Capítulo 1

Introdução à conformação plástica dos metais

1.1 – Definição de processo de fabricação

A obtenção de um metal se inicia geralmente com a extração do respectivo minério de jazidas naturais, minério este que é em seguida submetido a um processo de beneficiamento a fim de eliminar ou diminuir o material de baixo valor econômico e facilitar a posterior extração do metal. Esta é realizada através de processos químicos (piro, hidro ou eletrometalúrgicos), que fornecem o metal em forma mais ou menos pura. Seguem-se em muitos casos operações de refino, a fim de purificar o metal ou atingir-se o teor adequado de elementos de liga.

O metal fornecido diretamente pelas operações de extração e refino vem geralmente em forma líquida, sólida ou em pó. Torna-se necessário então converte-lo em formas que possam ser convenientemente utilizadas nas diversas aplicações, o que é feito mediante os processos de conformação.

Define-se processo de fabricação dos metais a modificação de um corpo metálico, com o fim de lhe conferir uma forma definida.

1.2 - Classificação dos processos de fabricação

Os processos de fabricação podem ser classificados em dois grupos:1-Processos metalúrgicos2-Processos mecânicos

A Figura 1.1 esquematiza essa divisão dos processos de fabricação. Nos processos metalúrgicos as modificações de forma são provocadas com

EE726293708CNOs processos metalúrgicos podem ser divididos em:1-Conformação por solidificação2-Conformação por sinterização.

Nos processos de conformação por solidificação a temperatura adotada é superior ao ponto de fusão do material e a forma final é obtida pela transformação líquido-sólido (T > Tfusão).

Exemplos:1-Fundição: o metal no estado líquido é vazado dentro de um molde, que é um

negativo da peça a ser obtida, e se solidifica na forma desejada. Exemplos: Fundição em areia (Figura 1.2), fundição em casca, fundição em cera perdida, etc.

2-Soldagem: é um conjunto de processos que permitem obter peças pela união de várias partes, estabelecendo a continuidade do metal entre as mesmas e usando ou não um metal de adição para servir de ligação (solda). Exemplos: Soldagem a arco elétrico (Figura 1.3), soldagem a gás, etc.

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Nos processos de conformação por sinterização a temperatura adotada é inferior ao ponto de fusão do metal (T < Tfusão).Exemplo:

1-Metalurgia do pó (Figura 1.4): o metal ou liga em forma de pó é colocado em um molde comprimido e em seguida aquecido (sinterizado) a fim de estabelecer-se ligações entre as partículas vizinhas.

Nos processos mecânicos as modificações de forma são provocadas pela aplicação de tensões externas.

Os processos mecânicos podem ser divididos em:1-Conformação por usinagem2-Conformação plástica.Nos processos de conformação por usinagem as tensões aplicadas são sempre

superiores ao limite de resistência à ruptura do metal, sendo a forma final, portanto, obtida por retirada de metal ( > ).

Exemplos: Torneamento (Figura 1.5), furação. fresamento, etc.Nos processos de conformação plástica as tensões aplicadas são geralmente

inferiores ao limite de resistência à ruptura do material ( < ), sendo a forma final, portanto obtida por deformação plástica.

Exemplos: Laminação, extrusão, trefilação, forjamento e estampagem (corte, dobramento, estiramento, embutimento) (Figura 1.6).

As Figuras 1.7 e 1.8 ilustram o fluxograma esquemático dos processos de fabricação. A Figura 1.9 representa o ciclo de um produto, desde a sua necessidade e viabilidade, até sua entrega ao público. Esse diagrama pretende representar genericamente um organograma funcional, não se considerando casos particulares de organização.

1.3 – Características dos processos de fabricação

Existem quatro características principais em qualquer processo de fabricação, a saber: geometria, tolerâncias, razão de produção e fatores ambientais e humanos.

Geometria. Cada processo de manufatura é capaz de produzir uma família de geometrias. Dentro desta família há geometrias que podem ser produzidas somente com extraordinários custo e esforço. Por exemplo, o processo de forjamento permite a produção de componentes que podem ser facilmente extraídos de uma matriz, isto é, matrizes superior e inferior.

Tolerâncias. Nenhuma dimensão pode ser produzida exatamente como é esperada pelo projetista. Portanto, para cada dimensão é associada a uma tolerância, assim como cada processo de fabricação permite a obtenção de certas tolerâncias dimensionais, de forma e acabamento superficial. Por exemplo, pelo uso do processo de fundição em cera perdida a vácuo é possível obter formas muito mais complexas com tolerâncias mais fechadas do que usado nos processos de fundição em molde de areia. Tolerâncias dimensionais servem a um duplo propósito. Primeiro, elas permitem o funcionamento adequado dos componentes fabricados: por exemplo, um tambor de freio de automóvel deve ser circular, dentro de certos limites, para evitar vibrações e

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assegurar funcionamento correto dos freios. O segundo propósito das tolerâncias dimensionais é a capacidade de substituir um componente defeituoso (um rolamento, por exemplo) por um novo, de um fabricante diferente – a moderna produção seriada seria inimaginável.

Razão de produção. A razão de produção ou produtividade pode ser aumentada através e melhoria dos processos de fabricação existentes ou pela introdução de novos processos e máquinas, todos requerendo novos investimentos. Contudo, o ingrediente mais importante para o aumento da produtividade reside no ser humano e nos recursos gerenciais, uma vez que boas decisões em investimentos (quando, quanto e em que) são tomadas por pessoas bem treinadas e motivadas. Como resultado, o presente e o futuro da produtividade da fabricação dentro de uma fábrica, indústria ou nação dependem não somente do nível de investimentos numa nova fábrica ou equipamentos, mas também do nível de treinamento e disposição dos engenheiros e especialistas em fabricação dentro destas entidades.

Fatores ambientais e humanos. Todo processo de fabricação deve ser examinado visando (a): seus efeitos ambientais, isto é, em termos de poluição do ar, água e sonora, (b): sua interface com os recursos humanos, isto é, em termos de segurança humana, efeitos fisiológicos e psicológicos; e (c) seu uso de energia e recursos materiais, particularmente em termos de escassez de energia e materiais. Consequentemente, a introdução e uso de um processo de fabricação devem antes ser considerados com vistas a estes fatores ambientais.

1.4 – Definição de processo de conformação plástica

Define-se como conformação plástica de metais a operação onde se aplicam solicitações mecânicas (forças externas) nos metais, que respondem com uma mudança permanente de dimensões. A Figura 1.6 ilustra a situação para o caso de uma operação de laminação; os cilindros giram, aplicando uma solicitação do metal, obtendo-se como resposta uma diminuição de sua espessura.

Além da mudança de dimensões, outro resultado obtido comumente através da conformação plástica é a alteração das propriedades do metal, em relação àquelas anteriores ao processamento.

Nos processos de conformação plástica as tensões aplicadas são geralmente inferiores ao limite de resistência à ruptura do material ( < ), sendo a forma final, portanto obtida por deformação plástica.

Exemplos: Laminação, extrusão, trefilação, forjamento e estampagem (corte, dobramento, estiramento, embutimento). A Figura 1.6 ilustra esquematicamente os processos de conformação plástica dos metais.

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1.5 - Classificação dos processos de conformação plástica

É importante o estudo dos processos de conformação plástica dos metais porque mais de 80% de todos os produtos metálicos produzidos são submetidos, em um ou mais estágios, a tais processos.

Os processos de conformação plástica dos metais permitem a obtenção de peças no estado sólido, com características controladas, através de esforços mecânicos em corpos metálicos iniciais que mantém o volume constante. De uma forma resumida, os objetivos desses processos são a obtenção de produtos finais com especificação de:

a) dimensões e forma,b) propriedades mecânicas,c) condições superficiais

conciliando a qualidade com elevadas velocidades de produção e baixos custos de fabricação (conformação).

Os processos de conformação plástica podem ser classificados:a)quanto ao tipo de esforço predominanteb)quanto a temperatura de trabalhoc)outros métodos de classificação.

1.5.1 – Classificação quanto ao esforço predominante

Quanto à natureza dos esforços mecânicos predominantes, os processos de conformação podem ser divididos em cinco categorias: processos de compressão direta e indireta, de tração, de flexão (ou dobramento) e de cisalhamento. Nos processos de compressão direta, o esforço é aplicado em duas superfícies do corpo e o material escoa numa direção aproximadamente perpendicular à direção do esforço, como nos casos típicos de laminação e forjamento. Nos processos de compressão indireta, o esforço originalmente aplicado é de compressão ou de tração e o esforço resultante que provoca o escoamento é de compressão, e em outra direção. Exemplos típicos são os processos de trefilação, extrusão e parcialmente o de embutimento (na falange da peça). No processo de estiramento de chapas sobre uma matriz, ocorre tipicamente o caso de aplicação de esforço de tração, e no processo de dobramento de chapas em prensas viradeiras tem-se o caso de flexão. Nos processos de embutimento, comumente, além do esforço de compressão indireta, atuam esforços de tração e de flexão. O esforço de cisalhamento é típico dos processos de corte de chapas em guilhotinas (Figura 1.6).

1.5.2 – Classificação quanto à temperatura de trabalho

Em relação a temperatura de trabalho, os processos de conformação podem ser classificados em processos com trabalho mecânico a frio e com trabalho mecânico a quente. Quando a temperatura de trabalho é maior que a temperatura que provoca a recristalização do metal, o processo é designado como de trabalho a quente e, abaixo dessa temperatura é designado como de trabalho a frio.

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A temperatura de recristalização é a menor temperatura na qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou é substituída por outra estrutura nova livre de tensões, após permanecer nesta temperatura por tempo determinado. A Tabela 1.1 ilustra os processos de conformação plástica quanto a temperatura de trabalho.

1.5.3 – Outros métodos de classificação

Os métodos de classificação dos processos de conformação plástica mais comuns são os dois mencionados anteriormente (quanto ao tipo de esforço predominante e quanto à temperatura de trabalho).

Existem também outros métodos, cujos empregos, no entanto, são menos comuns. Um deles é a classificação de acordo coma forma do metal trabalhado:1.Processos de conformação maciça (de volumes) 2.Processos de conformação de chapas (de superfícies) (Figura 1.6)

Em ambos os casos, as superfícies do material deformado e das ferramentas estão em contato e o atrito entre elas tem grande influência no processo.

Processos que se enquadram na categoria de conformação maciça têm as seguintes formas distintas:

O componente passa por uma grande deformação plástica, resultando numa apreciável mudança de forma e seção transversal.

A porção do componente que sofre deformação plástica é, geralmente, muito maior do que aquela que sofre deformação elástica, portanto o retorno elástico é insignificante.

Exemplos de processos de conformação plástica maciço são: extrusão, forjamento, trefilação e laminação.

As características dos processos de conformação de chapas são: O componente é uma chapa ou é fabricado a partir de uma chapa. A deformação normalmente causa mudanças significativas na forma, mas não na

seção transversal da chapa. Em alguns casos, a magnitude da deformação plástica permanente é

comparável à deformação elástica, portanto, o efeito mola ou retorno elástico pode ser significativo.Exemplos de processos que se enquadram nesta categoria são: o dobramento,

embutimento e estiramento.Alguns processos podem ser enquadrados em ambas as categorias

(conformação maciça ou de chapas), dependendo da configuração do produto. Por exemplo, na redução da espessura da parede de um tubo, partindo de um tubo de parede grossa, o processo de trefilação poderia ser considerado como de conformação maciça. Por outro lado, se o blank inicial fosse uma lata fabricada com uma chapa fina, a trefilação seria considerada como conformação de chapas.

Pode-se também classificar os processos de acordo com o tamanho da região deforamada em: processos com região de deformação localizada, que incluem a laminação, a trefilação e a extrusão, e processos com região de deformação generalizada, como por exemplo os processos de embutimento e o forjamento (Figura 1.6).

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De acordo com o tipo de fluxo de deformação do metal, podem ser classificados em processos de fluxo contínuos ou quase-estacionários (com movimento constante) e processos de fluxo intermitente. Como exemplos do primeiro tipo, pode-se citar os processos de laminação, trefilação e extrusão a quente. Os processos de extrusão a frio, embutimento e forjamento são exemplos de processos com fluxo intermitente (Figura 1.6).

A Tabela 1.1 apresenta um resumo da classificação dos processos de conformação plástica.

1.6 – Variáveis dos processos de conformação plástica

Na conformação plástica de metais, um componente inicialmente simples - um tarugo ou uma chapa metálica, por exemplo - é plasticamente deformado entre as ferramentas (matriz ou estampo) para a obtenção da configuração final desejada. Portanto, um componente de geometria simples é transformado num outro complexo, em que as ferramentas guardam a geometria desejada e aplicam pressão ao material em deformação através da interface ferramenta-material. O processo de conformação plástica de metais comumente produz pouca ou nenhuma sobra e a geometria final do componente aparece num curto período de tempo, normalmente com um ou poucos golpes de uma prensa ou martelo. Como resultado final, a conformação plástica de metais apresenta um potencial para economia de energia e material - especialmente em médios e grandes lotes, em que o custo de ferramental pode ser facilmente amortizado. Além disso, para um dado peso, componentes produzidos por conformação plástica exibem melhores propriedades mecânicas, metalúrgicas e confiabilidade do que aqueles produzidos por fundição e usinagem.

Conformação plástica de metais é a tecnologia da experiência orientada. No decorrer dos anos, uma grande quantidade de conhecimento e experiência tem ido acumulada neste campo, na sua maioria pelo método da tentativa-e-erro. No entanto, a indústria de conformação plástica de metais tem sido capaz de fornecer sofisticados produtos fabricados dentro das mais rígidas normas, usando ligas recentemente desenvolvidas e difíceis de conformar.

Os fenômenos físicos que descrevem uma operação de conformação plástica são de difícil expressão através de relações quantitativas. O fluxo de metais, o atrito na interface ferramenta-peça, a geração e transferência de calor durante o fluxo plástico do metal e o seu relacionamento com a microestrutura, as propriedades e as condições do processo são difíceis de prever e analisar. Frequentemente, várias operações intermediárias de conformação (pré-conformação) são necessárias para transformar a geometria inicial simples em uma complexa, sem causar danos ao material ou prejudicar suas propriedades. Consequentemente, o principal objetivo de qualquer método de análise é auxiliar o engenheiro de conformação plástica no projeto de conformação e/ou seqüência de pré-formas. Para uma dada operação de conformação (pré-conformação ou conformação final), o projeto essencialmente consiste em:a)estabelecer as relações cinemáticas (forma, velocidades, taxas de deformações, deformações) entre a parte deformada e a parte indeformada, isto é, prever o fluxo de metal;

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b)estabelecer o limite e conformabilidade, ou seja, determinar se é ou não possível a conformação sem rupturas internas ou na superfície do metal; ec)prever as forças e tensões necessárias para efetuar a operação de conformação a fim de que o ferramental e equipamento possam ser projetados ou selecionados.

Para entender, projetar, dimensionar e otimizar a operação de conformação plástica é útil:a)considerar o processo de conformação plástica de metais como um sistema;b)classifica-lo de forma sistêmica.

Um sistema de conformação plástica metálica consiste de todas as variáveis de entrada, tais como tarugo (geometria e material), o ferramental (geometria e material), as condições de interface ferramenta-peça, o mecanismo de deformação plástica, o equipamento usado, as características do produto final e, finalmente, o ambiente de fábrica onde o processo está sendo conduzido.

A maneira de encarar o problema do ponto de vista do “sistema” na conformação plástica de metais permite o estudo da relação entrada-saída e dos efeitos das variáveis do processo na qualidade do produto e no aspecto econômico do processo. A chave para o sucesso na operação de conformação plástica, isto é, para obter a forma e propriedades adequadas, é o entendimento e o controle do fluxo metálico. A direção deste fluxo, sua magnitude de deformação e a distribuição de temperatura envolvida afetam significativamente as propriedades do componente conformado. O fluxo metálico determina ambas as propriedades relacionadas com a deformação local e a formação de defeitos, tais como trincas ou dobras na superfície ou sob ela. O fluxo metálico local é, por sua vez, influenciado pelas variáveis do processo, as quais estão relacionadas na Tabela 1.2 A Figura 1.10 ilustra esquematicamente um sistema geral de um processo de conformação plástica dos metais.

Figuras

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Figura 1.1 – Classificação dos processos de fabricação.

Figura 1.2 – Processo de fundição em areia

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Figura 1.3 - Processo de soldagem a arco elétrico

Figura 1.4 – Processo de metalurgia do pó.

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Figura 1.5 - Processo de usinagem (torneamento)

Figura 1.6 - Ilustração esquemática dos processos de conformação plástica.

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Figura 1.7 – Fluxograma esquemático dos processos de fabricação I

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Figura 1.8 – Fluxograma esquemático dos processos de fabricação II

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Figura 1.9 - Diagrama funcional mostrando a Engenharia de Fabricação dentro do ciclo produtivo de uma empresa.

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Figura 1.10 – Esquema geral de um processo de conformação plástica.

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Tabelas

Tabela 1.1 - Classificação dos processos de conformação plástica

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Tabela 1.2 – Variáveis mais significativas num processo de conformação plástica

MATERIAL DO TARUGO Tensão de escoamento como função da deformação, taxa de deformação,

temperatura e microestrutura (equações constitutivas) Conformabilidade como função da deformação, da taxa de deformação,

temperatura e microestruturas (curvas limites de conformação) Condições superficiais Propriedades termo-físicas Condições iniciais (composição química, temperatura, estados anteriores da

microestrutura) Efeitos de mudanças em microestrutura e composição química na tensão de

escoamento e conformabilidadeFERRAMENTAL

Geometria das ferramentas Condições superficiais Material/dureza/tratamento térmico Temperatura Rigidez e precisão

CONDIÇÕES DA INTERFACE FERRAMENTA-PEÇA Tipo de lubrificante e temperatura de trabalho Isolação e características de resfriamento na camada de interface Lubrificação e tensão de cisalhamento ao atrito Temperaturas (geração e transferência de calor)

ZONA DE DEFORMAÇÃO Mecanismo de deformação, modelo usado para análise Fluxo de metal, velocidade, taxa de deformação, deformação (cinemática) Tensões (variação durante a deformação) Temperaturas (geração e transferência de calor)

EQUIPAMENTO USADO Velocidade/razão de produção Força/capacidade de conversão de energia Rigidez e pressão

PRODUTO Geometria Precisão dimensional/tolerâncias Acabamento superficial Microestrutura, propriedades mecânicas e metalúrgicas

AMBIENTE Capacidade de mão-de-obra Poluição do ar e sonora e resíduos líquidos Controle da produção e equipamentos disponíveis na fábrica

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