II - PROCESSOS METALÚRGICOS DE CONFORMAÇÃO · A força normal AN, exercida pelo cilindro sobre o produto, origina uma componente horizontal AC que se opõe ao arrastamento. A força

22 .

II - PROCESSOS METALÚRGICOS DE CONFORMAÇÃO 1.Introdução Nem sempre a estrutura de um metal obtido por fundição é adequado para determinadas aplicações que exigem altas resistências à tração e ductilidade, como é o caso, por exemplo, de perfis estruturais, chapas que serão conformadas, fios, cabos, etc. Para obtenção de propriedades mais compatíveis com estes tipos de aplicação, os metais passam por outros tipos de processamento, que se caracterizam por trabalharem o metal através da aplicação de pressão ou choque. Este trabalho visa duas coisas: obtenção do metal na forma desejada e melhoria de suas propriedades mecânicas, o que é obtido com o rompimento e refino da estrutura dendrítica presente nos metais fundidos. Embora, de forma geral esses processos produzam produtos classificados como primários, tais como chapas, barras e perfis, eles podem dar origem, também, a produtos acabados, tais como trilhos, arames, tubos, etc. Os processos metalúrgicos de conformação são: A laminação, a trefilação, o forjamento e a extrusão. 2. Conformação a Quente e a Frio Dependendo do processo, o metal pode ser trabalhado a quente ou a frio: Podemos definir como trabalho a quente aquele feito acima da temperatura de recristalização do metal e trabalho a frio como aquele realizado abaixo desta temperatura, ou seja, na maioria dos casos, à temperatura ambiente. Vide o esquema da figura 29.

(-)

Material se

2.1. Características do • Grãos deformados duran• Nesta mudança os grã

aumenta a tenacidade do• O metal aumenta sua re

existentes são segregada• O trabalho a quente é

realização, porém que re• O metal pode ser deform

dos cristais elimina ruptuque no trabalho a frio.

• A temperatura de trabalevitar a formação de gran

• As temperaturas altas oxpodem ser mantidas.

2.2. Características do

Prof. Fernando Penteado

Temperatura deRecristalização

(+)

encrua Material se recristaliza

Figura 29

Trabalho a Quente:

te o processo, logo mudam para novos grãos não deformados. os podem ser afinados através de rompimento e reformação, o que metal. sistência à tração em determinada direção, uma vez que as impurezas s em fibras com orientação definida. mais fácil e rápido, exigindo máquinas de potência menor para sua

sistam às altas temperaturas do processo. ado em formas extremas quando quente, porque a reformação contínua ras e trincas. Conseqüentemente as deformações são mais profundas

ho deve ser acima da de recristalização, mas não muito elevada para ulometria grosseira. idam e formam carepa na superfície do metal e tolerâncias rigorosas não

Trabalho a Frio:

23

• O trabalho a frio é normalmente precedido do trabalho a quente, remoção de carepa, limpeza da

superfície e possivelmente decapagem. • Com este tipo de trabalho obtêm-se tolerâncias rigorosas, bom acabamento superficial e boas

propriedades mecânicas. • O trabalho a frio deve ser efetuado acima do limite de escoamento do material para que a

deformação seja permanente. • Quando um metal é trabalhado a frio os seus cristais são internamente deformados, provocando

aumento de dureza e da resistência mecânica, perda de ductilidade e aumento das tensões residuais que, muitas vezes, poderão levar à ruptura da peça. Vide a figura 30.

• Isso pode ser evitado através de um tratamento térmico de recozimento ou normalização que faz o metal retornar às suas condições originais ou próximo delas.

• As máquinas para execução de trabalhos a frio devem poder exercer forças muito maiores do que as projetadas para trabalhos a quente, portanto devem ser mais robustas.

Figura 30

2.3. Noções sobre a Fabricação de Aços A principal matéria-prima para fabricação do aço é o gusa líquido que consiste em ferro líquido contendo, em solução, carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre. Outro material usado é a sucata proveniente das linhas de laminação e também da própria aciaria. O gusa líquido proveniente do alto-forno e a sucata são misturados no forno conversor, onde são convertidos em aço. O processo de conversão consiste na oxidação dos elementos dissolvidos no ferro líquido com a conseqüente formação de óxidos que constituirão a escória, juntamente com a cal e a fluorita adicionadas. Para que isto ocorra, oxigênio é soprado no banho. O grau de oxidação e a conseqüente eliminação ou redução de determinados elementos químicos é função do tempo de sopro. Após o sopro é retirada amostra do banho e da escória para efetuar-se a análise preliminar. Com base nesta análise são efetuadas as adições à panela, durante o vazamento do aço, para controlar a oxidação do ferro e para colocar a composição química do mesmo, dentro da especificação solicitada. O oxigênio dissolvido no banho mais o oxigênio do ar reagem com as adições, formando óxidos. Parte dos óxidos (de alumínio, de silício, de manganês e de ferro), sendo partículas sólidas imersas no ferro líquido, sofrem, empuxo, deslocando-se para a superfície na panela e formando uma crosta. Outra parte não tem tempo ou condições de emergir e ficará retida no interior do aço solidificado. O aço líquido é vazado da panela para as lingoteiras onde se inicia o processo de solidificação do mesmo. O nível de oxigênio do banho, associado à técnica de desoxidação fará com que o lingote obtido seja de um aço acalmado ou efervescente. Vide a figura 31. Para a fabricação de aços acalmados, durante o vazamento, é feita uma adição de desoxidantes que, praticamente, eliminam todo o oxigênio dissolvido no aço. Assim o aço líquido ao solidificar não conterá gases dissolvidos. A solidificação do aço inicia na periferia do lingote, nas partes que estão em contato com as paredes da lingoteira e pelo topo por irradiação. Com o resfriamento há a contração do metal que dará origem a vazios na parte superior do lingote. As inclusões não metálicas, que são insolúveis, tanto no aço


24 .

líquido como no sólido vão se concentrando à medida que a solidificação progride terminando por localizarem-se no vazio, devido a ser esta a última parte a solidificar do lingote. Durante o processo de laminação estes vazios contendo inclusões não soldam devendo, portanto, serem descartados. Nos aços chamados efervescentes este vazio, que faz com que parte do lingote seja perdido, é distribuído através de todo o lingote em pequenas bolsas que não concentram todas as inclusões, soldando-se durante o processo de laminação e permitindo, portanto, um maior aproveitamento do lingote. Para isto, a técnica de desoxidação na panela é controlada de forma a deixar certa quantidade de oxigênio dissolvida no aço. A solubilidade do oxigênio e do carbono é bem menor no ferro sólido que no líquido. Assim, na transformação de líquido para sólido, carbono e oxigênio precipitam formando bolhas de monóxido de carbono (CO). Estas bolhas criam correntes na parte líquida do lingote, agitando e prolongando o tempo de solidificação. Devido a isto o topo do lingote permanece líquido por mais tempo e os vazios formados pela contração são preenchidos por metal líquido proveniente daquela região, ficando apenas pequenos vazios não preenchidos, distribuídos ao longo do lingote. Como esses vazios soldam durante a laminação, não há necessidade do descarte de parte do lingote. Existem ainda, os aços semi-acalmados e os estabilizados que são variações dos dois tipos que descrevemos. Após a operação de lingotamento o lingote resfria até que o seu topo atinja um estado de solidificação que permita resistir a desmoldagem. Depois do estripamento, que é nome pelo qual é conhecida esta operação, os lingotes vão para os fornos-poços para homogeneização de temperatura, donde saem para serem laminados.

Lingote de

aço acalmadoLingote de aço efervescente

Figura 31

3. Laminação

Figura 32 3.1. Introdução


25

A laminação consiste em modificar a seção de uma barra de metal pela passagem entre dois cilindros, deixando entre eles uma distância menor que a espessura inicial da barra. Vide a figura 32. Os produtos são arrastados pelo cilindro sob o efeito de forças de atrito, que se originam na superfície de contato dos cilindros e do metal laminado. Ao passar entre os cilindros o metal sofre deformação plástica. A espessura é reduzida enquanto que a largura e, principalmente, o comprimento são aumentados. Em condições normais o resultado obtido é o alongamento do material, sendo seu alargamento relativamente pequeno, devido às forças de atrito existentes ao longo do cilindro. 3.2. Condições de Agarramento e Arrastamento do Produto Quando o produto a ser laminado é empurrado contra os cilindros é originada uma força de atrito AT e uma força normal AN, correspondente. A força normal AN, exercida pelo cilindro sobre o produto, origina uma componente horizontal AC que se opõe ao arrastamento. A força de atrito AT dá uma componente horizontal AB dirigida no sentido do arrastamento. O produto será agarrado pêlos cilindros quando AB for maior que AC, o que implica em µ.AN cos α > AN sen α , onde µ é o coeficiente de atrito. Vide a figura 33.

AB = AT cos α AC =AN sen α AT = Força de atrito =µ.AN AB = µ.AN cos α

Condição para agarramento: AB > AC µ.N cos α > N sen α Portanto:

Figura 33

Em resumo, o arrastamento da barra depende, principalmente, do coeficiente de atrito, do diâmetro dos cilindros e do tamanho da redução pretendida. Mas a velocidade também terá influência por sua ação sobre o coeficiente de atrito. O agarramento será facilitado se a velocidade dos cilindros for baixa. Na prática, o ângulo de contato α para roletes lisos é inferior a 20ºe para roletes entalhados inferior a 35º. 3.3. Variação da Velocidade de Laminação

Cada cilindro entra em contato com o metal segundo o arco AE, que se chama arco de contato. O metal de espessura eo entra em contato com os cilindros à velocidade Vo e deixa os cilindros com a espessura e1, à velocidade v1. Vide a figura 34. Como devem passar na unidade de tempo, pelos planos AA e EE, bem como por qualquer outro plano intermediário, iguais quantidades de metal (vazão constante), podemos dizer que:

bo.eo.lo = b.e.l = b1.e1.l1

Onde: b = largura; e = espessura; l = comprimento da placa e t = tempo

t t

µ > tg α

t

Figura 34 Como l / t = velocidade (V) e considerando a variação de b desprezível, pois a grande variação é no comprimento e não na largura, podemos dizer que:


26 .

eo.Vo = e.V = e1.V1 Como eo > e > e1 implica que: Vo < V < V1 Portanto, a velocidade de laminação cresce desde a entrada até a saída dos cilindros. Ao longo do arco de contato há somente um ponto onde a velocidade periférica dos cilindros é igual à da placa. Este ponto é chamado de ponto neutro (PN). Entre o plano de entrada AA e o ponto neutro, o movimento da placa é mais lento que o da superfície dos cilindros e a força de atrito atua no sentido de arrastar o metal para dentro dos cilindros. Ao ultrapassar o ponto neutro o movimento da placa é mais rápido que o da superfície dos cilindros. Assim, a direção da força de atrito inverte-se, de modo que sua tendência é opor-se à saída da placa de entre os cilindros, no plano EE. Portanto, a partir do ponto neutro o material sofre um processo similar ao de extrusão, sendo forçado a sair pela pressão exercida pelo material que vem atrás. 3.4. Coeficiente de Alongamento A relação entre o comprimento final da peça e o comprimento inicial é denominada coeficiente de alongamento. f

l

F

L

K = l / L = F / f Onde: K = coeficiente de alongamento l = comprimento final L = comprimento inicial F = área da seção transversal da peça antes da laminação f = área da seção transversal da peça após a laminação Na prática, o valor de K varia de 1,1 a 1,6, podendo alcançar valores até de 2,5. 3.5. Equipamento A máquina que executa a laminação é o laminador, o qual pode ser dos mais variados tipos. Basicamente todo laminador possui uma cadeira de laminação ou gaiola, constituída pelos cilindros, mancais e estrutura de apoio, bem como por um sistema de regulagem que permite aumentar ou diminuir a distância entre os cilindros. Vide a figura 35. A movimentação dos cilindros é feita por um sistema motor / redutor. Os laminadores modernos de grande porte são equipados com motores que facilitam o controle de velocidades e a reversão no sentido de rotação. Os cilindros podem ser movimentados por um único motor ou por dois motores (um para cada cilindro).

Figura 35

3.5.1 Cilindros de laminação


27

Ranhurados s

Os cilindros de laminaçãoforjados, de boa resistêncproduto que se quer obter.correlatos; enquanto que oetc. Vide a figura 36. Os cilindros são compostoas partes onde atuarão omotoras que é por onde osOs cilindros ranhurados trsulcos. Ao espaço livre encilindros possui vários cacabamento. 3.5.2. Classificação dos l

Quanto ao número dDe dois cilindros (duo); De três cilindros (trio); De quatro cilindros (quadroDe vários cilindros (SendziLaminadores planetários

Quanto ao sentido dOs laminadores podem ser

a) lamd) lamina

A reversão não é necessáalimentado em um sentidocilindros superiores. Exigeque está sendo laminado.


Liso

Figura 36

podem ser fabricados de ferro fundido branco, aços fundidos ou aços ia ao desgaste. O perfil dos cilindros de laminação varia de acordo com o Assim, os lisos são usados para a obtenção de chapas, placas e produtos s ranhurados são empregados para a obtenção de perfis, barras, trilhos,

s pela área de trabalho, onde acontece a laminação, pelos colos que são s mancais de fixação dos mesmos na caixa e, finalmente, das pontas cilindros recebem potência proveniente da caixa de engrenagens. azem, em sua área de trabalho, chanfros especiais que se denominam tre os sulcos contíguos de dois cilindros denomina-se calibre. Cada par de alibres que podem ser recalcadores preliminares, de desbastar e de

aminadores

e cilindros

); mir) e

e rotação: de único sentido ou reversíveis.

inador duo; b) laminador duo reversível; c) laminador trio; dor quadro; e) laminador (Sendzimir); f) laminador planetário

Figura 37

ria quando se dispõe de laminadores trio. Neste equipamento o produto é , entre os dois cilindros inferiores, e volta em sentido oposto entre os dois m, portanto, mesas que se movimentam elevando e abaixando o material

28 .

Nos laminadores quadros usam-se cilindros menores para entrar em contato com o produto, diminuindo os custos de manutenção e melhorando a precisão. Os cilindros maiores servem para apoiar e evitar a deformação dos menores. Laminadores múltiplos como o Sendzimir são usados para laminação a frio de chapas finas. Para conseguir-se ultrapassar o limite elástico do material da chapa é necessário o uso de cilindros de pequeno diâmetro, que permitem a obtenção da espessura e grau de precisão dimensional desejados no produto laminado. Laminadores planetários são constituídos de dois grandes cilindros de encosto, ao redor dos quais giram cilindros de trabalho de pequeno diâmetro. Este laminador é utilizado na laminação à quente quando são exigidas grandes reduções. Vide a figura 38. • Conforme o tipo de peças a produzir: Desbastadores; de perfis e barras; de chapas e especiais.

Forno Conversor

Laminador Desbastador Lingote Carro

Torpedo Forno Poço

Alto Forno

Figura 39

Na seqüência mostrada na figura 39, podemos ver o chamado lingotamento convencional. Após ser fundido, o aço é vazado adquirindo a forma de um lingote. Esses são mantidos e aquecidos em um forno poço, a fim de adquirirem uma temperatura homogênea adequada para laminação. Daí os mesmos são transportados até os laminadores desbastadores, onde são transformados em grandes peças brutas. • Laminadores desbastadores: Estes laminadores são máquinas potentes, geralmente duo reversível, com diâmetro de cilindros na faixa de 800 a 1400 mm e comprimento de trabalho de até 3 m. O peso dos lingotes laminados varia de 2 a 10t podendo chegar até a 20t. Eles são totalmente automáticos, sendo que a cada passagem do produto pelos cilindros, a distância entre eles diminui e o sentido de rotação é invertido. Se vamos produzir um bloco ou tarugo, conforme mostrado na figura 40, o lingote será girado a 90 °após um certo número de passagens. Os blocos e tarugos obtidos têm suas pontas cortadas para retirada de defeitos, e podem ser usados como matéria-prima para posteriores laminações ou, ainda, para operações de forjamento. O laminador empregado para a obtenção de placas com 75a 300 mm de espessura e 400 a 1600 mm de largura é um potente laminador duo reversível de duas caixas de trabalho. Os cilindros da primeira gaiola são de até 1100 mm de diâmetro e estão situados horizontalmente. Os cilindros da segunda caixa de até 700 mm de diâmetro acham-se na posição vertical, para limitar a largura da placa.

Figura 40 • Laminadores de perfis e barras: São laminadores ranhurados ou combinados, conforme mostrado na figura 40. Eles podem ser duos ou trios. Alguns ti[pos de perfis e barras que podem ser obtidos constam da figura 41.


29

Figura 41

• Laminadores de chapas: Além do processo convencional de lingotamento, as chapas podem ser obtidas pelo lingotamento contínuo. Nesse processo a corrida contínua opera acoplada à aciaria e evita a perda de energia que ocorre no curso do processo produtivo tradicional. Eliminam-se operações intermediárias e respectivos equipamentos como lingoteira, fornos-poços e o laminador desbastador de grande porte. O aço é retirado do forno e vazado em veios. A medida que este se solidifica, ele passa a correr sobre rolos, seguindo diretamente para os laminadores, que lhe dão a conformação final. Além das vantagens na economia de energia, o processo permite um "lay-out" industrial mais compacto. Vide a figura 42.

LaminadorQuadro

Forno de Soleira Rotativa

Veio de Lingotamento

Forno ConversorCarro

TorpedoAlto

Forno

Figura 42

Os laminadores de chapas são usados para laminar chapas a quente (mais grossas) e a frio (mais finas). As chapas finas são aquelas cuja espessura variando entre 0,10 e 6,0 mm. Para esta laminação usam-se no início laminadores quadros e, conforme o processo avança a frio e a espessura é reduzida, os laminadores Sendzimir As chapas laminadas a quente, quando finas podem ser laminadas no laminador do tipo “Steckel”, que é um laminador quadro reversível, com dois fornos acoplados, a fim de manter as bobinas de chapa aquecidas. Vide a figura 43. No final do processo as chapas podem ser cortadas em um comprimento determinado ou enroladas em bobinas, quando finas.

Laminador Steckel

Laminador Sendzimir

Figura 43

• Laminadores especiais: São usados para laminar, rodas, tubos sem costuras, etc. • Laminação de rodas para trens e outras aplicações sobre trilhos: A matéria prima para a produção de rodas são lingotes forjados a quente em prensas ou marteletes, que são perfurados no centro e colocados nestes laminadores que, com a ajuda de roletes de formato especial, fazem a peça adquirir o perfil desejado.Vide a figura 44.


30 .

Figura 44

• Laminação de tubos sem costura: Este processo é conhecido, devido a seus inventores, os irmãos Max e Reinhard Mannesmann, como o processo de laminação Mannesmann. Um esquema desse processo pode ser visto na figura 45. A matéria-prima que dá início ao processo é um tarugo redondo, que é aquecido à temperatura de laminação num forno. As barras redondas são perfuradas num laminador de cilindros oblíquos e transformadas em corpos cilíndricos ocos de parede grossa. O laminador de cilindros oblíquos possui dois cilindros de perfil especial, que giram no mesmo sentido de rotação e cujos eixos se encontram inclinados em relação ao eixo horizontal da barra. A barra é introduzida entre a parte cônica dos dois cilindros é laminada em grande velocidade, adquirindo um movimento helicoidal e avançando sobre um mandril de calibração do diâmetro interno, originando, então, o cilindro oco. O bloco oco assim obtido é transportado sobre um leito de rolos até o laminador contínuo e posicionado adequadamente. A seguir é introduzida uma biela no bloco oco. Após o posicionamento da biela, introduz-se a mesma junto com o bloco no laminador contínuo, onde o mesmo é deformado entre os rolos de laminação, servindo a biela como ferramenta interna. O laminador contínuo é constituído de oito cadeiras duo de laminação, dispostas muito próximas umas das outras e defasadas entre si de 90 graus. As duas últimas cadeiras do laminador contínuo não participam mais da deformação, funcionando apenas como cilindros alargadores do tubo laminado, no sentido de soltar a biela do mesmo. Esta é removida do laminador contínuo e devolvida para a mesa de bielas, de onde será empregada novamente no laminador contínuo. Na seqüência do processo o tubo é aquecido novamente à temperatura de laminação num forno de reaquecimento. Na saída do forno, segue-se o descarepamento da superfície do tubo por meio de água em alta pressão. O laminador redutor-estirador completa a laminação do tubo. Os tubos assim obtidos, em comprimentos de até 160 m, são levados para um leito de resfriamento, sendo depois cortados, ajustados e acondicionados para despacho. Neste processo podem ser produzidos tubos com diâmetros externos de 21 até 140 mm e paredes, conforme o diâmetro, de 2 até 16 mm. Existem, ainda, outros processos, usados para o estiramento do bloco oco, que não serão objeto desse trabalho.

Figura 45

3.6. Laminação a Frio Muitas vezes o acabamento superficial, a precisão dimensional e as características de resistência mecânica de um produto obtido por laminação a quente não são suficientes para determinadas aplicações, exigindo um processamento a frio.


31

Na laminação a frio obtém-se um ótimo acabamento, grande precisão, maior resistência à tração e características de dureza e ductilidade controladas através de tratamentos térmicos intermediários de recozimento. À medida que a espessura é reduzida pela laminação a frio, o aço vai ficando mais duro e menos dúctil. Desejando-se diminuir esta dureza, devemos fazer o recozimento deste material. Este tratamento pode também ser necessário para permitir a continuação de redução de um produto que já está altamente encruado. Nos laminadores de tiras a frio da C.S.N., a espessura do aço laminado a quente sofre reduções da ordem de 90%, obtendo-se chapas que variam, de 0,21 a 1,90 mm. A usinabilidade do aço também é melhorada pelo trabalho a frio. Antes da laminação a frio o aço passa por um processo de limpeza de sua superfície, para remoção da carepa. A maioria do trabalho é feita com pequenos cilindros em laminadores quadros e Sendzimir. É comum o emprego de tração sobre a chapa para minimizar os efeitos da alta pressão de laminação e manter constante sua espessura, bem como para o guiamento da chapa. 3.6.1. Influência das trações sobre o produto laminado Nas laminações a frio de chapas as tensões de compressão (q) exercidas para ultrapassar o limite elástico do material já altamente encruado, são freqüentemente, muito elevadas. A tração a ré ou a frente diminui esse esforço de laminação, sendo que a ré a diminuição é maior. Além disso a tração influencia, favoravelmente,no guiamento e no aplainamento da chapa. Vide o esquema apresentado na figura 46.

eqt f

Figura 46 f = força de compressão horizontal devido aos atritos numa seção reta qualquer. P = f / e.b = tensão de compressão média horizontal nessa seção. Onde: e = espessura da chapa e b = largura da chapa (cte). Se aplicarmos a tensão de tração t sobre a barra à ré, podemos dizer que teremos como resultante uma nova força f ', que será f ' = f - t, portanto, a tensão de compressão passa a ser p' = f’ / e.b Como f ’ < f , resulta que p’< p. Por sua vez, a tensão vertical de compressão q = p + k, onde k é uma constante. Assim, teremos q' = p' + k. Portanto: q' < q 3.6.2. Espessura limite Existe uma espessura mínima abaixo da qual não é possível realizar-se uma redução dada. Este fenômeno é devido ao achatamento local dos cilindros no contato com a chapa. Para um determinado diâmetro de cilindro torna-se mesmo impossível conseguir-se qualquer redução a partir de certa espessura. Neste ponto um maior aperto dos parafusos do laminador se traduz apenas em um aumento do achatamento e por conseqüência do comprimento do arco de contato, sem que se traduza num aumento de pressão dos cilindros sobre o material. Por esse motivo são empregados cilindros de pequenos diâmetros para a laminação de chapas finas, bem como, o uso de materiais com elevada resistência à tração e elevado módulo de elasticidade. Para o aço fortemente encruado o diâmetro dividido pela espessura deve ser menor do que 2500. Como exemplo, indicamos abaixo as espessuras mínimas que podem ser laminadas a partir de uma chapa de aço inox 18-8 de 3,15 mm de espessura:

Diâmetro do cilindro (mm) Espessura mínima laminada (mm)

400 0,90 300 0,66 200 0,45 130 0,30

Tabela 3


32 .

3.6.3. Influência da lubrificação na laminação a frio. A lubrificação é de grande importância na laminação a frio, principalmente, de chapas finas. O lubrificante aplicado sobre os cilindros e sobre a chapa em grande quantidade, tem um duplo papel: extrair o calor desenvolvido pela deformação da chapa, de modo a evitar um aquecimento excessivo dos cilindros, e facilitar o escorregamento dos cilindros sobre a chapa. O lubrificante mais empregado é uma solução de óleo solúvel. 3.7. Posicionamento das Gaiolas Conforme o produto a ser produzido bem como, o equipamento disponível, haverá uma melhor forma de se disporem às gaiolas de laminação para obtenção dos vários passes com a menor movimentação e no mínimo tempo possível. Segundo o esquema de disposição das gaiolas a linha de laminação pode ser: a) linear, b) escalonada, c) contínua, d) semicontínua, etc. Vide a figura 47.

Figura 47

a) Linear: Neste caso, todas as gaiolas funcionam com a mesma velocidade e o produto precisa ser flexível o suficiente para permitir seu "serpenteamento" entre as diversas gaiolas. Apenas uma unidade motriz é suficiente para tocar todo o conjunto. b) Escalonada: Neste caso as gaiolas formam várias linhas, que funcionam com diferentes velocidades, o que permite aumentar a velocidade da gaiola acabadora e, portanto, aumentar o rendimento do laminador. c) Contínua: Nas linhas contínuas o metal que está sendo laminado passa sucessivamente através de todas as caixas de trabalho, situadas uma após a outra. A velocidade de laminação em cada gaiola seguinte é maior que na anterior, e regulada de tal forma a compensar o aumento de comprimento obtido na laminação anterior.

d) Semicontínua: Neste caso parte da laminação é feita de maneira contínua até uma bitola intermediária, sendo a laminação de acabamento feita de modo escalonado. 3. Trefilação 3.1. Introdução A trefilação ou estiramento é um processo de deformação do metal a frio, forçando sua passagem por um orifício calibrado de seção menor que a da peça bruta, através da aplicação de uma força de tração. Depois de estirado, o metal adquire dimensões exatas, superfície limpa e elevada resistência mecânica, devido à deformação do metal a frio. Perfis redondos, retangulares, hexagonais e outros com diâmetro de até 100 mm, e tubos podem ser estiradas a frio. A trefilação é o único processo para obtenção de arames e fios. Vide o esquema apresentado na figura 48. Os principais metais trefilados são: o aço, o alumínio e o cobre, sendo que estes dois últimos têm aplicação principal na transmissão de energia elétrica, como fios e cabos.


33

3.2. O Processo

Figura 48

• Preparação A matéria-prima para o processo de trefilação é um material laminado a quente, que tem seu óxido removido através de decapagem química por ácido sulfúrico ou clorídrico ou, opcionalmente, no caso de barras, perfis e tubos, mecânica por jateamento com granalha de aço. Após a decapagem química o material deverá sofrer uma lavagem com água e uma neutralização. Para isso é muito usada a cal, que além de neutralizar resíduos ácidos, serve como uma base para aderência do lubrificante durante a trefilação. Outra forma de manter o lubrificante aderido ao metal, mesmo nas elevadas pressões a que será submetido o material é sua fosfatização (vide fosfatização no capítulo de acabamento superficial). A fosfatização é mais usada em peças que foram jateadas. • Estiramento A extremidade do material é afinada, a fim de passar pela fieira e poder ser presa ao cabeçote de estiramento, que exercerá a força de tração para passagem do material pela fieira. Este cabeçote puxa a peça em linha reta quando se tratar de barras, tubos e perfis. Quando a trefilação é de fios, estes vão sendo enrolados em bobinas e sofrendo sucessivas reduções, até que a bitola desejada seja alcançada. Vide o esquema constante da figura 49. No caso de tubos, pode ser inserido um mandril para controle do diâmetro interno, quando houver interesse.

Figura 49

A pressão de estiramento contra uma matriz deve exceder o limite de escoamento do metal. Para que o material possa deslizar através da matriz, e para que esta não sofra um desgaste muito grande, devido ao atrito a essas elevadas pressões, é necessário que a peça esteja revestida com alguma espécie de lubrificante. Como lubrificantes podem ser usados: sabão grafitado (que adere na superfície do aço através da cal), óleos lubrificantes e óleos solúveis. Estes últimos, além de lubrificarem, também refrigeram o material e a ferramenta. O lubrificante penetra nos poros de uma camada de fosfatos que reveste o metal, quando o mesmo for fosfatizado. 3.3 A Fieira


34 .

Figura 50

As matrizes ou fieiras devem ser duras, resistentes ao desgaste e às altas pressões exercidas pelo material. A figura 50 mostra a seção transversal de uma matriz, onde se notam dois ângulos: o de entrada, confeccionado de maneira a permitir espaço para o lubrificante que adere às paredes da matriz, e o de trabalho que corresponde à seção da ferramenta onde se verifica a verdadeira redução do material. A parte paralela serve para uma calibração final do material, enquanto que o ângulo de saída evita o atrito do material com a ferramenta devido a pequenos movimentos que este possa fazer. Os materiais mais empregados para a confecção da fieira são: ferro fundido coquilhado, aço liga temperado e, principalmente, o carboneto de tungstênio (vídia) aglomerado com cobalto metálico de dureza 83a 89 RA. Ultimamente, vem ganhando terreno o diamante policristalino (PCD), obtido através de cristais de diamante sintético sinterizado, devido à sua grande durabilidade. 3.4. Esforços na Trefilação

Figura 51

A força necessária para a trefilação é o resultado da somatória de três parcelas, a saber: Ft = Fc + Fat + Fp, onde: Ft = Força total para trefilação; Fc = Força de compressão para redução do diâmetro; Fat = Força de atrito e Fp = Força de cizalhamento. Vide a figura 51. Ft depende: Do ângulo de trabalho da fieira, da redução de seção pretendida, do limite de escoamento do material e do atrito (material da fieira, afiação, lubrificação). Para uma mesma redução de seção o aumento do ângulo de trabalho implica em maior deformação por cizalhamento, o que resultará em um maior encruamento do material trefilado. Uma diminuição do ângulo, por sua vez implica em um aumento do atrito. Portanto, para cada condição existirá um ângulo ideal. A velocidade de avanço não afeta diretamente o esforço de trefilação, mas provoca um aumento da temperatura da fieira devido ao atrito, que torna a lubrificação mais difícil, podendo resultar em um aumento da força de atrito e aquecimento exagerado do material e da ferramenta. O valor máximo da tensão longitudinal no material que está sendo trefilado ocorre na saída da fieira e pode ser designada como sendo a tensão de trefilação. A tensão de trefilação não pode exceder a tensão de escoamento do material já trefilado e este é o limite para o máximo esforço de tração que se pode aplicar sobre o material a fim de se obter sua redução. 3.5. Redução de área


35

A redução de área na trefilação é dada por: Ra DfDo

= −12

2

Onde: Ra = Redução de área Df = diâmetro final do material trefilado. Do = diâmetro inicial do material a ser trefilado. Ra deve ser menor que 0,63. Na prática Ra varia entre 5% e 40%. 3.6. Alongamento

O alongamento sofrido por um material na trefilação pode ser obtido por: Al Lf LoLo

=−

×100

Lf Df

Lo

Do

Onde: Al = Alongamento Lf = comprimento final do material trefilado. Lo = comprimento inicial do material a ser trefilado. 3.7. Efeitos da trefilação sobre as propriedades mecânicas do material O encruamento sofrido devido à deformação a frio eleva a resistência à tração e o limite de escoamento do material e, ao mesmo tempo reduz os valores de alongamento, como pode ser visto na figura 52. No caso de aços as variações das propriedades são mais acentuadas nos primeiros 15% de redução de área.

Figura 52

Conforme o número de passes a ser dado no material ou das propriedades mecânicas que se quer obter no produto final poderão ser necessários tratamentos térmicos de recozimento, pois o material a cada passe vai tornando-se mais duro e mais frágil chegando a ponto de não suportar mais nenhuma deformação. 4. Forjamento


36 .

Figura 53

4.1. Introdução O forjamento antecedeu no tempo a todos os processos de transformação por deformação plástica, sendo certamente conhecido desde 1500 AC. A maioria das ferramentas e armamentos antigos era obtida pelo trabalho artesanal do ferreiro, conforme mostrado no desenho da figura 53. Trata-se de um processo de deformação plástica de um metal, geralmente a quente, com o auxílio de ferramentas agindo por choque ou por pressão, de maneira a se obter uma peça de formato determinado. O forjamento, assim como qualquer outro processo de trabalhomecânico, está associado com uma variação na macroestrutura dometal, o que conduz a um rearranjo das fibras e altera o tamanho dogrão.

A figura 54 mostra o fibramento de um metal de um flange produzido por usinagem (A) e forjamento (B). O fibramento da peça forjada é muito mais favorável, promovendo uma maior resistência à flexão no caso do flange ter de suportar alta pressão.

Os forjados constituem-se como primeresistência mecânica com boa ducttemperadas e revenidas, normalmentdeformações, não podem ser superadcargas súbitas. A peça forjada pode ser obtida de duas• Forjamento com matrizes abertas oabertas, podendo fluir para os lados so• Forjamento com matrizes fechadasde maneira a ocupar o contorno do molOs metais normalmente usados paramagnésio. 4.2 Pré-aquecimento Cada metal ou liga possui um determinser feito da melhor maneira. Deve seresistência à deformação. Antes de proceder-se à deformação, osuperaquecimento ou queima do metalA tabela 4 indica os intervalos de tempe

Material TempeAço carbono Aço liga Bronze (Cu+Sn) Latão (Cu+Zn) Ligas de AL Ligas de Mg

4.3. O Forjamento em Matrizes


A

Figura 54

B

ira opção, onde se demande combinações do tipo: elevada

ilidade e tenacidade. Por outro lado às peças forjadas, e empregadas em componentes sujeitos a altas tensões e as em desempenho, confiabilidade, resistência à fadiga e a

formas: u planas: Neste caso, o metal deforma-se entre as matrizes

bre a superfície da matriz. ou estampos: Neste caso, o metal é obrigado a deformar-se de formado por um par de matrizes. o forjamento são o aço, ligas de cobre, o alumínio e o

ado campo de temperatura dentro do qual o forjamento pode r uma temperatura que associe boa plasticidade e mínima

tarugo deve ser uniformemente aquecido, sem que haja um . ratura de forjamento de alguns metais.

ratura.máxima (°C) Temperatura mínima (°C) 1200-1000 800-850 1150-1100 825-900

850 700 750 600

490-470 300-350 430-370 350-400

Tabela 4 Abertas

37

Figura 55

Os forjados são feitos por este processo quando: O forjado é muito grande para ser feito em matrizes fechadas. A quantidade é muito pequena para compensar a usinagem de matrizes fechadas. O formato da peça é muito simples. O tamanho dos forjados que podem ser produzidos em matrizes abertas só é limitado pela capacidade dos equipamentos de aquecimento, forjamento e manuseio. Contudo, cerca de 80% dos forjados em matrizes abertas, pesam entre 15 e 500 Kgf. Com operadores habilidosos e com a ajuda de várias ferramentas auxiliares, pode-se produzir formatos relativamente complexos em matrizes abertas. Entretanto, como estas operações levariam muito tempo, elas se tornariam muito caras. Portanto, forjados complexos só são obtidos em matrizes abertas em circunstâncias especiais.

A maioria dos forjados em matrizes abertas tem os seguintes formatos: seções redondas, quadradas, retangulares, hexagonais e octogonais, forjadas a partir de um tarugo. O esquema de obtenção de um esboço de um parafuso é mostrado na figura 55.

Esboço de um parafuso

4.4. O Forjamento com Matrizes Fechadas No forjamento em matrizes fechadas, o fluxo do metal é contido pelas paredes das matrizes, que formam uma cavidade com o formato da peça. Este tipo de forjamento é economicamente empregado para produção de peças em grande quantidade com peso de até 350 Kgf. As matrizes são feitas geralmente em aços liga e tem um custo relativamente elevado, principalmente devido ao trabalho de usinagem das cavidades. A peça obtida exige pouco trabalho de usinagem para obtenção do produto acabado. Como o fluxo do metal que está sendo deformado é restringido pelas cavidades das matrizes, a pressão será distribuída em toda massa do metal e não somente na superfície, fazendo com que o alinhamento das fibras seja mais propício aumentando, portanto, as propriedades do forjado. Durante o forjamento de uma peça em matrizes fechadas, temos geralmente duas operações: o forjamento e a rebarbação. Peças simples podem ser forjadas de uma só vez em matrizes com uma única cavidade e depois rebarbadas. Vive a figura 56.

Figura 56 Na cavidade da matriz inferior coloca-se o produto inicial, previamente aquecido e, através da pressão exercida pela matriz superior, o metal irá preencher toda a cavidade do estampo, com o excesso de metal (rebarba) sendo comprimido em uma cavidade especial. As rebarbas representam 15 a 20% do peso do forjamento e constituem a garantia de não faltar metal para o preenchimento de


38 .

toda matriz e obtenção de uma peça sã. As cavidades do estampo devem ter paredes inclinadas formando ângulos de 5 graus a 8 graus, de maneira a facilitar a extração da peça. Deve-se também evitar cantos vivos, que podem causar acúmulo de tensões e, conseqüentemente, trincas. No projeto da matriz não se deve esquecer que a peça ao ser formada esta acima da temperatura de recristalização do metal e, portanto, o metal irá se contrair até atingir a temperatura ambiente. Assim, a matriz deve ser construída maior para que a peça, ao se resfriar, fique nas dimensões projetadas. Depois da obtenção da peça na matriz fechada, o forjado é levado a uma prensa para o corte da rebarba em uma matriz especial, após o que pode ser usinado para obtenção das dimensões finais. Peças mais complicadas são forjadas em várias matrizes ou em uma matriz com várias cavidades, onde a peça é obtida por etapas progressivas, como é o caso da biela mostrada na figura 57..

Figura 57

4.5. Máquinas para Forjamento Inicialmente o forjamento era executado pelo homem com o malho e a bigorna. Com a entrada da era industrial apareceram os primeiros martelos forjadores mecânicos. Posteriormente, devido a crescente necessidade de produtos mais precisos, e da produção em grande série, surgiram as prensas, que deformam os metais sem choque, somente por pressão. Atualmente, dos equipamentos utilizados em forjarias, podemos distinguir os seguintes: marteletes, martelos, prensas mecânicas e prensas hidráulicas, dos quais apresentamos alguns exemplos a seguir. 4.5.1 Forjamento em marteletes São usados para peças de tamanho pequeno e caracterizam-se pelo peso das massas que dão o golpe sobre a peça que está sendo forjada (até 1t). • Martelete pneumático

A figura 58, mostra um martelete pneumático de dupla ação. Este martelete consta de dois cilindros: O de trabalho 1 e o de compressão 2. Pelo cilindro de trabalho corre o êmbolo-massa 3 com o estampo 4 preso a ele. O êmbolo do cilindro de compressão 5 que é posto em movimento pelo mecanismo de virabrequim e biela 6, comprime o ar que é bombeado alternadamente para os orifícios superior e inferior do cilindro de trabalho, provocando assim o movimento do êmbolo e o conseqüente martelamento. A admissão e o escapamento de ar no cilindro de trabalho efetua-se por meio de válvulas 8 que são comandadas por alavancas ou pedais. As válvulas permitem realizar golpes individuais ou trabalhar automaticamente e parar a massa na posição superior. O peso das peças de golpe varia de 50 a 1000 Kgf dando até 190 golpes por minuto. Este martelete é usado para forjamento de peças de até 20 Kgf.

Figura 58 4.5.2 Forjamento em martelo - pilão


39

Os forjados de peso médio são obtidos em martelos-pilões de ação simples ou dupla, a vapor. Na figura 59 é mostrado um martelo pilão a vapor, de dupla ação e com dois apoios. Na parte superior da armação 1 está preso o cilindro de trabalho 2 pelo qual corre o êmbolo com o braço 3. O extremo inferior do braço está ligado à massa 4, com a matriz intercambiável 5, que martela o metal que se acha sobre a matriz inferior 6. Esta vai colocada sobre a bigorna 7 que é uma peça moldada maciça. Por meio da alavanca 8 é manejado o mecanismo de distribuição, que pode também ser manobrado automaticamente. Nos martelos - pilões a vapor com um único apoio, o peso das peças de golpe (êmbolo, braço, massa e matriz) tem que ser inferior a 2 toneladas. Os martelos de peso maior (até 5t) possuem uma armação de dois apoios e guias para a massa, o que exclui a possibilidade do desvio do braço durante o trabalho. Os martelos - pilões são de fácil manejo, podem dar golpes com forças diferentes, manter suspensa a massa e dar golpes seguidos. Estes martelos são utilizados para os mais diversos trabalhos de forja, partindo de tarugos de até uma tonelada.

Figura 59

4.5.3 Forjamento em prensas mecânicas A estampagem a quente em matrizes fechadas pode ser realizada por martelos e marteletes mas, preferencialmente, é feita em prensas. As vibrações e a violência dos choques não permitem o uso de martelos mecânicos para o forjamento com matrizes progressivas. Outra vantagem das prensas é que elas permitem uma regulagem mais fácil e, por conseguinte, produzem um trabalho mais preciso. Finalmente, uma única pancada de uma prensa produz tanto trabalho quanto várias pancadas de um martelo-pilão, eliminando a necessidade de reaquecimento da peça. • Prensa excêntrica O forjamento com matrizes fechadas pode ser feito por prensas excêntricas com capacidade entre 500 e 18.000 tf e com velocidades de recalcamento entre 0,5 a 0,8 m/s. Praticamente não há carga de impacto não sendo, portanto, necessárias fundações pesadas para sua instalação. A deformação penetra mais profundamente, o que melhora a qualidade do forjado. Considerando que a deformação é executada em um único curso do cabeçote, que as posições extremas do cabeçote são precisamente localizadas e que o número de cursos por minuto pode ser tão alto quanto o do martelo, teremos para a prensa uma maior capacidade produtiva e uma maior precisão do forjado (tolerância entre 0,2 e 0,5 mm). Além disso, os ângulos de saída da matriz podem ser reduzidos a 2 ou 3 graus, considerando-se a possibilidade da aplicação de extratores nas matrizes. Prensas excêntricas permitem ampla mecanização e mesmo automatização. Vide a figura 60.


40 .

• Prensa excêntrica Principais componentes: 1 - Volante 2 - Guias do cabeçote 3 - Excêntrico 4 - Biela 5 - Mesa regulável 6 - Volante regulador

Figura 60

4.5.4 Forjamento em prensas hidráulicas São empregadas prensas hidráulicas para forjamento pesados em lingotes com peso entre 1 e 250 t. Diferentemente dos martelos-pilões as prensas deformam o metal sem dar golpes, aplicando uma carga estática. As prensas hidráulicas usadas para forjamento com matriz aberta podem ter entre 500 e 15000 tf e as usadas para matriz fechada até 50000 tf. A figura 61 mostra o esquema de uma prensa hidráulica.

A armação da prensa é constituída por quatro colunas 1, que estão presas na base metálica 2 e no suporte superior 3. Neste suporte estão montados o cilindro de trabalho 4 e o cilindro de elevação 5. As colunas da prensas servem de guias para o suporte móvel 6 onde é presa a matriz superior 7. A matriz inferior 8 é presa na base metálica. O suporte móvel está unido com o pistão 9 do cilindro de trabalho e preso por meio das barras 10 ao balancim 11 do cilindro de elevação. Para o funcionamento da prensa, a pressão do fluido não deve ser menor que 200 atm.

Figura 61


41

4.6. Relações entre os Parâmetros que atuam na Deformação por Forjamento 4.6.1. Cálculo da força de forjamento

Figura 62

Considerando-se uma força de deformação P atuando sobre a superfície de um corpo metálico, como o da figura 62, podemos dizer que, quando a mesma executar uma deformação elementar dh, neste corpo teremos a realização de um trabalho elementar dT, onde: dT = Pdh Sabemos que o corpo oporá uma resistência à sua deformação, que dependerá basicamente do material, da temperatura, da velocidade da deformação e das condições de vinculação desse corpo

ao molde (matriz aberta ou fechada). Chamaremos esta resistência de rd, onde: rd PS

= , sendo S a

área da superfície que está sendo deformada, ou seja, o produto das dimensões a x b (comprimento x largura). Assim teremos: dT = rd.S.dh Por outro lado sabemos que durante a deformação o volume do corpo permanecerá constante, pois não haverá alteração em sua densidade, alterando-se apenas, proporcionalmente, suas dimensões, assim: Vo = V = V1 = cte. (V = a.b.h)

Portanto, multiplicando e dividindo por h, teremos: dT rd V dhh

= . .

Para determinarmos o trabalho para a realização da deformação total, devemos integrar dT.

Assim teremos: T =h

hfrd V dh

h0∫ . . = rd V hohf

. .ln

Por outro lado, se chamarmos a deformação total ho - hf = e, teremos T = P.e

Portanto, igualando em T, teremos: Prd V ho

hfe

=. .ln

rd é uma resistência ideal à deformação. Na prática teremos uma resistência real Rd =rdµ

, onde µ

é o rendimento.

Assim a força necessária para a deformação do material será: PRd V ho

hfe

=. . ln

Rd é tabelado por material. A tabela 5 indica o valor de Rd para a deformação a quente de aço, em matrizes abertas. Nos casos de matrizes fechadas Rd, aumenta entre 30% a 60%, dependendo do formato da cavidade.

Percentual de deformação

Rd (MPa) Martelo

Rd (MPa) Prensa

0 a 10 100 a 150 40 a 60 10 a 20 150 a 200 60a 120 20 a 40 200 a 300 120a 220 40 a 60 300 a 360 220a 280

Acima de 60 360 a 500 280a 380 Tabela 5

4.6.2. Dimensionamento de um martelo para execução de uma determinada deformação.


42 .

• Martelo em queda livre

Figura 63

Se considerarmos um martelo de massa Q executando uma determinada deformação e, como mostrado na figura 63, podemos dizer que:

T m v=

. .2

2µ , onde:

v = velocidade final da massa de peso Q m = Q/g, onde g é a aceleração da gravidade µ = rendimento, pois parte da energia do choque é absorvida pela máquina.

Por outro lado: v g= 2. .C , onde C = curso livre do martelo (altura da queda de Q)

Assim: v2 = 2gC, portanto podemos dizer que: T Q g Cg

=. . ..22

µ

∴ =T Q C. .µ Como: T P e= . , podemos igualar em T: PQ Ce

=. .µ

Como : PV Rd ho hf

e=. . ln

, igualando-se em P , finalmente, vem: QV Rd ho hf

C=. . ln

.µ• Martelo de Dupla Ação

Figura 64

Em um martelo de dupla ação, como o da figura 64,teremos: T Q C p A C= +. . . . .µ µ Onde: p = pressão de ar ou vapor no pistão do martelo (usualmente de 7000 a 9000 MPa).

A = área da cabeça do pistão. A d=

π . 2

4

C = curso livre do martelo (altura de queda) Q = peso da massa do martelo Com o mesmo raciocínio feito para o martelo de simples ação, podemos deduzir que:

QV Rd ho hf p A C

C=

−. . ln . . ..

µµ


43

• Exercício: Dimensionar um martelo de duplo efeito para executar, em uma única pancada, uma deformação de 10 mm em um bloco de 250 mm de altura e base de 150 x 200 mm. Dados: material: aço pressão do pistão: p = 7000 MPa diâmetro do pistão: 300 mm rendimento do sistema: 0,8 curso livre do martelo:C = 600 mm

Solução:

QV Rd ho hf p A C

C=

−. . ln . . ..

ηη

V = 150 x 200 x 250 = 7.500.000 mm3 Determinação de Rd:

Porcentual de deformação: 250 10010

→→ x

∴ =x 4% , da tabela vem Rd = 120 MPa

ln ln ,hohf

= =250240

0 0408

A D mm= = =π π. . . .

2 22

43004

70 686

10,7006.28,0600

8,0600686.7007,00408,0120000.500.7=

××××−××

=Q

Q = 27000 N 5. Extrusão 5.1. Introdução

Figura 65

No processo de extrusão, o metal é comprimido acima de seu limite em uma câmara, sendo forçado a escoar através de uma matriz que irá determinar a seção do produto resultante. A extrusão pode ser a frio ou a quente, porém, para a maioria dos metais, utiliza-se extrusão a quente, de modo a reduzir as forças necessárias para o processo, eliminar os efeitos do trabalho a frio e reduzir as propriedades direcionais. O metal é normalmente comprimido por um êmbolo, para frente ou para trás, e forçado a passar através da matriz, dando origem a um produto que pode ser sólido ou oco. Os metais mais usados para a extrusão são o chumbo, o alumínio, o magnésio e o cobre e suas ligas, devido as suas resistências ao escoamento e temperaturas de extrusão serem relativamente baixas. O aço é mais difícil para ser extrudado, devido a sua alta resistência ao escoamento e sua tendência de soldar-se às paredes da câmara da matriz, nas condições de alta temperatura e pressão necessárias à extrusão. Na figura 65 são mostrados perfis de alumínio obtidos por extrusão.


44 .

Figura 66

5.2. Extrusão a Quente As altas temperaturas e pressões que podem atingir até 7000 atmosferas são os maiores problemas da extrusão a quente. São necessárias lubrificação e proteção da câmara, do êmbolo e da matriz para evitar-se desgaste prematuro ou um emperramento da extrusora. Para baixas temperaturas, é usual a aplicação de óleo grafitado como lubrificante; para altas temperaturas, como as alcançadas na extrusão do aço, usa-se vidro líquido como lubrificante. Além disso, os êmbolos podem possuir sistema de refrigeração por água, quando não estão em operação. Entretanto, a melhor garantia para o equipamento é deixar o metal o mínimo tempo possível na câmara, através de uma alta velocidade de extrusão,que pode alcançar até 2m/s. A maioria das extrusões a quente são efetuadas em prensas hidráulicas horizontais, com capacidade entre 250 e 6.000 tf. A tabela 6 indica a temperatura de extrusão para alguns metais.

METAL TEMPERATURA DE EXTRUSÃO (ºC) AÇO 1200 a 1320

MAGNÉSIO 350 a 430 ALUMÍNIO 420 a 480

LIGAS DE COBRE 650 a 900 Tabela 6

5.2.1 Aplicações da extrusão a quente A extrusão é mais cara que a laminação para a produção de grandes quantidades. Portanto, para perfis com formatos que possam ser obtidos por laminação, a escolha dependerá de um estudo econômico. Entretanto, quando se tratar da obtenção de formas com saliências e reentrâncias, que não poderiam ser obtidas por laminação, a alternativa mais interessante é a extrusão. A extrusão também é bastante usada para a obtenção de tubos, geratrizes de engrenagens, cápsulas de projéteis, peças para aviação, etc. 5.2.2 Fabricação de tubos de aço sem costura, por extrusão a quente Os tubos extrudados feitos de aços ligados e ligas não ferrosas são obtidos a partir de tarugos redondos laminadas ou forjados. Normalmente esses são perfurados antes da extrusão. Para tubos de pequeno diâmetro interno escolhe-se um diâmetro do furo um pouco maior que o mandril interno a ser utilizado. Para tubos de grande diâmetro interno prevê-se um furo menor, o qual é alargado a quente para o diâmetro interno final desejado. Além disto, todos os tarugos são arredondados na face de prensagem com um determinado raio. Estes tarugos perfurados são aquecidos à temperatura de prensagem, tanto para o alargamento de seu diâmetro interno quanto para a prensagem, em fornos de banho de sal ou fornos elétricos de indução. A seguir, o tarugo perfurado aquecido é recoberto interna e externamente com vidro derretido, e introduzido na câmara de extrusão. Na saída desta encontra-se uma matriz, provida de material lubrificante, que determina o diâmetro externo do tubo, enquanto que o mandril introduzido no tarugo determina o seu diâmetro interno. O êmbolo da prensa atua sobre um anel de prensagem colocado sobre o tarugo. Após a conclusão do processo de prensagem, cortasse o disco de material remanescente na câmara, com auxilio de uma serra ou tesoura. A figura 67 mostra esquematicamente o processo de prensagem por extrusão, no qual a direção de prensagem pode ser tanto vertical quanto horizontal. No caso da prensagem vertical ocorre sob a prensa um desvio do tubo de 90 graus, cortando-se a seguir o mesmo em comprimentos de fabricação.


45

Figura 67

5.3. Extrusão a Frio

Figura 68

Certos metais tais como o chumbo, o estanho, o zinco, o alumínio, o cobre, o níquel e suas ligas apresentam alta plasticidade sendo adequados para a extrusão a frio, além disso, a rápida aplicação de pressão libera uma quantidade de calor que eleva a temperatura do metal extrudado, o que facilita a mesma. A figura 68 mostra o esquema para a produção de tubos para pasta dental. Para sua obtenção é colocada no fundo de uma câmara fechada uma pastilha (cortada a partir de uma chapa), a qual é atingida por um punção em alta velocidade. O metal é obrigado a conformar-se em torno do punção formando o tubo, que é descarregado quando o punção recua. Por este processo, consegue-se uma produção de até 80 tubos por minuto. As pressões exercidas neste processo variam de 1 a 3 vezes o limite de escoamento do metal. A lubrificação é feita através de óleos, graxas ou sabões. Para aderência do lubrificante no metal é interessante que este seja fosfatizado, pois a camada de fosfatos é porosa e retém o lubrificante.

Para a extrusão a frio, são normalmente utilizadas prensas mecânicas verticais devido a sua rapidez de operação. Prensas hidráulicas são usadas para peças maiores ou para metais que apresentam maior resistência à deformação. Os fatores fundamentais para uma boa extrusão a frio são: O material possuir alta maleabilidade e plasticidade (sempre deve se usar material recozido), a força de extrusão ser aplicada rapidamente e ter intensidade constante e as peças terem seção simétrica. Os defeitos mais comuns que apresentam as peças extrudadas a frio são: Rasgos, rugas e espessura de parede irregular. Esses defeitos normalmente são provenientes de falhas nas pastilhas, descentralização do punção em relação à matriz ou, ainda, desnivelamento da matriz. Vide a figura 69.


46 .

Figura 69 5.3.1 Aplicações da extrusão a frio A extrusão a frio visa tanto melhorar as propriedades mecânicas de um metal, como produzir formas específicas. Sua rapidez e um dos motivos que torna este processo vantajoso para a obtenção de latas, carcaças de extintores de incêndio, pistões de alumínio para motores, cilindros, tubos, geratrizes de engrenagens, etc. A extrusão a frio torna-se bastante interessante para metais moles e formas simples. A extrusão a frio é competitiva com a estampagem profunda de chapas, pois exige menor número de operações para a obtenção da peça estampada e devido ao menor custo das ferramentas, embora exijam prensas mais potentes para execução da operação. 5.4. Cálculo das dimensões da pastilha para extrusão O formato da pastilha deverá coincidir com o do fundo da peça. As dimensões da pastilha que dará origem à peça extrudada é calculada pela igualdade de volumes, uma vez que o volume da pastilha será igual ao da peça, pois não há perda de material, nem alteração de sua densidade. • Exemplo: Calcular as dimensões da pastilha que dará origem a um copo cilíndrico, numa extrusão a frio.

• Solução: a) Cálculo do volume da peça:

) ) ](([V D d H ef D e= − − + fπ4

2 2 2. .

b) Cálculo do volume da pastilha: Sabemos que o diâmetro da pastilha coincide com o diâmetro externo da peça. Assim teremos:

Vo D h=π . .

2

4

Igualando-se as duas expressões teremos o valor de h:

h =

Pastilha ) )((D d H ef D ef

D

− − +2 2 2

2

. .


47

5.5 Determinação da força de extrusão De acordo com Dipper, a força necessária para a extrusão de determinado metal pode ser obtida através da seguinte fórmula:

)(Fe

Sp Kfm h e=

+. . ,2 0 25η

Onde: Sp = área da seção transversal do punção Kfm = fator de estabilização médio (resistência oposta pelo material à deformação), que varia com o metal e com o grau de deformação. η = rendimento da deformação que varia de 0,6 a 0,8 para materiais moles, tais como o chumbo e o alumínio e entre 0,5 a 0,7 para materiais mais duros. h = altura da pastilha de extrusão e = espessura da parede da peça pronta.

O grau de deformação, representado por δg , é calculado como: δg SoS

= ln

Sendo: So = área da base da pastilha de extrusão. S = área da seção transversal da peça pronta. • Exemplo:

Determinar a força necessária para a extrusão de um copo cilíndrico, sabendo-se: Material: Alumínio 99,5% Diâmetro da pastilha: D = 26 mm Altura da pastilha: h = 20 mm Espessura final de parede: e = 3,0 mm Espessura final do fundo: e = 2,0 mm Solução:

)(Fe

Sp Kfm h e=

+. . ,2 0 25η

a) Determinação de Sp:

Sp d mm= = =π π. int .2 2

2

4204

314

b) Determinação de Kfm:

δg SoS

= = =ln ln ,531217

0 9

No gráfico 1, na curva do alumínio 99,5%, com grau de deformação de 0,9, tiramos: Kfm = 10 Kgf/mm2. b) η adotado igual a 0,8 devido à simplicidade da peça e por se tratar de material macio. Portanto, teremos:

)(Fe kgf=

× × + ×=

314 10 2 0 25 20 30 8

14 400,

,.

p


48


.

δg

Kfm

(kg/

mm

²)

Gráfico 1

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II - PROCESSOS METALÚRGICOS DE CONFORMAÇÃO · A força normal AN, exercida pelo cilindro sobre o produto, origina uma componente horizontal AC que se opõe ao arrastamento. A força