Cleiton Arlindo Martins ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE ... · i cleiton arlindo martins estudo do comportamento de defeitos de superfÍcie da matÉria-prima em operaÇÕes de extrusÃo

PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Cleiton Arlindo Martins

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE DEFEITOS

DE SUPERFÍCIE DA MATÉRIA-PRIMA EM

OPERAÇÕES DE EXTRUSÃO A FRIO DE AÇOS

BAIXO CARBONO

São João Del-Rei, Março 2014.

i

Cleiton Arlindo Martins

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE DEFEITOS

DE SUPERFÍCIE DA MATÉRIA-PRIMA EM

OPERAÇÕES DE EXTRUSÃO A FRIO DE AÇOS

BAIXO CARBONO

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Universidade Federal de São João Del-Rei,

como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Área de Concentração: Materiais e processos de Fabricação

Orientador: Prof. Dr. Frederico Ozanan Neves

São João Del Rei, Março de 2014.

ii

Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJ.

Martins, Cleiton Arlindo

M386e Estudo do comportamento de defeitos de superfície da matéria-prima em operações de extrusão

a frio de aço baixo carbono [manuscrito] / Cleiton Arlindo Martins . – 2014.

87f. ; il.

Orientador: Frederico Ozanan Neves.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia

Mecânica.

Referências: f. 88-90.

1.Engenharia mecânica - Teses 2. Metais - Extrusão - Teses 3. Metais - Superfícies - Teses 4.

Superfície (Física) - Teses 5. Métodos de simulação- Teses 6. Método dos elementos finitos - Teses I.

Neves, Frederico Ozanan Neves (orientador) II. Universidade Federal de São João del-Rei.

Departamento de Engenharia Mecânica III. Título

CDU 620.17

iii

DEDICATÓRIA

Dedico esse trabalho a guerreira Gisele Aparecida Chaves, minha amada esposa.

iv

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, que pela luz do Divino Espírito Santo me proporciona mais essa

conquista.

Ao Professor Doutor Frederico Ozanan Neves não só pela inestimável orientação, mas

pela paciência, perseverança e por todo ensinamento passado ao longo desse trabalho.

A Mônica Maria Marques, pelo suporte administrativo durante todo projeto de

Mestrado.

Aos técnicos de laboratório Camilo Lellis dos Santos, Paulo César Soares dos Santos,

Gladsthon Guaraci Alves e Jean Luiz Vilas Boas por toda assistência na preparação e

execução dos ensaios físicos.

Ao colega de mestrado Tiago Lara pelo apoio na elaboração das simulações numéricas.

Aos colegas de jornada Cláudio Pereira Lopes, Reinaldo Emílio Cruz de Jesus, Elifas

Levi da Silva, Ana Paula Borges de Melo, Ely Wagner Ferreira Sabará e Herrison Ferreira dos

Santos por todo companheirismo demonstrado ao longo desses três anos.

Aos professores Antônio Luiz Ribeiro Sabariz, Durval Uchoas Braga, Lincoln Cardoso

Brandão e Marco Antonio Schiavon que com muita competência disseminaram uma parte de

seu vasto conhecimento.

A Gerdau Ouro Branco pela oportunidade de desenvolvimento pessoal concedida

através desse projeto.

Aos meus pais, Bete e Getúlio, meus irmãos Tati e Marquinho e minha sobrinha

Bárbara, por serem as estruturas no qual edifico minha vida.

Ao meu filho Davi, que ainda no ventre de minha amada esposa dá novo sentido a

minha existência.

Por fim, a todos que direta e indiretamente me ajudaram a vencer mais essa batalha.

vi

EPÍGRAFE

“Buscai primeiro o reino de Deus e a sua justiça,

e todas outras coisas vos serão acrescentadas”.

Mateus, 6:33.

vii

RESUMO

O estado da arte dos estudos dos processos de extrusão têm exigido cada vez mais a

investigação do uso de aços, dado o desenvolvimento que esses materiais experimentaram nos

últimos anos. Além do processo de extrusão em si, também é imprescindível o conhecimento

em torno da influência da matéria-prima nas operações de extrusão. Nesse contexto, um dos

grandes questionamentos em torno da qualidade da matéria-prima é a necessidade ou não da

remoção de defeitos de superfície antes da utilização no processo de extrusão. A correta

previsão do comportamento desses defeitos acarreta em ganhos no processo de produção

dessa matéria-prima. Dessa forma, essa pesquisa tem como objetivo estudar o comportamento

dos defeitos de superfície da matéria-prima em operação de extrusão a frio, determinando

assim a necessidade ou não da remoção dos defeitos antes da utilização da matéria-prima na

operação de extrusão. Inicialmente, o nível de fechamento dos defeitos em diferentes

reduções é avaliado através de análises por simulação numérica, com uso do método de

elementos finitos, que traz como vantagem a possibilidade de prever o comportamento dos

defeitos no processo de extrusão em ambiente virtual. Posteriormente, os resultados das

simulações computacionais são comparados aos resultados obtidos em ensaios físicos. Nesses

ensaios, defeitos de diferentes dimensões foram inseridos nos corpos de prova e esses foram

submetidos a reduções em ferramentas de extrusão com ângulos de 30º, 45º e 60º. Logo após,

foram determinados os níveis de fechamento dos defeitos através do uso de líquido penetrante

e medições em microscópio eletrônico de varredura. Os resultados validam o uso do método

de elementos finitos para previsão do comportamento de defeitos de superfícies na matéria-

prima em operações de extrusão.

Palavras chave: Extrusão, extrusão a frio, defeitos de superfície, simulações numéricas,

elementos finitos.

viii

Abstract

The state of art of the studies in extrusion processes are requiring to investigate the use

of steels, because of the development of these materials in recent years. Beyond the extrusion

process itself, it is also essential to know about the influence of the raw material in the

process. In this context, one of the big questions around the quality of the raw material is the

needed or not to remove surface defects before it be used in the extrusion process . The

correct prediction of the behavior of these defects leads to gains in the production process of

this raw material . Thus, this research aims to study the behavior of surface defects of the raw

material in cold extrusion operation determining if it is necessary or not to remove such

defects before its use. Initially, defects of various depths were inserted into the specimens and

these were subjected to reductions in extrusion tools with angles of 30º, 45º and 60º. Soon, It

is determined the depth of remaining defects by using electron microscopy. After this, the

depth of remaining defects in the same reductions is evaluated by numerical simulation

analysis using the finite element method, which brings the advantage of be able to predict the

behavior of defects in the extrusion process in a virtual environment. Subsequently, the results

of computer simulation was compared to physical tests. The results validated the use of the

finite element method to the predict behavior of surface defects in raw material in cold

extrusion’s operations.

Keywords: Extrusion, cold extrusion, raw material, surfaces defects, finite element method,

numerical simulations.

ix

Lista de Ilustrações

Figura 2.1 - Processos de conformação mecânica. (DIETER, 1988) ....................................... 4

Figura. 2.2 - Prensa de chumbo por pistão de Bramah, 1797. (BAUSER, SAUER e SIEGERT,

2006).................................................................................... ................................................... 6

Figura 2.3 - Primeira prensa hidráulica de chumbo, 1820. (BAUSER, SAUER e SIEGERT,

2006). . .................................................................................................................................. 7

Figura. 2.4 - Primeira extrusora de bronze, A. Dick, 1894. (BAUSER, SAUER e SIEGERT,

2006).. ................................................................................................................................... 7

Figura 2.5 - Extrusora hidráulica, 1895. (BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006). .................. 8

Figura 2.6 - Planta de extrusão de Alumínio, SMS Hasenclever. (BAUSER, SAUER e

SIEGERT, 2006). . ................................................................................................................. 9

Figura 2.7 - Fluxograma dos principais processos de extrusão direta (Adaptado de BAUSER,

SAUER e SIEGERT, 2006). ............................................................................................... 11

Figura 2.8 - Vista esquemática do processo extrusão Direta (BRESCIANI et al, 2011) ........ 12

Figura 2.9 - Ciclo do processo de extrusão (BRESCIANI et al, 2011). ................................. 13

Figura 2.10 - Variação na força axial FM, FR, e FSt sobre o deslocamento do pistão de

extrusão a frio direta com lubrificação e sem revestimento (BAUSER, SAUER e SIEGERT,

2006). .................................................................................................................................. 15

Figura 2.11 - Geometria da zona de deformação na extrusão direta a frio (BAUSER, SAUER

e SIEGERT, 2006) ............................................................................................................... 16

Figura 2.12 - Representação principal da variação da tensão compressiva axial px e da tensão

compressiva radial pr na extrusão direta a frio, com lubrificação e sem revestimento

(BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006) ............................................................................... 19

Figura 2.13 - Fluxograma dos principais processos de extrusão indireta. (BAUSER, SAUER e

SIEGERT, 2006) . ................................................................................................................ 22

Figura 2.14 - Vista esquemática do processo extrusão Indireta (BRESCIANI et al, 2011). ... 23

Figura 2.15 - Vista esquemática do processo de extrusão hidrostática (ASM Handbook –

forming and forging). ........................................................................................................... 24

Figura 2.16 - Esquema simplicficada da máquina de extrudar (BRESCIANI et al, 2011).. ... 26

Figura 2.17 - Visão esquemática de uma máquina de extrusão (www.non-ferrous.com)........27

Figura 2.18 - Vista em corte de ferramenta de extrusão (CARVALHO, 2013) ...................... 28

Figura 2.19 - Tubos extrudados de Alumínio (site: www.hidro.com). ................................... 29

Figura 2.20 - Perfis de Alumínio produzidos via extrusão

(http://www.indiamart.com/bothraaluminium/aluminium-product-range.html ...................... 30

x

Figura 2.21 – Ferramenta em aço fabricadas a partir de processo de extrusão (http://industry-

mart.blogspot.com.br) ....................................................................................................... ...30

Figura 2.22 - Estrutura complexa para por extrusão para aplicação em trocador de calor

(GROOVER, 2007). ............................................................................................................. 31

Figura 2.23 - Fluxograma do processo de produção de tarugos via lingotamento contínuo ...33

Figura 2.24 - Fluxograma do processo de produção dos tarugos via laminação. .................... 34

Figura 2.25 - Representação esquemática do processo de laminação (RIZZO, 2007) ............ 35

Figura 2.26 - Fluxograma de produção em laminação de longos (SOARES, 2010) ............... 36

Figura 2.27 - Fluxograma dos processos de produção de tarugos (via lingotamento contínuo e

via laminação)...................................................................................................................... 37

Figura 2.28 - Aspecto de trincas transversais em tarugo limpado com jato de areia (VILELA

et al, 2010) .......................................................................................................................... 38

Figura 2.29 - Principais defeitos em produtos laminados (DIETER, KUHN e SEMIATIN,

2003)................. ................................................................................................................... 39

Figura 2.30 - Exemplos da realização da etapa de condicionamento de semi-acabados através

dos processos de escarfagem e com uso de rebolos (RIZZO, 2007) ...................................... 40

Figura 2.31 - Aspecto visual da superfície de um tarugo de bitola 130 x 130 mm com o

defeito e após a realização da etapa de recondicionamento com uso de rebolos .................... 41

Figura 2.32 - Exemplo de malha de elementos finitos de seção retangular contendo um furo na

região central (HUTTON, 2004) ......................................................................................... 44

Figura 2.33 - Processo de análise por elementos finitos (MORENO, 2000) ......................... 45

Figura 3.1 - Container inferior e superior da ferramenta ....................................................... 49

Figura 3.2 - Suporte superior da matriz ................................................................................ 50

Figura 3.3 - Matriz ............................................................................................................... 50

Figura 3.4 - Pistão ................................................................................................................ 50

Figura 3.5 - Ordem de montagem das pelças da ferramenta de extrusão ............................... 51

Figura 3.6 - Forno de mufla utilizado para tratamento térmico e ferramenta montada............52

Figura 3.7 - Prensa hidráulica utilizada no experimento..........................................................52

Figura 3.8 - Amostras utilizadas no experimento.....................................................................53

Figura 3.9 - Defeitos inseridos nas amostras com profundidade de a) 0,50 mm (500 µm) b)

0,75 mm (750 µm) e c) 1,00 mm (1.000 µm)...........................................................................54

Figura 3.10 - Croqui da posição do defeito inserido nos corpos de prova................................54

Figura 3.11 – Marcação sobre as amostras, alinhadas com os defeitos localizados na lateral do

corpo de prova...........................................................................................................................55

Figura 3.12 - Amostras identificadas........................................................................................55

Figura 3.13 - Grafite utilizado com lubrificante nos experimentos..........................................56

xi

Figura 3.14 - Conjunto a ser simulado via elementos finitos...................................................57

Figura 3.15 - Defeito inserido na amostra a ser simulado via elementos finitos: a) sem a malha

discretizada e b) com a malha discretizada..............................................................................58

Figura 3.16 - Simulação realizada para o ângulo α = 30º, passos a) 1, b) 46 e c) 84...............58

Figura 3.17 - Simulação realizada para o ângulo α = 30º, com defeito inicial de 1000 µm,

estacionada no ponto onde a taxa de redução é de V = 1,173..................................................59

Figura 3.18 - Medição do defeito remanescente.......................................................................59

Figura 4.1 - Corpo de prova (unidade em milímetro), segundo norma ASTM A 370.............61

Figura 4.2 - Gráfico força x deformação resultante do ensaio de tração realizado na matéria-

prima.........................................................................................................................................62

Figura 4.3 - Ensaio por líquido penetrante realizado na amostra 1 (α = 30º) e com

profundidade de defeito igual a a) 500 μm, b) 750 μm c) 1.000 μm........................................63

















Figura 4.12 - Amostra 1, defeitos originais de a) 500 µm, b) 750 µm e c) 1000 µm...............68








xii


Figura 4.21 - Três diferentes passos para simulação realizada no ângulo α = 30º...................72

Figura 4.22 - Defeito remanescente simulado para α = 30º, defeito inicial de 500 μm............73


Figura 4.24 - Defeito remanescente simulado para α = 30º, defeito inicial de 1000 μm..........74







Figura 4.31 - Gráfico e análise estatística para defeito inicial de 500 μm e α = 30º.................79





Figura 4.36 - Gráfico e análise estatística para defeito inicial de 1000 μm e α = 45º...............81



xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Composição química da norma SAE J403 grau 1006..........................................53

Tabela 3.2 - Relação entre o número de pontos e a profundidade do defeito..........................52

Tabela 3.3 - Redução aplicada por amostra..............................................................................56

Tabela 3.4 - Composição química real dos corpos de prova obtida via espectroscopia de

emissão ótica.............................................................................................................................60

Tabela 3.5 - Principais propriedades mecânicas dos corpos de prova avaliadas no ensaio de

tração.........................................................................................................................................62

Tabela 3.6 - Profundidade de defeitos remanescentes medidos via microscópio eletrônico....71

Tabela 3.7 - Resultados dos valores de profundidade de defeito remanescente simulados via

elementos finitos............................................................................................................. ..........77

Tabela 3.8 - Resultados de p-value calculados nos experimentos............................................84

Tabela 3.9 – Resultados das medições de defeito remanescentes nas amostras a partir dos

ensaios físicos...........................................................................................................................84

Tabela 3.10 - Resultado da análise fatorial do experimento.....................................................85

xiv

Lista de Abreviaturas e Siglas

C – Carbono

Mn – Manganês

Si – Silício

P – Fósforo

S – Enxofre

Al – Alumínio

B – Boro

Ca – Cálcio

Cu – Cobre

Cr – Cromo

Mo – Molibdênio

Nb – Nióbio

Ni – Níquel

Ti – Titânio

Cu-Zn – Liga de Cobre e Zinco

FU – Carga de deformação axial

FM – Valor máximo de carga

FR – Carga do atrito

FSt – Carga da haste no deslocamento

DE – Diâmetro de entrada da matéria-prima;

xv

DA – Diâmetro de saída do produto extrudado;

S – Centro de gravidade do volume sendo extrudado;

PXE – Força axial de deformação;

Lu – Comprimento total da ferramenta;

α – ângulo da ferramenta.

Ao – Área inicial do material a ser extrudado

Af – Área final do produto extrudado

V – Relação de extrusão

pXEid – força axial ideal para deformação

φgges – Logaritmo total da tensão principal

kf – Fluxo médio de tensão

fp – fato do perfil da ferramenta

ηF – Fator de eficiência de deformação

l0 – Comprimento inicial do tarugo;

SSt – Deslocamento da haste;

D0 – Diâmetro do container;

DS – Diâmetro de extrusão;

lU – Comprimento da zona de deformação.;

kfo – Fluxo inicial de tensão;

px – Tensão compressiva axial;

pr – Tensão compressiva radial.

xvi

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 ................................................................................................................. 1

INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 1

CAPÍTULO 2 ................................................................................................................. 3

REVISÃO DA LITERATURA ...................................................................................... 3

2.1 - Processo de Conformação mecânica ...................................................................... 3

2.2 - Princípios básicos do processo de extrusão ............................................................ 5

2.3 - Histórico do processo de extrusão.......................................................................... 6

2.4 - Processos de extrusão .......................................................................................... 10

2.4.1 - Extrusão direta ......................................................................................... 11

2.4.2 - Extrusão direta a frio................................................................................ 12

2.4.3 - Extrusão indireta ...................................................................................... 22

2.4.4 - Extrusão hidrostática................................................................................ 24

2.4.5 - A máquina de extrusão............................................................................. 26

2.4.6 - A ferramenta de extrusão ......................................................................... 28

2.5 - Aplicações de produtos extrudados ....................................................................... 29

2.6 - Matérias-primas utilizadas nos processos de extrusão ........................................... 32

2.6.1 - Defeitos de matérias-primas utilizadas em operações de extrusão...............37

2.6.2 - Defeitos em matérias-primas originadas de processos de lingotamento ..... 37

2.6.3 - Defeitos em matérias-primas originadas de processos de conformação...... 38

2.6.4 - Condicionamento dos defeitos das matérias-primas .................................. 39

2.7 - Métodos dos elementos finitos............................................................................. 43

2.7.1 - O método dos elementos finitos aplicados à conformação de metais ......... 47

CAPÍTULO 3 ............................................................................................................... 49

MATERIAS E MÉTODO ............................................................................................ 49

3.1 - Ferramentas para extrusão .................................................................................... 49

xvii

3.2 - Corpos de prova ................................................................................................... 53

3.3 - Execução dos ensaios físicos ................................................................................ 56

3.4 - Simulação numérica ............................................................................................. 57

CAPÍTULO 4 ............................................................................................................... 60

RESULTADOS E DISCUSSÃO .................................................................................. 60

4.1 - Caracterização dos corpos de prova ...................................................................... 60

4.2 - Ensaios físicos ...................................................................................................... 63

4.2.1 - Extrusão dos corpos de prova.................................................................... 63

4.2.2 - Medição da profundidade dos defeitos remanescentes ............................... 68

4.2.3 - Simulações numéricas............................................................................... 72

4.2.4 - Análise comparativa dos defeitos remanescentes simulados e medidos ..... 78

CAPÍTULO 5 ............................................................................................................... 85

CONCLUSÕES ........................................................................................................... 86

CAPÍTULO 6 ............................................................................................................... 86

TRABALHOS FUTUROS ........................................................................................... 87

CAPÍTULO 7 ............................................................................................................... 88

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÀFICAS .......................................................................... 88

APÊNDICE .................................................................................................................. 88

ANEXOS ..................................................................................................................... 90

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

Podemos caracterizar a extrusão de metais como um processo de produção de

componentes mecânicos de forma semi-contínua onde o material é forçado, por meio de um

pistão acionado hidráulica ou pneumaticamente, a passar através de uma matriz adquirindo

assim a forma pré-determinada pelo projeto, já com todas as medidas especificadas.

Se comparado aos demais processos de conformação, a extrusão é um processo

relativamente novo. Mesmo tendo a primeira patente registrada em 1797, o grande salto em

seu desenvolvimento se deu a partir da Segunda Guerra Mundial. Dentre as principais

vantagens do processo de extrusão destaca-se a obtenção de peças livres de trincas, mesmo

em materiais para com baixa conformabilidade, elevado controle dimensional, possibilidade

de produção tanto de pequenos quanto grandes volumes e a viabilidade de produção de peças

com alta complexidade geométrica.

Atualmente é observado um aumento da utilização de aço como matéria-prima em

processos de extrusão. É inerente ao processo de produção dessa matéria-prima a ocorrência

de defeitos de superfície, entre eles trincas, arranhões, dobras de laminação e fissuras. Muitas

vezes o desconhecimento do comportamento desses defeitos durante a extrusão acarreta ao

fornecedor a necessidade de retirada desses defeitos, através de um processo conhecido como

condicionamento das peças.

Além de não agregar valor ao produto final, a necessidade de condicionamento da

matéria-prima para extrusão traz uma série de inconvenientes, entre eles aumento de custos,

não atendimento a prazos de entregas, risco de acidentes e a possibilidade de inserção de

novos defeitos, como a perda localizada de dimensão, por exemplo.

Diante dessa situação, é necessário o desenvolvimento de uma ferramenta que seja

eficaz na previsão do comportamento desses defeitos, que são característicos da matéria-

prima durante a operação de extrusão. Atualmente, uma metodologia que tem cada vez mais

se destacado pelo uso crescente na etapa de planejamento de projetos de processos são as

técnicas de simulações numéricas. De acordo com Pegden (1990), a simulação é um processo

de projetar um modelo computacional de um sistema real e conduzir experimentos com este

2

modelo com o propósito de entender seu comportamento e/ou avaliar estratégias para sua

operação. Dentre as principais técnicas de simulações existentes destacam-se as que utilizam

o método de elementos finitos como principal ferramenta de previsão.

Viabilizando o uso da técnica de simulação numérica no processo de extrusão

trabalha-se de forma a evitar as tradicionais abordagens de tentativa e erro no projeto dos

equipamentos e dos processos, que podem ser mais dispendiosas e nem sempre abrangem a

todas as combinações de variáveis que o processo pode apresentar.

Assim, essa pesquisa tem o objetivo de validar o uso da técnica de simulação numérica

para a previsão do comportamento de defeitos de superfície em operações de extrusão,

utilizando para isso análises comparativas entre simulações computacionais realizadas em

diferentes situações de processos e representações físicas desses processos.

Este trabalho foi estruturado e formatado seguindo as diretrizes para apresentação de

dissertações do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade

Federal de São João Del-Rei, PPMEC-UFSJ, procurando produzi-lo de forma a proporcionar

uma leitura objetiva e concisa. Para tanto este documento é composto pelas seguintes partes:

Capítulo 1: Introdução.

Capítulo 2: Apresentar a revisão da literatura abordada, destacando a extrusão a frio, o

processo de obtenção da matéria-prima para o processo de extrusão e o método de elementos

finitos.

Capítulo 3: Apresentar uma descrição detalhada das ferramentas, corpos de prova e

procedimentos utilizados tanto nos ensaios físicos quanto para as simulações numéricas.

Capítulo 4: Apresentar as análises e discussões dos resultados obtidos.

Capítulo 5: Neste capítulo estão sintetizadas as considerações extraídas dos resultados e

análises dos resultados.

Capítulo 6: Composto por sugestões para trabalhos futuros.

Capítulo 7: Referências bibliográficas.

Apêndices de anexos.

3

CAPÍTULO 2

REVISÃO DA LITERATURA

2.1 - PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA

De acordo com BRESCIANI et al (2011), entende-se por conformação os processos

nos quais corpos metálicos sofrem modificação da forma original para outra forma definida.

É possível dividir os processos de fabricação em dois grupos:

a) Processos mecânicos: as modificações de forma são provocadas pela aplicação de

tensões externas, sem a liquefação do metal, mesmo quando trabalhados em altas

temperaturas.

b) Processos metalúrgicos: as modificações de forma podem estão associadas à

liquefação do metal (como no processo de fundição) ou com a difusão de partículas metálicas

(como no processo de sinterização).

Os processos mecânicos são constituídos pelos processos de conformação plástica,

para os quais as tensões aplicadas são geralmente inferiores ao limite de resistência à ruptura

do material, e pelos processos de conformação por usinagem, para os quais as tensões

aplicadas são sempre superiores ao limite mencionado, sendo a forma final, portanto, obtida

por retirada de material. Devido à sua natureza, esses processos são também denominados

“processos de conformação mecânica” (BRESCIANI et al, 2011).

Dieter (1988) classifica os principais processos de conformação mecânica de acordo

com a forma de aplicação da força de conformação (Figura 2.1):

a) Forjamento;

b) Laminação;

c) Trefilação;

d) Extrusão

e) Estampagem;

4

f) Estiramento;

g) Dobramento;

h) Corte cisalhamento.

Figura 2.1 – Processos de conformação mecânica (DIETER, 1988).

Esse trabalho tem como foco o processo de extrusão, que será tratado com mais

detalhe nos próximos capítulos.

Forjamento Laminação

Trefilação

Forjamento

Extrusão Estampagem

Estiramento Dobramento Corte, cisalhamento

5

2.2 - PRINCÍPIOS BÁSICOS DO PROCESSO DE EXTRUSÃO

De forma resumida, podemos caracterizar a extrusão como um processo de

conformação plástica que consiste em fazer passar um tarugo ou lingote, colocado dentro de

um recipiente, pela abertura existente no meio de uma ferramenta, colocada na extremidade

do recipiente. Para essa operação utiliza-se a ação de compressão de um pistão acionado

pneumática ou hidraulicamente.

Machado (2008) distingue os diversos processos de extrusão quanto à temperatura de

trabalho, as dimensões do produto e ao sentido de deslocamento do pistão.

Em relação à temperatura de trabalho, podemos classificar como:

a) Extrusão a quente: utilizada quando o objetivo é a obtenção de grandes reduções de

seção numa só etapa. Engloba a maioria dos processos para obter produtos longos semi-

acabados (barras) e acabados (perfis e tubos).

b) Extrusão a frio: utilizada para pequenas reduções de seção em vários estágios.

Muito utilizada quando o interesse é a obtenção de peças de precisão.

Para a classificação em relação às dimensões do produto, temos:

a) Processo semi-contínuo: utilizada na produção de produtos longos, cujo

comprimento é limitado pelo volume do tarugo que cabe no container.

b) Processo discreto: produção de peças simples, produzidas a cada ciclo de extrusão.

Finalmente, em relação ao sentido de deslocamento do pistão, classificam-se os

processos de extrusão como:

a) Extrusão direta;

b) Extrusão indireta;

c) Extrusão Hidrostática;

Existem outros processos caracterizados por Bauser, Sauer e Siegert (2006) como

processos especiais, porém não serão abordados nesse trabalho.

6

2.3 - HISTÓRICO DO PROCESSO DE EXTRUSÃO

A palavra “extrusão” tem raiz e vai buscar significado nos vocábulos latino, em que

“ex” significa força e “tudere” significa empurrar. Segundo Cetlin e Helman (2005), quando

comparado à maioria dos processos de conformação, a extrusão é um processo relativamente

novo.

De acordo com Bauser, Sauer e Siegert (2006), um dos primeiros registros oficiais do

processo de extrusão é uma patente de 1797 de Joseph Bramah que tinha como título: prensa

para produção de tubos de chumbo e outros metais leves, sem junção.

No projeto, que é mostrado na Figura 2.2, o chumbo em estado líquido localizado no

vaso A é forçado pelo pistão B através de uma válvula localizada no interior do cilindro. O

material líquido é então empurrado pelo pistão de metal na através de aberturas localizadas no

suporte do mandril. Assim, o tubo do mandril D e o suporte do tubo C formam o tubo final E.

Até o final do século XIX, o chumbo era o principal metal utilizado em processos de

extrusão, tendo a Inglaterra como país pioneiro no desenvolvimento desse processo.

Figura 2.2 – Prensa de chumbo por pistão de Bramah, 1797. A, Câmara de fusão; B, pistão; C,

tubo suporte; D, tubo mandril; E, produto. (BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006)).

7

A primeira prensa hidráulica vertical utilizada para extrusão de chumbo foi

desenvolvida pelo Inglês Thomas Burr em 1820 e está representada na Figura 2.3.

Figura 2.3 – Primeira prensa hidráulica de chumbo, 1820. (BAUSER, SAUER,

SIEGERT, 2006).

Alexander Dick, que também viveu na Inglaterra, conseguiu vários avanços no

desenvolvimento da extrusão de metais com pontos de fusão mais elevados. Em 1894, Dick

registrou uma patente específica para produção de barras de bronze, cujo projeto é resumido

na Figura 2.4.

Figura 2.4 – Primeira extrusora de bronze, A. Dick, 1894. (BAUSER, SAUER,

SIEGERT (2006)).

8

A Figura 2.5 mostra a prensa para extrusão de barras de bronze idealizada por

Alexander Burr em operação. Alexander Dick é considerado por muitos como o "pai da

extrusão".

Figura 2.5 – Extrusora hidráulica, 1895. (BAUSER, SAUER, SIEGERT (2006)).

Alexander Dick foi responsável por várias patentes relacionadas ao processo de

extrusão, entre elas amortecedores, vários projetos de mandril para tubos, matrizes de

extrusão com vários furos e extrusão de seções ocas.

A partir do século XX observou-se um incremento no número de prensas existentes

que já passavam de 200. A maioria tinha como objetivo a extrusão de bronze e pertencia a

empresa Krupp-Gruson.

Em 1914 o aço já era extrudado em algumas prensas.

Na década de 1920, várias experiências mostraram que a concentricidade das paredes

internas e externas de tubos extrudados em prensas hidráulicas verticais era melhor, devido à

influência favorável da gravidade. Isso fez com que várias prensas verticais fossem

construídas entre 1920 e 1965, quando melhorias avanços nos projetos de prensas horizontais

viabilizaram a produção das mesmas.

9

A rápida expansão da tecnologia de extrusão a partir de 1925 deu origem a intensas

pesquisas visando entendimento dos processos de deformação e fluxos de massas na extrusão

o que, consequentemente, permitiu vários avanços na construção de prensas e ferramentas. Na

mesma época, a empresa Alcan iniciou a produção de Alumínio extrudado. A visão de uma

planta de produção de Alumínio extrudado é representada na Figura 2.6.

Figura 2.6 – Planta de extrusão de Alumínio, SMS Hasenclever. (BAUSER, SAUER,

SIEGERT, 2006).

Durante a Segunda Guerra Mundial, o Alumínio começou a ser utilizado amplamente

em componentes aeronáuticos. Foi neste contexto que sua alta capacidade de aplicabilidade

em diversos setores foi percebida. A introdução de ligas de alumínio intermediárias, tratáveis

termicamente na própria prensa de extrusão e que apresentavam boa extrudabilidade, permitiu

uma rápida expansão dessa indústria no pós-guerra. Hoje, sistemas de fachada cortina,

componentes de carrocerias de ônibus e caminhões, portas e janelas, estruturas aeroespaciais e

centenas de outros itens são fabricados a partir de perfis de alumínio extrudado. De acordo

com Müller (2006), o papel de alumínio na construção de veículos aumentou muito nas

últimas décadas e as exigências de diminuição de peso dos automóveis e redução de gastos

com energia farão com que o consumo aumente ainda mais.

10

2.4 - PROCESSOS DE EXTRUSÃO

De acordo com Bresciani et al (2011), a extrusão é um processo de conformação

plástica que consiste em fazer passar um tarugo ou lingote, colocado dentro de um recipiente,

pela abertura existente no meio de uma ferramenta, colocada na extremidade do recipiente,

por meio da ação de compressão de um pistão acionado pneumática ou hidraulicamente.

O processo de extrusão pode utilizar matéria-prima previamente aquecida. Esse é

caracterizado como processo de extrusão a quente.

Existem também os processos que utilizam matéria-prima em temperatura ambiente.

Trata-se do processo de extrusão a frio. Nesse caso, qualquer incremento de temperatura

observado no processo deve-se a conversão de trabalho de deformação em calor (ASM

Handbook. Forming and Forging. Volume 14, 4ª Edition).

Além da classificação que leva em consideração a temperatura de trabalho da matéria-

prima, o sentido de deslocamento do pistão também permite a estratificação em dois outros

grupos, caracterizadas segundo Bresciani et al (2011) como:

a) Extrusão direta: nesse processo, o pistão age sobre o tarugo forçando a sua passagem

pela ferramenta que é posicionada no lado oposto do recipiente, provocando uma intensa ação

de atrito entre o tarugo e o recipiente de extrusão.

b) Extrusão indireta: nesse caso o pistão se mantém fixo, com a ferramenta colocada na

sua extremidade, e o recipiente com o tarugo avança em sua direção, tornando inexistente o

atrito entre o tarugo e o recipiente.

Outro importante processo é a extrusão hidrostática. Esse método consiste na extrusão

sem que haja contato do material com a superfície da câmara, o que traz como grande

vantagem a redução do atrito. O material é colocado em uma câmara de diâmetro maior que o

seu e contendo um fluido de lubrificação, que pode até mesmo ser um óleo vegetal. Então a

matéria-prima é empurrada em direção à matriz por meio de pressão hidrostática.

O recipiente no qual se processará a extrusão hidrostática deve ser hermeticamente

fechado, ou seja, totalmente selado, evitando a perda do lubrificante para o meio externo.

11

2.4.1 – Extrusão direta

O processo de extrusão direta é o mais comumente utilizado em processos

industriais. Atualmente, produtos semi-acabados de Alumínio é a principal aplicação desses

processos, porém vários tipos de metais, como cobre, zinco, ligas Cu-Zn (bronze), chumbo e

aço podem ser conformados com uso do processo de extrusão direta.

O tipo de material extrudado ditará o tipo de processo a ser adotado no que diz

respeito à utilização ou não de lubrificante e revestimento. Assim, de acordo com Bauser,

Sauer e Siegert (2006), temos os seguintes processos:

a) Processo de extrusão direta a quente sem lubrificação e com revestimento: aplicado

principalmente para as ligas de alumínio.

b) Processo de extrusão direta a quente sem lubrificação e sem revestimento: aplicado

para as ligas de cobre.

c) Processo de extrusão direta a quente com lubrificação e sem revestimento: aplicado

para aços.

Os processos de extrusão a frio sempre são associados ao uso de lubrificantes, porém

sem revestimento. Essa dissertação tratará do processo de extrusão a frio de aços, que será

detalhado mais a seguir. A Figura 2.7 mostra um fluxograma dos tipos de extrusão direta

existentes:

Figura 2.7 – Fluxograma dos principais processos de extrusão direta. (Adaptado de

BAUSER, SAUER, SIEGERT, 2006).

12

2.4.2 – Extrusão direta a frio

Segundo Prikazsky et al. (1992), o processo de extrusão a frio é essencial em várias

instalações industriais. Em combinação com outros processos de conformação, tipicamente

cortes, recalque, fresagem, estampagem, entre outros, uma grande variedade de peças podem

ser obtidas com alta produtividade.

A Figura 2.8 é uma representação esquemática do processo de extrusão direta.

Figura 2.8 – Vista esquemática do processo extrusão Direta (BRESCIANI et al, 2011)

Como já citado anteriormente, o processo de extrusão consiste, resumidamente, em

forçar a passagem de um bloco (lingote) de metal através de um orifício de uma matriz

mediante a aplicação de pressões elevadas.

De acordo com Cetlin e Helman (2005), idealmente o processo de deformação

ocorre na matriz enquanto o resto do material é suportado pelas paredes do cilindro. É essa

condição que permite alcançar elevadas reduções, já que não produzem instabilidades de

qualquer tipo no material. Reduções da ordem de 99% são passíveis de serem realizadas nos

processos de extrusão.

Em todos os processos de extrusão, o atrito entre a parede interna do recipiente e a

superfície do lingote é uma importante variável a ser dimensionada no processo.

13

O atrito é minimizado pelo uso de lubrificantes que devem ser adicionados aos

lingotes antes de iniciar o processo de extrusão. As utilizações de matrizes cônicas auxiliam

na efetiva utilização dos lubrificantes durante todo processo de extrusão.

A Figura 2.9 lista o ciclo completo da operação de extrusão direta a frio.

Figura 2.9 – Ciclo do processo de extrusão (BRESCIANI et al, 2011).

14

O ciclo do processo de extrusão inicia-se com a colocação do tarugo em uma

ferramenta de apoio diante do recipiente e o pistão é sendo acionado de encontro ao tarugo,

posicionando o lingote no interior do recipiente.

Em contato direto com o pistão existe um bloco de aço (falso pistão) cuja finalidade

é proteger o pistão contra o incremento de temperatura e a abrasão existente no cilindro.

Após o pistão ter completado o curso de extrusão, o recipiente se afasta para a

retirada do disco e do resto de tarugo, que será cortado do produto extrudado com uso de uma

serra. O pistão, então, recua do recipiente.

Antes da colocação de um novo tarugo para extrusão, os resíduos de óxidos na

camisa são removidos com auxílio de outro disco raspador acionado pelo pistão.

Mesmo para prensas relativamente grandes (cerca de 2.000 t) o tempo para o ciclo

completo de extrusão é pequeno, cerca de 60 s.

A Figura 2.10 exibe o perfil da variação de carga axial FU na ferramenta, a carga

axial FR necessária para vencer o atrito entre o material a ser extrudado e o recipiente, e a FSt,

que é carga sobre a haste de deslocamento para a extrusão a frio direta com lubrificação e sem

revestimento.

No primeiro gráfico temos a variação da carga de deformação (FU) ao longo do

deslocamento da haste.

O segundo mostra a variação de carga resultado do atrito estabelecido entre a parede

da matriz e o lingote também ao longo do deslocamento da haste.

Já o terceiro gráfico representa a variação da carga sobre a haste com o deslocamento.

Isso mostra que a carga axial constante FU forma-se durante o processo de deformação

quase estacionário, após uma variação inicial que é caracterizada pelo valor máximo FM e FSt,

enquanto que a carga de atrito FR cai exponencialmente com o deslocamento da haste.

A carga da haste FSt é obtida somando-se as cargas de deformação FU e a carga de

atrito FR.

15

Figura 2.10 – Variação na força axial FM, FR, e FSt sobre o deslocamento do pistão de extrusão

a frio direta com lubrificação e sem revestimento (BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006).

De acordo com Bauser, Sauer e Siegert (2006), em processos de extrusão direta a frio

com lubrificação e sem revestimento, o ponto de partida se dá quando a zona de deformação é

geometricamente restringida pela parede da ferramenta, o plano de entrada e o plano de saída

da ferramenta. A figura 2.11 representa essa situação.

16

Figura 2.11 – Geometria da zona de deformação na extrusão direta a frio, com

lubrificação sem revestimento, com fieira cônica (BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006).

Na figura 2.11, temos:

DE = Diâmetro de entrada da matéria-prima;

DA = Diâmetro de saída do produto extrudado;

S = Centro de gravidade do volume sendo extrudado;

PXE = Força axial de deformação;

lu = comprimento total da ferramenta;

α = ângulo da ferramenta.

17

Segundo Chiaverini (1986), a relação de extrusão é a relação entre a área de secção

transversal inicial Ao e a área de secção transversal Af, ou seja:

V = Ao/Af (equação 1).

A força axial PXEid para a deformação ideal no plano de entrada é determinada

utilizando-se o logaritmo total da tensão principal φgges ou a relação de extrusão V (BAUSER,

SAUER e SIEGERT, 2006):

(equação 2).

Onde kf representa o fluxo médio de tensão para o volume total na zona de

deformação.

Porém, para que haja um processo perfeito de deformação, é necessário levar em

consideração o fator de C, específico de cada ferramenta e contém o fator do perfil da

ferramenta fp e o fator de eficiência de deformação ηF.

(equação 3).

Em extrusão direta a frio com lubrificação e sem revestimento de barras através de

matrizes cônicas onde fp = 1, temos:

18

(equação 4).

Da equação 2, levando em consideração a equação 1, temos:

(equação 5).

O produto da tensão de compressão axial e a área da seção transversal na entrada dá a

força axial FU atuando no plano de entrada através da equação 6:

(equação 6).

A força do pistão é a soma da força de deformação FU e da força de atrito FR:

(equação 7).

A carga de deformação mantém-se constante durante o processo de deformação quase

estacionário, considerando que a carga de atrito diminui exponencialmente devido à

diminuição do contato com a superfície à medida que aumenta o deslocamento do pistão,

conforme (Figura 2.12). A tensão compressiva axial fora da zona de deformação é dada por:

19

(equação 8).

Onde = 0 no plano de entrada, conforme figura 2.11.

Figura 2.12 – Representação principal da variação da tensão compressiva axial px e da

tensão compressiva radial pr na extrusão direta a frio, com lubrificação e sem revestimento

(BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006).

20

A figura 2.12 apresenta:

1 – l0 = comprimento inicial do tarugo;

2 – SSt = deslocamento da haste;

3 – D0 = diâmetro do container;

4 – DS = diâmetro de extrusão;

5 – lU = comprimento da zona de deformação.

A tensão compressiva axial pX tem valor máximo no fim do tarugo, no início da

extrusão.

(equação 9).

Já o mínimo valor ocorre quando:

(equação 10).

O fluxo de tensão kfo é o fluxo inicial de tensão apresentado pelo tarugo quando é

carregado para a extrusão.

A carga máxima da haste FSt no fim do tarugo quando se inicia a extrusão fica como

descrito na equação 9:

(equação 11).

21

(equação 12).

Essa força é reduzida durante a extrusão, alcançando um valor mínimo, dado por:

(equação 13).

É possível também estimar o aumento de temperatura durante o processo de

conformação. Ainda de acordo com Bauser, Sauer e Siegert (2006), todo o trabalho requerido

no processo de extrusão é convertido em calor.

O incremento de temperatura na seção de saída do produto extrudado, quando se

trabalha em condições adiabáticas é dado por:

(equação 14).

Dessa forma, para altas deformações temos altos incrementos de temperatura, o que

pode significar ganhos de várias centenas de graus Celsius.

22

2.4.3 – Extrusão Indireta

Assim como no processo de extrusão direta, a extrusão indireta também é

classificada quanto à temperatura de trabalho em extrusão indireta a quente e extrusão indireta

a frio.

Também como na extrusão direta, a presença ou não de lubrificantes e revestimento

permite a estratificação em mais grupos:

a) Extrusão indireta a quente sem lubrificação e sem revestimento.

b) Extrusão indireta a quente sem lubrificação e com revestimento.

c) Extrusão indireta a frio com lubrificação e sem revestimento.

A Figura 2.13 mostra um fluxograma com os diversos tipos de processos de extrusão

indireta.

Figura 2.13 – Fluxograma dos principais processos de extrusão indireta. (Adaptado de

BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006).

De acordo com Bresciani et al (2011) no processo de extrusão indireta, o pistão se

mantém fixo, com a ferramenta colocada na sua extremidade, e o recipiente com o tarugo é

que avança na direção do pistão. Isso faz com que o atrito entre o tarugo e o recipiente seja

nulo.

23

Essa característica do processo traz como vantagem a redução de defeitos causados

pelo atrito no “escoamento frontal” do processo de extrusão direta. Entre esses defeitos

podemos citar o aparecimento de trincas, arranhões e escamas.

No processo de extrusão direta estes defeitos podem ser provenientes:

a) Desalinhamento entre o pistão e o recipiente;

b) Distribuição deficiente do lubrificante;

c) Desajuste entre o disco de pressão e o disco do recipiente;

d) Superfície irregular do recipiente.

A representação esquemática do processo de extrusão indireta está na Figura 2.14.

Figura 2.14 – Esquema ilustrativo do processo extrusão Indireta (BRESCIANI et al, 2011).

Outra vantagem do processo de extrusão indireta reside no fato de exigência de

menor esforço de deformação e permitir a obtenção de um produto mais homogêneo. De

acordo com Chiaverini (1986), podem ser extrudados nesse processo liga de aço, alumínio e

suas ligas além de cobre e suas ligas.

Mesmo apresentando essas vantagens, a utilização industrial da extrusão indireta é

menor que a extrusão direta. A extrusão direta apresenta maior simplicidade do equipamento,

pois não exige um pistão oco, que tem uma resistência limitada a flambagem para grandes

componentes.

24

2.4.4 – Extrusão Hidrostática

De acordo com Cetlin e Helman (2005), o processo de extrusão hidrostática é

caracterizado por empregar um fluído sob pressão para empurrar o material através da matriz.

Na Figura 2.15 é mostrada uma representação do processo de extrusão hidrostática.

Figura 2.15 – Esquema ilustrativo do processo extrusão hidrostática (ASM Handbook –

Forming and forging)

O tarugo é posicionado no interior do recipiente e fica submetido à pressão

hidrostática proporcionada pelo fluído sob pressão. Esse meio é chamado de meio

hidrostático.

O recipiente deve ser totalmente selado. Isso garante que não haja vazamentos e que

toda pressão exercida pelo êmbolo seja convertida em pressão de trabalho no processo de

conformação.

O processo exige, portanto, uma fieira cônica e uma preparação criteriosa da ponta do

pistão. A pressão hidrostática no meio é aumentada quando se move a haste para dentro do

recipiente selado.

25

O processo de extrusão se inicia em um ponto específico de pressão inicial p, quando

a secção do produto extrudado começa a emergir na outra extremidade da matriz. Este é então

seguido por um processo de deformação semiestacionário com uma pressão p extrusão.

Dentre as principais vantagens desse processo, podemos citar:

a) Ausência de atrito entre tarugo e recipiente, possibilitando a extrusão de tarugos

longos sem aumento correspondente na pressão de extrusão.

b) Desde que mantidos o baixo nível de atrito entre a matriz e o tarugo, é possível a

utilização de matrizes com menores ângulos, reduzindo a pressão de extrusão e a deformação

redundante;

c) Possibilidade de utilização de tarugos que não são cilíndricos ou com menores

exigências dimensionais.

d) Processo versátil;

e) Possível extrudar produtos de secção escalonada;

e) A resistência do produto é frequentemente mais alta que a obtida na extrusão

convencional, devido à ausência de vazios e poros na extrusão sob grandes tensões

compressivas.

Porém o processo também apresenta desvantagens:

a) Excesso de energia armazenada no interior do contêiner (fluido sob pressão). Isso

eleva o potencial de ocorrência de acidentes;

b) A ponta do tarugo deve ser cônica e precisa ser pressionada contra a matriz para

produzir a vedação inicial;

c) Após iniciada a operação, o controle da velocidade de operação é difícil de alcançar;

d) A vedação exige o uso de equipamentos auxiliares no caso de uso em máquinas

horizontais, elevando o custo de operação.

26

2.4.5 – A máquina de extrusão

Em sua maioria, os processos de extrusão são realizados em equipamentos

hidráulicos, empregando-se prensas de até 5.000 toneladas (CETLIN e HELMAN, 2005). A

Figura 2.16 exibe um esquema simplificado de uma máquina de extrudar.

Nela observa-se o conjunto pistão-cilindro hidráulico, o sistema acoplado de

alimentação do fluido sob pressão, além das seguintes partes básicas da máquina de extrusão:

pistão de extrusão, recipiente e camisa, conjunto suporte da ferramenta (fieira) e estrutura.

Figura 2.16 – Esquema simplificado da máquina de extrudar (BRESCIANI et al, 2011).

De acordo com Bresciani et al (2011) é no pistão de extrusão que se concentra todo o

esforço da maquina de extrusão, devendo, portanto ser fabricado em aço-liga resistente ao

calor.

O recipiente recebe o tarugo aquecido que deve ser extrudado sob ação do pistão de

extrusão, que por sua vez é pressionado pelo pistão hidráulico durante a conformação do

material.

O conjunto suporte da fieira e constituído de diversos componentes com a finalidade

de aumentar a resistência mecânica, posicionar e facilitar a troca da fieira. Como esses

27

componentes não entram em contato direto com o metal aquecido podem ser fabricados em

aços-liga de custo menor que os aços-liga resistentes ao calor.

A estrutura da maquina e constituída, na prensa de extrusão horizontal comumente

encontrada, de uma base para suporte de todos os componentes, exceto do sistema de

alimentação que fica a parte da estrutura. Numa extremidade dessa base se apoia o conjunto

do cilindro hidráulico e do pistão de extrusão; na outra extremidade se encontra,

solidariamente, o recipiente, o conjunto suporte da fieira e a placa de apoio terminal, esta

ultima acoplada ao conjunto do cilindro hidráulico por dois tirantes superiores. A figura 2.17

mostra uma visão em corte de uma máquina de extrusão horizontal.

Figura 2.17 – Visão esquemática de uma máquina de extrusão (fonte: site www.non-

ferrous.com)

A máquina de extrusão industrial é, na realidade, bem mais complexa, apresentando

outros sistemas auxiliares e componentes complementares, como cilindros hidráulicos de

retrocesso do pistão, sistema de corte da barra extrudada e da retirada do resto do tarugo no

recipiente, sistema de controle e comando dos conjuntos hidráulicos e do aquecimento do

recipiente, todas com a função de conferir a máquina melhor desempenho e produtividade. No

caso da extrusão a quente ainda temos os fornos de reaquecimento dos tarugos que serão a

matéria-prima para o processo.

28

2.4.6 – A ferramenta de extrusão

De acordo com Reggiani et al. (2010), Em muitos processos de conformação de

metais, o molde é considerado o componente mais crítico do ferramental devido ao seu design

complexo, requisitos de alta tolerância, condições críticas de transformação e estado

complexo de tensão ao qual é normalmente submetido. A vista em corte de uma ferramenta

utilizada em extrusão, bem como a descrição de suas principais partes é detalhada na Figura

2.18.

Figura 2.18 – Vista em corte de ferramenta de extrusão (CARVALHO, 2013).

As ferramentas para extrudar, ou fieiras, podem apresentar diversos tipos de perfis,

sendo que a escolha deste depende do tipo do metal a ser trabalhado e do conhecimento em

torno do processo utilizado. As seguintes condições devem ser observadas no estabelecimento

dos perfis:

a) propriedades do metal a ser extrudado;

b) tolerâncias de distorção no extrudado;

c) níveis das tensões aplicadas;

d) contração térmica no extrudado;

e) escoamento uniforme e equilibrado do metal pela matriz.

29

2.5 - APLICAÇÕES DE PRODUTOS EXTRUDADOS

Os principais produtos obtidos por processos de extrusão são perfis e tubos, e,

particularmente, barras da secção circular. Bresciani et al (2011).

O processo de extrusão também pode ser utilizado para produção de produtos semi-

acabados na forma de tiras, fios, seções sólidas em geral (BAUSER, SAUER e SIEGERT,

2006).

Devido às características do processo de extrusão, como a alta tensão compressiva

observada na zona de deformação, geometria variada das matrizes, etc., é possível a obtenção

de produtos que dificilmente seriam obtidos por outros processos de conformação. Como a

geometria da matriz permanece inalterada durante o processo, os produtos extrudados têm

como grande vantagem a constância em sua seção transversal.

Assim, uma série de aplicações pode ter como matéria-prima produtos oriundos dos

diversos processos de extrusão citados anteriormente.

A Figura 2.19 apresenta uma aplicação comum de produtos extrudados, que são tubos

de alumínio. Vários perfis de Alumínio obtidos por extrusão também são mostrados na figura

2.20.

Figura 2.19 – Tubos extrudados de Alumínio (Site: www.hidro.com – acesso dia

09/06/2013).

30

Figura 2.20 – Perfis de Alumínio produzidos via extrusão

(Site: http://www.indiamart.com/bothraaluminium/aluminium-product-range.html)

Já a figura 2.21 mostra várias ferramentas de aço produzidas por extrusão.

Figura 2.21 – Ferramentas em aço fabricadas a partir de processo de extrusão

(Site: http://industry-mart.blogspot.com.br)

31

A possibilidade de produção de estruturas complexas é uma grande vantagem dos

processos de extrusão em relação a outros processos de conformação mecânica. Na Figura

2.22 é possível ver um dissipador de calor, exemplo de estrutura de geometria complexa

obtida por extrusão.

Figura 2.22 – Estrutura complexa para por extrusão para aplicação em trocador de calor.

(GROOVER, 2007)

Materiais produzidos a partir de metalurgia de pó, compósitos e produtos revestidos

com combinações como cobre / alumínio e alumínio / aço podem ser obtidos por extrusão

(BAUSER, SAUER e SIEGERT, 2006). O uso do processo é muito comum na obtenção de

fios e cabos elétricos.

De acordo com Hanson e Janson (2010), tubos de aço inoxidável sem costura também

podem ser fabricados por extrusão utilizando usando vidro na lubrificação. O processo é

realizado a temperaturas elevadas e está associado a grandes deformações e altas tensões.

Além de materiais metálicos, a indústria de polímeros, plásticos e inclusive

alimentícios também utiliza a extrusão como um importante processamento para a obtenção

de uma grande gama de produtos.

32

2.6 - MATÉRIA-PRIMAS UTILIZADAS NOS PROCESSOS DE EXTRUSÃO

O processo de extrusão de aços pode utilizar matérias-primas advindas de vários

processos de produção. Um dos principais processos é o lingotamento contínuo, onde

obtemos a matéria-prima diretamente de tarugos lingotados.

Inicialmente, o aço passa pelo processo de refino primário, onde a composição

química especificada do aço começa a ser buscada. Conforme Barão (2007), os elementos

presentes na carga metálica sofrem uma oxidação parcial, iniciando assim o acerto da

composição. Os principais elementos trabalhados nessa primeira fase é o Carbono, o Silício,

Fósforo e Manganês.

Após essa etapa, o aço segue para o refino secundário. Segundo Rizzo (2006),

considera-se que os principais objetivos da etapa de refino secundário:

a) A redução do tempo de elaboração do aço, visando um aumento de produção, de

produtividade e redução de custos da aciaria;

b) Uma maior flexibilidade operacional ou de controle do sincronismo do forno de

fusão até o lingotamento do aço;

c) O controle de temperatura do aço líquido, geralmente através do aquecimento;

d) O ajuste de composição química do aço;

e) Aumento do grau de limpidez do aço;

f) O controle da microestrutura e/ou macroestrutura das peças solidificadas.

Atualmente, a maioria das Aciarias adota um ou mais processos (RIBEIRO,

SAMPAIO, CASTRO et al, 2010) nessa etapa, como o Forno Panela, Borbulhamento,

Desgaseificadores, etc.

Finalmente o aço é enviado para a máquina de lingotamento contínuo, onde deverá ser

solidificado na forma de tarugos.

De acordo com Campanharo (2003), as principais características do processo de

lingotamento contínuo são:

33

a) fluxo do aço líquido através de um distribuidor para alimentar o molde;

b) formação de uma pele solidificada no molde, em cobre refrigerado a água;

c) extração contínua da peça;

d) remoção de calor do núcleo ainda líquido, por meio de sprays de água de

resfriamento;

e) corte do tarugo no comprimento desejado e remoção das peças.

Na Figura 2.23 um fluxograma de todo o processo descrito até aqui é apresentado.

Figura 2.23 – Fluxograma do processo de produção dos tarugos via lingotamento contínuo.

Outro processo que também pode ser utilizado para a fabricação de matéria-prima para

o processo de extrusão é a laminação de tarugos e barras que podem ser oriundos tanto de

lingotes (produzidos via lingotamento convencional) quanto de blocos produzidos via

lingotamento contínuo de blocos. A Figura 2.24 mostra um fluxograma básico das duas

possibilidades de produção citadas.

1 - Refino Primário 2 - Refino

Secundário

3 – Lingotamento

contínuo de tarugos Produto: tarugos do

lingotamento contínuo.

34

Segundo Dieter (1988), o processo de laminação é amplamente utilizado devido ao

grande potencial de alcançar alto volume de produção, alinhado ao restrito controle de

qualidade nos produtos finais.

Figura 2.24 – Fluxograma do processo de produção dos tarugos via laminação.

De acordo com Cetlin e Helman (2005) a laminação consiste na passagem de uma

peça entre dois cilindros que giram de forma a reduzir a área de uma seção transversal. Já para

Rizzo (2007) a laminação é por definição um processo de conformação no qual o material

passa entre dois cilindros girando em sentidos opostos, com praticamente a mesma velocidade

superficial e espaçados entre si a uma distância menor que o valor da dimensão inicial do

material a ser deformado. A Figura 2.25 é uma representação esquemática do processo de

laminação.

1 - Refino Primário

2 - Refino

Secundário

3 – Lingotamento

contínuo de blocos.

4 – Lingotamento

convencional

Produto: blocos do


Produto: Lingotes.

5 – Laminação

35

Figura 2.25 – Representação esquemática do processo de laminação (RIZZO, 2007).

A primeira etapa do processo de laminação consiste no recebimento e aquecimento da

matéria-prima a ser laminada. As variáveis tempo e temperatura do aquecimento dependem de

vários fatores ligados ao material, entre eles: composição química do material, dimensão e

forma da matéria-prima e do produto final, características dos equipamentos utilizados na

laminação, etc.

Seguindo para o processo de deformação, a laminação apresenta três etapas básicas:

1 – Etapa de desbaste:

2 – Etapa de intermediária: reduções sucessivas até a dimensão aproximada do

produto.

3 – Etapa acabadora: obtenção da forma final do produto laminado.

A Figura 2.26 representa um fluxograma do processo de laminação de longos.

36

Figura 2.26 – Fluxograma de produção em laminação de longos (SOARES, 2010).

A última etapa do processo de laminação consiste na inspeção e acabamento do

material laminado. É nessa etapa que os defeitos oriundos de todo processamento anterior são

identificados. Tanto defeitos de superfície, como trincas, riscos, dobras de laminação, etc.,

quanto defeitos internos como inclusões, vazios de solidificação, etc., são passíveis de

identificação e devem ser minimizados ou mesmos eliminados, seguindo sempre a

especificação de cada produto é que determinada pela norma segundo a qual o material foi

produzido ou mesmo a partir de acordos comerciais firmados entre cliente e fornecedor.

A Figura 2.27 apresenta em conjunto, o fluxograma dos dois principais processos de

produção de aços que serão utilizados como matéria-prima nos processos de extrusão, citados

anteriormente:

a) Lingotamento contínuo;

b) Laminação a partir de blocos e lingotes.

37

Figura 2.27 – Fluxograma dos processos de produção dos tarugos (via lingotamento contínuo

e via laminação).

2.6.1 – Defeitos de matérias-primas utilizadas em operações de extrusão

Tanto os produtos originados de processos de conformação, quanto os obtidos

diretamente do lingotamento estão sujeitos à ocorrência de defeitos de superfícies.

Inicialmente serão discutidas as principais ocorrências de defeitos de superfícies de

matérias-primas originadas de processos de lingotamento e, posteriormente, será feita uma

análise dos principais defeitos de matérias-primas quando processos de conformação

mecânica são os envolvidos na produção dos materiais.

2.6.2 – Defeitos de matérias-primas originadas de processos de lingotamento

Produtos de oriundos de lingotamentos contínuos podem apresentar uma série de

defeitos de superfícies que podem interferir nos diversos processos de conformação

subsequentes. Vilela et al. (2010) lista os principais defeitos encontrados em tarugos e blocos

1 - Refino Primário.

2 - Refino

Secundário

5 – Lingotamento

contínuo de tarugos Produto: tarugos do


3 – Lingotamento

contínuo de blocos.

4 – Lingotamento

convencional

Produto: blocos do


Produto: Lingotes.

6 – Laminação

Produto: tarugos

laminados.

38

de lingotamento contínuo, destacando entre eles as trincas transversais. A Figura 2.28 mostra

uma fotografia de trincas transversais em tarugo limpo com jato de areia.

A ocorrência das trincas pode se associada tanto com o molde ou durante o processo

de endireitamento, que ocorre após a solidificação do aço. Quando as trincas estão em

qualquer dos cantos do tarugo, o mecanismo de formação proposto é o de tração nos cantos,

causados pela aderência do veio ao molde, por exemplo, por falta de lubrificação. Já quando a

trinca encontra-se em apenas um canto ou nas faces dos tarugos, é provável que tenham sido

geradas por esforços de tração durante a etapa de endireitamento Vilela et al. (2010).

Figura 2.28 – Aspecto de trincas transversais em tarugo limpado com jato de areia

(VILELA et al., 2010).

2.6.3 – Defeitos de matérias-primas originadas de processos de conformação

Nesse item será enfatizado o processo de laminação, que configura com um dos

principais fornecedores de matéria-prima para processos de extrusão de aços.

De acordo com Bresciani et al (2011), os defeitos comumente encontrados em

materiais que passaram por processos de laminação são trincas comuns, trincas capilares,

fissuras e outras descontinuidades, que têm sua origem nos defeitos dos lingotes (como

trincas, bolhas de gás, gota fria, fissuras superficiais, inclusões de escória e outros) e no

descontrole dos processos de tratamento térmico e de laminação. A figura 2.29 enumera os

principais defeitos oriundos do processo de laminação.

39

Figura 2.29 – Principais defeitos em produtos laminados (DIETER, KUHN e SEMIATIN

2003).

As trincas caracterizadas como comuns são, muitas vezes, descontinuidades muito

maiores do que as trincas de dimensão capilar. As ocorrências das trincas capilares possuem

como característica comum o alinhamento à direção de laminação do material, além de serem

muito numerosas. As trincas capilares têm a sua origem em bolhas e inclusões subsuperficiais

no lingote que, com o aquecimento e deformação, afloram na superfície. As fissuras tendem a

se alinhar na direção transversal podendo se transformar, com o processamento, em

descontinuidades grandes. Têm sua principal origem nos tratamentos de resfriamentos

desuniformes e excessivamente rápidos. Podem ainda surgir outros defeitos superficiais, tais

como: superposição devido à laminação sobreposta de uma nervura e marcas ou riscos

causados pelos defeitos superficiais dos cilindros.

2.6.4 – Condicionamento dos defeitos das matérias-primas

De acordo com Rizzo (2007) o termo condicionamento é utilizado para designar o

conjunto de atividades realizada com o intuito de remover defeitos superficiais, de forma,

internos e dimensionais dos produtos lingotados. O mesmo termo também pode ser utilizado

quando tratamos de materiais provenientes de laminação.

Para determinarmos qual o tipo de inspeção e condicionamento será utilizado, deve-se

levar em consideração o tipo de aço, composição química da liga, aplicação, rota de produção,

40

possíveis eventos de qualidade que tenham ocorrido nas etapas de processamento anteriores e

solicitações e exigências de qualidade realizadas pelos clientes.

Rizzo (2007) menciona a escarfagem e o esmerilhamento como os métodos aplicados

no condicionamento dos materiais. No processo de escarfagem usa-se o corte a gás para a

remoção dos defeitos. Já o esmerilhamento envolve o uso de abrasivos e normalmente é

preterido quando se trabalha com materiais considerados mais nobres, uma vez que as perdas

de material são reduzidas. O esmerilhamento também traz como vantagem a possibilidade do

uso em aços com teores elevados de ligas, como os inoxidáveis por exemplo.

Na Figura 2.30 observa-se a operação de remoção de defeitos com uso do processo de

escarfagem (a) e com uso de rebolos (b).

Figura 2.30 – Exemplos da realização da etapa de condicionamento de semi-acabados

através dos processos de escarfagem (a) e com uso de rebolos (b). (RIZZO, 2007).

A Figura 2.31 distingue o aspecto visual da superfície de um tarugo de bitola 130 x

130 mm com o defeito (a) e após a realização do recondicionamento com uso de rebolos (b).

41

Figura: 2.31 a)

Figura 2.31 b)

Figura 2.31 – Aspecto visual da superfície de um tarugo de bitola 130 x 130 mm a) com

o defeito e b) após a realização da etapa de recondicionamento com uso de rebolos.

42

O condicionamento dos materiais traz uma séria de desvantagens ao processo de

produção, o que em alguns casos pode até mesmo inviabilizar técnico e financeiramente a

produção de alguns materiais. A primeira delas reside no fato desse processo não agregar

valor ao produto. Além disso, podemos citar também:

a) Necessidade de Retrabalho;

b) Manutenção de áreas físicas específicas para realização dos trabalhos.

c) Aumento de custos ligados a insumos e equipamentos necessários para viabilização

do recondicionamento, mão de obra especializada, manuseio dos materiais e perda de massa

nos produtos condicionados.

c) Não atendimento a prazos, o que impacta tanto os materiais que estão em processo

de condicionamento quanto os que aguardam para iniciar o seu próprio processamento.

d) Geração de passivo ambiental;

e) Em caso de condicionamento excessivo, podemos observar a inserção de novos

defeitos nas superfícies dos materiais além da perda de bitola, o que pode levar a

sucateamento total da peça.

f) Aumento do risco de acidente, uma vez que aumenta o número de operações

manuais;

g) Aspecto visual prejudicado, principalmente em produtos que ficarão expostos;

43

2.7 - MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

O desenvolvimento do setor metal-mecânico tem cada vez mais requerido a agregação

de novas tecnologias, a fim de manter sua competitividade em níveis elevados. Essas

tecnologias devem proporcionar a produção com custos cada vez mais reduzidos, agregação

de valor nas diversas etapas dos processos, além de assegurar alta qualidade dos produtos.

Defronte a essa realidade, uma ferramenta que tem cada vez mais se destacado na

realização de projetos de processos são técnicas de simulações numéricas. Segundo Pegden

(1990), a simulação é um processo de projetar um modelo computacional de um sistema real e

conduzir experimentos com este modelo com o propósito de entender seu comportamento

e/ou avaliar estratégias para sua operação.

A simulação numérica de extrusão e outros processos é de extrema importância para

evitar as tradicionais abordagens de tentativa e erro no projeto dos equipamentos e dos

processos (CHINESTA et al, 2006).

Dentre as principais técnicas de simulações existentes, uma das mais utilizadas é o

método de elementos finitos. O início do desenvolvimento dessa ferramenta se deu na década

de 60, no estudo de estruturas complexas de fuselagem e seguindo depois para o campo da

mecânica do continuo (LEWIS, NITHIARASU, SEETHARAMU, 2004).

Segundo Hutton (2004) o método dos elementos finitos é uma técnica computacional

utilizada para obter soluções aproximadas dos valores limites em Engenharia. Bickford (1994)

caracteriza o método de elementos finitos como a subdivisão de um corpo contínuo em

determinado número finito de elementos. A esta subdivisão dá-se o nome discretização

geométrica ou espacial em que os elementos individuais são conectados entre si através de

nós. Este conjunto de elementos denomina-se malha. Um exemplo de malha é sugerido na

Figura 2.32. Nela é apresentada a malha de elementos finitos de seção retangular contendo um

furo no centro.

O método de Elementos finitos tem aplicabilidade em diversas áreas, como mecânica

dos fluídos, mecânica dos sólidos, transferência de calor, análises de vibrações, potencial

elétrico, campos magnéticos, comportamentos de materiais em processos de conformação,

entre outras.

44

Figura 2.32 – Exemplo de malha de elementos finitos de seção retangular contendo um

furo na região central (HUTTON, 2004).

A Figura 2.33 esquematiza o processo de análise por elementos finitos. Idealizando um

problema físico por um modelo matemático requer-se hipóteses que conduzam a um conjunto

de equações diferenciais que governem o modelo matemático. Sendo o método dos elementos

finitos um procedimento numérico, é necessário considerar-se a acurácia da solução

(MORENO, 2000).

A utilização dessa ferramenta está condicionada aos seguintes cuidados (OLIVEIRA,

2009):

a) Identificação dos princípios físicos básicos que serão adotados como governantes do

fenômeno em estudo;

b) Aplicação dos princípios físicos no desenvolvimento das equações governantes e do

modelamento matemático;

c) Seleção da ferramenta apropriada para análise das equações governantes e do

modelamento matemático;

d) Solução das equações governantes;

e) Interpretação dos resultados.

45

Figura 2.33 – Processo de análise por elementos finitos (MORENO, 2000).

De acordo com Hutton (2004), a metodologia de análises por elementos finitos é divida

em três etapas: pré-processamento, análise e pós-processamento.

1ª Etapa: Pré-processamento.

O pré-processamento compreende o modelamento do fenômeno a ser estudado,

assumindo todas as condições iniciais, hipóteses, condições de contorno e demais detalhes do

processamento a ser aplicado. É também nessa fase que são determinadas todas as

46

características do material a ser processado, como composição química, propriedades

mecânicas, geometria, etc.

Assim, Hutton (2004) lista os principais aspectos a serem avaliados nessa etapa:

a) Definição do domínio geométrico do problema;

b) Definição do tipo de elemento a ser estudado (triangular, bidimensional,

tridimensional, etc.);

c) Definição das propriedades do material a ser estudado;

d) Definição da geometria do material;

e) Definição da malha do modelo;

f) Definição das condições de contorno do problema;

g) Definição das cargas a serem utilizadas.

2ª Etapa: Solução.

Finalizada a descrição de todas as características do fenômeno a ser estudado, inicia-se a

etapa de solução, onde a ferramenta adequada para processamento dos dados é selecionada.

Os dados são utilizados para alimentar o software escolhido para o processamento e

fornecimento da solução matemática das equações. Normalmente, são utilizados softwares

comerciais, mas algoritmos específicos também podem ser desenvolvidos para solução de

sistemas.

De acordo com Hutton (2004), a ferramenta utilizada montas equações algébricas

governantes em forma matricial e calcula os valores desconhecidos das variáveis de campo

primário. Os valores calculados substituídos no sistema e os cálculos adicionais das variáveis

derivadas, tais como forças de reação, tensões elemento, fluxo de calor, etc., é feito.

3ª Etapa: Pós-processamento.

A terceira etapa consiste na análise, verificação e interpretação de todos os resultados

gerados pelo aplicativo numérico. Normalmente os softwares utilizados dispõem de recursos

gráficos onde é possível a visualização do comportamento das diversas variáveis associadas

47

ao produto em estudo, tais como deformações, tensões, distribuição de temperaturas, fluxo de

material, forças envolvidas na conformação, taxa de deformação, evolução microestrutural,

entre outros.

Uma criteriosa análise crítica dos dados fornecidos é essencial nessa etapa, uma vez que

qualquer incoerência deverá conduzir a um reprocessamento do fenômeno em estudo,

alterando, por exemplo, a malha, as condições de contorno e até mesmos as equações

governantes.

2.7.1 O método dos elementos finitos aplicado à conformação de metais

Makinouchi (1996) apresenta uma descrição sobre os principais métodos de análises

para solução das equações que descrevem o fenômeno em estudo. As mesmas serão

apresentadas a seguir:

2.7.1.1 - Formulação Rígido-Plástica ou Rígido-Viscoplástica.

Para materiais considerados como material rígido-plástico ou rígido-viscoplástico, deve-

se assumir que a tensão de escoamento é função da taxa de deformação e da temperatura,

desconsiderando a resposta elástica do material quando o mesmo é submetido à deformação

plástica.

A utilização da formulação rígido-viscoplástico apresenta vantagens as seguintes

vantagens: reduz o tempo e o processamento computacional para a simulação do escoamento

do material, Possui também a vantagem de estimar deformações, tensões, temperaturas e

velocidades com precisão adequada para utilização industrial (MAGALHÃES, 2008).

2.7.1.2 - Formulação Elasto-Plástica - Abordagem Estática Implícita.

Já na formulação elasto-plástica, assume-se para o processo uma condição de equilíbrio

quase estático, nesse caso considerando que o processamento do material ocorre sem a

interferência de impactos. O esquema estático implícito de integração no tempo atende a este

requisito, desde que mantidas as condições de equilíbrio a cada passo de integração. Este tipo

de abordagem apresenta problemas de convergência em função da contínua variação do atrito

entre a ferramenta e peça considerados na simulação (MAGALHÃES, 2008).

48

2.7.1.3 - Formulação Elasto-Plástica - Abordagem Estática Explícita.

Com o objetivo de solucionar os problemas de convergência dos resultados, as equações

da matriz de rigidez são resolvidas sem interações a cada passo de integração no tempo,

limitando-se o tamanho de cada passo, tornando-o muito pequeno. Com isto, grande número

de passos torna-se necessário para completar todo o processo de conformação sem acúmulo

de erros em função da pequena contribuição dos termos de alta ordem na integração no tempo

(MAGALHÃES, 2008).

2.7.1.4 - Formulação Elasto-Plástica - Abordagem Dinâmica Explícita.

A base dessa formulação são as equações de equilíbrio dinâmico. Neste caso, obtém-se

solução para determinado passo de forma mais rápida que em abordagens estáticas, uma vez

que a matriz de rigidez não necessita ser construída e resolvida. Isso configura a principal

vantagem deste método. Com o objetivo de obter a solução, limita-se o incremento de tempo

de modo que a amplitude da onda de dilação não ultrapasse nenhum elemento. No intuito de

reduzir o tempo de cálculo é possível aumentar a velocidade do ferramental em até 100 vezes

a velocidade real do processamento, entretanto, essa alternativa pode levar a resultados

incoerentes ou mesmo erros (MAGALHÃES, 2008).

2.7.1.5 - Aplicação do método de elementos finitos ao processo de extrusão.

De acordo com Silva (2011), a simulação numérica dos processos de extrusão através

do método de elementos finitos auxilia no estabelecimento e otimização das variáveis de

processo e projeto de matriz. Podemos destacar as possibilidades:

a) aperfeiçoar processo e projeto de matriz;

b) assegurar preenchimento da matriz e prevenir defeitos;

c) prever e controlar vida e falha da matriz;

d) prever e controlar microestrutura e propriedades da peça conformada;

e) reduzir o número de operações necessárias e, consequentemente, reduzir tempos de

fabricação;

f) reduzir perdas de material e rejeição.

49

CAPÍTULO 3

MATERIAIS E MÉTODO

Neste capítulo são apresentados os materiais e métodos utilizados no estudo. É descrito

também todo o procedimento adotado na condução dos testes. Todos os equipamentos

utilizados são pertencentes ao laboratório de transformação mecânica da Universidade Federal

de São João Del-Rei.

3.1 – Ferramentas para Extrusão

Para a extrusão dos corpos de prova, foi produzida uma ferramenta específica no

Laboratório de Usinagem da UFSJ. A ferramenta é composta de 5 partes removíveis:

Container inferior, container superior, suporte da matriz, matriz e pistão. As figuras 3.1, 3.2,

3.3, 3.4 e 3.5, apresentam uma fotografia de cada uma das peças citadas. A matriz foi

confeccionada com aço VC 131, cuja composição química é apresentada no anexo A. O

restante do artefato tem como matéria-prima aço SAE 1045, temperado e revenido, que

também tem sua composição química mostrada no anexo A.

Figura 3.1 – Container inferior e superior da ferramenta.

50

Figura 3.2 – Suporte superior da matriz.

Figura 3.3 – Matriz.

Figura 3.4 – Pistão.

51

Figura 3.5 - Ordem de montagem das peças da ferramenta de extrusão.

Na manufatura das peças do aço SAE 1045 foi realizado tratamento térmico de

têmpera seguido de revenimento, de acordo com a GGD Metals (2011). Para isso, foi

utilizado um forno mufla, da marca JUNG mostrado na figura 3.6. A sequência do tratamento

é descrita abaixo:

1 – Aquecimento inicial a 450 ºC.

2 – Estabilização de 30 minutos a temperatura de 450 ºC.

3 – Aquecimento a 950 ºC.

4 – Estabilização por 1 hora a temperatura de 950 ºC.

5 – Imersão das peças em óleo específico para tratamento térmico de têmpera.

6 – Depois de atingida a temperatura ambiente, retorno das peças ao forno para

realização do revenimento.

7 – Aquecimento a 400 ºC.

8 – Estabilização de 30 minutos a temperatura de 400 ºC.

9 – Resfriamento das peças ao ar.

52

Figura 3.6 – Forno mufla utilizado para realização do tratamento térmico.

Para a condução dos ensaios, foi utilizada a prensa de 40 toneladas pertencente ao

laboratório de Transformação Mecânica da Universidade Federal de São João Del-Rei que é

mostrada na figura 3.7.

Figura 3.7 – Prensa hidráulica de 40 t utilizada no experimento.

53

3.2 – Corpos de prova

O aço utilizado como matéria-prima dos corpos de prova foi produzido segundo a

norma SAE J403 grau 1006. A composição química característica dessa norma é detalhada na

tabela 3.1.

De acordo com Chiaverini (1986), aço com teor de carbono até 0,20% são fáceis de

extrudar a frio. Essa é a principal razão que levou a escolha dessa matéria-prima para

confecção dos corpos de prova. Com uso desse material evita-se que a baixa extrudabilidade

interfira nas análises.

Tabela 3.1 – Valores padronizados de composição química do aço SAE J403 grau 1006.

Elemento Teor máximo (%)

C 0,080

Mn 0,045

P 0,030

S 0,035

Os corpos de prova são provenientes de barras laminadas e usinadas. A partir das barras,

mostradas na figura 3.8, foram retiradas 9 pastilhas para confecção dos corpos de prova.

Figura 3.8- Barras a partir da qual foram retirados os corpos de prova (escala: 3:1).

54

Com uso do centro de usinagem pertencente ao laboratório de transformação mecância

da UFSJ foram usinados, em cada amostra, três reentrâncias simulando os defeitos. As

profundidades de cada reentrância foram de 500 µm, 750 µm 1.000 µm (figura 3.9).

Figura 3.9 – Reentrâncias usinadas simulando os defeitos. Profundidades: a) 500 µm,

b) 750 µm e c) 1.000 µm (escala 6:1).

A figura 3.10 mostra uma representação esquemática com o posicionamento correto das

reentrâncias nas amostras.

Figura 3.10 - Croqui da posição do defeito usinado nos corpos de prova.

Como foram inseridos três reentrâncias em cada amostra, foi criada uma marcação com

o objetivo de manter a rastreabilidade do ensaio, prevenindo erros nas análises após os

ensaios. Com uso de punção foi marcado na superfície superior das amostras pontos alinhados

com as reentrâncias posicionadas na lateral do corpo de prova, conforme mostrado na figura

3.11. A tabela 3.2 mostra a relação entre a profundidade de defeito, que passaremos a chamar

55

de defeitos, e o número de pontos utilizados na identificação. Já a figura 3.12 mostra todas as

9 amostras devidamente identificadas.

Figura 3.11 – Marcações alinhadas com os defeitos localizados na lateral do corpo de

prova (escala 1:8).

Tabela 3.2 – Relação entre o número de pontos e a profundidade do defeito.

Profundidade de defeito (mm) Identificação na amostra

0,50 1 ponto

0,75 2 pontos

1,00 3 pontos

3.12 - Amostras identificadas (escala 1:12).

56

3.3 – Execução dos ensaios

Para a execução dos ensaios físicos, foi prevista a realização de três réplicas em cada

redução (α = 30º, 45º e 60º). Como foram inseridos três defeitos em cada amostra, o

planejamento de experimento completo ficou como detalhado na tabela 3.3. Os corpos de

prova foram extrudados com taxa de redução V = 1,173 (diâmetro inicial 26 mm e diâmetro

final 24 mm).

Tabela 3.3 – Redução aplicada por amostra

Profundidade inicial do

defeito inserido (μm)

Ângulo da ferramenta (α)

30° 45° 60°

500 3 réplicas 3 réplicas 3 réplicas



Como elemento lubrificante foi utilizado grafite em pó do fabricante Vonder, mostrado

na figura 3.13.

Figura 3.13 - Grafite utilizado com lubrificante nos experimentos.

57

3.4 – Simulações numéricas

Todo o estudo de simulação numérica do processo de extrusão foi realizado utilizando-

se o software de simulação numérica DEFORM 3F versão 6.1 do fabricante Scientific

Forming Technologies Corporation. Inicialmente foi realizado ensaio de tração conforme

norma ASTM A 370 em uma amostra do corpo de prova. A partir desse ensaio foi possível

determinar o diagrama tensão x deformação real dos corpos de prova. Essa é uma das

variáveis de entrada do software e deve ser aplicada na etapa de pré-processamento, onde são

descritas todas as características da amostra a ser modelada. A tabela com as coordenadas dos

pontos que formam o diagrama tensão deformação, resultante do ensaio de tração está no

apêndice A. Além disso, também foi determinada a composição química real da amostra

obtida via espectrometria de emissão ótica, que é outra variável de entrada do software,

devendo também ser inserida na etapa de pré-processamento. Tanto os resultados do ensaio de

tração quanto da composição química das amostras são mostrados no capítulo 4.

Para realização das simulações computacionais foram projetados modelos dos corpos

de prova, da ferramenta de extrusão com ângulos α de 30º, 45º e 60º e do pistão, como

monstrado na figura 3.14. Logo após, foram inseridos no modelo os defeitos dos corpos de

prova. Ao todo foram esquematizados 3 defeitos, com profundidade de 0,50 mm (500 µm),

0,75 mm (750 µm) e 1,00 mm (1.000 µm) de comprimento. A Figura 3.15 a e 3.15 b

representam, respectivamente, o desenho da amostra com defeito inserido, sem e com a

malha. Para as análises, foi estipulada uma malha de 25.000 nós, e adotado o regime

elastoplástico.

Figura 3.14 - Conjunto a ser simulado via elementos finitos.

Passo 1

58

Com vista a aumentar a confiabilidade da avaliação e ganho em termos de tempo de

análises, apenas a região da amostra que contém o defeito foi envolvida na simulação.

Figura 3.15 – Projeto do defeito inserido na amostra a ser simulada via elementos

finitos: a) sem a malha discretizada e b) com a malha discretizada.

Na figura 3.16 é possível observar três passos do processo de uma das simulações, já

na etapa de solução. O processo de extrusão foi simulado através da movimentação do pistão

da direita para a esquerda, até finalizado todo o movimento, e, consequentemente, finalizado

toda a conformação.

Figura 3.16 - Simulação realizada para o ângulo α = 30º, nos passos a) 1, b) 46 e c) 84.

A etapa de pós-processamento é exemplificada na figura 3.17. É nessa etapa que são

realizadas as medições do defeito remanescente. A malha discretizada foi ocultada para

melhor visualização do defeito. Através de relação trigonométrica simples determina-se o

a b c

a b

Passo1 Passo 46

0

Passo 84

59

ponto exato do processo onde a taxa de redução de área é a mesma da praticada nos ensaios

físicos, ou seja, V = 1,173 (diâmetro inicial 26 mm e diâmetro final 24 mm).

Figura 3.17 - Simulação realizada para o ângulo α = 30º, com defeito inicial de 1000

µm, estacionada no ponto onde a taxa de redução é de V = 1,173.

Finalizadas todas as simulações (para ângulos de redução da ferramenta α = 30º, 45°

e 60° e para defeitos com profundidade inicial de 500 µm, 750 µm e 1000 µm), é realizada a

medição da profundidade do defeito remanescente, conforme ilustrado na figura 3.18. Nela

está mostrada a simulação feita para ângulo α = 30º e defeito inicial com profundidade de

1000 µm.

Figura 3.18 – Medição do defeito remanescente.

Passo 50

Passo 50

60

CAPÍTULO 4

RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 – Caracterização dos corpos de prova

Inicialmente, a composição química real dos corpos de prova foi determinada via

espectrometria de emissão ótica e o resultado é indicado na tabela 3.4.

Tabela 3.4 - Composição química dos corpos de prova obtida via espectrometria de

emissão ótica.

Elemento químico Teor (%)

C 0,0600

Mn 0,3900

Si 0,0900

P 0,0150

S 0,0120

Al 0,0220

B 0,0001

Ca 0,0001

Cu 0,0010

Cr 0,0090

Mo 0,0014

Nb 0,0010

Ni 0,0120

Ti 0,0016

V 0,0020

Sn 0,0008

Fe 99,3552

A formabilidade define o grau de deformação ao qual o material pode ser submetido

sem que ocorra trincamento (PLANCAK, 1990). No caso da extrusão, podemos denominar a

formabilidade como extrudabilidade.

61

A extrudabilidade diminui com o aumento do teor de carbono ou de elementos de liga

(Cr, Mo, Nb, Ni, Ti, por exemplo). Elementos como enxofre e chumbo, que podem muitas

vezes serem aplicados aos aços visando ganho no processo de usinagem, também são

prejudiciais a extrudabilidade.

Para processos de extrusão a frio, aços com até 0,45% de carbono podem ser

extrudados. Atualmente a indústria tem obtido sucesso na extrusão de aços com teores acima

de 0,45%, porém a extrudabilidade de aços cujo carbono esteja na faixa compreendida entre

0,10 % e 0,25 % é maior. Conforme Chiaverini (1986), aço com teor de carbono de até 0,20%

são fáceis de extrudar a frio.

De acordo com os resultados de composição química apresentados na tabela 3.4,

podemos considerar que os teores de carbono e elementos de liga apresentados pelos corpos

de prova apresentam índices considerados favoráveis a extrudabilidade.

Foi realizado também ensaio de tração conforme a norma ASTM A 370. O desenho

esquemático do corpo de prova de tração característico dessa norma é exibido na figura 4.1.

Figura 4.1 - Corpo de prova (unidade em milímetro), segundo norma ASTM A 370.

O objetivo do ensaio de tração foi à determinação das coordenadas força x

deslocamento os quais foram utilizados no modelamento da simulação numérica via

elementos finitos. O diagrama força x deslocamento resultante do ensaio de tração é traçada

na figura 4.2 e apresenta valores compatíveis com o aço utilizado. No apêndice A é possível

verificar a tabela completa das coordenadas que deram origem a curva.

62

Figura 4.2 - Gráfico força x deslocamento resultante do ensaio de tração realizado na

mesma matéria-prima utilizada nos experimentos.

A tabela 3.5 resume os valores das principais propriedades mecânicas avaliadas no

ensaio de tração.

Tabela 3.5 - Principais propriedades mecânicas dos corpos de prova avaliadas no

ensaio de tração.

Propriedade mecânica Valor medido

Redução de área 79%

Limite de resistência 338 MPa

Alongamento 46%

Limite de escoamento. 174 MPa

63

4.2 – Ensaios físicos

4.2.1 – Extrusão dos corpos de prova e identificação dos defeitos

A primeira etapa dos ensaios físicos consistiu na realização da extrusão dos corpos de

prova. As figuras de 4.3 a 4.11 representam, respectivamente, as amostras de 1 a 9. Na

primeira linha das referidas figuras, é possível observar a superfície com o defeito através de

fotografias registradas logo após a extrusão. A segunda linha mostra a mesma região do

defeito submetida a ensaio por líquidos penetrantes. O ensaio por líquidos penetrantes é um

método desenvolvido para a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais,

abertas na superfície do material. Consiste em fazer penetrar na abertura da descontinuidade

um líquido. Após a remoção do excesso de líquido da superfície, faz- se o líquido retido sair

da descontinuidade por meio de um revelador. A imagem da descontinuidade fica então

desenhada sobre a superfície, nesse caso na cor vermelha.

As fotografias a seguir identificadas com a letra a) são das amostras cujo defeito

inicial era de 500 µm. As identificadas com a letra b) tinham defeito inicial de 750 µm e as

identificadas com c) mostram fotografias das amostras com defeito inicial de 1000 µm.

Figura 4.3 – Resultado do ensaio por líquido penetrante realizado na amostra 1 (α =

30º) e com profundidade de defeito igual a a) 500 μm, b) 750 μm c) 1.000 μm.

a) b) c)

64

Figura 4.4 – Resultado do ensaio por líquido penetrante realizado na amostra 2 (α =


Figura 4.5 - Resultado do ensaio por líquido penetrante realizado na amostra 3 (α =


a) b) c)

a)

a)

c)

d)

b)

a)

b)

a)

c)

d)

c)

b)

a)

c)

d)

65





a) b) c)

a)

a)

c)

d)

b)

a)

b)

a)

c)

d)

c)

b)

a)

c)

d)

66

a) b) c)



a) b) c)



67

a) b) c)



a) b) c)



68

4.2.2 – Medição da profundidade dos defeitos remanescentes.

Após a identificação dos defeitos através do ensaio por líquido penetrante foi medido a

profundidade dos defeitos remanescentes. Para viabilizar a medição, as amostras foram

cortadas na região de defeito e, logo após, foram submetidas a um lixamento, com uso de

máquina politriz do fabricante Buehler. Para proceder a observação e medição dos defeitos

remanescentes foi utilizado microscópio ótico.

As figuras 4.12, 4.13 e 4.14 mostram, respectivamente, as medições realizadas nas

amostras 1, 2 e 3. Essas amostras foram extrudadas com ferramenta com ângulo α de 30º. Na

sequência, as figuras 4.15, 4.16 e 4.17 mostram, respectivamente, as medições nas amostras 4,

5 e 6, todas extrudadas com ferramenta com ângulo α de 45º. Finalizando, as figuras 4.18,

4.19 e 4.20 mostram, respectivamente, as medições nas amostras 7, 8 e 9. Essas últimas foram

extrudadas com ferramenta com ângulo α de 60º.

Figura 4.12 - Amostra 1 (α = 30º) defeitos iniciais a) 500 µm, b) 750 µm, c) 1000 µm.


69




70




71

Figura 4.20 - Amostra 9 (α = 60º) defeitos iniciais a) 500 µm, b) 750 µm, c) 1000 µm

A tabela 3.6 apresenta todos os resultados das medidas de profundidade de defeitos

remanescente obtidos via microscópio eletrônico de varredura, tanto para as três

profundidades iniciais de defeito, quanto para o ângulo de ferramenta de extrusão utilizado.

Tabela 3.6 - Profundidade de defeitos remanescentes medidos via microscópio

eletrônico de varredura.

Profundidade inicial do defeito (μm)

500 750 1000

Ângulo

de

reduçã

o d

a

ferr

amen

ta.

30

240 368 525

200 356 445

192 282 508

45

271 452 614

267 511 478

226 409 311

60

240 594 552

302 467 671

336 426 549

72

4.2.3 – Simulações numéricas

A Figura 4.21 mostra três passos de uma das simulações realizada. Foi simulado o

processo completo de extrusão, com redução de área total de 70%, ao longo de, em média, 84

passes. As mesmas condições dos ensaios físicos foram estabelecidas, ou seja, três diferentes

ângulos da ferramenta (α = 30º, 45º e 60º) e três diferentes níveis de profundidade inicial de

defeitos (500 µm, 750 µm e 1000 µm), totalizando assim 9 simulações. Além disso, todo o

dimensionamento do corpo de prova, sua composição química e todas as propriedades

mecânicas foram descritas na etapa de pré-processamento, fazendo com que todas as

características dos ensaios físicos fossem fielmente reproduzidas nas simulações.

Figura 4.21 - Três diferentes passos para simulação realizada com ângulo α = 30º.

Finalizada a etapa de solução, iniciou-se a etapa de pós-processamento, onde as

medições de profundidade de defeitos remanescentes são efetuadas. Através de relação

trigonométrica simples determinou-se o ponto exato do processo onde a taxa de redução de

área é a mesma da praticada nos ensaios físicos. A malha discretizada foi ocultada para

melhor visualização do defeito.

As figuras 4.22, 4.23 e 4.24 são referentes às medições realizadas para as

simulações com α = 30º e profundidade de defeito inicial de 500 µm, 750 µm e 1000 µm,

respectivamente. Já as figuras 4.25, 4.26 e 4.27 são para as simulações com α = 45º e

profundidade de defeito inicial de 500 µm, 750 µm e 1000 µm, respectivamente. Por último, a

sequência composta pelas figuras 4.28, 4.29 e 4.30 mostram as simulações com α = 60º e

profundidade de defeito inicial de 500 µm, 750 µm e 1000 µm, respectivamente.

Passo 1 Passo 46 Passo 84

73

Figura 4.22 - Defeito remanescente simulado para α = 30º, defeito inicial de 500 μm.


Passo 52

Passo 49

74



Passo 50

75



Passo 47

Passo 40

76



Passo 30

77


A tabela 3.7 mostra todos os resultados dos valores de profundidade de defeito

remanescente simulados via elementos finitos.

Tabela 3.7 - Resultados dos valores de profundidade de defeito remanescente simulados

via elementos finitos.

Profundidade inicial do defeito (µm)

500 750 1000

Ân

gulo

de

red

uçã

o d

a

ferr

amen

ta.

30 356 334 566

45 282 495 523

60 354 526 483

Passo 64

78

4.2.4 – Análise comparativa dos defeitos remanescentes simulados e medidos.

A seguir são mostrados gráficos com o objetivo de comparar os valores obtidos nas

simulações e os medidos a partir dos ensaios físicos. A primeira coluna dos gráficos apresenta

os valores simulados e as três colunas seguintes, os valores medidos nos ensaios físicos, que

contou com três réplicas para cada situação. Abaixo dos gráficos, uma tabela mostra a média

dos valores medidos a partir dos ensaios físicos, bem como o desvio padrão desses valores e

determina também o intervalo de confiança a com nível de significância de 5%. Também é

calculado o “p-value” desses dados. Todos esses valores são obtidos por meio de análises

estatísticas cuja teoria se encontra no anexo B.

Para a análise comparativa de médias, tomou-se como média a ser testada (μ0) o valor

obtido na simulação numérica. As médias dos valores reais obtidos via ensaios físicos formam

a média μ1. Dessa forma, a hipótese nula H0 será μ0 = μ1, enquanto que H1 será μ0 ≠ μ1

(vide anexo A).

As figuras 4.31, 4.32 e 4.33 apresentam as medições realizadas para o ângulo α = 30º,

com comprimento de defeito inicial 500 μm, 750 μm e 1000 μm, respectivamente. É mostrado

o gráfico seguido pela tabela com a análise estatística e o resultado do comparativo de médias,

expresso pelo “p-value”.

As figuras 4.34, 4.35 e 4.36 apresentam as medições realizadas para o ângulo α = 45º,

com comprimento de defeito inicial 500 μm, 750 μm e 1000 μm, respectivamente. Da mesma

forma, é mostrado o gráfico seguido pela tabela com a análise estatística e o resultado de

comparativo de médias, expresso pelo “p-value”.

Finalizando, as figuras 4.37, 4.38 e 4.39 apresentam as medições realizadas para o

ângulo α = 60º, com comprimento de defeito inicial 500 μm, 750 μm e 1000 μm,

respectivamente. Também é mostrado o gráfico seguido pela tabela com a análise estatística e

o resultado comparativo de médias, expresso pelo “p-value”.

79

Figura 4.31 - Gráfico e análise estatística para defeito inicial de 500 μm e α = 30º.


Defeito remanescente - simulado

Média Média Desvio padrão Intervalo de confiança - 95%

500 µm 30 356 µm 210,7 µm 25,7 µm 146,8 - 274,5 0,010

Defeito remanescente - resultado medidoComprimento

inicial do defeitoα P-value



750 µm 30 334 µm 335,3 µm 46,6 µm 219,6 - 451,0 0,965



80





1.000 µm 30 566 µm 492,7 µm 42,1 µm 387,9 - 597,3 0,095





500 µm 45 282 µm 254,7 µm 24,9 µm 192,8 - 316,5 0,198



81





750 µm 45 495 µm 457,3 µm 51,2 µm 330,1 - 584,5 0,331





1.000 µm 45 523 µm 467,7 µm 151,7 µm 90,6 - 844,6 0,592



82





500 µm 60 354 µm 292,7 µm 48,7 µm 171,7 - 413,6 0,161





1.000 µm 45 523 µm 467,7 µm 151,7 µm 90,6 - 844,6 0,592



83


Assumindo como média a ser testada (μ0) o valor obtido na simulação numérica e as

médias dos valores reais obtidos via ensaios físicos como μ1, montamos o seguinte teste de

hipóteses: a) Hipótese H0: μ0 = μ1 e b) Hipótese H1: μ0 ≠ μ1.

Considerando nível de significância de 5%, para situações em que o “p-value” é maior

que 0,05 devemos aceitar a hipótese nula H0.

A tabela 3.8 mostra o resultado de todos os valores “p-value” calculados. É possível

observar que em apenas um caso o valor “p-value” não foi maior que 0,05. Isso mostra que, à

exceção da redução α = 30º e defeito inicial de 500 μm, em todos os demais casos, a média

dos valores obtidos nos ensaios físicos é semelhante ao valor simulado (aceitamos a hipótese

nula, ou seja, μ0 = μ1).



1.000 µm 60 483 µm 590,7 µm 69,6 µm 417,8 - 763,5 0,116



84

Tabela 3.8 - Resultados de p-value calculados nos experimentos.

Comprimento

inicial do defeito α P-value

500 µm 30 0,010

500 µm 45 0,198

500 µm 60 0,161

750 µm 30 0,965

750 µm 45 0,331

750 µm 60 0,610

1.000 µm 30 0,095

1.000 µm 45 0,592

1.000 µm 60 0,116

Com base na tabela 3.9 é possível realizar a análise fatorial do experimento. De acordo

com Button (2005), o planejamento fatorial é indicado quando se deseja estudar os efeitos de

duas ou mais variáveis de influência. Em cada tentativa ou réplica, todas as combinações

possíveis dos níveis de cada variável são investigadas. Quando o efeito de uma variável

depende do nível das outras variáveis, diz-se que há interação dessas variáveis. Toda a base

estatística para uma correta análise fatorial esta descrita no anexo C. Assim, tomando os dados

da tabela 3.9, que traz todos os valores medidos a partir dos corpos de prova extrudados, é

possível finalizar a análise fatorial do experimento, descrita na tabela 3.10.

Tabela 3.9 – Resultados das medições da profundidade de defeito remanescentes nas amostras

a partir dos ensaios físicos.

Profundidade inicial do defeito (µm)

500 750 1000

Ângulo

de

reduçã

o d

a

ferr

amen

ta.

30

240 368 525

200 356 445

192 282 508

45

271 452 614

267 511 478

226 409 311

60

240 594 552

302 467 671

336 426 549

85

Tabela 3.10 – Resultado da análise fatorial do experimento.

Somatório dos quadrados Grau liberdade

Valor calculado Valor tabelado

SST 495.420 26 19054,6

SS ângulo 58.481 2 29240,3 5,75 3,55

SS defeito 326.365 2 163183 32,09 3,55

SS AB 19.042 4 4760,43 0,94 2,93

Sserro 91.532 18 5085,11

Pela tabela 3.10, verifica-se que os valores calculados para o ângulo (5,75) e para a

profundidade do defeito (32,09) é maior que o valor da tabela de distribuição de Fischer em

nível de significância de 5% (anexo D), que é de 3,55. Isso leva a conclusão de que tanto o

defeito quanto o ângulo da ferramenta influenciam na profundidade do defeito remanescente.

Observa-se também que a influencia do comprimento inicial do defeito é maior, já que o valor

calculado para essa variável foi maior (32,09).

Outra informação possível de ser obtida a partir da análise fatorial do experimento é

que não existe uma interação entre ângulo de ferramenta e profundidade inicial de defeito que

influencie mais na profundidade de defeito remanescente. Isso pode ser observado a partir do

valor calculado da interação, que é 0,94. Esse valor é menor que o tabelado (2,93). Dessa

forma, conclui-se que não existe uma interação ângulo e defeito que influencie mais na

profundidade final do defeito remanescente.

86

CAPÍTULO 5

CONCLUSÕES

Tomando como base os resultados e discussões expostas no capítulo anterior, pode-se

concluir:

Nas reduções com ângulo α = 30º, para todos os comprimentos iniciais de defeitos

(500 µm, 750 µm e 1.000 µm) não houve fechamento total do defeito nos ensaios físicos,

assim como previsto pela simulação numérica. A análise comparativa de médias mostrou que

a média do valor obtido na simulação é semelhante à média resultante dos ensaios físicos, a

exceção do defeito inicial de 500 µm, onde o valor simulado foi superestimado em relação aos

valores reais.

Para reduções com ângulo α = 45º, para todos os comprimentos iniciais de defeitos

(500 µm, 750 µm e 1.000 µm) também não houve fechamento total do defeito nos ensaios

físicos, da mesma forma que previu a simulação numérica. Além disso, a análise comparativa

de médias mostrou que a média do valor obtido na simulação é semelhante a média resultante

dos ensaios físicos.

Semelhantemente, nas reduções com ângulo α = 60º também não houve fechamento

total dos defeitos nos ensaios físicos, concordando mais uma vez com a previsão da simulação

numérica. A análise comparativa de médias também mostrou que as médias obtidas nos

ensaios físicos são semelhantes à média obtida na simulação numérica.

A análise fatorial dos resultados dos ensaios físicos mostra que tanto o defeito quanto

o ângulo da ferramenta influenciam na profundidade do defeito remanescente, sendo a

profundidade inicial do defeito como fator mais preponderante. A análise da interação ângulo

da ferramenta e profundidade inicial do defeito mostra que não existe uma combinação dessas

variáveis que influencie mais no resultado de profundidade de defeito remanescente.

Os resultados apresentados possibilitam a validação do uso da técnica de elementos

finitos como ferramenta para a previsão do comportamento defeitos de superfície da matéria-

prima, quando essas são utilizadas em processo de extrusão a frio.

87

CAPÍTULO 6

TRABALHOS FUTUROS

Considerando os resultados obtidos nesse trabalho, é possível sugerir como trabalhos

futuros:

Repetir o trabalho para experimentos que envolvam o mesmo aço, porém com uso

do processo de extrusão a quente.

Repetir o trabalho utilizando aços com conformabilidade menor, ou seja, com

maior teor de carbono e de elementos de liga.

Utilizar diferentes tipos de lubrificantes e verificar sua influência no nível de

fechamento dos defeitos.

Refazer as análises utilizando diferentes metais, em especial o Alumínio, muito

utilizado em processos de extrusão.

Utilizar o método de elementos finitos para determinação de outras variáveis do

processo de extrusão, como elevação de temperatura, por exemplo.

Verificar a influência da geometria do defeito no nível de fechamento dos mesmos.

88

CAPÍTULO 7

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÀFICAS

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Site: www.hidro.com, consulta no dia 09/06/2013)

Site: www.machinedesign.com, consulta no dia 19/04/2012.

Site: www.non-ferrous.com, consulta no dia 19/04/2012.

http://www.acocorteacos.com.br/download/composicao_quimica.pdf

http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/FT_13_VC131.pdf

91

APÊNDICE A

Tabela 1: Valores de Força (Kilonewton) pelo deslocamento (milímetro) medido no

ensaio de tração.

Tempo (segundo) Força (KN) Deslocamento (mm)

0 0,78 0,00

1 2,41 0,16

2 3,83 0,33

3 5,26 0,50

4 6,66 0,67

5 6,59 0,84

6 7,91 1,00

7 9,60 1,16

8 11,30 1,33

9 13,16 1,50

10 15,09 1,67

11 17,06 1,83

12 18,81 2,00

13 20,43 2,17

14 21,55 2,34

15 21,89 2,50

16 21,81 2,67

17 21,83 2,84

18 22,57 3,01

19 23,37 3,17

20 24,15 3,34

21 24,53 3,51

22 25,09 3,67

23 25,68 3,84

24 26,65 4,01

25 27,28 4,18

26 27,82 4,34

27 28,36 4,51

28 28,44 4,68

29 29,41 4,84

30 29,92 5,01

31 30,37 5,18

32 30,82 5,35

33 30,85 5,51

34 31,74 5,68

35 31,71 5,85

36 32,51 6,02

37 32,92 6,18

38 33,26 6,35

39 33,64 6,52

40 33,98 6,68

41 34,34 6,85

42 34,65 7,02

43 34,96 7,19

44 35,21 7,35


45 35,50 7,52

46 35,80 7,69

47 36,02 7,85

48 36,28 8,02

49 36,51 8,19

50 36,75 8,36

51 36,94 8,52

52 37,17 8,69

53 37,38 8,86

54 37,57 9,02

55 37,76 9,19

56 37,92 9,36

57 38,07 9,53

58 38,24 9,69

59 38,39 9,86

60 38,56 10,03

61 38,70 10,20

62 38,82 10,30

63 38,97 10,50

64 39,09 10,70

65 38,50 10,87

66 39,28 11,00

67 39,39 11,20

68 39,49 11,30

69 39,60 11,50

70 39,69 11,70

72 39,85 12,00

73 39,93 12,20

74 40,12 12,40

75 40,07 12,50

76 40,14 12,70

77 40,20 12,80

78 40,26 13,00

79 40,31 13,20

80 40,39 13,30

81 40,41 13,50

82 40,46 13,70

83 40,52 13,80

84 40,61 14,00

85 40,57 14,20

86 40,62 14,37

87 40,66 14,50

88 40,67 14,70

89 40,71 14,80

90 40,75 15,00

92

Tabela 1: Valores de Força (Kilonewton) pelo deslocamento (milímetro) medido no

ensaio de tração (continuação).


91 40,80 15,20

92 40,78 15,30

93 40,81 15,53

94 40,82 15,70

95 40,82 15,80

96 40,84 16,00

97 40,85 16,20

98 40,88 16,30

99 40,88 16,50

100 40,90 16,70

101 40,86 16,80

102 40,88 17,00

103 40,89 17,10

104 40,88 17,30

105 40,88 17,50

106 40,86 17,70

107 40,87 17,86

108 40,86 18,00

109 40,84 18,20

110 40,82 18,30

111 40,82 18,50

112 40,78 18,60

113 40,76 18,80

114 40,71 19,00

115 40,70 19,20

116 40,67 19,30

117 40,63 19,50

118 40,60 19,70

119 40,56 19.86

120 40,52 20,00

121 40,46 20,20

122 40,42 20,30

123 40,36 20,50

124 40,30 20,70

125 40,21 20,80

126 40,14 21,00

127 40,05 21,10

128 39,96 21,30

129 39,83 21,50

130 39,72 21,60


131 39,57 21,80

132 39,42 22,00

133 39,27 22,20

134 39,07 22,30

135 38,90 22,50

136 38,68 22,70

137 38,47 22,80

138 38,22 23,00

139 37,99 23,20

140 37,73 23,30

141 37,44 23,50

142 37,16 23,70

143 36,84 23,80

144 36,53 24,00

145 36,21 24,10

146 35,82 24,30

147 35,46 24,50

148 35,07 24,70

149 34,63 24,80

150 34,21 25,00

151 33,75 25,20

152 33,27 25,30

153 32,77 25,50

154 32,25 25,70

155 31,71 25,80

156 31,14 26,00

157 30,58 26,10

158 29,93 26,37

159 29,26 26,50

160 28,60 26,70

161 27,90 26,80

162 27,15 27,00

163 26,34 27,20

164 25,46 27,30

165 23,81 27,53

93

ANEXO A

Tabela 1: Composição química aço VC 131 (fonte:

www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/FT_13_VC131.pdf).


Carbono 2,10

Cromo 11,50

Tungstênio 0,70

Vanádio 0,15

Tabela 2: Composição química aço SAE 1045 (fonte:

www.acocorteacos.com.br/download/composicao_quimica.pdf).


Carbono 0,45

Silício 0,25

Manganês 0,75

Enxofre máximo 0,04

Fósforo máximo 0,04

http://www.acocorteacos.com.br/download/composicao_quimica.pdf

94

ANEXO B

De acordo com Button (2005), um teste de hipóteses consiste na definição de

declarações (hipóteses) sobre os parâmetros de uma distribuição de probabilidade. Por

exemplo, sejam m1 e m2 médias de duas amostras distintas. As seguintes declarações são

hipóteses possíveis:

H0: m1 = m2 (também definida como hipótese nula).

H1: m1 ≠ m2 (também definida como hipótese alternativa).

Este procedimento consiste em analisar uma amostra aleatória, realizar um teste

estatístico apropriado e desta forma, rejeitar ou não a hipótese nula. Essa rejeição é baseada

num conjunto de valores denominado região crítica ou região de rejeição. Se a hipótese nula é

rejeitada quando na realidade ela é verdadeira, comete-se um erro do tipo I. Se por outro lado,

a hipótese nula é falsa e não é rejeitada pelo teste, então cometeu-se um erro do tipo II. A

probabilidade desses erros ocorrerem é dada respectivamente por a e b.

O procedimento geralmente adotado no teste de hipóteses é a definição de um valor

para a probabilidade do erro do tipo I (a), também denominado de nível de significância do

teste, definindo-se um valor ligeiramente inferior para a probabilidade b.

Como exemplo, tome-se duas amostras retiradas de distribuições, com variâncias

assumidas como iguais mas desconhecidas, obtidas num planejamento totalmente

aleatorizado, para as quais deseja-se verificar as médias. O teste estatístico utilizando uma

distribuição t para as observações das duas amostras fornece:

95

E que:

é a estimativa das variâncias das populações.

Para definir se a hipótese nula (H0) deve ser rejeitada, deve-se comparar t0 com o valor

da distribuição t com n1 + n2 – 2 graus de liberdade. Se │t0│> tα/2, n1 + n2 – 2, então H0 seria

rejeitada, ou seja, as médias das distribuições relativas às duas amostras são diferentes.

No exemplo apresentado, o teste de hipóteses verificava se as médias eram iguais ou

diferentes. Também é possível verificar se 1 < 2 ou se 1 > 2. No primeiro caso, H1: 1 <

2, de forma que H0 será rejeitada caso t0 < tα/2, n1 + n2 – 2. No outro caso, H1: 1 > 2, H0 será

rejeitada caso t0 > tα/2, n1 + n2 – 2.

Definição do intervalo de confiança para médias de populações

Os intervalos de confiança permitem por exemplo, que além da conclusão a respeito

das médias (1 < 2 ou se 1 > 2) - obtida a partir do teste de hipóteses - determine-se como

elas são diferentes (1 < 2).

Esse procedimento permite definir em que intervalo de valores espera-se encontrar um

determinado parâmetro. Por exemplo, o parâmetro ɵ uma incógnita para a qual deseja-se

estimar o intervalo de confiança. Primeiro, determina-se dois valores estatísticos L e U, de

modo que a probabilidade seja definida como:

P(L q U) = 1 – α

O intervalo é denominado intervalo de confiança para o parâmetro ɵ com porcentagem

de 100.(1 – α). Se, por exemplo, estamos interessados em determinar o intervalo de confiança

96

para a diferença das médias de duas distribuições (1 e 2) com uma confiança de 100.( 1 –

α), pode-se determinar esse intervalo da seguinte forma:

Quando as variâncias não são iguais, o teste t de duas amostras torna-se:

Para que t0 apresente-se como uma distribuição t, o número de graus de liberdade

deve ser calculado como:

97

Se a variância da população é desconhecida, devemos assumir que a população é

normalmente distribuída. Neste caso, a hipótese nula H0: = 0 será testada usando-se a

variância S2 da amostra como estimativa de σ

2 o valor do teste t0 é dado por:

A hipótese nula será rejeitada se │t0│> tα/2, n1 – 1 S/ n. Nesse caso o intervalo de

confiança para uma porcentagem de 100 (1-α) é dado por:

98

ANEXO C

O planejamento fatorial é indicado quando deseja-se estudar os efeitos de duas ou

mais variáveis de influência. Em cada tentativa ou réplica, todas as combinações possíveis dos

níveis de cada variável são investigados. Quando o efeito de uma variável depende do nível

das outras variáveis, diz-se que há interação dessas variáveis.

Nesse exemplo serão estudados dois fatores A e B, A com a níveis e B com b níveis,

utilizando-se n réplicas com a.b combinações.

Como exemplo, um estudo em que se deseja analisar o efeito de dois fatores, cada um

deles com dois níveis. Se analisar-se o efeito de um fator separadamente, tem-se um

planejamento aleatorizado como:

O efeito de A seria: A2B1 - A1B1 e o efeito de B seria B2A1 -B1A1.

Assim, tem-se três ensaios. Se deseja-se minimizar os erros, usando duas réplicas,

tem-se um total de 6 ensaios. Porém, não se pode verificar a interação de A e B. Já com o

planejamento fatorial (PF), tem-se:

Analisando dois casos distintos, pode-se analisar a interação das variáveis pelo PF:

99

Esses resultados poderiam ser provenientes de um exemplo em que se deseja estudar

como a vida útil de baterias é influenciada pelo tipo de material empregado na fabricação e

pela temperatura de utilização. Tem-se dois materiais e duas temperaturas e deseja-se saber se

o material e a temperatura afetam a vida e se eles interagem. O conceito de projeto robusto

aplica-se nessa situação, pois deseja-se que as baterias apresentem-se robustas em relação à

temperatura de utilização, qualquer que seja, desde que dentro de uma faixa analisada. No

caso 1, tem-se a seguinte representação gráfica dos resultados obtidos:

Observa-se que os dois fatores interferem na vida das baterias, mas que eles não

interagem. Já no caso 2, representado pela figura abaixo, observa-se novamente que os fatores

afetam a vida mas, também, que eles interagem, pois o efeito de A depende do nível de B.

100

Devido ao pequeno número de ensaios utilizado no PF, esse planejamento é indicado

para o início do procedimento experimental quando há necessidade de definir-se as variáveis

de influência e estudar seus efeitos sobre a variável de resposta escolhida. Deve-se destacar

também que o PF é um modelo de efeitos fixos, assim os resultados de sua análise não podem

ser transferidos para outros níveis que não os analisados no planejamento. O modelo

estatístico é dado por:

Os resultados obtidos no planejamento fatorial podem ser representados pela tabela a

seguir:

101

O teste de hipóteses busca definir se as variáveis têm ou não influência e também se

sua interação afeta a variável de resposta. Assim, esse teste fica:

A somatória dos quadrados das diferenças é representada pela expressão e pelo quadro

de análise apresentados a seguir.

102

Novamente, para a análise estatística das hipóteses, tem-se que SST é uma soma de

quadrados de variáveis aleatórias normalmente distribuídas SST/σ2, SSA/σ

2, SSB/ σ

2, SSAB/ σ2

e SSE/ σ2 são distribuídas como chi-quadrado respectivamente, com N-1 , a-1, b-1, (a-1)(b-1)

e ab(n-1) graus de liberdade, se a hipótese nula:

for verdadeira. Assim, tem-se:

103

ANEXO D

Tabela 1: Tabela de distribuição de Fisher (MONTGOMERY, 2011).

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Cleiton Arlindo Martins ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE ... · i cleiton arlindo martins estudo do comportamento de defeitos de superfÍcie da matÉria-prima em operaÇÕes de extrusÃo