deformação na trefilação


� Razão da zona de deformação (Δ)

– Relação entre altura média e comprimento do cone de trabalho

22 )11()11(tan

2r

rr

rL

dd

D

fi −+≈−+=+

=∆ αα

52

� Ângulo do cone de trabalho e velocidade do processo


53

� Temperatura como efeito do atrito


Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação

Microestrutura do fio como efeito da temperatura do processo

54

� Cálculo da Carga e Pressão de Trefilação

� métodos analíticos

Trefilação

)1(ln

)1)(()1cot)(()sincos(sin

sincos

cot,sin

0 B

A

A

A

P

BAApAApAA

pSpSpP

BAA

S

a

bxa

a

dxa

ababab

d

ab

+=⇒=

+−=+−=+−=+=

=−=

σσσ

αµααµα

ααµ

αµα

55

� Potência de trefilação

� Dependentes do cálculo da Carga e Pressão de trefilação

– Caso de uma trefiladora de único tambor

Trefilação

� Potência de Trefilação (W)

– Eficiência mecânica (η) ≈ 80%

56

� Principais falhas

b. Formação de Zona Morta

c. Descascamento

d. Rupturas centrais

Zona Morta é gerada em materiais trefilados com ângulos de trabalho grandes, fazendo com que o material fique aderido à matriz e não continue seu fluxo normal.

Descascamento é gerado em materiais trefilados com ângulos de trabalho muito grandes. A zona morta gerada não consegue aderir àmatriz e começa a deslizar para traz, gerando corte do metal, sendo que o núcleo não de deforma, apenas se move através da matriz.

Trefilação: Tipos de Falhas

57

� Descascamento


σm – Tensão hidrostática centralσa – Tensão média no processo∆ – Razão da zona de deformação

58

� Rupturas centrais

� Sequência de falhas em formato de “V”, indicando a direção de trefilação

� Geometria da fieira não adequada

– Redução de seção muito pequena: superfície movendo muito mais lentamente do que a região central → tensões de tração no centro do fio

– Zona de deformação muito extensa

� Lubrificação: transição entre regimes de lubrificação (limítrofe ↔ misto)


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Fechamentos4.

Trefilação3.

Laminação2.

Introdução1.

Agenda

60

Objetivos Específicos

Definições Fundamentais

1

Influências Principais

2

Tipos de Falhas

3

5

laminação e trefilaçãoarfaria/mt717_04.pdf3 [aula#1] processos de conformação mecânica...

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