Faculdade Tecnologia de Sorocaba

TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO I

Forjamento

Parte 1 – Forjamento a QuenteParte 2 – Forjamento a Frio

1

Profº. Msc. Décio Cardoso da Silva

Parte 1 – FORJAMENTO A QUENTE

O forjamento a quente é uma operação que pode ser realizada em lingotes previamente aquecidos, acima da temperatura de recristalização, para obtenção de peças semi-acabadas, necessitando de operações mecânicas posteriores ou ainda forjamento a quente realizado em blanques provenientes do corte de barras laminadas. Esses blanques são previamente aquecidos, forjados, tratados termicamente por recozimento ou normalização e usinados.

1° Caso - Forjamento de Lingotes

Os lingotes de aço são previamente aquecidos a uma temperatura acima da temperatura de recristalização (± 1250° C em geral). Estes lingotes são movimentados com auxilio de pontes rolantes ou ''manipuladores'' fixos ou móveis. Estes manipuladores são veículos á semelhança de um trator possuindo na sua frente ''garras'' móveis para apanhar os lingotes no interior dos fornos e colocá-los sobre a matriz inferior da prensa de forjar.

As prensas de forjar lingotes são verticais e possuem 3 ou 4 colunas. Existem prensas de 600 a 10000 toneladas de força de forjamento. Após o forjamento as peças são retiradas de sobre a matriz inferior e colocadas em fornos ou fossas de resfriamento. Muitas peças são realizadas a dois calores, em virtude do grau de deformação necessário e o tempo de operação. Isto é, forja-se o lingote, obtêm-se o Billet. Este billet após resfriamento em forno ou ''fossa'' é inspecionado (superficialmente, por ultra-som e Macrografia) e após reaquecido para obtenção da peça final. As prensas de forjar lingotes são hidráulicas e os sistemas de comando de movimentos é eletro-eletrônico,

2

instalado ao lado da prensa e que permite ao operador observar todos os movimentos da operação.

As peças obtidas por forjamento de lingotes, possuem um elevado sobremetal (devido a imprecisão do processo) e que é removido por usinagem posterior. O forjamento a quente dos lingotes produz também barras e blocos forjados sem formato definido. O material das matrizes é em geral aço para trabalho a quente como H13, que é um aço que tem elevada resistência ao calor. As matrizes para o forjamento de lingotes se chamam: matrizes abertas

2° Caso - Forjamento de peças

Para o forjamento de peças a quente, partimos de uma barra laminada a quente, ou excepcionalmente de uma barra forjada a quente.

Esta barra laminada a quente é primeiramente cortada a frio em guilhotina, obtendo-se assim um tarugo cujas medidas dependem da peça a ser fabricada. Esse tarugo se chama blanque e deve possuir um volume tal que:

tenhamos certeza do enchimento da matriz; permita a existência de rebarba para evitar contato direto matriz /

matriz.

Neste tipo de forjamento utilizam-se matrizes ''fechadas'' onde o material ficará confinado.

Os equipamentos utilizados são originalmente martelos ou prensas. O material é aquecido em fornos a óleo ou por indução ou gás.

Temos atualmente martelos de forjar a vapor ou ar comprimido para elevar o punção, deixando-o cair livremente.

3

Atualmente, o forjamento a quente vem se desenvolvendo sensivelmente, obtendo-se peça com tolerâncias estreitas empregando máquinas denominadas conformadoras a quente. Estas máquinas são horizontais, utilizando matriz fechada e contendo ainda no mesmo equipamento: alimentação, corte e forjamento. As barras são aquecidas por indução a ± 1250° C e conduzidas por rolos alimentadores. Estes rolos possuem canais internos para refrigeração. O corte do tarugo é feito após o aquecimento na mesa de alimentação. Após o corte, uma unidade transportadora se movimenta no sentido horizontal levando a peça de uma matriz à outra onde são feitas as diversas operações. As matrizes são montadas em blocos fixos e horizontalmente e cada uma tem o seu mecanismo de expulsão acionada quando se termina a operação. A peça responsável pela expulsão da peça forjada de dentro da matriz se chama extrator. Há peças que são formadas dentro do punção. A refrigeração é feita a água, que retira calor do ferramental e da máquina. A refrigeração externa é dirigida para os punções, para a garra do cortador e para as guias e outra refrigeração circulante através de canais internos é dirigida para as matrizes e rolos alimentadores. O consumo é de cerca de 136.000 litros / hora de água. Todas as operações são sincronizadas. Peças com até 3,2 Kg podem ser produzidas partindo de barras com 600 mm de diâmetro e 140 mm de comprimento produzindo cerca de 70 peças / minuto.

4

Diâmetro da peça (mm)

Parte 2 - FORJAMENTO A FRIO

Conformação mecânica dos metais se define como sendo a obtenção da forma de um corpo sólido mediante a transformação plástica do material.

A conformação pode ser: a quente ou a frio.Na conformação a quente o material é aquecido acima de sua

temperatura de recristalização. Na conformação a frio o material não é aquecido e o processo é realizado

á temperatura ambiente, neste caso os esforços aplicados no material, estão abaixo do limite de resistência e acima do limite de escoamento do material utilizado.

Características:

Conformação a Quente: - As deformações são acentuadas; - Os esforços são reduzidos;

5

- Há pouca precisão dimensional nas peças fabricadas.

Conformação a Frio: - As deformações são limitadas; - Os esforços são limitados;

- Elevado grau de precisão dimensional.

Atualmente esta surgindo um novo processo de conformação, onde o metal é aquecido a temperaturas compreendidas numa zona próxima e abaixo da recristalização, objetivando:1. Menor potência das prensas; 2. Menor desgaste do ferramental; 3. Tolerâncias mais rigorosas nas peças; 4. Menos sobremetal .

Conformação: mudança para uma forma de peça, previamente estudada e desejada;

Deformação: mudança para uma forma não definitiva.

Tecnologia da Conformação

Consiste na compressão de um corpo rígido, que é forçado a assumir uma forma desejada pelo deslocamento do material sólido.

Forjamento a frio

O forjamento a frio se aplica a metais dúcteis. Esses metais são capazes de serem conformados plasticamente em vários graus, dependendo do ferramental apropriado (matriz) e do valor do esforço de compressão. Este valor é limitado superiormente pelo L.R. e inferiormente pelo LE.

Se for abaixo do LE, o material se deforma elasticamente e cessado o esforço, cessa a deformação. Se for acima do LR, o metal se rompe.

Operações

1. Obtendo o Blanque (ou Tarugo): Blanque é uma peça obtida pelo corte de uma barra produzida por

laminação a quente. Os blanques são obtidos por corte dessas barras em guilhotinas (prensas verticais ou horizontais) ou em serras circulares. Para a operação de corte, é desejável uma dureza média e para a operação de conformação é desejada baixa dureza ou maior plasticidade.

2. Tratamento Térmico: Para se obter maior deformabilidade o blanque deve passar pelo

tratamento térmico de recozimento denominado esferoidização ou coalescimento. A estrutura obtida neste tratamento é uma estrutura esferoidizada, isto é, de ferrita + cementita esferoidizada.

A temperatura para este tratamento depende do aço a ser tratado. Em geral, existem duas técnicas para se obter estruturas esferoidizadas:

6

aquecer o material a uma temperatura ligeiramente a temperatura crítica inferior, mantendo por longo tempo, esfriando a seguir no forno;

alternar o aquecimento até uma temperatura ligeiramente superior e resfriar até uma temperatura ligeiramente inferior a temperatura crítica do aço. Reaquecer novamente, repetindo este ciclo varias vezes, por fim, resfriar lentamente no forno.

3. Remoção de carepas ou Decapagem: Este processo pode ser mecânico ou químico. A finalidade é eliminar a

carepa, para diminuir o atrito do blanque com as matrizes, evitando diminuição da vida útil das mesmas.

4. Lubrificação: O metal sob forjamento a frio, esta sob altos esforços, em contato com a

matriz. Este fato provoca atritos elevados entre as superfícies metálicas (blanque/matriz). Estes atritos são reduzidos com a lubrificação dos blanques. Com o tempo as matrizes se desgastam. Existem valores limites para este desgaste.

A performance do processo vai depender: da matéria-prima; da matriz / punção / extrator .

Uma matriz de aço terá uma variação dimensional de 0,01 mm para 10.000 peças produzidas.

5. Forjamento:

A definição de qual operação de forjamento será aplicada ao blanque dependendo do projeto de forjamento da peça:

5.1 Recalque:

Nesta operação, o blanque sofre um aumento da secção transversal e uma diminuição do comprimento. O recalque pode ser feito com o blanque sendo inteiramente forjado dentro da matriz, ou no martelo. O recalque em um caso particular é chamado de encabeçamento. (Fig. 5 e 6)

7

Cementita esferoidizada no fundo de Ferrita

5.2 Extrusão:

8

Nesta operação, o blanque sofre uma diminuição na secção transversal e aumento no comprimento. Pode ser extrusão à frente: o metal se desloca no mesmo sentido do movimento do martelo; extrusão à retaguarda: o metal se desloca em sentido contrario ao do movimento do martelo. (Fig. 7, 8 e 9)

Na extrusão à retaguarda o metal é forçado a deslocar-se em direção oposta ao movimento do martelo.

O metal pode ser também, forçado a deslocar-se para dentro do recesso do punção, conforme mostrado abaixo. (fig. 10)

9

Estas duas operações podem ser combinadas (simultâneas). (Fig. 11)

5.3 Recorte:

Corte da parte externa do blanque para obter a forma final. (Fig. 12)

1

5.4 Perfuração:

Para obtenção de furos passantes. (Fig. 13)

5.5 Cunhagem:

É uma operação de preparação para outras operações: apenas altera a espessura ou forma do blanque. (Fig. 16)

Formatos recomendados:

Processo se aplica para fabricação de peças simétricas;

1

Condições desfavoráveis; Peças em formatos fortemente assimétricos; Peças com cantos vivos; Peças com rebaixos internos ou externos; Peças com mudanças bruscas nas dimensões; Peças com diâmetros < 10 mm.

Alterações nas propriedades mecânicas

Com o forjamento a frio, temos:

aumento do LR; aumento do LE; aumento da dureza; diminuição do alongamento; diminuição da estricção; estrutura interna, isto é, os cristais ficam orientados na direção do

trabalho (esforço) aplicado.

Exemplo:

Antes do forjamento:Aço Rb LR (psi) LE (psi) Al. Est.1020 57 5800 40250 38% 62%

Após forjamento 40% de redução de área:Aço Rb LR (psi) LE (psi) Al. Est.1020 92 104800 101166 9% 36%

Aplicações

Aplicação da tecnologia de forjamento a frio esta voltada para uma área específica da produção industrial: quando se deseja obter peças metálicas em alto volume; peças simétricas, que vão operar em severas condições. É preciso ao um processo de fabricação, analisar o aspecto técnico, isto é, o que se pretende com a peça, suas propriedades mecânicas, condições de superfície e aspecto econômico. As primeiras produções em massa estiveram voltadas para produção de parafusos, porcas, rebites, peças para as quais o processo de usinagem é antieconômico. É de grande uso na fabricação de componentes bélicos: ogivas, capas de granadas, devido a menor utilização de material.

Diâmetroexternonominal

Desviosem torno

de

Desvios paradiâmetrointerno

Espessura da Parede Espessura do Fundo

1

D(mm) D(mm)

DimensãoNominal

t¹

DimensãoNominal

t²

DimensãoNominal

t²Desvio

de t²

-13 ± 0,08 ± 0,10 -0,6 ± 0,05 - ± 0,11 -0,5 ± 0,1713 - 25 ± 0,13 ± 0,10 - ± 0,25 0,8 - 0,1 ± 0,08 - ± 0,11 0,5 - 1,0 ± 0,20 - ± 0,3025 - 50 ± 0,20 ± 0,15 - ± 0,30 0,1 - 0,2 ± 0,11 - ± 0,17 1,0 - 1,5 ± 0,20 - ± 0,3550 - 75 ± 0,25 ± 0,20 - ± 0,35 0,2 - 0,4 ± 0,14 - ± 0,17 1,5 - 2,5 ± 0,30 - ± 0,40

75 - 100 ± 0,35 ± 0,25 - ± 0,45 0,4 - 0,6 ± 0,17 - ± 0,20 2,5 - 4,0 ± 0,35 - ± 0,50100 - 120 ± 0,40 ± 0,30 - ± 0,50 0,6 - 1,0 ± 0,17 4,0 - 5,0 ± 0,40 - ± 0,50120 - 140 ± 0,45 ± 0,40 - ± 0,55 1,0 - 1,5 ± 0,20 5,0 - 7,0 ± 0,45 - ± 0,60

Tolerâncias dimensionais em peças tubulares de aço, forjadas a frio.(fig. 20 / Tabela 1)

DIÂMETRO DA CABEÇA (mm)

DESVIO NO DIÂMETRO

COMPRIMENTODA HASTE

DESVIO DERETILIDADE

12,5 - 25,0 0,13 < que 10 0,02 - 0,17

25,0 - 50,0 0,16 < que 20 0,05 - 0,25

50,0 - 75,0 0,19 < que 50 0,10 - 0,50

75,0 - 100,0 0,22 < que 75 0,20 - 1,50

    < que 125 0,50 - 2,00

Tolerâncias dimensionais para componentes encabeçados (Feldmann 1961) [53}(fig. 21 / Tabela 2)Tolerâncias dimensionais e tolerâncias de forma e posição acham-se já normalizados e claramente apresentados no documento nº 1/1978, ICFG [53]

Exemplo:

Peça da fig. 22 mostra um quadro comparativo, realizado por uma empresa japonesa.

1

Forjamento a Frio UsinagemMaterial necessário:  

1. Dimensões: Ø 25,9 x 13,0 mm 1. : 28,0 x 25,0 mm

2. Peso: 53 gr. 2. : 115 gr.

Tempo de processamento: Fixação: 1 min.

Recozimento e Lubrificação: 5 seg. Furação: 5 min. 40 seg.

Corte do "slug" (blanque): 15 seg. Acabamento do Ø ext: 1 min. 20 seg.

Forjamento a Frio: 5 seg. Usinagem Cônica: 1 min. 20 seg.

 Corte e Faceamento: 2 min 30 seg.

Total: 25 seg. Total: 710 seg.

Custos de Fabricação:  

1. Custos de Material: $ 0,70 1. $ 1,50

2. Custos de Proces.: $ 0,80 2. $ 19,50

3. Custos de Prep.: $ 0,30 3. $ 0

Total: $ 1,70 Total: $ 21,10

Comparativo com outros processos

6. Usinagem

O processo de usinagem leva vantagem nos seguintes casos:

peças pequenas obtidas em torno automático / torno revolver que necessitem de muitas operações e tratamentos se forjados a frio ou que não apresentem significativas econômias de material.

Peças em pequenos lotes, com produção intermitente ou esporádica.

Peças de forma complexa, sem simetria. Peças de porte médio e grande.

O processo de forjamento leva vantagem quando se trata de lotes de peças simétricas de tamanho pequeno a médio, em elevadas quantidades com produção contínua e que necessitem de tolerâncias restritas ou apertadas,

1

acabamento superficial de retificação / polimento e propriedades mecânicas elevadas ( que necessitem de têmpera, o que tornaria caro se fossem usinadas). O processo de forjamento a frio, permite ainda a utilização de aços de baixo carbono em lugar de médio carbono ou aço liga devido as melhorias nas propriedades mecânicas. Além disso, a estrutura interna do material forjado a frio, fica orientada no sentido do esforço, sem interrupção (Fig. 25) ao passo que , no material usinado a estrutura é cortada. Finalmente o processo de forjamento a frio permite maior economia de material.

7. Fundição Convencional e fundição Especial (sob pressão/Microfusão)

Grande precisão dimensional, excelente acabamento superficial a maior resistência mecânica que os processos de fundição, porem é um processo restrito (tamanho, quantidade e forma das peças). Se as propriedades mecânicas possíveis de serem obtidas no processo de forjamento a frio, não forem necessárias, o processo de fundição é mais vantajoso.

8. Forjamento a quente

A utilização do calor, para facilitar a deformação dos materiais, implica em operações adicionais de normalização, limpeza por jateamento e um controle na descarbonetação, além disso, aumenta o custo:

Pelo consumo de energia para o aquecimento; Pela maior manutenção de equipamentos; Maior quantidade de material a ser removido posteriormente; Tratamento térmico posterior; Usinagem posterior.

Lembramos que o forjamento a frio esta limitado a forma e tamanho das peças, definindo capacidade das prensas.

9. Sinterização (Metalurgia do pó)

É um processo que parte de uma mistura de pós metálicos puros que são compactados em uma matriz e após são tratados termicamente para que ocorra a difusão atômica. Este processo tem uma variável diferente que visa obter materiais novos sem a fusão dos seus elementos. Algumas aplicações dos materiais sinterizados são especificas. Não há como competir. Pode-se dizer que há possibilidade de comparação quando existe alto volume de produção, resistência mecânica não é um parâmetro restritivo ou que pode ser alcançada com um ou outro processo e com materiais equivalentes.

Atualmente já são utilizados os dois processos como complementares, isto é, obtêm se a pré-forma pela sinterização (metalurgia do pó) a após o forjamento a frio pode se obter maior resistência mecânica.

1

Figura(25): À esquerda, uma peça forjada a frio com as linhas estruturais contínuas, orientadas sem interrupção, acompanhando o contorno, de modo a oferecer maior resistência nas áreas de concentração de tensões.

À direita, uma peça usinada, com as linhas estruturais interrompidas.

Foto ao lado - para produzir o eixo de um amortecedor, um torno automático necessita de 195 gramas de aço.

Foto ao lado - A prensa a frio Boltmatic se contenta com 76 gramas, isto é, menos do que a metade.

Figura (26): No primeiro caso 122 gramas transformam-se em cavaco. No segundo caso, apenas 3,5 gramas. Ref, [54] e [63].

1

Questionário

1. O que são matrizes abertas e fechadas?2. Qual seqüência operacional para se o obter uma barra forjada a quente

de um aço ferramenta, partindo-se de um lingote?3. Qual tratamento térmico necessário para se obter as condições

necessárias para forjar a frio um blanque de aço ao carbono de média liga?

4. Qual estrutura ideal do blanque para forjamento a quente?5. Especificar entre que limites deve estar a tensão de trabalho para

ocorrer um forjamento a frio com sucesso?6. Calcular o peso de um lingote necessário para obter um eixo forjado

usinado de 5 toneladas.7. Qual a seqüência de operações necessárias para obter essa peça da

pergunta 5.8. O que é o tratamento térmico imunização e para que serve este

tratamento?9. Esquematizar a seqüência de operações para se obter um forjamento a

frio um parafuso qualquer?10. Qual a relação mínima entre as áreas transversais de um lingote e de

uma peça obtida por forjamento a quente? Justificar a resposta.11. Por que a peça forjada a quente tem maior resistência do que um

lingote?12. Em que fase do processo de forjamento a quente é cortado um

massalote e porque ele é eliminado?13. No caso de forjamento a frio, por que se utiliza como matéria prima o fio

máquina ou material trefilado?14.No caso de forjamento a quente, por que aquecer o material em alta

temperatura?15. Por que no caso do forjamento a quente o material lingote não pode

permanecer no forno de aquecimento durante longo tempo?16. O que é perda ao fogo?17.Quais as operações complementares no processo de forjamento a frio?18. O que são peças esboçadas?19. Num forjamento a quente de lingotes, como transformar um perfil

quadrado em um perfil redondo?20. Como se processa o aquecimento por indução dos blanques no

processo de forjamento a quente?

BIBLIOGRAFIA

Básica:

Metals Handbook. Forming and Forging. vol. 14. 9th ed. ASM. Metals Park. Ohio,

1

1980.

HELMAN, H.; CETLIN, P. R.; Fundamentos da Conformação Mecânica dos Metais.

Artliber, 2005.

STANLEY, A. F.; Estampado y Matrizado de Metales. Barcelona: José Monteró.

NOVASKI, O.; Introdução à Engenharia de Fabricação Mecânica. Edgard Blucher,

1994.

NABORRO, T. L.; Traquelado y Estampación. Barcelona: Gustavo Gili.

HOSFORD, W. F.; CADDELL, R. M.; Metal Forming: Mechanics and Metallurgy.

Cambridge University, 2007.

CETLIN, P. R. & HELMANN, H.; Fundamentos de Conformação Mecânica dos

Metais. Rio de Janeiro: Guanabara Dois

FILHO, E. BRESCIANI; Conformação Plástica dos Metais. Volumes 1 e 2. Campinas:

UNICAMP.

DIETER, G. E.; Metalurgia Mecânica. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1981.

Metals Handbook. Forming. Volume 4. ASM. Metals Park. Ohio, 1969

1