1

CONFORMAÇÃO MECÂNICA

ME – 65 I

PROF. DR. FÁBIO MARTINS

2

MATERIAIS PRODUTOS

ENERGIA

CONHECIMENTO

TÉCNICA

HABILIDADE

ÉTICA

RECURSOS MATERIAIS

CONFORMAÇÃO MECÂNICA

Definição: Modificação da forma de um corpo para outra, pré-

definida, com geometria e dimensões controladas, pela aplicação

de esforço mecânico.

Na fabricação mecânica, aproximadamente 80% de todos os

produtos são submetidos à conformação em um ou mais estágios

do processo de fabricação.

SELEÇÃO DO

PROCESSO DE

FABRICAÇÃO

(CUSTO/BENEFÍCIO)

3

4

CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE

CONFORMAÇÃO

Grande quantidade de processos: critérios de classificação

Quanto ao tipo de esforço predominante:

– Compressão direta (forjamento e laminação)

– Compressão indireta (trefilação, extrusão,

embutimento)

– Tração (estiramento de chapas)

– Flexão ou dobramento (dobramento e calandragem)

– Cisalhamento (corte de chapas)

Quanto à temperatura de trabalho

– Trabalho mecânico a frio (cold working)

– Trabalho mecânico aquecido (warm working)

– Trabalho mecânico a quente (hot working)

Trabalho isotérmico (Isothermal forming)

Trabalho Mecânico a Frio (Cold Working)

Temperatura ambiente ou levemente aquecido

Encruamento

Precisão dimensional

Qualidade superficial e dimensional

Empregado para produtos acabados

Equipamentos e ferramentas mais robustos

Maiores potências

5

Trabalho mecânico a morno (warm working)

Aquecimento abaixo da temperatura de recristalização,

mas superior a 0,3.Tf

Deformação plástica facilitada com o aumento da

temperatura

Menor necessidade de potência, comparado ao trabalho a

frio

Geometrias mais complexas

Necessidade de recozimento minimizada ou eliminada

Reúne características dos trabalhos mecânicos a frio e a

quente

Trabalho mecânico a quente (Hot working)

Aquecimento acima da temperatura de recristalização e

abaixo de Tf ( TR T 0,7 Tf)

Sem encruamento

Aplicado a produtos semi-acabados (grandes

deformações)

Menor qualidade superficial e dimensional

Oxidação

Menor necessidade de potência

Aplicável a materiais frágeis

6

Trabalho isotérmico (Isothermal working)

Trabalho a quente, com peça e ferramenta com

temperaturas próximas

Minimiza a transferência de calor entre peça e ferramenta

Vida da ferramenta menor

Aplicado a materiais que apresentem dureza a quente

(aços rápidos, ligas de titânio e certas ligas de níquel)

Algumas vezes realizado a vácuo

Classificação dos processos de conformação em função da

temperatura de trabalho

Outros Critérios de Classificação

Quanto à forma do produto final

– Chapas, perfis: Laminação, Estampagem

– Tubos e fios: Trefilação, extrusão

Quanto ao tamanho da região deformada

– Deformação localizada: Laminação, Trefilação e

Extrusão

– Deformação generalizada: estampagem profunda e

forjamento

7

Quanto ao tipo de fluxo de deformação

– Fluxo contínuo ou quasi-estacionário (movimento

constante): Laminação, Trefilação e Extrusão a quente

– Fluxo intermitente: Estampagem e Forjamento

ATRITO E LUBRIFICAÇÃO

Uma das forças predominantes

Desgaste da ferramenta ou matriz

Defeitos de forma ou dimensão

Dificulta o fluxo do metal

Aumenta a exigência de potência para a conformação

Fat = . N

Força normal atinge grandes intensidades

Material aquecido e no regime plástico: altos valores de

coeficiente de atrito

Tipo ou Classificação Temperatura de trabalho Coeficiente de atrito

Trabalho a frio 0,3 Tf 0,1

Trabalho morno 0,3 Tf – 0,5 Tf 0,2

Trabalho a quente 0,5 Tf – 0,75 Tf 0,4 – 0,5

Lubrificantes

Trabalho a frio: óleos minerais, emulsões a base de água, sabões

Trabalho a quente: óleos minerais, grafite e vidro fundido

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METALURGIA DA CONFORMAÇÃO1

CONCEITOS INICIAIS

METAIS: Estrutura cristalina – arranjo tridimensional e

periódico

Menor arranjo possível: célula unitária

Maioria dos metais: CCC, CFC e HC

CCC: Nb, Ta, Cr, Mo, V, Fe - (até 912 ºC)

CFC: Al, Cu, Au, Pb, Ag, Ni, Fe - (acima de 912 ºC)

1 Bibliografia adicional: Callister Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. Rio

de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 5a Edição, 2002, 589 p.

9

HC: Mg, Co, Cd, Be, Zn

Alotropia: existência de mais de um tipo de estrutura

cristalina diferente, em um mesmo material.

ESTRUTURA CRISTALINA DAS LIGAS

METÁLICAS

Metais puros: apenas um elemento na estrutura cristalina

Ligas: outros elementos adicionados ao elemento básico.

Propriedades diferentes

Solução sólida:

- Intersticial - Substitucional

- Diferença de raio atômico 15% - Limitação de solubilidade: fases

intermetálicas (Fe3C)

10

Solução sólida substitucional total: Cu – Ni

Solução sólida intersticial parcial: Fe – C

Solução sólida Substitucional Parcial: Ag – Cu

Fases (ou compostos) intermetálicos: Mg2Si, Mg2Pb, Fe3C

DEFEITOS CRISTALINOS

Estrutura cristalina sem defeitos: Perfeita (e inexistente!)

Defeitos na estrutura tem grande influência nas

propriedades dos materiais, principalmente as que se

referem à deformação plástica

São classificados em defeitos de ponto, de linha e de

planos

Defeitos de ponto: vacância (lacuna), intersticial,

impurezas (substitucionais) e deslocamento.

Defeitos de linha: discordância de linha ou de cunha

Defeitos de plano (de superfície): contornos de grão, etc.

Defeitos tridimensionais: poros, inclusões, etc.

11

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS

Solicitações mecânicas acima do limite de escoamento do

material: deformação permanente

Dois mecanismos:

- Escorregamento

- Maclação

Deformação por escorregamento

Esforços de cisalhamento (tração ou compressão)

Deslizamento de blocos cristalinos, uns sobre os

outros

12

Cálculos demonstram que a energia necessária

seria mais alta do que ocorre na realidade

Mecanismo mais real: Escorregamento por

movimento de discordâncias (PRINCIPAL)

Deformação por maclação (maclagem)

Inclinação de parte do reticulado cristalino a partir

de um plano, formando configurações especulares

Maclação é mais comum em CCC e HC: cargas de choque

e temperaturas decrescentes

CFC: temperaturas criogênicas e altas velocidades de

deformação

13

Deformação plástica: movimentação de discordâncias

(mecanismo mais comum)

Multiplicação de discordâncias durante a

deformação

Acúmulo de discordâncias: aumento da resistência

Presença de impurezas e/ou elementos de liga:

idem

14

DEFORMAÇÃO EM ESTRUTURAS

POLICRISTALINAS

Resposta a esforços mecânicos mais complexa e

com maior dificuldade de previsão do que para

monocristais

Fatores de maior influência:

- Contornos de grão

- Poligonização

- Soluções sólidas

- Segundas fases

Contornos de grão

Região de transição entre grãos: estrutura

deformada, maior energia, maiores espaços

interatômicos

Movimento de discordâncias é dificultado: grãos

apresentam diferentes orientações cristalinas

15

Quanto maior for a quantidade de contornos de

grão, ou quanto menor o tamanho do grão, maior a

resistência do material à deformação

16

Poligonização

Formação de subgrãos no interior de um grão pelo

movimento e acúmulo de discordâncias, gerando

obstáculos para a posterior movimentação das mesmas.

Soluções sólidas

Soluções sólidas, intersticiais ou substitucionais,

provocam o tensionamento da estrutura cristalina pela

distorção da mesma, dificultando o movimento das

discordâncias.

17

Segundas fases

A precipitação de fases na matriz metálica pode

apresentar influência sobre a resposta do material à

solicitações mecânicas. O tipo de precipitado,

quantidade, forma e tamanho das partículas tem papel

preponderante. Exemplo clássico: envelhecimento e

super-envelhecimento.

ENCRUAMENTO

Elevação da resistência do material à deformação

plástica

Influenciado por diversos fatores:

­ Tipo de estrutura cristalina

18

­ Composição química

­ Grau de pureza

­ Orientação cristalina dos grãos

­ Temperatura

­ Forma e tamanho dos grãos

­ Condições superficiais dos grãos

O encruamento produz deformação da estrutura

cristalina e modificação das propriedades do material

­ Os grãos se tornam mais alongados e orientados em

um sentido

­ A movimentação de discordâncias se torna mais

intensa durante o processo de encruamento, com

acúmulo das mesmas em determinadas regiões, tais

como contornos de grão e precipitados

­ A condutividade elétrica e a resistência à corrosão

diminuem

­ Ocorre aumento no número de discordâncias:

Metal no estado recozido: 106 a 108 discordâncias

/ mm2

Metal severamente encruado: 1012 discordâncias /

mm2

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LIGA

ESTADO

PROPRIEDADES MECÂNICAS

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO ALONGAMENTO

(%)

DUREZA

BRINELL Kgf/mm2 MPa

Aço doce

(AISI 1010)

Normal 33,6 336 38 120

Trabalhado a frio,

90%

91,0 910 2 265

INOX 301 Normal 77,0 770 60 165

Severamente

laminado a frio

129,5 1295 9 380

Alumínio

puro

Normal 9,1 91 40 23

Severamente

laminado a frio

16,8 168 10 44

Latão para

cartuchos

Normal 33,6 336 55 70

Trabalhado a frio 77,0 770 14 155

RECRISTALIZAÇÃO

Temperatura de recristalização (ou recozimento):

50%Tf

Eliminação do encruamento (e de seus efeitos)

Tratamento térmico de recozimento: 3 etapas

- Recuperação

- Recristalização

- Crescimento de grão

20

RECUPERAÇÃO

Propriedades mecânicas alteradas pelo

encruamento retornam aos valores originais

Microestrutura não sofre alteração

Minimização ou eliminação parcial das

discordâncias

Poligonização

21

RECRISTALIZAÇÃO

Alteração intensa da microestrutura (nucleação de

cristais que absorvem os grãos deformados)

Recuperação de todas as propriedades

CRESCIMENTO DE GRÃO

Aumento do tamanho e diminuição do número de

grãos do material

Fenômeno indesejável

Movimentação de átomos em direção às

superfícies côncavas dos contornos de grão (maior

estabilidade)

Grãos menores: maior convexidade

Proporcional à temperatura

A diminuição da temperatura diminui ou

interrompe o processo, mas não o inverte

22

FATORES DE INFLUÊNCIA SOBRE A RECRISTALIZAÇÃO

Percentual de deformação (ou encruamento) inicial

Temperatura e tempo à temperatura

Tamanho de grão inicial

Composição química

Quanto menor for o percentual de encruamento, maior

deve ser a temperatura para ocorrer a recristalização

Tempos maiores exigem menores temperaturas para a

recristalização, e vice-versa

Altos níveis de encruamento e pequenas temperaturas

produzem estruturas refinadas

O grau de pureza do metal é inversamente

proporcional à temperatura: quanto mais puro o metal,

menor a temperatura necessária para a recristalização

Ligas do tipo solução sólida apresentam maiores

temperaturas de recristalização

23

TEXTURA E ANISOTROPIA

Textura: orientação preferencial dos planos

cristalográficos da estrutura policristalina na direção de

máxima deformação

A ocorrência de textura em um metal produz

diferentes níveis de propriedades mecânicas em função

do sentido do esforço mecânico e orientação cristalina.

Em outras palavras,

um material texturizado apresenta comportamento

anisotrópico.

A forma mais comum e utilizada para a

determinação da textura de um metal é a técnica de

difração de raios-X.

24

Entre os fatores que afetam a ocorrência de textura

em estruturas cristalinas de metais, pode-se citar:

- Tipo de estrutura cristalina

- Composição química do metal

- Grau de deformação

- Temperatura de trabalho

- Existência de textura prévia

- Processo de conformação: modo de

escoamento, estado de tensões

Um dos fatores mais importantes é o tipo de estrutura

cristalina do metal, que determina o número e o tipo de

sistemas de deslizamento disponíveis: pequenos números

de planos de deslizamento favorecem a ocorrência de

textura.

Estrutura HC: desenvolvimento de textura a partir

de 20 a 30% de deformação

Estrutura CFC: somente a partir de 50% de

deformação

Arames, fios e barras trefiladas ou laminadas:

textura simétrica ao eixo longitudinal do produto

25

Tipo mais simples: textura de fibra

- Fibramento cristalográfico: reorientação dos

grãos durante a deformação

- Fibramento mecânico: alinhamento de

inclusões, cavidades e constituintes de

segunda fase

A ocorrência de textura evidencia variações no

módulo de elasticidade, limite de escoamento, elongação

e outras propriedades relacionadas à deformação

plástica.

26

Um material isotrópico (não texturizado) apresenta

deformabilidade igual em todas as direções.

A deformabilidade do material é determinada, via de

regra, em ensaios de tração onde se ensaia o material em

diferentes direções referentes à direção de alinhamento

da estrutura cristalina.

Índice (ou coeficiente) de anisotropia plástica (R): razão

entre e deformação na largura (w) e na espessura (t)

t

wR

27

0

lnw

ww

0

lnt

tt

onde:

t0 - espessura inicial do corpo de prova

t - espessura final de ensaio

w0 - largura inicial do corpo de prova

w - espessura final de ensaio

Índice (ou coeficiente) de anisotropia médio: resistência

ao afinamento durante a estampagem

4

2 000 90450RRR

R

Um valor de índice de anisotropia médio maior do

que 1 indica que a deformabilidade da chapa na direção

da espessura é menor do que na largura, o que é

vantajoso para operações de embutimento (chapa

reforçada por textura). No caso contrário, diz-se que a

chapa está amolecida por textura. Metais do tipo CCC,

como o aço, atingem valores até 2,0. Metais HC, como o

titânio, atingem valores da ordem de 5 a 6.

28

Índice (ou coeficiente) de anisotropia planar:

probabilidade de formação de orelhas durante o

embutimento profundo

2

2 000 45900RRR

R

Um material isotrópico apresentaria R0 = R45 = R90 =

1. Quando esta relação se apresenta diferente de 1, tem-

se a anisotropia normal. Quando estes valores diferem

entre si poderão ocorrer problemas de orelhamento no

embutimento profundo.

29

Módulo de Elasticidade (Gpa)

Metal [100] [110] [111]

Alumínio 63,7 72,6 76,1

Cobre 66,7 130,3 191,1

Ferro 125,0 210,5 272,7

Tungstênio 384,6 384,6 384,6

Fonte: Callister, Jr., W. D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. LTC

Editora, Rio de Janeiro, 2002, `p. 36.

30

A ocorrência de textura no metal pode ser utilizada a

favor do projeto e fabricação de equipamentos. Um

exemplo seria a utilização de chapas finas de ferro-silício

na fabricação de transformadores de energia, onde a

orientação da estrutura cristalina minimiza as perdas de

energia. No embutimento profundo, a maior resistência

da chapa na direção da espessura diminui o risco de

afinamento das paredes. Por outro lado, pode causar o

surgimento de orelhas nas chapas embutidas.

31

LAMINAÇÃO

Processo de fabricação por conformação plástica direta que

consiste na passagem de um corpo sólido entre dois cilindros,

de modo que sua espessura sofre diminuição, enquanto que a

largura e o comprimento do corpo sofrem aumento

proporcional.

CONCEITOS BÁSICOS

• Aplicado geralmente a metais

• Primeiro relato: século XIV (Leonardo da Vinci)

• Laminação moderna: Inglaterra, 1783

• Potência elevada: rodas d’água, motores a vapor,

motores elétricos

32

• Movimentação da peça: Atrito

• Volume constante

• A quente e a frio

• Compressão direta

• Produtos planos e não-planos

33

LAMINAÇÃO A QUENTE

• Lingotes fundidos

• Placas e tarugos

• Temperatura superior à temperatura de recristalização do material

• Operações iniciais (Desbaste)

• Grandes deformações

• Grandes dimensões

• geometrias complexas

• Recuperação da estrutura

• Ausência de encruamento

• Baixa precisão dimensional

• Baixo acabamento superficial

• Casca de óxidos (carepa)

• Produtos semi-acabados

LAMINAÇÃO A FRIO

• Matéria-prima: chapas e barras laminadas a quente

• Aplicado a peças semi-acabadas

• Pequenas deformações

• Operações de acabamento

• Temperatura abaixo da temperatura de recristalização do material

• Melhor acabamento superficial

• Superfícies regulares

34

• Melhor precisão dimensional e geométrica

• Encruamento

• Maior resistência mecânica

• Tratamentos térmicos intermediários

TERMINOLOGIA

• Bloco: Seção quadrada, 36 pol2 (23.225 mm2), produto

de primeira redução

• Tarugo: Seção retangular, resultado de passagem

posterior

• Placa: Seção retangular, área maior do que 16 pol2,

largura pelo menos 3 vezes maior do que a espessura.

• Chapa: Seção retangular, espessura maior do que 1/4 de

pol.

• Folha, chapa fina ou tira laminada: Espessura menor do

que 1/4 de pol. Tiras, em geral, tem largura inferior a 24

polegadas

35

LAMINADORES

• Alta potência

• Arranjados em linha: trem de laminação

• Classificados em função do número e arranjo dos

cilindros

36

• Mais simples e comum

• Movimento em um único sentido

• Mesma configuração básica

• Movimento em dois sentidos

37

• Cilindros superior e inferior movidos por motores

• Cilindro central movido por atrito

• Diminuição do diâmetro dos cilindros condutores

representa diminuição substancial da potência requerida

• Necessários cilindros de encosto

38

• Cada um dos rolos de trabalho é apoiado por dois

cilindros de encosto

• Laminador Mandrilador

• Tubos com diâmetro interno entre 57 e 426 mm, com

espessura entre 3 e 30 mm

39

Laminador de tubos com costura:

Tubos com diâmetro interno entre 10 e 114 mm e espessura

de parede entre 2 e 5 mm

CILINDROS DE LAMINAÇÃO

• Considerados os principais componentes de um

laminador

• Superfície cilíndrica ou ranhurada

• Laminação primária: resistência mecânica, maiores

diâmetros

• Laminação de acabamento: dureza superficial, diâmetros

menores

40

• Materiais:

– Desbaste: aços carbono e aços ligados

– Intermediária: Aços ligados e ferro fundido

– Acabamento: ferros fundidos

FORÇAS E RELAÇÕES GEOMÉTRICAS

• Esforço preponderante: Compressão direta

• Arco de contato

• Ponto neutro (C): Pressão máxima, Atrito nulo

• Ângulo de laminação (), ângulo de contato ou ângulo de ataque

• min: ângulo de mordida

• tg

• variável. Para efeitos de cálculo:

– laminação a frio, com lubrificação: = 0,05 - 0,10

– laminação a quente: = 0,2 a grimpamento

41

• Força de atrito: no sentido de laminação até o ponto neutro e no sentido contrário a partir dele.

• Carga de laminação: Força de compressão, também conhecida como força de separação

• Pressão exercida: carga de laminação dividida pela área de contato.

• Considerando-se volume constante:

– b.h0.v0 = b.hf.vf = b.h.v

b = largura da chapa

– Observações experimentais indicam maiores variações em v.

– Velocidade aumenta em contato com cilindros

No ponto neutro a velocidade da chapa se iguala à velocidade tangencial dos cilindros

42

• Arco de contato:

• Lp = 𝑅(∆ℎ)

h = h0 - hf

• Pressão dos rolos: P = Pr/b.Lp

Pr = Força de compressão

b = largura da chapa

Lp = arco de contato entre a peça e o cilindro

• Valor máximo (C): Curva - superfície de contato

• Área hachurada: força de laminação necessária para

vencer a força de atrito

• Área sob AB: força para a deformação

43

DEFEITOS

PRODUTOS SEMI-ACABADOS

• Blocos losangulares • com colarinhos • com nervuras • torcidos • cambados • bojudos • Tarugos bojudos • TRINCAS

• Tarugos com uma nervura lateral

• com duas nervuras laterais

• com colarinhos • com cantos incompletos • retangulares

44

DEFEITOS

PRODUTOS ACABADOS

FORMA • Encurvamento • Arco transversal • Retorcimento • Cambamento • Laterais ou centro

alongados • Espinhas de peixe • Ondulação a um quarto

SUPERFÍCIE • Cascas • Carepas • Costuras • Orifícios • Marcas de cilindros • Linhas de distensão • Casca de laranja • Ferrugem

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FORJAMENTO

DEFINIÇÃO

Processo de conformação plástica direta no qual se

obtém a forma desejada por impacto ou aplicação

gradual de pressão.

CONCEITOS BÁSICOS

Grande importância industrial

Variados setores industriais (automobilístico,

aeroespacial, etc.)

A mais antiga forma de transformação de metais

(5.000 A.C.)

Maioria das operações: a quente

Forjamento a frio (tenacidade; encruamento)

Latão, alumínio, aços-carbono, aços-liga, aços

ferramenta, inoxidáveis, titânio e cobre.

46

CLASSIFICAÇÃO

Forjamento livre

Forjamento em matriz

FORJAMENTO LIVRE

Ferramentas planas ou de formato simples

Escoamento perpendicular à aplicação da força

Peças de grandes dimensões ou pré-conformação

Produção em pequena escala

47

FORJAMENTO EM MATRIZ (FORJAMENTO EM MATRIZ

FECHADA)

Utiliza moldes (matrizes) usinados para conferir forma

desejada à peça

Matriz bi-partida

Geometrias mais complexas

Boa tolerância dimensional

48

Custo elevado da matriz (altas taxas de produção)

Forjamento em etapas: matrizes usinadas em um mesmo bloco

Calhas para rebarba

49

Rebarba atua como válvula de segurança: controla a pressão no interior da matriz

50

ETAPAS DO PROCESSO

Corte

Aquecimento

Forjamento livre

Forjamento em matriz

Rebarbação

Tratamento térmico

MÁQUINAS PARA FORJAMENTO

Classificadas de acordo com o princípio de operação:

-Martelos

-Prensas

Martelos de forjamento

Carga fornecida pelo impacto de massa cadente

Gravidade ou gravidade + aceleração adicional

Conversão de energia cinética em mecânica

51

Martelo de queda livre

Base com colunas, fixada ao piso

Sistema de elevação da massa cadente até a altura desejada

Mecanismo de elevação operado por pedais (operador tem as mãos livres)

Elevação por ar comprimido ou rolos de atrito e prancha

60 a 150 pancadas/minuto

Trabalho do martelo:

T = Q.H

52

T = trabalho

Q = peso da massa

H = altura de elevação da massa

Martelo de dupla ação (martelo mecânico)

Peso da massa + força adicional

Ar comprimido ou vapor

Carga pode chegar a até 20 vezes o peso da massa

cadente (regulável)

Trabalho do martelo:

T = (Q + F).H

F = força exercida pelo sistema

53

Martelo de contragolpe

Duas massas colidindo no meio do percurso, com

mesma energia

Energia do impacto não é dissipada no piso: maior

eficiência de absorção de energia pela peça

Menores vibrações: tolerâncias mais precisas

Maiores despesas com manutenção e alinhamento

Impossibilidade de manipulação da peça durante o

forjamento

54

HERF (high-energy-rate forging machine)

Energia para deformação obtida pela alta

velocidade de impacto ao invés de aumento de massa

PRENSAS PARA FORJAMENTO

Mecânicas ou hidráulicas

Menos utilizadas (custo maior)

Aplicação de carga lenta e progressiva

Vida útil das matrizes mais longa

Maior tempo de contato entre peça e matriz:

maiores perdas de calor

Taxas de produção similares aos martelos: força

maior, velocidade menor

Prensas mecânicas

Maioria: manivela excêntrica: curso limitado

(pratos de fricção e parafusos)

Carga máxima: próxima ao final do curso

Carga: 300 a 12.000 toneladas

55

Prensas hidráulicas

Verticais ou horizontais

Limitação: carga

Velocidade de conformação baixa

-Tempo de contato entre matriz e peça mais

longo

- Fator de deterioração da matriz

Boas tolerâncias

500 a 18.000 toneladas

56

MARTELOS PRENSAS

Impacto Compressão a baixas

velocidades

Tempo de aplicação de carga:

curto

Tempo de aplicação de carga:

longo

Golpes sucessivos Contato constante entre

peça e matriz

Carga máxima: contato inicial

entre peça e ferramenta

Carga máxima: final da

conformação

Limitação: carga Limitação: curso (mecânicas)

carga (hidráulicas)

57

Máquina Velocidade de deformação (m/s)

Martelo de queda livre 3,6 – 4,8

Martelo de dupla ação 3,0 – 9,0

HERF 6,0 – 24,0

Prensa mecânica 0,06 – 1,5

Prensa hidráulica 0,06 – 0,30

MATRIZES DE FORJAMENTO

Blocos de metal usinados

Tolerâncias precisas

Alto custo: produção em escala elevada

Altas tensões de compressão: até 2.000 Mpa

Altos gradientes de temperatura

Choque mecânico

Alta dureza

Alta tenacidade

Resistência à fadiga e ao desgaste

Resistência mecânica a quente

Aços Cr-Ni e Cr-Ni-Mo: não ferrosos (alta tenacidade)

Aços ligados ao tungstênio: aços (resistência mecânica a quente

Metal duro

58

FORJAMENTO LIVRE

Mais simples

Operações iniciais

Produção em pequena escala

Aquecimento generalizado ou localizado

Recalque, estiramento e alargamento

Recalque

Estiramento e alargamento

Furação, dobramento, fendilhamento e expansão, corte e rebaixamento

Fendilhamento

Expansão

59

FORJAMENTO EM MATRIZ

(Forjamento em matriz fechada)

Geometrias mais complexas

Produção em larga escala

Forjamento em etapas

Fatores:

-Tensão de escoamento do material

-Atrito entre peça e matriz

-Condições para escoamento no interior da

matriz

Projeto

-Peso e volume do material

-Etapas de forjamento

-Dimensões da rebarba

-Requisitos de carga e energia

60

INTERVALO DE TEMPERATURAS PARA O FORJAMENTO

Inserção do material a quente

Perdas de calor

Principal extrator de calor: matriz

Variação de temperatura durante o forjamento:

intervalo de temperatura (característico e específico

para cada material)

MATERIAL FAIXA DE TEMPERATURAS (ºC)

Ligas de alumínio 320 – 520

Ligas de cobre (latões) 650 – 850

Aços de baixo teor de C 900 – 1150

Aços de médio teor de C 850 – 1100

Aços de alto teor de C 800 – 1050

Aços-liga com Mn ou Ni 850 – 1100

Aços-liga com Cr ou Cr-Ni 870 – 1100

Aços-liga com Cr-Mo 850 – 1050

Aço inoxidável (18-8) 750 – 1100

Plasticidade ao início e final do processo

Estrutura grosseira e crescimento de grãos

Refino por forjamento

61

TRATAMENTOS TÉRMICOS

Prática comum pós-forjamento

Remoção ou minimização de tensões internas

Homogeinização de propriedades e estrutura

Melhoria de usinabilidade

Recozimento e normalização

VELOCIDADE DE DEFORMAÇÃO

Influência sobre resistência à conformação

Deformação (%) Rd (Kgf/mm2)

Martelo Prensa

0 a 10 10 – 15 4 – 6

10 a 20 25 – 20 6 – 12

20 a 40 20 – 30 12 – 22

40 a 60 30 – 36 22 – 28

Acima de 60 36 – 50 28 – 38

Obs.: deformação a quente (1000 a 1200 ºC), aço

62

DEFEITOS EM FORJADOS

Técnica mais utilizada: metalografia (macro e micro)

Trincas

­ Superficiais

­ Na rebarba

­ Internas

Falta de redução

Incrustração de óxidos

Descarbonetação e queima

Gotas frias

63

EXTRUSÃO

DEFINIÇÃO

Processo de conformação plástica no qual o material sofre

redução em sua área de seção transversal pela aplicação de

pressões elevadas e escoamento através do orifício de uma

matriz.

CONCEITOS BÁSICOS

Primeiros experimentos: final do século XIX

Conformação indireta (reação da matriz à

pressão do pistão)

64

Em geral, a quente

– Redução dos esforços

– Evitar encruamento

Aplicado a materiais de difícil conformação

(inoxidáveis e ligas de níquel)

Metais e não-metais (ex.: polímeros)

– Esforços de compressão minimizam

trincamentos

Extrusão a frio

– Menos utilizado

– Maiores esforços

– Alto nível de encruamento

– Maior precisão dimensional e geométrica

Metais submetidos à extrusão:

– Alumínio

– Cobre

– Metais não ferrosos

Metais ferrosos: aplicação restrita:

– Temperaturas mais elevadas

– Maiores esforços

Matéria prima: lingotes (fundidos) ou tarugos

(laminados)

Formas variadas

65

Boa homogeneidade estrutural e dimensional

Baixo índice de oxidação superficial

Custo inicial elevado

Limitação de comprimento do produto

Baixas velocidades de trabalho

66

EXTRUSÃO DIRETA

EXTRUSÃO INDIRETA

Êmbolo vazado

Minimização de atrito

Menos utilizado

Processo mais antigo

Material e êmbolo movimentam-se em sentido

contrário

67

EXTRUSÃO HIDROSTÁTICA

68

Pressão constante

Sem atrito com as paredes do container

Menores esforços

Lubrificação otimizada

Bom acabamento superficial

Tolerâncias precisas

Limitações para a temperatura e pressão de

operação

69

EXTRUSÃO DE TUBOS

EXTRUSÃO DE TUBOS SOLDADOS

70

MÁQUINAS DE EXTRUSÃO

Quase sem exceção: prensas

– Cilindro/pistão

– Bomba hidráulica ou sistema acumulador

Prensas horizontais (mais comuns)

– Material tem maior contato com a região

inferior do container: maior resfriamento

– Deformação assimétrica

Prensas verticais

– Grandes espaços verticais livres

– Resfriamento uniforme

– Tubos de paredes finas

Pistão sujeito a grandes esforços e elevadas

temperaturas

– Aço-liga resistente ao calor

Container (recipiente)

– Sujeito a altas temperaturas e atrito

– Aço-liga resistente ao calor

71

FERRAMENTAS DE EXTRUSÃO

Matrizes ou fieiras

Capacidade de resistência a altas temperaturas,

oxidação e atrito

Aços ligados ou metal duro

Faces planas ou cônicas

72

Face plana (a): metal escoa e forma seu próprio

ângulo de entrada

Face cônica (b): aumento de homogeneidade de

extrusão e diminuição da pressão, com aumento do

atrito nas paredes da fieira. Devem ser utilizadas

com boa lubrificação (mais comum: vidro fundido).

MECÂNICA DA EXTRUSÃO

Metal sob pressão: fluxo pela matriz, adotando a

forma de saída da mesma.

Altos níveis de atrito entre material e container

73

Condição (a): Extrusão homogênea

Atrito baixo: boas condições de lubrificação;

extrusão hidrostática

Deformação homogênea

Condição (b): Aumento do atrito entre peça e

paredes do container

Distorção do modelo reticulado

Zona neutra nos cantos do container

Centro do tarugo: elongação

Bordas do tarugo: cisalhamento

Cisalhamento requer gasto adicional de

energia: trabalho redundante

Condição (c): Alto nível de atrito

Escoamento concentrado no centro

Plano de cisalhamento interno

Superfície do tarugo resfriada por container

frio

Fina camada externa do tarugo permanece

aderida ao container

74

O atrito entre tarugo e container eleva o consumo

de energia durante o processo e o desgaste nas

paredes do container. Em condições de atrito

elevado, a superfície oxidada do tarugo pode ser

arrastada para o interior do produto extrudado,

provocando defeitos. O uso de lubrificação pode

minimizar este problema. Outro modo de contornar

este problema é a utilização de um disco na

extremidade do pistão com diâmetro menor do que o

do container, de modo a extrudar o material interno

ao tarugo, livre de oxidação superficial. No interior

de container forma-se uma casca oca de metal não

extrudado e aderida às paredes do recipiente, que

deve ser removida. A porção final do tarugo também

não sofre extrusão, sendo retirada ao final do

processo. A remoção se dá pelo afastamento do

container e do pistão. Um disco raspador é acionado

para a remoção do material do interior do container.

Força de extrusão

A força requerida para o processo depende da

resistência do material, da relação de extrusão, da

fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis

como a temperatura e a velocidade de extrusão.

A força pode ser estimada pela fórmula:

75

(Força Ideal)

onde:

F = Força de Extrusão

Ao = área de seção transversal do tarugo antes da

extrusão

Af = área de seção transversal do tarugo após a

extrusão

K = constante de extrusão

A força máxima de atrito entre o tarugo e o

container é obtida por:

Fa = U.l0..K

Onde:

U = perímetro interno do container

l0 = comprimento inicial do tarugo

= coeficiente de atrito

K = Constante de extrusão

76

Sendo o atrito uma força a ser superada durante

o processo, a força máxima de extrusão é calculada

por:

Fmax = F + Fa

FATORES DE INFLUÊNCIA NO PROCESSO DE

EXTRUSÃO

Homogeneidade de composição e estrutura da

matéria prima

Temperatura de operação

– Baixa: minimização de consumo de

energia, desgaste de máquina, ferramentas e

container e de oxidação e/ou corrosão do

material

77

– Alta (maioria dos casos): superior a

temperatura de recristalização (limite inferior) e

50 ºC abaixo de Tf (limite superior). Na prática,

o limite superior é fixado a temperaturas mais

baixas, para evitar fragilidade a quente (fusão de

microconstituintes de menor ponto de fusão)

Pressão de trabalho

– Consumo de energia, robustez e custo do

equipamento, desgaste.

– Fator de maior influência: intensidade de

redução. Reduções acima de 90% acentuam

aumento de pressão.

Velocidade de trabalho.

– Produtividade

– Minimização das perdas de calor

É fácil de notar que estas condições são, não

raro, contraditórias entre si. Em condições reais,

deve-se buscar um ponto de equilíbrio entre estes

fatores, de modo a se obter a melhor condição

possível de operação. Via de regra, esta é uma das

atribuições do engenheiro ou tecnólogo.

78

DEFEITOS

Os materiais metálicos mais comumente

extrudados são o alumínio e suas ligas e o cobre e

suas ligas. Outros metais não-ferrosos também

podem ser extrudados, mas tem aplicação mais

restrita. Tubos e barras de aço podem também ser

produzidos por extrusão, mas apresentam

dificuldades operacionais, relacionadas,

principalmente, à temperatura de operação.

Os defeitos típicos do processo de extrusão são

os seguintes:

Vazios internos na parte final do extrudado,

decorrentes do modo de escoamento. Velocidades

de extrusão muito elevadas podem acentuar o

problema.

Trincas de extrusão, perpendiculares ao

sentido de extrusão, decorrentes de defeitos na

matéria-prima, associadas à temperaturas de

operação muito elevadas e/ou velocidades muito

altas.

79

Escamas superficiais, ocasionadas pela

aderência de partículas de materiais duros na

superfície das ferramentas, devido a desgaste ou

quebra de camadas superficiais do container.

Temperaturas de operação muito elevadas ou

desalinhamento do pistão podem também

colaborar na ocorrência deste defeito.

Riscos de extrusão, causados por

irregularidades superficiais na ferramenta ou por

resíduos de óxidos metálicos retidos na sua

superfície.

Inclusões de partículas de materiais estranhos,

arrastadas longitudinalmente, dando ao produto a

aparência de manchas provocadas por raspagens.

Bolhas superficiais provenientes de gases

retidos na fundição do lingote ou no tratamento

térmico para aquecimento da matéria-prima.

Marcas transversais, provocadas pela parada e

retomada do movimento da prensa.

80

Manchas e perda de cores, decorrentes da

oxidação e contaminação superficial com

substâncias estranhas ou provenientes do

lubrificante.

Além destes defeitos, pode-se ainda mencionar

granulações grosseiras ou segregações na

superfície do produto, provocadas pela falta de

homogeneidade estrutural, ou pela não

uniformidade de temperatura através da seção

transversal da peça durante a extrusão.

Os defeitos em produtos extrudados podem ser

classificados de acordo com a causa principal:

Defeitos relacionados à geometria do lingote

Defeitos decorrentes do estado superficial do

lingote

Defeitos relacionados à lubrificação

Defeitos decorrentes do metal (trincas, sulcos,

etc.)

Defeitos decorrentes do desgaste da ferramenta

81

A falta de coesão interna em forma de “V”,

defeito também conhecido como chevron, pode

ocorrer na conformação através de um canal cônico,

como é comum na extrusão e na trefilação,

dependendo de uma série de fatores como taxa de

redução de seção, ângulo do cone da ferramenta,

atrito e características do metal. Pode ser

minimizado pelo tratamento térmico de recozimento

do tarugo a ser extrudado ou pelo arredondamento

do canto formado pela parte cônica com a cilíndrica

da ferramenta.

82

83

TREFILAÇÃO

DEFINIÇÃO

Processo de conformação plástica indireta para a

fabricação de produtos pela passagem do material através

de uma ferramenta que provoca a diminuição do seu

diâmetro.

CONCEITOS BÁSICOS

• Pequenas reduções de seção por passada

• Matéria-prima:

– arames

– barras

– tubos

84

• Lubrificação

– Evitar engripamento

– Resistência a altas temperaturas

– Limpeza de resíduos provenientes do recozimento

– Emulsões de óleo em água

– Óleos lubrificantes

– Pastas ou graxas

– Sabões

• A frio

– Atrito gera calor (10 m/s – aço, 20 m/s – cobre)

– Encruamento

– Boa precisão geométrica e dimensional

– Tratamentos térmicos intermediários (grandes taxas de redução)

• Produtos

– Barras: produto maciço com diâmetros superiores a 5,0 mm

–Arames ou fios: produto maciço com diâmetros inferiores a 5,0 mm

– Tubos: produtos ocos

85

MÁQUINAS DE TREFILAÇÃO

Três critérios de classificação

• Modo de esforço

• Sistema de lubrificação

• Diâmetro dos produtos

Classificação quanto ao modo de exercer o esforço

Sem deslizamento

Com deslizamento

Trefilação sem deslizamento

86

Trefilação com deslizamento

• Classificação quanto ao tipo de lubrificação

– Imersão (Trefilação por via úmida)

– Aspersão (Trefilação por via seca)

• Classificação quanto ao diâmetro dos produtos

– Barras (Ø > 5,0 mm)

– fios grossos (2,0 < Ø < 5,0 mm)

– fios médios (0,5 < Ø < 2,0 mm)

– fios finos (0,15 < Ø < 0,5 mm)

– fios capilares (Ø < 0,15 mm)

87

88

89

FERRAMENTAS DE TREFILAÇÃO

•Metal duro: Ø > 2,0 mm

• Diamante: Ø 2,0 mm

•Atrito:

–Desgaste

–Defeitos

90

Geometrias diversas

TREFILAÇÃO DE PRODUTOS MACIÇOS

Fios

Arames

Vergalhões (não podem ser bobinados)

91

Arames de aço: material revestido com cobre ou cal (neutraliza resíduos de

ácidos decapantes e melhora a aderência do lubrificante)

TREFILAÇÃO DE TUBOS

Operações de acabamento (tubos produzidos por outros processos de

conformação): melhores tolerâncias dimensionais

Ausência de dispositivos internos pode gerar enrugamento e

diminuição do diâmetro interno.

Plugue fixo: cilíndricos ou cônicos

Plugue flutuante: maiores reduções; lubrificação deficiente

Mandril passante: melhor lubrificação

- Remoção: retificação.

- Aumento do diâmetro interno

- Alteração de tolerâncias dimensionais

92

EQUIPAMENTOS AUXILIARES

- Afiadoras de ponta

- Soldagem a topo

- Linhas de decapagem

- Fornos de recozimento (contínuo ou estático)

- Linhas de revestimento superficial

DEFEITOS

Relacionados à fieira:

- Anéis de trefilação

- Marcas de trefilação

- Trincas

- Rugosidade excessiva

- Riscos

Relacionados à matéria-prima

- Achatamento da seção

- Dobras longitudinais

- Defeitos nas extremidades

- Vazios

- Riscos longitudinais

- fissuras

93

ESTAMPAGEM

DEFINIÇÃO

Processo de conformação plástica de chapas finas para a

produção de perfis variados pela aplicação de esforço

mecânico.

Diversas operações:

Dobramento

Estiramento

Corte

Estampagem profunda (embutimento)

CONCEITOS BÁSICOS

Indústrias:

- Automobilística

- Aeroespacial

- Naval

- Informática, etc.

94

Primeiros produtos estampados: Mesopotâmia e Egito

(4.000 A.C.) Copos de ouro e prata embutidos com

martelos de pedra.

900 A.C.: Martelos de ferro com cabos.

Aplicação industrial em produção seriada: Século XVIII

(chapas finas de aço).

Século XIX: Utilização de prensas, ferramentas de corte e

embutimento profundo.

Produto mais processado por estampagem: Chapas finas

de aço.

Principais produtos: autopeças, eletrodomésticos,

talheres e embalagens.

Aproximadamente 15% da produção siderúrgica do Brasil

é destinada à estampagem, depois de processados por

laminação.

Determinação das propriedades mecânicas das chapas:

Ensaio de tração, Ensaio Erichsen e Ensaio sob pressão

hidráulica (Bulge-teste)

95

96

97

CLASSIFICAÇÃO

Pela forma do produto:

Peças simplesmente curvas

Peças flangeadas

Seções curvas

Peças com embutimento profundo

Peças com embutimento raso

98

Pelo processo de obtenção da peça

Por estiramento

Por dobramento

Por estampagem profunda, etc.

Dois grandes grupos:

Estampagem profunda, ou embutimento

Conformação em geral

99

Na maioria das vezes, a frio.

– Encruamento

– Boa tolerância geométrica

– Boa tolerância dimensional

– Resistência mecânica

• À quente:

– Peças de maior espessura

– Materiais frágeis

Matéria-prima: laminados delgados de aço, ligas de

alumínio, cobre, etc., à partir do estado recozido.

MÁQUINAS PARA ESTAMPAGEM

Grande maioria: prensas (simples, duplo ou triplo efeito) ­ Mecânicas (podem ser substituídas, em alguns casos,

por martelos de queda livre) Corte, dobramento e estampagem rasa Ação rápida (golpes de curta duração)

­ Hidráulicas Estampagem profunda Ação mais lenta Melhor controle de deslocamento, pressão e

velocidade de operação

100

Prensas de simples efeito: cursor único, geralmente na

vertical.

Prensas de duplo efeito: dois cursores: fixação e

conformação da peça.

Prensas de triplo efeito: 3 mecanismos de aplicação de

pressão, dois sobre a peça e um abaixo da mesma.

FERRAMENTAS PARA ESTAMPAGEM

Ferramentas básicas: punção (convexo) e matriz

(côncava) ESTAMPOS

Geralmente o punção é a parte móvel.

Fixação da peça: evitar enrugamento

- Anel de fixação

- Molas ou cilindros pneumáticos

Materiais: escolhidos em função da severidade da

operação e do volume de produção

-Madeira

- Kirksite (liga de zinco)

- Resinas epoxi

-Aços ferramenta

-Metal duro

101

CORTE

Produção em larga escala (custo do estampo)

Forma da peça definida pela seção transversal do estampo

Tira metálica inserida no estampo, entre a matriz e o punção

Punção desce e insere o metal na matriz cisalhamento

Folga: parâmetro de grande importância

Folgas excessivas ou insuficientes: superfícies de

corte irregulares, aumento da energia necessária para

o corte e diminuição da vida útil do estampo.

102

Borda externa do punção e interna da matriz:

cantos vivos e bem definidos

Recuperação: retificação, têmpera e afiação

103

DOBRAMENTO (REPUXO)

Pode produzir peças prontas (calhas ou tambores)

ou ser uma etapa de um processo de fabricação mais

complexo.

Superfície externa: tensões de tração

Superfície interna: tensões de compressão

Interior da chapa: linha neutra

104

Limite para o dobramento: tipo e propriedades do

material (trincamento)

Efeito da recuperação elástica: dobramento além

do desejado, para compensação.

ESTIRAMENTO

Tracionamento sobre um bloco, conformando a

chapa de acordo com o perfil desejado.

Peças com grandes raios de curvatura, e até com

curvaturas duplas.

Recuperação elástica quase inexistente (gradiente

de tensões quase uniforme)

Não utiliza punções. Matriz móvel e garras para

tracionamento.

105

ESTAMPAGEM PROFUNDA (EMBUTIMENTO)

Produção de cavidades e chapas cortadas (blanks)

Matriz e punção

Realizado em etapas (estampo progressivo)

Chapa presa por dispositivo de fixação

Peças apresentam simetria geométrica

Simetria dos estados de tensão

Solicitações mecânicas variáveis em diferentes

regiões da peça.

106

Borda: sujeita à compressão, atrito e tração.

Regiões de dobramento: tração (longitudinal),

compressão (normal) e atrito.

107

Laterais: idem. Compressão e atrito dependentes

da folga entre punção e matriz.

Fundo: compressão e tração radial.

Diferentes esforços sobre as diversas regiões da peça:

espessuras variáveis. A região do fundo da peça

normalmente não apresenta variação de espessura.

A região de dobramento, adjacente ao fundo, apresenta

diminuição de espessura. A partir daí, em direção à borda

da peça, espessura tende a aumentar, igualando-se à

espessura da chapa original, e em seguida, superando-a.

108

A maior espessura é encontrada na borda externa da

peça.

Estampagem:

- Uma ou mais etapas

- Formas simples ou complexas

- Re-estampagem: conformação de cavidade no

interior de outra, já estampada.

- Re-estampagem reversa: re-estampagem em

sentido contrário.

109

FATORES DE INFLUÊNCIA NA ESTAMPAGEM

Metalúrgicos

­ Estrutura e composição química da matéria-prima

­ Histórico do material (processos anteriormente

aplicados à peça, tipo de solicitações, tratamentos,

térmicos, etc.)

Mecânicos

­ Forma e dimensões projetadas

­ Forma e dimensões da peça a ser estampada

­ Tipo de prensa

­ Forma e dimensões do estampo (raios do punção e

da matriz)

­ Condições de funcionamento do equipamento

­ Condições de lubrificação (determinada em função

do nível e tipo de esforços atuantes. Sulfeto de

molibdênio é um dos lubrificantes utilizados)

110

Determinação dos esforços necessários à conformação e

dos limites máximos admissíveis de deformação plástica

(conformabilidade na estampagem ou estampabilidade):

dificuldade proporcional à complexidade da forma

desejada.

Fator complicante: deformação dinâmica (esforços e

solicitações variam durante a conformação)

Índice de estampabilidade da chapa: deformação máxima

sem ruptura (Ensaio Erichsen)

DEFEITOS

Trincas

Ondulações e rugas

Casca de laranja e nervuras de distensão

Abaulamento e pregas

111

Atrito em processos de conformação

Visto que a conformação mecânica é quase sempre realizada

colocando-se a peça em contato direto com uma ferramenta, é inevitável

o atrito entre os dois corpos em contato, e as forças do atrito

correspondentes representam um fator importante na grande maioria dos

processos.

Na maioria das situações físicas e de engenharia, os efeitos do

atrito são descritos pelo coeficiente de atrito = F/P, onde P é a força

normal e F a força de atrito na interface. Está bem estabelecido que o

contato entre dois corpos sólidos é normalmente limitado a umas poucas

saliências microscópicas (asperezas ou rugosidades); não obstante,

costuma-se calcular as tensões assumindo que as forças estão distribuídas

sobre toda a área aparente de contato, A. Assim, a pressão interfacial é p

= P/A, a tensão de atrito (tensão cisalhante na interface) é i = F/A, e

=i/p.

Nos processos de conformação o material da peça se deforma e,

ao fazê-lo, desliza sobre a superfície mais dura da ferramenta; tem -se

assim o chamado atrito de deslizamento. Para valores relativamente

moderados da pressão interfacial, pode-se supor que a tensão de atrito é

proporcional a p (atrito coulombiano). Contudo, a tensão cisalhante

interfacial não pode exceder a tensão de escoamento em cisalhamento do

material da peça, e, pois neste ponto a peça para de deslizar sobre a

superfície da ferramenta e passa a deformar-se por cisalhamento sub-

superficial; é o chamado atrito de aderência. É uma situação freqüente no

trabalho a quente, onde a lubrificação é, em muitos casos, difícil. É

possível também, e relativamente freqüente, as condições de atrito

112

variarem entre a aderência total e o deslizamento, ao longo da interface,

dependendo do valor local da pressão.

Os principais efeitos práticos do atrito são:

Aumentar o esforço necessário à conformação;

Acentuar a tendência à ruptura a ao trincamento da peça (pois

tende a tornar a deformação mais heterogênea);

Prejudicar o acabamento superficial do produto;

Ocasionar desgaste das matrizes e demais ferramentas.

OBSERVAÇÕES:

1. As rugosidades da superfície mais dura da ferramenta podem

“arranhar” a superfície da peça, produzindo sulcos, que podem ser

minimizados pelo bom acabamento das ferramentas, sobretudo das

matrizes.

2. Se a lubrificação é deficiente e o acabamento das ferramentas é

precário, ou se o lubrificante falha sob alta pressão ocasionando um

caldeamento local entre a ferramenta e a peça, pode ocorrer o

arrancamento de metal da superfície da peça, que fica retido na

superfície das ferramentas. As conseqüências podem ir desde a

descamação e esfoliação da peça até o emperramento

(engripamento) do fluxo de material.

3. O mecanismo principal de desgaste das ferramentas é a abrasão por

partículas duras de óxidos das peças; mas também contribuem a

fadiga superficial resultante dos diversos ciclos de trabalho, e as

tensões térmicas decorrentes do aquecimento e resfriamento

alternados das ferramentas, especialmente no trabalho a quente.

113

Eficiência (rendimento) de processo

O trabalho total necessário para se produzir uma dada forma por

deformação plástica pode ser dividido em três componentes:

RAPT WWWW

Onde: WP = trabalho de deformação plástica ideal (homogênea);

WA = trabalho para vencer as forças de atrito na interface

metal-ferramenta;

WR = trabalho redundante, i.e., envolvido em processos de

cisalhamento interno devido as deformações heterogêneas, que não

contribuem para a mudança de forma da peça.

A eficiência ou rendimento de um processo é obtido por:

T

P

W

W

Valores típicos de para processos de conformação são: extrusão

direta 30 a 60%; trefilação 50 a 75%; laminação de chapa 75 a 95%;

forjamento em matriz 25 a 40% .

Lubrificação em conformação

O uso de lubrificantes em conformação visa primariamente reduzir

o atrito, introduzindo entre a ferramenta e a peça uma camada de fácil

cisalhamento. Há na verdade muitos casos em que a disponibilidade ou

não de um lubrificante adequado determina a viabilidade ou não da

operação; por exemplo, a extrusão a quente dos aços não foi

comercialmente possível até que fosse usado vidro fundido como

114

lubrificante. (processo Ugne-Sejournet) e a extrusão a frio dos aços só é

possível com um revestimento de fosfato como lubrificante.

Na seleção de um lubrificante, a peça, as ferramentas e o

lubrificante devem ser considerados como um sistema único. As funções

do lubrificante podem ser diversas:

Reduzir a carga necessária para a deformação;

Aumentar a deformação possível antes da fratura

(trabalhabilidade);

Controlar o acabamento superficial do produto;

Minimizar a retenção (pickup) de metal nas ferramentas;

Minimizar o desgaste das ferramentas;

Isolar termicamente a peça das ferramentas;

Resfriar a peça e/ou as ferramentas.

Os requisitos mais comuns para um bom lubrificante são:

Funcionar numa larga faixa de temperaturas, pressões e velocidades

de deslizamento;

Ter boas características de molhabilidade e espalhamento nas

superfícies;

Ser compatível com os materiais da peça e das ferramentas com

relação ao ataque químico;

Ter boa estabilidade térmica e resistência ao ataque bacteriano e de

contaminantes;

Produzir um resíduo inofensivo e facilmente removível,

Não manchar a peça em caso de tratamento térmico ou soldagem

subseqüentes;

Ser não-tóxico, não-inflamável, e barato.

115

Pode-se distinguir quatro tipos de lubrificação em processos de

conformação:

(i) LIMÍTROFE ou LIMITE (ingl."boundary lubrication") - as superfícies

metálicas ficam separadas por um filme de lubrificante muito tênue, de

apenas algumas moléculas de espessura, havendo um considerável

contato metal-metal entre as asperezas (rugosidades) das duas

superfícies. É o tipo mais comum de lubrificação em operações de

conformação, em virtude das altas pressões e relativamente baixas

velocidades envolvidas. Os lubrificantes mais usados são os de moléculas

orgânicas de cadeia longa, polares, que se ligam às superfícies metálicas

pela extremidade polar, ficando a cadeia aproximadamente perpendicular

à superfície (p.ex. ácidos e óleos graxos, sabões e ceras), porém tendendo

a decompor-se acima de 200-250 C.

(ii) HIDRODINÂMICA - as superfícies ficam inteiramente separadas pelo

filme de lubrificante, que se desenvolve devido ao movimento relativo

delas; é pouco comum em conformação, podendo ser obtida em geral

somente quando o lubrificante é pressurizado. O coeficiente de atrito

correspondente é baixo, da ordem de 0,001 a 0,03.

(iii) QUASE-HIDRODINÂMICA - as superfícies ficam separadas por um

filme espesso e viscoso, tal como o vidro fundido (pastoso) na extrusão a

quente do aço.

(iv) QUASE-HIDROSTÁTICA - as superfícies ficam separadas por um filme

contínuo formado por sólidos dúcteis e macios (Pb, Cu, teflon, nylon,

polietileno, silicones) ou lamelares (MoS2, grafite, etc.).

Em casos especiais empregam-se também:

116

Aditivos de extrema pressão: são substâncias contendo sólidos

inorgânicos finamente dispersos (pigmentos ou agentes mecânicos

de extrema pressão) ou então substâncias orgânicas contendo

halogênios, enxofre ou fósforo, capazes de reagir localmente

(agentes químicos de extrema pressão) com as superfícies quando o

filme de lubrificante é rompido sob calor e alta pressão, formando

um composto com propriedades lubrificantes.

Revestimentos conversivos: são substâncias aplicadas sobre as

peças para formar uma base capaz de reter lubrificante, algumas

tendo elas próprias características lubrificantes (ex.: cal, bórax,

fosfatos, cromatos).

A tabela I apresenta alguns lubrificantes típicos e os valores do

coeficiente de atrito comumente encontrados em processos de

conformação mecânica dos metais.

Representação esquemática da lubrificação (a) hidrodinâmica; (b) limítrofe

com um agente polar; (c) limítrofe com um aditivo mecânico de extrema

pressão (pigmento).

TENSÕES RESIDUAIS EM PRODUTOS CONFORMADOS

Tensões residuais são o sistema de tensões que pode existir em

um corpo quando ele está livre de forças externas. São produzidas sempre

que um corpo é submetido a deformação plástica não-uniforme, sendo

portanto freqüentes em produtos conformados.

117

Considere-se, por exemplo, uma chapa metálica grossa sendo

laminada sob condições tais que só ocorre escoamento plástico próximo

às superfícies da chapa. Os grãos da superfície da chapa são deformados e

tendem a se alongar, enquanto que os grãos do centro permanecem

inalterados. Mas dado que a chapa tem de permanecer como um todo

contínuo, as regiões central e superficiais têm de se acomodar em termos

de deformação: As fibras centrais tendem a restringir o alongamento das

fibras superficiais, enquanto que estas procuram esticar as centrais. O

resultado é um padrão de tensões residuais na chapa, consistindo de altas

tensões compressivas na superfície e uma tensão residual trativa no

centro da chapa.

Em geral, o sinal da tensão residual produzida por deformação

heterogênea é oposto ao sinal da deformação plástica que a produziu; no

caso da chapa laminada as fibras que foram alongadas na direção

longitudinal pela laminação são deixadas num estado de tensão residual

compressiva quando a carga externa é removida.

O sistema de tensões residuais existente em um corpo tem de

estar em equilíbrio estático. Assim, a força total que atua em qualquer

plano através do corpo e o momento total das forças em qualquer plano

têm de ser nulos. Para o padrão de tensões longitudinais, a área sob a

curva sujeita a tensões compressivas tem de ser numericamente igual à

área sujeita a tensões trativas. Por outro lado, não se pode descartar a

possibilidade de tensões residuais nas outras duas direções principais, ou

seja, de se ter um estado triaxial de tensões residuais.

As tensões residuais são elásticas, não podendo, portanto serem

maiores do que o limite de escoamento do material.

118

A eliminação ou a redução em intensidade das tensões residuais,

conhecida como alívio de tensões, pode ser efetuada tanto por

aquecimento como por deformação plástica a frio. O alívio de tensões por

aquecimento ocorre primeiramente a partir da temperatura em que a

limite de escoamento do material se torna inferior à tensão residual; a

tensão residual em excesso deste limite é imediatamente eliminada por

escoamento plástico. O restante vai diminuindo gradativamente através

de mecanismos internos de relaxação dependentes do tempo. O

resfriamento a partir da temperatura de tratamento deve ser

suficientemente lento para não reintroduzir tensões residuais, devidas à

contração térmica não-uniforme da peça.

A deformação plástica a frio pode também reduzir

substancialmente os gradientes de deformação responsáveis pelas

tensões residuais. Por exemplo, produtos tais como chapas, placas e

extrudados são freqüentemente tracionados bem acima do limite de

escoamento a fim de aliviar gradientes de deformação por meio de

deformação plástica. As tensões residuais em chapas, barras de seção

circular e tubos trabalhados a frio podem também ser aliviadas através de

flexão alternada, de modo a ultrapassar o limite de escoamento das fibras

mais externas, nas chamadas desempenadeiras ou endireitadoras de

rolos.

119

(a) Deformação heterogênea na laminação de uma chapa; (b) esquema da

distribuição resultante das tensões residuais longitudinais ao longo da

espessura da chapa.

Aplainamento pelo estiramento. A garra estacionária é ajustável ao

comprimento da chapa a endireitar e a garra móvel está ligada ao pistão

hidráulico que opera o aplainamento.

120

Desempenadeira de rolos. Os rolos de entrada flexionam mais fortemente

a chapa num e noutro sentido, enquanto os rolos de saída servem apenas

para acabamento.

Diferentes esquemas de máquinas desempenadeiras para barras e tubos,

utilizando flexão alternada.

121

MATERIAL DE

TRABALHO

REGIME

DE

TRABALHO

FORJAMENTO EXTRUSÃO TREFILAÇÃO LAMINAÇÃO CONF. CHAPA

Lubrificante Lubrificante Lubrificante Lubrificante Lubrificante

Sn, Pb, Zn, e SUAS

LIGAS OG – OM 0,05 OG ou SABÃO OG 0,05

AG-OM ou

OM-EM

0,05

0,1 OG-OM

0,0

5

LIGAS de Mg QUENTE OU

MORNO GR e/ou MoS2

0,1

0,2 NENHUM OM-AG-EM 0,2 OM-AG-EM 0,2

GR em OM

ou SABÃO

SECO

0,1

0,2

LIGAS de Al

QUENTE GR ou MoS2 0,1

0,2 NENHUM OM-AG-EM 0,2

FRIO AG-OM ou

SABÃO SECO 0,1

LANOLINA ou

SABÃO em FF

AG-OM-EM

AG-OM

0,1

0,3

1-5% AG em OM

(1-3) 0,03

OG,

LANOLINA

AG-OM-OM

0,0

5

0,1

LIGAS de Cu

QUENTE GR 0,1-

0,2

NENHUM OU

GR OM – EM 0,2

FRIO

SABÃO SECO

ou CERA ou

SEBO

SABÃO SECO

ou CERA ou

SEBO

OG – SABÃO –

EM – OM

0,1

0,03 OM – EM 0,1

OG- SABÃO-

EM ou OG-

SABÃO

0,0

5

0,1

122

AÇOS

QUENTE GR 0,1-

0,2

VD(100-300)

GR

NENHUM ou GR-

EM

AD+

0,2+ GR 0,2

FRIO EP-OM ou

SABÃO em FF

0,1

0,05 SABÃO em FF

SABÃO SECO

ou SABÃO em

FF

0,05

0,03

10% OG-EM 0,05

EP-OM, EM

ou SABÃO

em

POLÍMERO

0,0

5

0,1

AÇOS INOX; Ni e

SUAS LIGAS

QUENTE GR 0,1-

0,2 VD(100-300) NENHUM AD++ GR 0,2

FRIO PC-OM ou

SABÃO em FF

0,1

0,05

PC-OM ou

SABÃO em FF

SABÃO em FF

ou PC-OM

0,03

0,05

OG-PC-EM ou

PC-OM

0,1

0,05

PC-OM,

SABÃO ou

POLÍMERO

0,1

LIGAS de Ti

QUENTE VD ou GR 0,2 VD(100-300) VD-GR 0,2

FRIO SABÃO ou

OM 0,1 SABÃO em FF POLÍMERO 0,1 OM 0,1

SABÃO ou

POÍMERO 0,1

PC – PARAFINA CLORADA

EM – EMULSÃO; Os ingredientes lubrificantes estão finamente dispersos em água.

EP – Compostos para EXTREMA PRESSÃO (contendo S, Cl e P).

123

AG – ÁCIDOS E ÁLCOOIS GRAXOS; p. ex. ácido oléico, ácido esteárico, álcool estearílico.

OG – ÓLEOS GRAXOS; p. ex. óleo de coco natural ou sintético.

VD – VIDRO (viscosidade na temperatura de trabalho em unidades de Poise).

GR – GRAFITE, normalmente num fluido transportador à base de água.

OM – ÓLEO MINERAL (viscosidade entre parênteses, em unidades de centipoise a 40 C).

FF – revestimento conversivo de FOSFATO (ou similar), facilitando a retenção do Lubrificante.

+ – Coeficiente de atritos são poucos definidos na extrusão, não sendo portanto fornecidos aqui.

++ – O símbolo AD significa atrito aderente.