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PMR 3203
- PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO –
- Parte I -
2020.1
2PMR-3203
Tópicos da aula A4
✓ Introdução
➢ Fundamentos da conformação mecânica
➢ Processo de forjamento
➢ Processo de laminação
Fundamentos da conformação mecânica
O ponto de partida para o estudo da conformação, está na
compreensão de como os materiais respondem, ou com se
deformam sob a ação de carregamentos.
As propriedades mecânicas mais importantes são:
➔ tensão máxima,
➔ tensão de escoamento,
➔ tensão de cisalhamento,
➔ outras; dureza, rigidez e ductilidade
3PMR-3203
Revisão de Engenharia de Materiais
◆ Sob carregamentos os materiais podem assumir quaisquer
uma das seguintes formas:
Tração
F
lo
q
Compressão Cizalhamento Torção
lo
lf
lf
F
F
F
F
FF
F
4PMR-3203
Deformação Plástica
5PMR-3203
Deformação Elástica
➔ Elasticidade representa a capacidade dos
materiais de retornarem ao seu estado de
deformação inicial após retirado o
carregamento aplicado sobre ele
➔ A elasticidade pode ser linear e não linear
Deformação Plástica
➔ A partir do ponto limite de deformação
elástica tensão e deformação não são mais
proporcionais
➔ A deformação plástica não é mais reversível
➔ Limite elástico é o ponto onde a curva
tensão deformação torna-se não linear, ou
seja, a deformação passa não ser mais
proporcional a tensão
➔ A tensão e a deformação neste ponto são
denominadas de limites proporcionais
➔ A partir desse ponto a Lei de Hooke não é
mais válida para determinar a relação de
proporcionalidade entre tensão e
deformação em tração ou cisalhamento
6PMR-3203
Elástico
Te
nsã
o
Deformação e
Plástico
P
Limite elástico
Limite Elástico
Relação de Poisson
7PMR-3203
➔Quando sob tensão (Z) o corpo de prova
torna-se maior e mais fino, ou seja,
contração na largura (X) e profundidade (Y)
➔Na compressão ele se torna mais “gordo”
➔A relação de Poisson define quando e
deformação lateral ocorre nas direções x e Y,
quando ocorre deformação na direção Z
➔Valores típicos giram em torno de 0,2 a
0,55mm2
➔Para materiais isotrópicos
➔Para materiais anisotrópicos E e G variam
com a direção
Módulo de Elasticidade
O Módulo de Elasticidade nos informa quanto alguma coisa vai
se deformar elasticamente quando sob carregamento, ou seja a
rigidez do material
8PMR-3203
OBS.: De forma geral o
Módulo de Elasticidade
diminui com o aumento
da temperatura
Ensaio de tração
9PMR-3203
https://www.youtube.com/watch?v=D8U4G5kcpcM
Nesse vídeo é interessante observar o comportamento de matérias dúcteis e
frágeis durante o ensaio de tração.A maior parte do parâmetros relacionado
ao comportamento dos materiais vem deste ensaio.
Deformação Plástica
➔ A deformação ocorre pelo rearranjo das ligações atômicas
➔ Em materiais cristalinos primariamente ocorrem pelo
deslocamento das discordâncias
PMR-3203 10
discordância
Plano de escorregamento
Tensão cisalhante
Tensão cisalhante
Tensão cisalhante
11PMR-3203
Divisão dos processos de fabricação
Conformação do material
➔ Processo de fabricação no qual ocorre modificação tri-
dimensional da forma por meio da conformação plástica, sem
contudo alterara a massa ou a coesão do material
➔ Ao contrário da usinagem a conformação é o método pelo qual
se da forma com geometria controlada
➔ Conformação plástica: Modificação da forma/dimensões de um
corpo metálico pela ação de tensões mecânicas sem que haja
remoção de material
➔ Cerca de 80% dos produtos manufaturados na indústria metal
mecânica sofrem uma ou mais operações de conformação
plástica.
12PMR-3203
Classificação dos Processos de Conformação Mecânica
13PMR-3203
Conformação Mecânica
Quanto ao tipo de esforço predominante
➔ compressão direta
➔ compressão indireta
➔ tração
➔ flexão
➔ cisalhamento
Quanto a temperatura de trabalho
➔ frio Tt < Trecr
➔ quente Tt > Trecr
➔ morno Tt ~ Trecr
➔ isotérmico Tt > Trecr constante
Onde:
Tt = temperatura de trabalho
Trecr = temperatura de recristalização
Conformação sobre condições compressivas
Classificação
➔ Laminação
➔ Forjamento em matriz aberta
➔ Forjamento me matriz fechada
➔ Cunhagem
➔ Estrusão / trefilamento
14PMR-3203
Conformação sobre condições compressivas
Vídeos exemplo
15PMR-3203
https://www.youtube.com/watch?v=XTU0Z-FkhtU
https://www.youtube.com/watch?v=13dUL9OQFvw
Esse é um vídeo mostrando o processo de laminação contínua.
Esse é um vídeo mostrando alguns exemplos de processo de forjamento em matriz aberta. Interessante é observar a
dimensão das peças
Conformação sobre condições combinadas de tração e compressão
◆ Classificação
➔Embutimento profundo
➔ Flangeamento
16PMR-3203
Conformação sobre condições de tração
Classificação
➔ Estiramento
➔ Expansão
➔ Expansão por estiramento
17PMR-3203
Conformação por dobramento
Classificação
➔ Dobramento linear
➔ Dobramento circular
18PMR-3203
Conformação sobre condições de cizalhamento
Classificação
➔ Torçionamento
➔ Estampagem
19PMR-3203
20PMR-3203
Efeito da temperatura no metais
Os cristais plasticamente deformados têm mais energia que os
cristais não-deformados, devido a existência de grande
quantidade de discordâncias.
A permanência do material a uma temperatura
suficientemente elevada faz com que a vibração térmica dos
átomos permita maior mobilidade das discordâncias.
A recristalização permite restaurar a ductilidade pelo
aquecimento acima da temperatura de recristalização, nesta a
estrutura cristalina deformada se rearranja formando novos
grãos com baixa densidade de discordâncias. Os grãos se
desenvolvem até que toda a estrutura toda esteja
rearranjada, e a microestrutura resultante é equiaxial.
21PMR-3203
Efeito da temperatura no metais
Mudança de propriedades e estrutura com a recuperação e a recristalização (fonte: Shackelford).
Crescimento de grão durante recristalização (Gulhaév, pág. 103)
22PMR-3203
Quanto a temperatura de trabalho
➔ frio Tt < Trecr
➔ quente Tt > Trecr
➔ morno Tt ~ Trecr
➔ isotérmico Tt > Trecr e constante
Características dos processos em função da temperatura
de trabalho (Tt)
23PMR-3203
Quanto a temperatura de trabalho
➔ frio Tt < Trecr
➔ quente Tt > Trecr
➔ morno Tt ~ Trecr
➔ isotérmico Tt > Trecr e constante
Características dos processos em função da temperatura
de trabalho (Tt)
➔ Pequenas deformações
(relativamente)
➔ Encruamento
➔ Elevada qualidade dimensional e
superficial
➔ Normalmente empregado para
“acabamento”
➔ Recuperação elástica
➔ Equipamentos e ferramentas mais
rígidos
24PMR-3203
Quanto a temperatura de trabalho
➔ frio Tt < Trecr
➔ quente Tt > Trecr
➔ morno Tt ~ Trecr
➔ isotérmico Tt > Trecr e constante
Características dos processos em função da temperatura
de trabalho (Tt)
➔ grandes deformações
➔ recozimento
➔ baixa qualidade dimensional e
superficial
➔ normalmente empregado em
operações grosseiras
➔ peças grandes e de formas
complexas
➔ contração térmica, crescimento
de grãos, oxidação
25PMR-3203
Quanto a temperatura de trabalho
➔ frio Tt < Trecr
➔ quente Tt > Trecr
➔ morno Tt ~ Trecr
➔ isotérmico Tt > Trecr e constante
Características dos processos em função da temperatura
de trabalho (Tt)
➔ reúne as características
vantajosas do trabalho a
frio e a quente
26PMR-3203
Quanto a temperatura de trabalho
➔ frio Tt < Trecr
➔ quente Tt > Trecr
➔ morno Tt ~ Trecr
➔ isotérmico Tt > Trecr e constante
Características dos processos em função da temperatura
de trabalho (Tt)
➔reúne as características do
trabalho a quente
➔ peça e ferramentas
apresentam temperaturas
próximas
➔ possibilidade de grandes
deformações a taxas de
deformação reduzidas
Diagrama de fases Fe-C com microestruturas representativas de aços, do ferro-a e do ferro-g. MO corresponde a microscopia óptica
(adaptado de CALLISTER JÚNIOR, 2007) 27PMR-3203
Diagrama TTT para um aço carbono. Simbologia: A = austenita; P = perlita; B = bainita; M= martensita; MO = Microscopia Óptica; MET = Microscopia
Eletrônica de Transmissão.
(adaptado de CALLISTER JÚNIOR, 2007) 28PMR-3203
Tribologia na interface
29PMR-3203
situações de contato:
(a) com baixa pressão de contato nas asperezas (baixa conformidade);
(b) com pressão de contato moderada nas asperezas (média conformidade);
(c) com alta pressão de contato nas asperezas (total conformidade).
Operação de recalque:
(a-) disposição de um tarugo entre duas matrizes;(b-) deformação da peça sem a presença de atrito na interface;(c-) deformação da peça com a presença de atrito na interface.
onde: D=matriz; B= tarugo; F= força aplicada.
(ASM INTERNATIONAL, 1995) 30PMR-3203
Ensaio do Anel
Efeito do atrito sobre a deformação do material metálico no teste de compressão
Tensão de escoamento do material no ensaio é definida como:
razão de aspecto padrão 6:3:2 (diâmetro interno: diâmetro externo:altura).
31PMR-3203
𝜎 = 50,3 1 +𝜀
0,05
0,26
[𝑀𝑃𝑎]
Ensaio do Anel
Curva de calibração ou curvas de fator de atrito
32PMR-3203
Variáveis mais significativas nos processos de conformação
Ferramental
• Geometria das ferramentas
• Condições superficiais
• Material, dureza, tratamento térmico
• Temperatura
• Rigidez e precisão do conjunto
Condições na interface peça ferramenta
• Tipo de lubrificante e temperatura de trabalho
• Isolação e características de resfriamento na camada interface
• Lubrificação e tensão de cisalhamento ao atrito
• Características relacionadas a aplicação e remoção do lubrificante33PMR-3203
Variáveis mais significativas nos processos de conformação
Zona de deformação
• Mecanismo de deformação
• Modelo usado na análise
• Fluxo de metal, velocidade, taxa de deformação, cinemática da
deformação
• Tensões (variações durante a deformação)
• Temperaturas
Equipamentos usados
• Velocidade/razão de produção
• Força/capacidade de conversão de energia
• Rigidez e precisão34PMR-3203
Variáveis mais significativas nos processos de conformação
Produto/Peça
• Geometria
• Precisões dimensionais, geométricas e tolerâncias
• Acabamento superficial
• Micro estrutura, propriedades mecânicas e metalúrgicas
Ambiente
• Capacidade da mão de obra disponível
• Poluição do ar, sonora e emissão de resíduos
• Controle da produção
• Equipamentos disponíveis para controle da produção
(metrológicos e metalúrgicos)35PMR-3203
Divisão dos processos de fabricação
36PMR-3203
Forjamento
Definição
➢ Processo de fabricação onde a forma final do componente é obtida
através da deformação plástica resultante da aplicação de pressão ou
impacto promovido por uma prensa ou martelo
37PMR-3203
Forjamento - Classificação
Forjamento
Matriz fechada
Matriz aberta
A quente
A frio
A quente
A frio
38PMR-3203
Forjamento – Tipos básicos de operações quando o enchimento
Compressão
Orientação
Preenchimento
Compressão
Espalhamento Fechamento
39PMR-3203
Forjamento – com e sem rebarba
➔ O forjamento com rebarba permite que o excesso de material do blank
escoe para fora, através da folga na matriz onde esta fica como uma
continuidade a forma da peça.
➔ O forjamento sem rebarba o volume de material é exato, não havendo
escoamento de material para fora do molde
40PMR-3203
forjamento com rebarba
forjamento sem rebarba
extrator no moldemolde molde
rebarba
peçapeça
Contra moldeEstampo
Aplicação da força
Aplicação da força
Forjamento
- Sequência de forjamento
41PMR-3203
• a primeira etapa confere pré-forma ao blank e é realizada a parte da sequência de conformação principal
⚫ as fase intermediárias otimizam a distribuição da massa, antes que a forma final seja forjada.
⚫ a seleção de uma sequência depende da interpretação dos diferentes métodos de conformação, e comos estes permitem as reduções nas formas intermediárias.
⚫ a divisão em vários estágios de formação reduz as tensões na matriz, permitindo a distribuição de forças e reduzindo o desgaste da matiz
⚫ o preenchimento escalonado pode influenciar positivamente na qualidade do forjado
⚫ peças de grande volume podem ser forjadas com cargas menores => econômia
Conformação sobre condições compressivas
Vídeos exemplo
42PMR-3203
Esse é um vídeo mostrando vários exemplos de processos de forjamento. Atentem as diferente
máquinas empregas, que vão desde de martelos de forjamento a prensas hidráulicas.
Esse é um vídeo é muito legal. Ele mostra não só processo de forjamento a quente de virabrequins em matriz fechada, mas também mostra todo o processo de usinagem e controle de qualidade (dimensional), em uma linha de produção integrada. Tópicos vistos
nas aulas A1, A2 e A3.
https://www.youtube.com/watch?v=SIAWSiz-Bz8
https://www.youtube.com/watch?v=G60llMJepZI
43PMR-3203
Interação entre as variáveis no forjamento em matrizes
Forjamento
➢ Fases
▪ A primeira fase e definir se o forjamento será feito em uma ou
várias fases.
▪ Seguindo o planejamento da produção de peças forjadas em
matrizes
▪ Esta atividade posteriores devem considerar o alto custo
relativo ao projeto e fabricação de uma matriz, e os requisitos
funcionais do componente a ser forjado.
44PMR-3203
➢ Desvantagens
➔ Custos de máquinas
➔ Projeto e custo das ferramentas
devem ser amortizados em função
do número de peças a serem
produzidos
➔ Automatização simples
➔ O desempenho é definido por
unidade de tempo e deve ser menor
para o processo automatizado
45PMR-3203
Forjamento
➢ Vantagens
➔ Resistência das peças
➔ Produtividade relativa. Serve tanto
para produção em massa quanto
peças de lote único
➔ Equipamento relativamente
simples (prensa)
➔ Pode ser feito sem a necessidade
de ferramental especial (forjamento
em matriz aberta)
Forjamento
➢ Etapas necessárias
➔ Projeto do componente para forjamento
➔ Projeto da sequência do forjamento
➔ Testes e otimização do projeto (via CAD e FEM)
➔ Aplicação modelos computacionais de forjamento
➔ Try-out
46PMR-3203
➢ Martelo pneumático
➢ Prensa excêntrica
➢ Prensa hidráulica
47PMR-3203
Tipos de Forja
➢ Martelo de queda livre
➢ Martelo de queda livre de
dupla ação
Máquina para Forjamento Velocidade [m.s-1]
Martelo de queda livre 3,6-4,8
Martelo de dupla ação 3,0-9,0
Prensa hidráulica 0,05-0,3
Prensa mecânica 0,06-1,5
48PMR-3203
forjabilidade
Laminação
49PMR-3203
Laminação
50PMR-3203 https://www.nssmc.com/en/product/plate/process/
Laminação
➢ Definição
processo de conformação mecânica que consiste em modificar a
seção transversal ou a dimensão de um corpo por compressão
direta aplicada por cilíndros
Em geral o material metálico, mas pode se vidro ou polímeros.
Aços e materiais não ferros são mais comums em laminação.
Forma de entrada em geral é barra, lingote, placa, tira, ou
similares a estes
51PMR-3203
52PMR-3203
Laminação
As deformações plásticas são provocadas pela pressão dos cilíndros sobre o
material
O arraste do corpo é dado pela atrito entre cilíndros e corpo
Conformação sobre condições compressivas
Vídeos exemplo
53PMR-3203
https://www.youtube.com/watch?v=jXwxeJ-RAj4
https://www.youtube.com/watch?v=JIM_t9QH8J8
Esse vídeo mostra o efeito da laminação na estrutura cristalina do material
Esse vídeo mostra aspectos gerais da laminação até a obtenção de bobinas de aço
Laminação
54PMR-3203
Laminação
Tipos de produtos
• Planos
• Placas
• Chapas
Não planos
• Barras
• Perfis
• Trilhos
• Vergalhões
• Tubos
55PMR-3203
Laminação
de chapas
56PMR-3203 https://www.nssmc.com/en/product/plate/process/
57PMR-3203 https://www.nssmc.com/en/product/plate/process/
Laminação
de chapas especiais
Laminação
de perfiz
58PMR-3203 https://www.nssmc.com/en/product/plate/process/
Laminação a quente
lingote fundidosPlacastarugos lingotadoslaminados
Semi acabados
Grandes deformações Geometrias complexas
Grandes dimensõesEntrada
59PMR-3203
Laminação a frio
Chapas de açoPlacasbarras
Produtos acabados
Pequenas
deformações Superfícies regulares
Operações de
acabamento
Entrada
Chapas de açoPlacasbarras
60PMR-3203
Mecânica da Laminação
parâmetros principais
61PMR-3203
➔ Ponto neutro: pressão máxima dos cilindros sobre a peça
➔ Arco de contato
➔ Ângulo de laminação: ângulo de contato, ângulo de ataque, ângulo de
mordida
➔ Forças de atrito: no sentido da laminação até o ponto neutro e contrário
a partir dele → tendência de movimento para trás e para frente da peça a
laminar
➔ Carga de laminação: força de separação dividida pela área de contato →
Tensão de laminação
62PMR-3203
Laminação
parâmetros principais
Ponto neutro
Ângulo de contato
Laminação
– Percentual de redução
- Deformação convencional
Tomando um ponto qualquer de altura h, admitindo deformação homogênea na espessura, tem-se:
%red=t o−t f
t o
∗100
%red=10−1,6
10∗100=84%red
63PMR-3203
Laminação – Carga
Fatores de influência sobre a carga de laminação
➔ aumento da área de contato entre cilindro e chapa
➔ redução da espessura inicial da chapa e;
➔ aumento do coeficiente de atrito do processo.
64PMR-3203
Laminação – influência da temperatura
65PMR-3203
Tipos de laminadores
1 - Laminador DUO reversível, rolos com inversão de rotação
2 - Laminador TRIO – 3 cilindros
3 - Laminador QUADRUO – 4 cilindros
4 - Laminador SENDZIMIR – cilindros de trabalho finos suportados por vários outros cilindros mais grossos
5 - Laminador UNIVERSAL – 2 Rolos verticais e 2 rolos horizontais
6 - Outros
66PMR-3203
Tipos de laminadores
1 - Laminador DUO reversível usado na laminação a quente para
“desbaste” de lingotes e para esboço
2 - Laminador TRIO usado na laminação a quente para chapas e
placas
3 - Laminador QUADRUO usado em laminação a quente e
laminação a frio para chapas grossas e planos
➔ linhas contínuas: chapas de espessura média e fina a quente
4 - Laminador SENDZIMIR mais grossos usado na laminação a frio
para chapas finas
5 - Laminador UNIVERSAL67PMR-3203
Tipos de laminadores
6 - Mannesmann usado na LQ e LF de tubos sem costura, com o uso de mandris
7 - Sequêncial: usado na LQ e LF de perfis e tubos com costura a partir de tiras
68PMR-3203
Laminação sequêncial
69PMR-3203
Laminadores de tubos com costura
Empregado na fabricação de tubos com diâmetro interno entre 10 e 114 mm e espessura de parede entre 2 e 5 mm
70PMR-3203
Laminação de tubos sem constura
Processo mannesman Fabricação de tubos sem cosrtura comdiâmetro interno variando de 57 a 426 mm,e espessura entre 3 e 30 mm
71PMR-3203
Rolos oblíquos
Rolos oblíquos
Linguotehaste
Tubo formado
Defeitos em produtos laminados
➔ desvios de forma
➔ Irregularidades de superfície: trincas, fissuras, cascas,
carepas
➔ internos: trincas, escamas
➔ chapa curva-se
➔ espessura uniforme sobre a largura e ao longo do
comprimento
➔ planeza da chapa
➔ diferença no alongamento
➔ ondulações em chapas finas
72PMR-3203
Defeitos em produtos laminados
Tensões compressivas altas
Ação da prensagem dos rolos
Tensões cisalhantes superficiais
Tração entre os rolos e o material
73PMR-3203
Defeitos em produtos laminados
74PMR-3203
Defeitos em produtos laminados
75PMR-3203
Defeitos em produtos laminados
76PMR-3203
Defeitos em produtos laminados
77PMR-3203
Defeitos em produtos laminados
78PMR-3203
- Fim da Aula 04 -
79PMR-3203