1. LAMINAÇÃO

A laminação é um processo de conformação que essencialmente consiste na passagem de um corpo sólido (peça) entre dois cilindros (ferramentas que giram a mesma velocidade periférica, mas em sentidos contrários (fig. 1)

As diferenças entre a espessura inicial e a final e do comprimento inicial e final, chamam-se respectivamente: redução total, alargamento total e alongamento total e podem ser expressas por:

O processo de laminação pode ser conduzido a frio ou a quente, dependendo das dimensões e da estrutura do material da peça especificada para o inicio e final do processamento.

1.1 Laminação a quente A peça inicial é comumente um lingote fundido obtido do lingotamento

convencional, ou uma placa ou tarugo processado previamente em lingotamento continua; a peça final assume seu formato em forma de perfis (produtos não planos) ou de placas e chapas (produtos planos) após diversas passagens pelos cilindros laminadores. A temperatura de trabalho se situa acima da temperatura de recristalização do metal da peça, a fim de reduzir a resistência a deformação plástica em cada passagem e permitir a recuperação da estrutura do material evitando o encruamento nos pases subseqüentes..

1.2 Laminação a frio A peça inicial para o processamento nesse caso, é um produto semi-

acabado (chapa), previamente laminado a quente. Como a temperatura de trabalho se situa abaixo da temperatura de recristalização, o material apresenta uma maior resistência a deformação e um aumento dessa resistência com a deformação (encruamento). A laminação a frio é aplicada, por tanto, para as operações finais (operações de acabamento).

Figura 1. Representação esquemática em perspectiva, do processo de laminação

1.3 OBJETIVOS DA LAMINAÇÃO:

Obter um produto final com tamanho e formato especificado, com alta taxa de produção e baixo custo;Obter um produto final de boa qualidade, com propriedades mecânicas e condições superficiais adequadas.O numero de operações requeridas para o processo de laminação depende das especificações estipuladas para a forma, as propriedades mecânicas, as condições superficiais e das macro e microestruturas do produto laminado.

1.4 ETAPAS PARA OBTENÇÃO DE PRODUTOS LAMINADOS

Preparação do material inicial para laminaçãoAquecimento do materialLaminação a quenteDecapagemLaminação a frioAcabamento.

1.5 MECÂNICA DA LAMINAÇÃOA laminação, e em especial a laminação contínua, é um processo que exige bastante controle, ou monitoramento, de variáveis como:

• Vazões do material em processo;• Temperatura do material;• Dimensões dos passes de laminação;• Esforços realizados no processamento.

Vazão do material em processo

A vazão do material em processo (Q) é dada por:

Q = V.A (1)

onde: V = velocidade do produto;A = área da secção transversal

Num processo contínuo esse parâmetro precisa ser muito bem calculado e controlado. Principalmente pela característica do processo de manter o volume constante.Na laminação de longos, onde o material é processado por vários canais ao mesmo tempo, a vazão precisa se manter, na medida do possível, constante. Alguns pontos são importantes para o controle da vazão:• Alongamento do material;• Geometria dos canais;• Rotação e diâmetro dos cilindros;

Figura 2 – Esquema simplificado de um processo de laminação

Rotação e diâmetro dos cilindros

O controle da rotação é definido pelos valores das reduções de cada passe, pois conhecendo a redução realizada no passe pode-se calcular a seção de saída do material e a nova velocidade linear, pela necessidade de se manter as vazões constantes.

A escolha dos diâmetros influenciam diretamente na velocidade linear, que é dada pela equação abaixo:

(3)sendo:Vl – velocidade linearω – velocidade do cilindroø – diâmetro do cilindro

Num processo contínuo o material precisa trabalhar com leves trações entre as gaiolas. Um descontrole da velocidade linear pode gerar um excesso de tração ou falta de tração que, por sua vez, pode levar o material a fraturar ou sobrar, respectivamente, conforme Figuras 3 e 4.

Um sistema eletrônico minimiza esse problema em vários pares de gaiolas, formado um laço no material. Através de uma fotocélula é possível medir a altura do laço e ajustar as velocidades. Se o laço tender a baixar tem-se um caso de excesso de tração. E se ele tender a subir, tem-se um caso de falta de tração.

Outro ponto influenciado pelo diâmetro do cilindro é o avanço do material. O avanço é um ganho de velocidade que o material adquire após a passagem pelo

ponto neutro de contato, em relação a velocidade linear do cilindro. O valor desse ganho deve ser considerado no cálculo das rotações.

Temperatura do material

Os processos de conformação são comumente classificados em operações de trabalho a quente, a morno e a frio. O trabalho a quente é definido como a deformação sob condições de temperatura e taxa de deformação tais que processos de recuperação e recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. De outra forma, o trabalho a frio é a deformação realizada sob condições em que os processos de recuperação e recristalização não são efetivos. No trabalho a morno ocorre recuperação, mas não se formam novos grãos (não há recristalização).

No trabalho a quente, devido à intensa vibração térmica -que facilita muito a difusão de átomos e a mobilidade e aniquilamento das discordâncias - o encruamento e a estrutura distorcida dos grãos produzida pela deformação, são rapidamente eliminados pela formação de novos grãos livres de deformação, como resultado da recristalização. É possível conseguir grandes níveis de deformação, uma vez que os processos de recuperação e recristalização acompanham a deformação. Ela ocorre a uma tensão constante. E como a tensão de escoamento plástico decresce com o aumento da temperatura,ver figura, a energia necessária para a deformação é geralmente muito menor para o trabalho a quente do que para o trabalho a frio ou a morno.

VARIAÇÃO DA TENSÃO DE COMPRESSÃO COM A DEFORMAÇÃO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA PARA UM AÇO DE BAIXO CARBONO

No trabalho a frio, como o encruamento não é aliviado, a tensão aumenta com a deformação. Assim a deformação total- que é possível de se obter sem causar fratura- é menor no trabalho a frio do que no trabalho a quente e a morno. Exceto

quando se realizam tratamentos térmicos de recozimento para aliviar os efeitos do encruamento.No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material e a tensão de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a frio e a quente.Costuma-se definir, para fins práticos, as faixas de temperaturas do trabalho a quente, a morno e a frio baseadas na temperatura homóloga, que permite a normalização do comportamento do metal, ver figura. Em um metal puro, que não sofre transformação de fase no estado sólido, os pontos de referência em termos de temperatura são: o zero absoluto e o ponto de fusão. Estes pontos, traduzidos em graus Kelvin, estabelecem os extremos da escala homóloga de temperaturas.

REPRESENTAÇÃO DA TEMPERATURA HOMÓLOGA E DAS FAIXAS DE TEMPERATURA : trabalho a frio (TF), a morno (TM) e a quente (TQ).

Em termos de conformação mecânica, chama-se de trabalho a quente (TQ) aquele que é executado em temperaturas acima de 0,5Tf trabalho a morno (TM), executado na faixa compreendida (grosseiramente) entre 0,3 e 0,5 Tf e trabalho a frio (TF) aquele que é executado entre 0 e 0,3 Tf .

É importante compreender que a distinção básica entre TQ e TF é portanto, função da temperatura em que se dá a recristalização efetiva do material. Assim, embora para muitas ligas comerciais a temperatura do TQ seja realmente elevada em relação à ambiente, para metais como Pb e Sn, que se recristalizam rapidamente à temperatura ambiente após grandes deformações, a conformação à temperatura ambiente é TQ. Por outro lado, a conformação a 1100oC é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior a esta, embora seja TQ para o aço.

Esforços realizados na laminação:

A deformação do material ocorre sob o arco de contato entre o cilindro e o produto, conforme se encontra esquematizado nas Figuras 5, 6 e 7.

Ponto neutro é o ponto onde não existe movimento relativo entre o material e o cilindro, ou seja, a velocidade do cilindro é igual à velocidade do material. A velocidade do material até o ponto neutro é menor que a velocidade do cilindro e, a partir daí, torna-se maior.

A distribuição de pressão sob os cilindros cresce até o ponto neutro e depois diminui. A Figura 8 mostra as zonas de fluxo restringido, geradas pelas forças de atrito existentes entre as superfícies dos cilindros e do material. A transmissão do atrito às camadas interiores do material tornam a sua deformação não homogênea.

As forças de atrito agem no sentido da laminação até o ponto neutro e no sentido contrário a partir dele. Isto provoca uma tendência de movimento para trás e para a frente do produto a laminar. O ponto máximo da zona de fluxo restringido, isto é, o ponto de máxima pressão é o ponto onde as forças de atrito invertem o sentido, ou seja, o ponto neutro.

Da Eq. (1):

onde: b = largura do produto (numa primeira abordagem considerada constante, i.e., a compressão vertical do material somente produz alongamento);h = altura do produto;v = velocidade do produto (vf vo).

A Figura 9 apresenta, novamente, o contato entre o cilindro e produto para uma velocidade v.

Figura 9 – Forças agindo durante laminação.

Em qualquer ponto da superfície de contato entre a ferramenta e o produto agem duas forças no material: a força radial, Pr, e a força de atrito tangencial, F, como observado na figura anterior. A componente vertical de Pr é conhecida como a carga de laminação, P, resultante da força de compressão dos cilindros no material e responsável pelas deformações no processamento.

A pressão de laminação específica, p, representa a razão entre a carga de laminação e a área de contato entre cilindro e material. Esta, por sua vez, é igual ao produto da largura do produto (b) e o comprimento do arco de contato (Lp). Então:

O ângulo α na Figura 9 representa o ângulo de mordida da ferramenta no produto. Na mesma figura, pode-se observar que a componente horizontal da força radial é (Prsenα) e a componente horizontal da força de atrito será (Fcosα). Para que o material seja puxado pela ferramenta Fcosα deverá ser igual ou superior que

Prsenα, impondo uma condição limite para que o produto passe pelos cilindros laminadores:

• Se μ = 0, não existe laminação;• μ varia ao longo do contato mas é considerado como constante;• Laminação em desbastadores: até 20°;• Laminação chapas / placas a quente: 12 - 20°;• Laminação chapas a frio (com lubrificação): 3 - 6°• Laminação chapas a frio (sem lubrificação): 5 - 8°

Somente sob o âmbito de condições de fricção (Eq. 6), grandes cilindros de laminação iriam permitir a entrada de produtos espessos de maneira igual a cilindros pequenos, o que não é verdade. Embora o ângulo α possa ser igual nos dois casos, o comprimento dos arcos de contato serão sensivelmente diferentes, o que irá impedir a conformação.

( 7)

A carga de laminação é função:

• do diâmetro dos cilindros;• da resistência do material à deformação (aspectos metalúrgicos,temperatura do processo e taxa de deformação);• do atrito entre material e cilindro.

A Eq. (5) define a carga de laminação como sendo pressão de laminação versus a área de contato. Desconsiderando inicialmente o atrito, tal equação pode ser reescrita como:

(8)

na qual σo’ é o limite de escoamento do material, em laminações com alargamento. Sob condições da atrito. Então, a Eq. (8) fica reescrita como:

Onde:

representa a tensão média de escoamento do material (média entre os limites de escoamento e resistência mecânica).

1.6 LAMINAÇÃO DE ROSCAS

Este tipo de laminação é muitas vezes mais econômica do que a produção de roscas por usinagem. O processo é realizado a frio sobre materiais cuja resistência não ultrapasse os 120kgf/mm2.

De acordo com a dispocisão das ferramentas existem diferentes métodos de laminação de roscas:

Pentes tangenciais, o arame é laminado entre os pentes planos, sobre os quais se encontra as ranhuras dos filetes, com a inclinação do ângulo da hélice.Rolos girantes ranhurados, a posição da peça aqui é determinado por uma régua de apoio.

1.7 CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES

Os equipamentos utilizados para processos de laminação, denominados laminadores, são constituídos basicamente por rolos laminadores, mancais, suporte para fixação dos rolos (denominados gaiolas), motor elétrico e sistemas de controle de velocidade

Os laminadores podem ser classificados de acordo com o numero e arranjo de cilindros, sendo os principais os seguintes (Figura 10):

Laminador duo, no qual o material passa em apenas uma direção, já no laminador duo reversível o material pode passar em ambas as direções.

Laminador trio, no qual são usados três cilindros onde o material passa primeiramente através dos cilindros inferiores em uma direção e volta a seguir entre os rolos superior e intermediário.

Laminador quádruo, neste caso são utilizados quatro rolos dois menores centrais, ou cilindros de trabalho, onde ocorre a laminação e dois maiores que fornecem a rigidez necessária.

Laminador universal, aqui se tem uma combinação de cilindros horizontais e verticais.

Figura 10: Tipos de laminadres

A instalação dos laminadores pode-se ser instalada combinados em diversos tipos.Laminador de guiasLaminador de voltearLaminador zigue-zagueLaminador continuoLaminador semicontinuoLaminador Morgan de tarugosLaminador planetário

1.8 ORGÃOS MECÂNICOS DE UM LAMINADOR

As duas estruturas metálicas que constituem a cadeira de laminação são chamados de gaiolas, as quais por meio de mancais suportam os cilindros, essas gaiolas são geralmente construídas em aço fundido e são ligadas entre si por peças fundidas ou forjadas (figura 11).

Os cilindros de laminação são peças inteiriças, fundidas ou forjadas que apresentam uma parte central chamada corpo, a qual executa o esforço direto de deformação. Essa parte pode ser lisa ou apresentar reentrâncias ou caneluras de

modo a permitir reduções ou conformações diferentes no mesmo cilindro, em cada extremidade do cilindro, ficam localizados os pescoços que se apóiam nos mancais das gaiolas. Finalmente alem dos pescoços situa-se o trevo, que é a parte que recebe o acoplamento para rotação.

Figura 11. Componentes de um laminados

1.9 CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS LAMINADOS

1.9.1 PRODUTOS PLANOS.

Os produtos laminados planos podem ser classificados em função do produto como produtos acabados e semi acabados.

Os produtos semi-acabados, obtidos geralmente pelo processo de laminação a quente, são transformados posteriormente em produtos acabados por outros processos de conformação, tais como laminação a frio, extrusão e trefilação.Segundo a norma ABNT existem quatro tipos de produtos semi-acabados planos, classificados com relação a forma e as dimensões:Bloco. Produto com seção transversal quadrada ou retangular de área superior a 15600mm2, com arestas arredondadas e a relação entre a largura e espessura menor ou igual a 2Tarugo ou palanquilha. Produto idêntico ao anterior, porem com área de seção transversal inferior a 15600 mm2 e espessura mínima de 40mm.Placa. Produto de seção transversal retangular, de arestas arredondadas, com espessura superior a 40mm e relação entre largura e espessura maior e igual a 2.

Platina. Produto plano com largura mínima de 150 mm e espessura compreendida entre 6 e 40 mm.

Os produtos acabados planos são obtidos por laminação a frio de placas e se subdividem de acordo com as dimensões em:Chapa. Produto plano com espessura mínima de 0,3 mm e largura mínima de 300mm.Chapa fina. Com espessura entre o,e e 0,6 mm e com largura igual ou superior a 300mm.Chapa grossa. Chapa com espessura superior a 6,0 mm e largura igual ou superior a 300 mm.Folha. Laminado com espessura inferior a 0,3 mm de qualquer largura.Tira. Produto semelhante ao anterior, com espessura entre 0,3 e 5,0 mm.

1.9.2 PRODUTOS NÃO PLANOS

Os produtos laminados não planos se classificam em barras, fios, tubos e perfis.As barras e perfis são laminados geralmente a partir de um lingote de seção quadrada ou retangular. A laminação é feita usando cilindros com canais especiais (figura 12).Os produtos não planos podem ser agrupados em:

Trilhos e acessórios Perfis estruturis (cantoneira, vugas H, I e U), Perfis comerciais (barras arredindadas, quadradas, sextavadas, chatas, vigas

em u em T) Perfis especiais Fio maquina (com diâmetro entre 5 e 13mm) Tubos sem costura.

figura 12: Alguns tipos de produtos laminados