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ETEP FACULDADES
COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE UM VIRABRAQUIM: FUNDIÇÃO X FORJAMENTO.
Alunos: Amanda Santos de Castro RA: 091157
Ana Claudia Carvalho RA: 091318
Bruna Cristina C. Melo RA: 091196
Bruno Garrido RA: 061094
Gabriela Vilas Boas RA: 092604
Mariana Elisa da Silva RA: 092112
Pamela Castro M. Silva RA: 091240
Matéria: Processos de Fabricação II
Turma: 14 EMNA
Professor: Dr. José Eduardo Salgueiro Lima
ETEP Faculdades
São José dos Campos
2012
SumárioOBJETIVO..................................................................................................................................2
1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................3
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...........................................................................................4
2.1 - FUNDIÇÃO.....................................................................................................................4
2.2 - CONFORMAÇÃO PLÁSTICA.......................................................................................7
3. MÉTODOS E MATERIAIS.....................................................................................................9
3.1 – PROCESSO FORJADO..................................................................................................9
3.1.1 – DESCRIÇÃO DO PROCESSO..............................................................................10
3.1.2 – EQUIPAMENTOS.................................................................................................12
3.1.3 – PROPRIEDADES MECÂNICAS..........................................................................14
3.1.4 – DEFEITOS.............................................................................................................15
3.1.5 – CUSTO X BENEFÍCIO.........................................................................................16
3.1.6 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO........................................16
3.2 – PROCESSO FUNDIDO................................................................................................17
3.2.1 – DESCRIÇÃO DO PROCESSO..............................................................................18
3.2.2 – MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS.......................................................................19
3.2.3 – PROPRIEDADES MECÂNICAS..........................................................................20
3.2.4 – DEFEITOS.............................................................................................................20
3.2.5 – CUTO X BENEFÍCIO............................................................................................20
3.2.6 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO........................................21
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES...........................................................................................21
4.1 – COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS................................................................22
5 CONCLUSÃO........................................................................................................................24
6 REFERÊNCIAS......................................................................................................................25
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OBJETIVO
Este estudo tem por objetivo mostrar as vantagens e as limitações de ambos os
processos e permitirá ao leitor uma determinação segura de qual o melhor caminho a
seguir quando considerar fundidos e forjados
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1 INTRODUÇÃO
A maioria dos componentes de aço tem seu inicio como fundido: o metal passa
por uma fusão, vazamento em um molde e solidificação. No caso do processo de
fundição, devido ao fato do molde ter a forma próxima à forma final da peça, o que
resta a fazer são algumas operações de acabamento.
No caso dos forjados a primeira forma é um lingote. Lingotes normalmente são
de grandes dimensões com seções retangulares e bastante pesadas. Estes lingotes, ou
placas ou tarugos são forjados no perfil em martelos e prensas. Muita usinagem é
requerida até a sua configuração final.
Apesar de haver uma extensa área de utilização comum, existe uma tendência de
se usar forjados exclusivamente em determinadas situações e fundidos em outras.
Mesmo partindo de processos iniciais bastante parecidos fundidos e forjados podem ter
vantagens bastante distintas.
4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 - FUNDIÇÃO
O processo de fundição nada mais é que um conjunto de atividades necessárias
para dar forma aos materiais por meio de fusão. Em suma, consiste em verter material
fundido (liquído) sobre um molde de aço, em geral feito de areia, seja este material
ferro, aço, bronze, ouro, prata, alumínio ou qualquer outro metal.
A fundição compreende três processos: Primeiro se constrói um modelo em
madeira, plástico ou metal com a forma desejada, em seguida, faz-se um molde aço,
colocando areia em torno do modelo, que depois é retirado e finalmente o metal fundido
é colocado no molde.
A fundição é um processo de fabricação inicial, porque permite a obtenção de
peças com formas praticamente definitivas, com mínimas limitações de tamanho,
formato e complexidade, e também é o processo pelo qual se fabricam os lingotes. É a
partir do lingote que se realizam os processos de conformação mecânica para a obtenção
de chapas, placas, perfis, etc.
É um dos processos mais antigos e também um dos mais versáteis,
principalmente quando se considera os diferentes formatos e tamanhos das peças que se
pode produzir por esse processo.Sua principal vantagem é obter, de maneira econômica,
peças de geometria complexa, porém existem também desvantagens, os aços fundidos,
por exemplo, podem apresentar elevadas tensões residuais, microporosidade, zonamento
e variações de tamanho de grão. Tais fatores resultam em menor resistência e
ductilidade, quando comparados aos aços obtidos por outros processos de fabricação
como conformação a quente.
Exemplos de peças fundidas: acessórios de tubulações, peças de um forno, bloco
do motor de automóveis e aviões, pistões, anéis dos pistões, bases de máquina
ferramenta, rodas, e eixos de manivela.
Tipos de fundição
É usual classificar os processos de fundição quanto ao material ou quanto ao
método pelo qual o molde é fabricado. Portanto, é possível classificar os processos de
fundição em dois grupos:
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- Fundição em moldes de areia;
- Fundição em moldes metálicos.
Fundição em areia
A fundição em areia é a mais usada, não só na produção de peças de aço e ferro
fundido, porque os moldes de areia são os que suportam melhor as altas temperaturas de
fusão desses dois metais, mas também para a produção de peças de ligas de alumínio,
latão, bronze e magnésio.O processo em areia, particularmente a moldagem em areia
verde é o mais simples e mais usado nas empresas do ramo. A preparação do molde,
neste caso, consiste em compactar mecânica ou manualmente uma mistura refratária
plástica chamada areia de fundição, sobre um modelo montado em uma caixa de
moldar.
Fundição de Precisão ( Cera perdida )
Produzir peças por fundição é basicamente fazer um modelo, fazer um molde a
partir desse modelo, e vazar (despejar) metal líquido dentro do molde
O que diferencia um processo do outro é tanto o modo como o metal líquido é
vazado (pode ser por gravidade ou pressão) quanto o tipo de moldagem utilizado (em
moldes de areia ou em moldes metálicos).
Por outro lado, a escolha do processo é determinada principalmente pelo tipo de
produto final que você quer obter. Assim, se você quiser produzir um produto fundido
com determinado peso máximo de 5 kg, formato complexo, melhor acabamento de
superfície e tolerâncias mais estreitas em suas medidas, ou seja, um produto com
características aliadas à qualidade do produto usinado, será necessário usar o processo
de fundição de precisão.
Por esse processo, pode-se fundir ligas de alumínio, de níquel, de magnésio, de
cobre, de cobre-berílio, de bronze-silício, latão ao silício, ligas resistentes ao calor, além
do aço e do aço inoxidável para a produção de peças estruturais para a indústria
aeronáutica, para motores de avião, equipamentos aeroespaciais, de processamento de
dados, turbinas a gás, máquinas operatrizes, equipamentos médicos, odontológicos,
ópticos etc.
Em qual aspecto a fundição de precisão se diferencia dos outros processos de
fundição? Exatamente na confecção dos modelos e dos moldes. Enquanto nos processos
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por fundição em areia, o modelo é reaproveitado e o molde é destruído após a produção
da peça, na fundição de precisão tanto o modelo quanto o molde são destruídos após a
produção da peça.
Os modelos para a confecção dos moldes são produzidos em cera a partir de uma
matriz metálica formada por uma cavidade com o formato e dimensões da peça
desejada. A cera, que não se assemelha àquela que usamos no assoalho da nossa casa, é
um material que derrete com o calor. E é no estado líquido que ela é injetada dentro da
matriz para formar os modelos.
O molde é produzido a partir de uma pasta ou lama refratária feita com sílica ou
zirconita, na forma de areia muito fina, misturada com um aglomerante feito com água,
silicato de sódio e / ou silicato de etila. Esta lama endurece em contato com o ar e é nela
que o modelo de cera ou plástico é mergulhado. Quando a lama endurece em volta do
modelo, forma-se um molde rígido. Após o endurecimento da pasta refratária, o molde é
aquecido, o modelo derretido, e destruído. Essa casca endurecida é o molde
propriamente dito e é nele que o metal líquido é vazado. Assim que a peça se solidifica,
o molde é inutilizado. Por causa das características desse processo, ele também pode ser
chamado de fundição por moldagem em cera perdida.
Fundição sob Pressão
Os moldes metálicos também são usados no processo de fundição sob pressão.
Este consiste em forçar o metal líquido a penetrar na cavidade do molde, chamado de
matriz.
2.2 - CONFORMAÇÃO PLÁSTICA
Entende-se como conformação dos metais a modificação de um corpo metálico
para outra forma definida. Os processos de conformação podem ser divididos em dois
grupos: processos mecânicos, nos quais as modificações de forma são provocadas pela
aplicação de tensões externas, e processos metalúrgicos, nos quais as modificações de
forma estão relacionadas com altas temperaturas.
Os processos mecânicos são constituídos pelos processos de conformação
plástica, para os quais as tensões aplicadas são geralmente inferiores ao limite de
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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, por retirada de material. Devido a sua natureza, esses processos
são também denominados “Processos de Conformação Mecânica”.
Os processos metalúrgicos subdividem-se em conformação por solidificação,
para os quais a temperatura adotada é superior ao ponto de fusão do metal e a forma
final é obtida pela transformação líquido-sólido, e conformação por sinterização, em
que a temperatura de processamento é inferior ao ponto de fusão do metal (metalurgia
do pó).
Os processos de conformação plástica dos metais permitem a obtenção de peças
no estado sólido, com características controladas, através da aplicação de esforços
mecânicos em corpos metálicos iniciais que mantêm os seus volumes constantes. De
uma forma resumida, os objetivos desses processos são a obtenção de produtos finais
com especificação de:
a) dimensão e forma;
b) propriedades mecânicas;
c) condições superficiais
Os processos de conformação plástica podem ser classificados de acordo com
vários critérios:
a) quanto ao tipo de esforço predominante;
b) quanto à temperatura de trabalho;
c) quanto à forma do material trabalhado ou do produto final;
d) quanto ao tamanho da região de deformação (localizada ou geral);
e) quanto ao tipo de fluxo do material (estacionário ou intermitente);
f) quanto ao tipo de produto obtido (semi-acabado ou acabado).
Os processos quanto ao tipo de esforço predominante podem ser classificados
em:
a) processo de conformação por compressão direta;
b) processo de conformação por compressão indireta;
c) processo de conformação por tração;
d) processo de conformação por cisalhamento;
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e) processo de conformação por flexão.
Nos processos de conformação por compressão direta, predomina a solicitação
externa por compressão sobre a peça de trabalho. Nos processos de conformação por
compressão indireta, as forças externas aplicadas sobre a peça podem ser tanto de tração
como de compressão, mais as que efetivamente provocam a conformação plástica do
metal são de compressão indireta, desenvolvidas pela reação da matriz sobre a peça. O
principal exemplo de processo de conformação por tração é o estiramento de chapas, em
que a peça toma a forma da matriz através da aplicação de forças de tração em suas
extremidades. Os processos de conformação por cisalhamento envolvem forças
cisalhantes suficientes para romper o metal no seu plano de cisalhamento. Os melhores
exemplos desse tipo de processo são a torção de barras e o corte de chapas.
Em relação à temperatura de trabalho, os processos de conformação podem ser
classificados em processos com trabalho mecânico a frio e com trabalho mecânico a
quente. Quando a temperatura de trabalho é maior que a temperatura que provoca a
recristalização do metal, o processo é denominado como trabalho a quente e, abaixo
dessa temperatura, o trabalho é denominado como a frio.
No trabalho mecânico a frio, provoca-se o aparecimento no metal do chamado
efeito de encruamento, ou seja, o aumento da resistência mecânica com a deformação
plástica. O trabalho mecânico a frio permite aumentar a resistência mecânica de certos
metais não-ferrosos que são endurecíveis por tratamentos térmicos. No trabalho
mecânico a quente, a deformação plástica é realizada numa faixa de temperatura, e
durante um determinado tempo, em que o encruamento é eliminado pela recristalização
do metal.
Um metal na sua condição encruada possui energia interna elevada em relação
ao metal não-deformado plasticamente. Aumentando-se a temperatura, há uma
tendência do metal retornar à condição mais estável de menor energia interna. O
tratamento térmico para obter esse efeito é denominado recozimento e, além da
recuperação da estrutura cristalina do metal, este tratamento provoca a diminuição da
resistência mecânica e a elevação da ductilidade.
Os métodos de classificação dos processos de conformação plástica mais comum
são os dois mencionados anteriormente. Existem também outros métodos, cujos
empregos, no entanto, são menos comuns. Um deles é a classificação de acordo com a
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forma do metal trabalhado, como por exemplo os processos de conformação de chapas
(laminação, estampagem, dobramento, etc.) e de tubos e fios (trefilação, extrusão, etc.).
3. MÉTODOS E MATERIAIS
3.1 – PROCESSO FORJADO
É o processo de conformação mecânica, ou seja, mediante aplicação de esforços
mecânicos altera-se plasticamente a forma dos materiais. O forjamento é o antecessor de
todos os processos de transformação por deformação plástica. As tribos hindus desde
1500 antes de cristo trabalhavam o ouro, a prata e o ferro. A arte do forjamento foi
utilizada até a idade média para a fabricação de armas e armaduras. De todos os
processos de fabricação, a conformação mecânica tem um fundamental papel porque
produz peças com excelentes propriedades mecânicas com a mínima perda do material,
oferecendo assim um menor custo de fabricação. Parte-se de uma geometria
relativamente simples, que após prévio aquecimento ou não, e uma ou mais operações,
podemos gerar uma ou mais peças com a mais complexa geometria.
3.1.1 – DESCRIÇÃO DO PROCESSO
O processo de forjamento pode ser classificado quanto à temperatura de
trabalho, ou seja, o material a ser conformado é ou não previamente aquecido a uma
determinada temperatura e quanto ao método de aplicação da carga.
Conformação após aquecimento (a quente):
Permite grandes deformações
Menores valores de esforços
Boa precisão dimensional
Conformação sem aquecimento (a frio):
Deformações limitadas
Necessita maiores esforços mecânicos
Ótima precisão
O forjamento pode ser dividido em dois principais métodos:
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Forjamento por impacto – método preferido para forjamento individual, isto é, o
“shapeamento” do metal ou outro material é feito através da aplicação de uma pressão
instantânea em uma área relativamente pequena. O martelo pode ser acionado por ar
comprimido ou hidraulicamente. Este tipo de forjamento pode produzir uma grande
variedade de “shapes” e tamanhos e, se reduzidas pode criar um alto grau de
refinamento dos grãos não mesmo tempo. A desvantagem do processo é a necessidade
de usinagem após o processo.
Forjamento por pressão – Nesse tipo de processo uma pressão continua e
devagar é aplicada na área a ser forjada. Esta operação pode ser realizada a quente ou a
frio. A operação a frio é utilizada em materiais recozidos, e o processo a quente é feito
em peças para maquinaria pesada. O forjamento por pressão é mais econômico do que o
forjamento por impacto, e grandes tolerâncias dimensionais são obtidas. Estes tipos de
operação podem ser divididos em: forjamento em matriz aberta e forjamento em matriz
fechada. O primeiro caso pode ser utilizado em grandes forjamentos, onde podem ser
necessárias sucessivas aplicações de força em diferentes partes da peça. O forjamento
em matriz fechada proporciona as melhores condições de obtenção de peças totalmente
isentas de qualquer alteração interna ou externa, devido a não destruição da estrutura do
material e dado a pouca alteração do estado físico da matéria prima original durante a
conformação. Pode se produzir pecas mais complexas pelo forjamento em matriz
fechada do que pelo outro método.
Tipos de Forjamento:
Forjamento em Matriz Aberta - O material é conformado entre matrizes planas
ou de formato simples, que normalmente não se tocam. É usado geralmente para
fabricar peças grandes, com forma relativamente simples (como eixos de navios e de
turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, excêntricos, ferramentas agrícolas,
etc.) e em pequeno número, e também para pré-conformar peças que serão submetidas
posteriormente a operações de forjamento mais complexas.
Forjamento em Matriz Fechada - O material é conformado entre duas metades
de matriz que possuem, gravadas em baixo-relevo, impressões com o formato que se
deseja fornecer à peça. A deformação ocorre sob alta pressão em uma cavidade fechada
ou semi-fechada, permitindo assim obter-se peças com tolerâncias dimensionais
menores do que no forjamento livre. Nos casos em que a deformação ocorre dentro de
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uma cavidade totalmente fechada, sem zona de escape, é fundamental a precisão na
quantidade fornecida de material: uma quantidade insuficiente implica falta de
enchimento da cavidade e falha no volume da peça, um excesso de material causa
sobrecarga no ferramental, com probabilidade de danos ao mesmo e ao maquinário.
Dada a dificuldade de dimensionar a quantidade exata fornecida de material, é
mais comum empregar um pequeno excesso. As matrizes são providas de uma zona oca
especial para recolher o material excedente ao término do preenchimento da cavidade
principal. O material excedente forma uma faixa estreita (rebarba) em torno da peça
forjada. A rebarba exige uma operação posterior de corte (rebarbação) para remoção.
3.1.2 – EQUIPAMENTOS
Basicamente existem duas grandes famílias de equipamentos para forja, as
prensas e os martelos e cada um deles se subdividem de forma genérica em alguns tipos
peculiares
Martelo - A peça mais comumente usada dos equipamentos de forja é o martelo
de forja. Os três tipos básicos de martelo são: martelo de queda livre, martelo de
contragolpe e o martelo de duplo efeito.
Martelo de Queda Livre com Prancha - No martelo de queda livre, a matriz
superior e a massa cadente são elevadas por rolos de atrito engrenados à uma prancha,
correntes ou outros mecanismos.
Quando o mecanismo é liberada, a massa cadente cai sob a influência da
gravidade para produzir a energia da pancada. A mecanismo é imediatamente elevado
para nova pancada.
O forjamento com um martelo é normalmente feito com pancadas repetidas. Os
martelos podem atingir entre 60 e 150 pancadas por minuto dependendo do tamanho e
capacidade. A energia suprida pelas pancadas é igual à energia potencial devido ao peso
da massa cadente e da altura de queda.
Os martelos de queda são classificados pelo peso da massa cadente. Entretanto,
uma vez que o martelo é uma máquina limitada energeticamente, no qual a deformação
se processa até que a energia cinética seja dissipada pela deformação plástica da peça de
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trabalho ou pela deformação elástica das matrizes e da máquina, é mais correto
classificar essas máquinas em termos da energia transmitida.
Martelos de Duplo Efeito- Uma capacidade maior de forja é atingida com um martelo
de duplo efeito no qual o martelo é acelerado no seu curso descendente por pressão de
vapor ou ar comprimido em adição à gravidade. O vapor ou ar comprimido podem
também ser usados para elevar o martelo no seu curso ascendente.
Martelos de Contragolpe - Nos martelos de queda o choque produzido pela
queda da massa é transmitido para toda a estrutura da máquina, bem como para as
fundações. Para amenizar este fato foram desenvolvidos os martelos de contragolpe, em
que ambas as partes (superior e inferior) se movimentam ao mesmo tempo encontrando-
se no meio do percurso. Desta forma a reação do choque praticamente inexiste e não é
transmitida para a estrutura da máquina e fundações. Mas dada a configuração deste tipo
de martelo temos como desvantagens:
Maior desalinhamento entre as partes superior e inferior da matriz;
A força de forjamento deve estar localizada no meio da matriz para evitar
grandes atritos entre as massas e as guias;
Não é possível manipular a peça durante o movimento do martelo;
Maiores despesas de manutenção.
Uma característica comum aos martelos é que em função do forjamento ser feito
por meio de golpes, o martelo adquire grande flexibilidade, pois enquanto as prensas
são limitadas em termos de força (só podem ser aplicadas se a força requerida for menor
que a disponível), nos martelos esta limitação não existe uma vez que o martelo aplicará
golpes sucessivos até que a conformação desejada se processe. Desta forma os martelos
são mais indicados para o uso com matrizes de múltiplas cavidades em que em um
único bloco existem as cavidades para pré-conformação e conformação final.
Prensas
Prensas de fuso - São constituídas de um par porca/parafuso, com a rotação do
fuso, a massa superior se desloca, podendo estar fixada no próprio fuso ou então fixada
à porca que neste caso deve ser móvel, dando origem a dois subtipos de prensas; as de
fuso móvel; e as de porca móvel. Ligado ao fuso há um disco de grande dimensão que
funciona como disco de inércia, acumulando energia que é dissipada na descida. O
acionamento das prensas de fuso pode ser de três tipos:
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• Através de discos de fricção;
• Por acoplamento direto de motor elétrico;
• Acionado por engrenagens.
Prensas excêntricas ou mecânicas - Depois do martelo de forja, a prensa
mecânica é o equipamento mais comumente utilizado. Pode ser constituído de um par
biela/manivela, para transformar um movimento de rotação, em um movimento linear
recíproco da massa superior da prensa. O curso do martelo neste tipo de prensa é menor
que nos martelos de forjamento e nas prensas hidráulicas. O máximo de carga é obtido
quando a massa superior está a aproximadamente 3 mm acima da posição neutra central.
São encontradas prensas mecânicas de 300 a 12.000 toneladas. A pancada de
uma prensa é mais uma aplicação de carga crescente do que realmente um impacto. Por
isto as matrizes sofrem menos e podem ser menos maciças. Porem o custo inicial de
uma prensa mecânica é maior que de um martelo.
Prensas hidráulicas - As prensas hidráulicas são máquinas limitadas na carga,
na qual a prensa hidráulica move um pistão num cilindro. A principal característica é
que a carga total de pressão é transmitida em qualquer ponto do curso do pistão. Essa
característica faz com que as prensas hidráulicas sejam particularmente adequadas para
operações de forja do tipo de extrusão. A velocidade do pistão pode ser controlada e
mesmo variada durante o seu curso.
A prensa hidráulica é uma máquina de velocidade baixa, o que resulta em
tempos longos de contato com a peça que pode levar a problemas com a perda de calor
da peça a ser trabalhada e com a deterioração da matriz. Por outro lado a prensagem
lenta de uma prensa hidráulica resulta em forjamento de pequenas tolerâncias
dimensionais.
As prensas hidráulicas são disponíveis numa faixa de 500 a 50.000 toneladas. O
custo inicial de uma prensa hidráulica é maior do que o de uma prensa mecânica da
mesma capacidade.
3.1.3 – PROPRIEDADES MECÂNICAS
A função primaria do forjamento é a de tornar a massa mais compacta, soldando
as pequenas trincas internas, o que será muito fácil se estes defeitos forem submetidos a
razoáveis esforços de compressão, desde que as faces opostas das trincas sejam
apropriadas. O forjamento, porem, não poderá fazer desaparecer as heterogeneidades
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químicas nem as inclusões não metálicas. O forjamento pode somente orientá-las no
sentido do alongamento que sofre o lingote, e, se este alongamento é grande, se obterá o
que se chama de fibragem. Este alinhamento ao longo de zonas, alternadamente puras e
impuras, se traduz no que se refere às características mecânicas do produto, no sentido
transversal, as características de alongamento, de estricção e de resiliencia serão
nitidamente piores do que no sentido longitudinal. O forjador sempre deve ter em
mente colocar as fibras resultantes da segregação do lingote, de modo mais favorável
para que elas estejam no sentido dos esforços mais importantes que devam sofrer as
peças.
Tensão de deformação do aço, à alta temperatura, em solicitações simples
A tensão sob a qual o aço se deixa deformar depende não somente de sua
composição, de sua temperatura, da velocidade de deformação e da deformação
existente no instante considerado. É unicamente por uma aproximação muito grosseira
que se pode ter uma idéia, para um dado tipo de aço, da tensão de deformação
correspondente para cada temperatura e velocidade de deformação. Entretanto tais
valores da tensão de deformação podem ser utilizados na prática, pois o que se procura
na realidade é a ordem de grandeza das forças necessárias para a deformação plástica do
aço quente.
Essas curvas representam os resultados obtidos durante ensaios de compressão,
executados em condições tais que a deformação permaneça homogênea.
Influencia do atrito
No forjamento, como em mecânica, o atrito intervém e muito. Tudo o que
acabamos de dizer refere-se à tensão de deformação e deformação homogênea. Na
prática essas condições ideais nunca se realizam porque o atrito intervém, representando
um papel muito importante em forjamento como em todos os processos de trabalho
mecânico. Esforços tangenciais, devido ao atrito, aparecem ao contato da ferramenta,
agindo sobre a peça em processo de forjamento. Resulta simultaneamente uma
perturbação do campo das tensões e das deformações e uma elevação aparente da
resistência à deformação.
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3.1.4 – DEFEITOS
Os produtos forjados também apresentam defeitos típicos. Eles são:
Falta de redução – caracteriza-se pela penetração incompleta do metal na cavidade da
ferramenta. Isso altera o formato da peça e acontece quando são usados golpes rápidos e
leves do martelo.
Trincas superficiais – causadas por trabalho excessivo na periferia da peça em
temperatura baixa, ou por alguma fragilidade a quente.
Trincas nas rebarbas – causadas pela presença de impurezas nos metais ou porque as
rebarbas são pequenas. Elas se iniciam nas rebarbas e podem penetrar na peça durante a
operação de rebarbação.
Trincas internas – originam-se no interior da peça, como conseqüência de tensões
originadas por grandes deformações.
Gotas frias – são descontinuidades originadas pela dobra de superfícies, sem a
ocorrência de soldagem. Elas são causadas por fluxos anormais de material quente
dentro das matrizes, incrustações de rebarbas, colocação inadequada do material na
matriz.
Incrustações de óxidos – causadas pela camada de óxidos que se formam durante o
aquecimento. Essas incrustações normalmente se desprendem, mas, ocasionalmente,
podem ficar presas nas peças.
Descarbonetação – caracteriza-se pela perda de carbono na superfície do aço, causada
pelo aquecimento do metal.
Queima – gases oxidantes penetram nos limites dos contornos dos grãos, formando
películas de óxidos. Ela é causada pelo aquecimento próximo ao ponto de fusão.
3.1.5 – CUSTO X BENEFÍCIO
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3.1.6 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO
Vantagens - Controlando a deformação durante o processo de forjamento, pode-
se melhorar as propriedades mecânicas da peça produzindo um alinhamento direcional,
melhorando assim propriedades de tensão, ductilidade, impacto e resistência à fadiga.
As fibras podem ser alinhadas na direção em pontos onde ocorrem máximas
tensões. Menor custo de fabricação, pois se tem a mínima perda de material.
Desvantagens - As peças a serem forjadas geralmente necessitam de usinagem
antes do processo de forjamento.
Os equipamentos são muito caros.
3.2 – PROCESSO FUNDIDO
A fundição é o processo pelo qual os metais ou ligas metálicas em estado líquido
(fundido) são vazados em um molde para a fabricação dos mais variados tipos de peças,
objetos decorativos, jóias/bijuterias, carcaças de máquinas, lingotes e outros. Em muitos
casos, a fundição é o processo mais simples e econômico de se produzir uma peça,
principalmente quando esta é de grande porte, de geometria intrincada ou com canais
internos e cavidades.
A fundição pode dar origem a peças acabadas, já em seu formato final, ou não.
Nesse caso, elas podem passar por processos de conformação mecânica (por exemplo,
forja), ajustes dimensionais, soldagem ou usinagem (para peças que serão usinadas é
comum deixar um sobremetal). Mas, de modo geral, as peças fundidas passam por
processos de acabamento como corte de canais, usinagem, e rebarbação. Quando
necessário, as peças também podem passar por tratamento térmico para conferir maior
resistência já que as peças fundidas apresentam menor resistência mecânica do que as
peças produzidas por processos de conformação.
Existem vários processos diferentes para se produzir peças fundidas, os mais
comuns são: fundição por gravidade, por centrifugação, sob pressão e de precisão. Cada
um se ajusta a determinadas exigências de qualidade, custo e tempo. Mas, basicamente,
o início do processo, é a produção de um modelo ou de um molde.
Os modelos são usados para dar forma ao fundido quando o molde utilizado é do
tipo não permanente (geralmente de areia). Os modelos podem ser de madeira, plástico,
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isopor, metal ou mesmo de cera e podem ser aplicados produtos desmoldantes (talco,
grafite) para facilitar sua retirada de dentro do molde.
Nos processos de fundição também podem ser utilizadas peças chamadas de
machos que servem para formar canais ou furos em peças que precisem ser vazadas. Os
machos devem ser feitos de um material resistente o suficiente para suportar o processo
de vazamento do metal fundido, mas devem ser quebráveis após o processo de
solidificação e esfriamento para que possa ser retirado da peça.
Os moldes, por sua vez, são o negativo da peça a ser produzida e o tipo de
material com que são feitos depende do processo que será utilizado.
3.2.1 – DESCRIÇÃO DO PROCESSO
A matéria-prima metálica para a produção de peças fundidas é constituída pelas
ligas metálicas ferrosas (ligas de ferro e carbono) e não-ferrosas (ligas de cobre,
alumínio, zinco e magnésio). O processo de fabricação dessas peças por meio de
fundição pode ser resumido nas seguintes operações:
- Confecção do modelo - Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato
aproximado da peça a ser fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e
suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como
um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. Ele é feito de madeira,
alumínio, aço, resina plástica e até isopor.
- Confecção do molde - O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado
para que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material refratário composto de areia
e aglomerante. Esse material é moldado sobre o modelo que, após retirado, deixa uma
cavidade com o formato da peça a ser fundida.
- Confecção dos machos - Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a
finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são colocados nos
moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido.
- Fusão - Etapa em que acontece a fusão do metal.
- Vazamento - O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido.
- Desmoldagem - Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica
dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e do metal (ou liga
metálica), ela é retirada do molde (desmoldagem) manualmente ou por processos
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mecânicos.
- Rebarbação - A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalotes e
rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge
temperaturas próximas às do ambiente.
- Limpeza - A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações
da areia usada na confecção do molde. Geralmente ela é feita por meio de jatos
abrasivos.
Essa seqüência de etapas é a que normalmente é seguida no processo de fundição por
gravidade em areia, que é o mais utilizado. Um exemplo bem comum de produto
fabricado por esse processo é o bloco dos motores de automóveis e caminhões.
3.2.2 – MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS
Molde Permanente ou Coquilha
Manuais ou mecanizados, todos tem em comum duas coisas: o fato de que o
material básico para a confecção dos moldes é, na maioria dos casos, areia e que após a
produção da peça o molde é destruído.
Acontece que, ao lado de todas as vantagens que a areia apresenta na confecção
de moldes, existem sempre os problemas comuns à sua utilização para a fundição:
quebras ou deformações dos moldes, inclusões de grãos de areia na peça fundida,
problemas com os materiais aglomerantes e com as misturas de areia, e assim por
diante. .
Dependendo do trabalho que se quer realizar, da quantidade de peças a serem
fundidas e, principalmente, do tipo de liga metálica que será fundida, o fabricante tem
que fundir suas peças em outro tipo de molde: os moldes permanentes, que dispensam o
uso da areia e das misturas para sua confecção.
Os processos de fundição por molde permanente usam moldes metálicos para a
produção das peças fundidas. Por esses processos realiza-se a fundição por gravidade ou
por pressão.
Usar um molde permanente significa que não é necessário produzir um novo
molde a cada peça que se vai fundir. A vida útil de um molde metálico permite a
fundição de até 100 mil peças. Um número tão impressionante deveria possibilitar a
extensão de seu uso a todos os processos de fundição. Só que não é bem assim.
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A utilização dos moldes metálicos está restrita aos metais com temperatura de
fusão mais baixas do que o ferro e o aço. Esses metais são representados pelas ligas com
chumbo, zinco, alumínio, magnésio, certos bronzes e, excepcionalmente, o ferro
fundido. O motivo dessa restrição é que as altas temperaturas necessárias à fusão do
aço, por exemplo, danificariam os moldes de metal.
Os moldes permanentes são feitos de aço ou ferro fundido ligado, resistente ao
calor e às repetidas mudanças de temperatura. Moldes feitos de bronze podem ser
usados para fundir estanho, chumbo e zinco.
Os produtos típicos da fundição em moldes permanentes são: bases de máquinas,
blocos de cilindros de compressores, cabeçotes, bielas, pistões e cabeçotes de cilindros
de motores de automóveis, coletores de admissão.
Esses produtos, se comparados com peças fundidas em moldes de areia,
apresentam maior uniformidade, melhor acabamento de superfície, tolerâncias
dimensionais mais estreitas e melhores propriedades mecânicas.
3.2.3 – PROPRIEDADES MECÂNICAS
Se o componente é feito de uma liga padrão, as características estão informadas
na especificação padrão. Se for feito de alguma outra liga, os testes padronizados de
tração fornecerão os valores. Estes valores serão referentes à direção na qual foi
submetido o testes e às medidas tomadas neste sentido. Os fundidos são isotrópicos,
apresentando propriedades similares em todas as direções.No caso de ligas equivalentes,
a ductilidade e a resistência ao impacto do aço fundido ficam entre os valores
longitudinais e transversais apresentados pelo forjado.
3.2.4 – DEFEITOS
- inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça. Isso causa
problemas de usinagem: os grãos de areia são abrasivos e, por isso, estragam a
ferramenta. Além disso, causam defeitos na superfície da peça usinada.
- defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas
duras indesejáveis no material. Isso também causa desgaste da ferramenta de usinagem.
- rechupe, ou seja, falta de material devido ao processo de solidificação, causado por
projeto de massalote malfeito.
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- porosidade, ou seja, a existência de "buraquinhos" dentro de peça. Eles se originam
quando os gases que existem dentro do metal líquido não são eliminados durante o
processo de vazamento e solidificação. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na
peça usinada.
3.2.5 – CUTO X BENEFÍCIO
Projeto e custo do Ferramental
Geração de sucatas e retornos
Quantidade total a ser produzida
Custo total do processamento
Disponibilidade de equipamentos
Experiência Profissional
Tempo até o inicio da produção
3.2.6 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DO PROCESSO
Vantagens:
1. A moldagem por areia verde é o mais barato dentre os outros métodos de
produção de moldes.
2. Há menor distorção de formato do que nos métodos que usam areia seca,
porque não há necessidade de aquecimento.
3. As caixas de moldagem estão prontas para a reutilização em um mínimo
espaço de tempo.
4. Boa estabilidade dimensional.
5. Menor possibilidade de surgimento de trincas.
Desvantagens:
1. O controle da areia é mais crítico do que nos outros processos que também
usam areia.
2. Maior erosão quando as peças fundidas são de maior tamanho.
3. O acabamento da superfície piora nas peças de maior peso.
4. A estabilidade dimensional é menor nas peças de maior tamanho.
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4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Tantos os fundidos como os forjados têm muitos critérios de projeto em comum,
e cada um tem seus procedimentos específicos. Nesta situação existe uma grande
dificuldade de definição entre fundidos e forjados. A solução seria a determinação
prévia pelo projetista do método de fabricação a ser utilizado, antes de fazer o projeto
definitivo.
Os aços forjados têm características boas em relação aos fundidos, como:
•São mais resistentes;
•Possuem microestrutura mais refinada;
•Mais confiáveis (menos defeitos);
•Mais baratos para grandes lotes;
• Suas plantas de produção são mais adaptáveis a diferentes produtos.
Porém, foi evidenciado que os fundidos tendem a ter uma vantagem definitiva
sobre os forjados quando uma das três condições a seguir for encontrada:
Quando a composição química única for requerida;
Quando a peça for grande ou complexa;
Quando os esforços aplicados forem multiaxiais;3
4.1 – COMPARAÇÃO ENTRE OS PROCESSOS
A maioria dos componentes de aço tem seu inicio como fundido: o metal passa
por fusão, vazamento em um molde e solidificação. No caso do processo de fundição,
devido ao fato do molde ter a forma próxima à forma final da peça, o que resta a fazer
são algumas operações de acabamento. No caso dos forjados a primeira forma é um
lingote. Lingotes normalmente são grandes e pesados. Estes lingotes, ou placas ou
tarugos são forjados no perfil em martelos e prensas. Muita usinagem é requerida até a
sua configuração final.
No forjamento o metal é deformado em estado sólido, então grandes esforços
são requeridos para mudar as formas iniciais para a configuração desejada. Quanto mais
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a espessura, maior será a força de deformação necessária, em termos práticos, há um
limite de secção e/ou espessura da parede a ser produzido pelo forjamento. Por outro
lado, no processo de fundição, o metal parte do estado liquido preenchendo diretamente
o molde até a forma desejada. Por isso, os fundidos podem ter as mais variadas formas e
secções.
Os forjados são fabricados a partir de lingotes fabricados em aciarias e com
composição produzida nas aciarias, que tendem a produzir faixas limitadas de
composição e uma solicitação especifica pode sair proibitivamente cara. Nas fundições,
devido a grande flexibilidade a diversidade de composições químicas obtidas é
virtualmente ilimitada.
Para aços fundidos é relativamente fácil saber as características mecânicas da
peça. Se o componente é feito de uma liga padrão, as características estão informadas na
especificação padrão. Se for feito de alguma outra liga, os testes padronizados de tração
fornecerão os valores. Estes valores serão referentes à direção na qual foram submetidos
os testes e às medidas tomadas neste sentido. O forjamento tem propriedades
direcionadas pelo processo de deformação. Entretanto a tensão limite de resistência o
alongamento percentual e a resistência ao impacto diminuem na direção transversal ao
eixo de forjamento. Os forjados são anisotrópicos, isto é, apresentam diferentes valores
de propriedades para diferentes direções. Os fundidos são isotrópicos, apresentando
propriedades similares em todas as direções.
Em termos de temperaturas extremas, resistência a corrosão e resistência ao desgaste,
fundidos e forjados geralmente tem desempenho equivalente. No caso especifico de
corrosão, os aços inoxidáveis fundidos com quantidades controladas de ferrita serão
superiores aos seus correspondentes forjados.
A modificação de um projetos é um problema específico. Neste caso, o fundido
apresenta uma vantagem bastante distinta, uma vez que, modificações no modelo ou em
caixas de macho são relativamente fáceis e de menor custo, entretanto uma modificação
de uma matriz para forjamento, mesmo para pequenas alterações, é geralmente muito
difícil, de custo elevado e novas matrizes poderão ser necessárias.
Quando se trata de usinar peças simples tanto o fundido quanto o forjado,
requerem a mesma quantidade de usinagem, mas quando as peças são mais complexas
os fundidos tendem a requerer menos usinagem que os forjados.
Os aços fundidos são quase sempre mais leves que os forjados.
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O processo de forjamento tende a reduzir a porosidade e as descontinuidades
superficiais, podendo também eliminar as cavidades externas, já nos fundidos, essas,
são reparáveis por soldagem.
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5 CONCLUSÃO
Conclui se que os aços fundidos são, e continuarão sendo, uma importante
solução para a fabricação em geral. Sua resistência e habilidade de ser produzido na
forma requerida pelos projetistas são a garantia de competitividade. Redução de custos e
otimização do desempenho de componentes automotivos podem ser obtidos através da
fundição, desde que o engenheiro de produto envolva os possíveis fornecedor /
especialistas no inicio de um novo projeto. Isto deve ocorrer para que os requisitos de
resistência mecânica e tolerâncias dimensionais e/ou de montagem sejam
adequadamente selecionados, evitando-se exageros que agregam custos ao produto ao
invés de valor.
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6 REFERÊNCIAS
http://www.poli.usp.br/d/pmr2202/arquivos/Processos%20de%20Fundi
%C3%A7%C3%A3o%20e%20Sinteriza%C3%A7%C3%A3o.pdf
http://www3.fsa.br/mecanica/arquivos/02%20Fundi%C3%A7%C3%A3o.pdf
http://www.abal.org.br/aluminio/processos_fundicao.asp
http://www.joinville.ifsc.edu.br/~valterv/.../Aula%206%20Forjamento.pdf
http://www.pt.wikipedia.org/wiki/Fundição
http://www.metalmat.ufrj.br/downloads/livro_FUNDICAO.pdf
http://www.ciencia.hsw.uol.com.br/aluminio3.htm
http://www.qualisteel.com.br/processo.html
http://www.altivo.com.br
http://www.sindiforja.org.br/comparando.htm
http://www.magmasoft.com
http://cursos.unisanta.br/mecanica/ciclo6
http://www.infomet.com.br
CETLIN, P. R.; HELMAN, H. Fundamentos da Conformação. São Paulo: Artliber
Editora, 2005.
Processo de Fabricação. Vol. 1. Apostila do curso Técnico em Mecânica Telecurso
2000.
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