EM 908 - PROJETO DE FERRAMENTAS PARA · PDF fileem 730 - conformaÇÃo...

EM 730 - CONFORMAÇÃO MECÂNICA

PRIMEIRO SEMESTRE DE 1.998

PLANEJAMENTO DO PROCESSO E PROJETO DE MATRIZES

PARA O FORJAMENTO A QUENTE

PROF. DR. SÉRGIO TONINI BUTTON

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

EM730 - CONFORMAÇÃO MECÂNICA FORJAMENTO A QUENTE

1. INTRODUÇÃO

Este roteiro visa apresentar alguns aspectos de processos de fabricação comumente utilizados na

produção industrial, bem como relacionar a documentação existente sobre o assunto.

Os procedimentos apresentados referem-se ao forjamento a quente convencional com formação de

bacia de rebarbas. Atualmente, esse processo aplica-se a peças para as quais não há a possibilidade de

fabricação por forjamento a frio ou pelo forjamento a quente de precisão, em que os procedimentos de

planejamento de processo e o projeto de ferramentas apresentam critérios distintos.

O roteiro foi elaborado de forma que seu desenvolvimento siga as etapas descritas a seguir, sendo

que cada etapa é devidamente explicada e definida segundo parâmetros que envolvem o processo de

forjamento a quente, tais como: cargas máximas admissíveis, diagramas de equilíbrio temperatura x

composição química e desvios permissíveis.

O quadro a seguir relaciona todos os parâmetros envolvidos num processo de forjamento a quente,

sendo interessante que a cada passo do projeto, observe-se as inter-relações apresentadas nesse quadro.

PEÇA (MATERIAL,DIMENSÕESE FORMA) FORJABILIDADE DEFORMAÇÃO VELOCIDADE DE

DEFORMAÇÃO TEMPERATURA RESFRIAMENTO TEMPO DE CONTACTO

ESCOAMENTODO

MATERIAL PRÉ-CONFORMAÇÃO

FORJAMENTOFINAL

DEFEITOSDO

FORJADO

FORJADO(FORMA,

DIMENSÕES.ACABAMENTO,PROPRIEDADES

PROCESSOSALTERNATIVOS

GEOMETRIADO

PROCESSO

ATRITOE

DESGASTE

TENSÃO DE

ESCOAMENTO

PRESSÃOMÁXIMA NA

MATRIZ

FORÇAE

ENERGIA

TEMPERATURA DA

MATRIZ

MATERIALDA

MATRIZ

CONFIGURAÇÃO DO BLOCODA MATRIZ

EQUIPAMENTO

Quadro I - Inter-relacionamento dos parâmetros de processamento no forjamento a quente.

2


2. DESENHO DA PEÇA E MATERIAL EMPREGADO

A partir da definição de uma peça mecânica, que tenha como processo de fabricação intermediário

ou final o forjamento a quente convencional, deve ser apresentado o seu desenho com todas as dimensões

especificadas, pois é a partir dele que será efetuado todo o dimensionamento do forjado, das matrizes e da

prensa a ser utilizada.

Outro aspecto importante refere-se ao material dessa peça que deverá ser caracterizado quanto à

sua composição química, propriedades mecânicas para uso e estado de recebimento (recozido,

normalizado) pois influirão na escolha da temperatura e tempo de pré-aquecimento, nas etapas de

forjamento e tratamento térmico necessárias à aplicação posterior, bem como no cálculo dos esforços

desenvolvidos durante a deformação.

3. SEQUÊNCIA DAS ETAPAS DE FABRICAÇÃO

De acordo com o tipo de forjado a ser obtido, deverão ser apresentadas algumas etapas de

fabricação, como: corte dos tarugos, pré-aquecimento, etapas de limpeza, forjamento e tratamento térmico

posterior.

Entre essas etapas encontram-se as etapas de conformação que devem ser definidas e

relacionadas segundo alguns aspectos de projeto:

• evitar grandes movimentações do material a forjar no interior da matriz (altos níveis de deformação) que

envolveriam elevadas cargas de trabalho e a possibilidade de falhas na peça e matrizes;

• prever etapas de forjamento em que os níveis de deformação do tarugo não resultem em tensões que levem à

falha do material do tarugo por ruptura ou à falha do material da matriz através de deformações permanentes,

causadas por tensões superiores à sua tensão limite de escoamento. Tais falhas são indesejáveis pois conduzem

no primeiro caso a um refugo de peças forjadas e no último à perda da gravação da matriz devido às mudanças

dimensionais. Os esforços serão calculados de acordo com os procedimentos apresentados no item 7 deste

roteiro;

• buscar um número de etapas de conformação de forma que durante o processo, o tarugo não esteja a

temperaturas inferiores ao limite inferior do intervalo recomendado para o material a ser forjado. Nesse caso,

seria necessário um reaquecimento do tarugo com o desperdício de energia ou caso não fosse realizado poderia

acarretar falhas na matriz, no forjado e dificuldades para a continuidade do processo. O Apêndice B apresenta

o procedimento para determinação da geometria de uma peça pré-forjada.

3


4. ESCOLHA DAS TEMPERATURAS DE TRABALHO

Definido o material em sua composição química e com sua estrutura já homogeneizada procede-

se à escolha do intervalo de temperaturas para as etapas de forjamento. Tal intervalo é escolhido segundo

algumas condições de processo:

• elevar e manter durante o processo a ductilidade do material a forjar, reduzindo por este meio as cargas de

trabalho (temperaturas acima da temperatura de recristalização);

• evitar a descarbonetação e oxidação excessivas que conduzem a uma perda de material e de propriedades

mecânicas;

• conforme o número de etapas de conformação evitar temperaturas abaixo do limite inferior para forjamento;

• evitar o crescimento excessivo dos grãos cristalinos com a conseqüente diminuição da tensão limite de

ruptura e possibilidade de refugo do forjado.

5. DIMENSIONAMENTO DA PEÇA FORJADA

A partir das dimensões da peça final, deve-se considerar alguns itens importantes para o

dimensionamento do forjado:

a) escolha do sobremetal intimamente relacionada às incertezas do projetista quanto à rigidez

da máquina utilizada, à conformidade dos materiais escolhidos para a peça e matrizes, bem como à

fabricação dessas matrizes (dimensões e propriedades).

Nas tabelas 1 e 2 são apresentados os valores recomendados para sobremetais (s) na espessura,

para casos de forjamento livre e em matriz fechada respectivamente, segundo ROSSI, pp. 44, 45 e 110.

b) tolerâncias dimensionais tais valores devem ser previstos no projeto do forjado

considerando o desgaste acarretado nas matrizes após várias utilizações, a fim de que não sejam

produzidas peças com dimensões fora das especificações. Essas tolerâncias têm por base cada dimensão da

peça final já adicionado o correspondente sobremetal, conforme especificados na tabela 3, segundo

ROSSI, p.119.

Outra tolerância dimensional diz respeito à excentricidade permitida entre as duas partes da

matriz (Figura 1) que deve ser limitada a valores que não conduzem à existência de um momento de

tombamento quando do forjamento e que não produza peças que venham a ser refugadas. A tabela 4

apresenta valores para a excentricidade transversal (e1) e a excentricidade longitudinal (e) de acordo com

as dimensões do forjado já obtidas (ROSSI, p. 114).

4


5

c) ângulos de saída tomados a partir das dimensões do forjado, servem para facilitar a extração

da peça do interior das matrizes. Para evitar o trancamento dos mandris quando da gravação das matrizes,

os ângulos internos são realizados menores que os externos. Segundo ROSSI p. 111. temos os seguintes

valores para os ângulos da saída:

internos (α) = 5 a 7° externos (α1) = 7 a 8°

d) arredondamento de cantos salientes e reentrantes devem ser feitos com raios tão grandes

quanto possíveis a fim de reduzir o desgaste nos cantos salientes e a fissuramento nos cantos reentrantes

que exigiria uma profunda retificação das impressões, isso se a matriz não ficasse inutilizada por ruptura.

ROSSI p. 113. apresenta valores segundo algumas dimensões do forjado (Tabela 5).

Tabela 1 - Sobremetal indicado para o forjamento livre

peças com pequenas dimensões s = 3 mm

peças com dimensões intermediárias s = 5 a 10 mm

peças com grandes dimensões s = 15 a 20 mm

Tabela 2 - Sobremetal indicado para o forjamento em matriz fechada

maior dimensão do corpo (mm) sobremetal (mm)

até 20 0,5 a 1,0

20 a 80 1,0 a 1,5

80 a 150 1,5 a 2,0

acima de 150 2,0 a 3,0


Tabela 3 - Tolerâncias dimensionais para peças forjadas a quente

dimensão (mm) forjamento normal limites (mm)

forjamento de precisão limites (mm)

até 30 + 0,5 - 0,5

+ 0,3 - 0,2

de 30 a 50 + 0,6 - 0,6

+ 0,4 - 0,3

de 50 a 80 + 0,9 - 0,7

+ 0,5 - 0,4

de 80 a 125 + 1,2 - 0,8

+ 0,6 - 0,5

de 125 a 200 + 1,5 - 1,0

+ 0,8 - 0,6

de 200 a 250 + 1,8 - 1,2

+ 0,9 - 0,7

de 250 a 315 + 2,2 - 1,3

+ 1,0 - 0,8

de 315 a 400 + 2,6 - 1,4

-

de 400 a 500 + 3,0 - 1,5

-

de 500 a 630 + 3,4 - 1,6

-

Tabela 4 - Tolerância de excentricidade para o forjamento a quente

Excentricidade transversal e1 (mm) d (mm) forjamento normal l (mm) Forjamento de precisão l (mm)

até 400 a 630 a 1000 a 1600 a até 400 a 630 a 1000 a 1600 a 400 630 1000 1600 2500 400 630 1000 1600 2500

até 50 0,4 0,5 0,6 0,8 1 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8

de 50 a 80 0,5 0,6 0,8 1 1,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1

de 80 a 125 0,6 0,8 1 1,2 1,6 0,5 0,6 0,8 1 1,2

de 125 a 200 0,8 1 1,2 1,6 2 0,6 0,8 1 1,2 1,6

de 200 a 315 1 1,2 1,6 2 2,5 0,8 1 1,2 1,6 2

de 315 a 500 1,2 1,6 2 2,6 3 1 1,2 1,6 2 2,5

de 500 a 800 1,6 2 2,5 3 4 1,2 1,6 2 2,5 3

comprimento Excentricidade longitudinal e

6


l (mm) (mm) forjamento

normal forjamento de

precisão

até 63 0,8 0,4

de 63 a 160 1,1 0,5

de 160 a 400 1,6 0,8

de 400 a 1000 2,2 1,3

de 1000 a 2500 3 2

Figura 1 - Excentricidade transversal e longitudinal para forjados

Tabela 5 - Raios de arredondamento em peças forjadas a quente

h, h1,h2 e d r r1 r2

até 25 5 0,5 1 De 25 a 40 8 1 1,5 De 40 a 63 12 1,5 2

De 63 a 100

20 1,5 2,5

De 100 a 160

30 2 3

De 160 a 250

50 2,5 3,5

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Figura 2 - Peça forjada contendo as principais dimensões para projeto.

Figura 3 - Valores mínimos para espessuras de parede, nervuras e fundos.

Considerados todos esses ítens no projeto do forjado deve-se verificar se as dimensões

satisfazem valores mínimos de espessura e seções transversais nas direções paralela e perpendicular à

direção de conformação a fim de que as matrizes não sejam sobrecarregadas. Segundo GRUNING p. 67,

para uma peça conforme apresentada na figura 3, são as seguintes as dimensões mínimas (Tabela 6)

e) escolha da linha de rebarbas a definição de uma bacia de rebarbas é necessária para

estabelecer a descarga de material excedente, promover a união das duas matrizes e principalmente

garantir que o material ocupe todo o volume das matrizes fornecendo forjados com dimensões adequadas

já que a bacia de rebarbas será o último local a ser preenchido pelo material forjado. Na maioria dos casos,

escolhe-se a linha de rebarbas como a linha de maior perímetro do corpo forjado a fim de facilitar o corte

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das rebarbas e a construção das matrizes porém, conforme o tipo de peça a ser obtida, a linha escolhida

pode ser outra que não a de maior comprimento (Figura 4).

Algumas formas de bacia de rebarbas são mostradas à figura 5, onde o tipo a é o mais utilizado

pois oferece a possibilidade de uma superfície plana de apoio para a rebarbação, o tipo c é indicado

quando houver a necessidade de girar-se a peça de 180o para a rebarbação, o tipo b quando o volume de

rebarba for grande e o tipo d quando houver incerteza no cálculo do volume de material a forjar.

Na tabela 7 são mostrados valores para cada tipo de bacia, segundo três dimensões para a

mesma: pequena, média e grande, de acordo com ROSSI, p. l3l.

6. DIMENSIONAMENTO DO TARUGO

Através da hipótese de que o volume de material não seja alterado durante o processo, calcula-se

o volume da peça forjada final obtida no item 5 adicionando-se 3% de material previsto para perdas por

oxidações e descarbonetações no pré-aquecimento, no caso do forjamento de aços.

A especificação das dimensões do tarugo será feita de forma a facilitar a conformação,

buscando-se níveis de deformação próximos para as diversas direções do corpo (item 3).

7. CÁLCULO DOS ESFORÇOS DE CONFORMAÇÃO E TRABALHOS

Esta etapa é muito importante pois, a partir dela serão definidas as etapas de conformação (item

3) e escolhida a máquina de trabalho quanto ao tipo e potência necessária.

O cálculo dos esforços e trabalhos no forjamento apresenta algumas dificuldades devido às

peculiaridades do processo como o fato de que a cada instante, o corpo sofre em seus diversos pontos

estados de tensões diferentes, perdas devido ao atrito entre peça e matrizes, altas velocidades e níveis de

deformação que impossibilitam o uso dos métodos comumente utilizados em outros processos para o

cálculo de tensões.

Desta forma, alguns autores desenvolveram métodos experimentais que fornecem resultados

confiáveis através da aplicação das condições de processamento em ábacos por eles obtidos.

Figura 4 - Duas escolhas possíveis para a linha de rebarbas.

Tabela 6 - Valores mínimos para espessuras em forjados a quente

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h (mm) s2 (mm) r3 (mm)

até 10 3 5

de 10 a 16 4 6

de 16 a 25 5 8

de 25 a 40 8 12

de 40 a 63 12 20

de 63 a 100 20 32

de 100 a 160 32 50

sl (mm) B ou d (mm) l até 3b (3d) l acima de 3b (3d)

até 25 2 3 de 25 a 40 3 4 de 40 a 63 5 6 de 63 a 100 6 8 de 100 a 160 8 10 de 160 a 250 12 16

Tabela 7 - Dimensões para os perfis de bacias de rebarbas

Tipo L m n o h h1 r m1 Pequeno 2 4 11 15 3,5 5 2,5 2 médio 2,5 5 20 25 5 8 4 3 grande 3 6 29 35 6,5 10 5 4

Figura 5 - Tipos de bacias de rebarbas.

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Figura 6 - Diagrama de MAKELT para o cálculo de esforço e trabalhos no forjamento a quente.

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Figura 7 - Tipos de peças a forjar: (i) Forjamento em matriz aberta; (ii) forjamento em matriz fechada com

saída de rebarbas livre (a) e em bacia (b); (iii) recalque em matriz fechada.

Na maioria dos casos, esses ábacos provêm de ensaios de laboratório convencionais

(compressão) em que o material é solicitado sob diversas temperaturas para uma faixa de velocidades de

deformação e formas de peças mais comuns. Um desses métodos é mostrado na figura 6 obtido por

MAKELT (BILLIGMANN e FELDMANN, p.ll8) para peças de aço forjadas, conforme figura 7.

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No quadro I , insere-se a temperatura de trabalho e o tipo de material forjado obtendo-se a

resistência ideal estática à deformação (Kfs), no quadro II insere-se a velocidade de deformação v

relacionada ao tipo de máquina utilizada, fornecendo a resistência ideal dinâmica (Kfd), no quadro III

inclui-se o rendimento do processo associado ao tipo de peça a forjar e suas dimensões (Figura 7), no

quadro IV toma-se a maior área transversal A resultando na força de conformação F, caso o corpo assuma

a forma de uma biela, utiliza-se o quadro V e uma nova força de forjamento, no quadro VI obtém-se o

trabalho de conformação W a partir do percurso desenvolvido pela matriz durante o forjamento.

Para facilidade dos cálculos pode-se utilizar as seguintes expressões que relacionam os

parâmetros de cálculo para cada quadro do diagrama.

Quadro I:

σB entre 40 e 50 kgf/mm2 Kfs = 0,112.1014.T-4.18

σB igual a 60 kgf/ mm2 Kfs = 0,487.1013.T-4.0

σB igual a 80 kgf/mm2 Kfs = 0,146.1014.T-4.09

σB entre 100 e 120 kgf/mm2 Kfs = 0,180.1015.T-4.39

Quadro II :

Máquinas de ensaio Kfd = Kfs

Prensa Hidráulica Kfd = 1,47.Kfs0.95

Prensa mecânica lenta Kfd = 2,59.Kfs0.84

Prensa mecânica rápida Kfd = 3,5. Kfs0.76

Quadro III :

Kr = a.(Kfd)b

Rendimento a b Rendimento a b

0,8 1,26 1 0,25 3,84 1,02 0,63 1,71 0,952 0,2 4,15 1,12 0,5 2,14 0,952 0,16 6,15 1,02 0,4 2,78 0,909 0,125 7,34 1,06

0,375 2,94 1,05 0,1 9,84 1,02

Quadro V :

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Ls/Bm = 1 Fm = 0,979.Fs

Ls/Bm = 2,5 Fm = 1,31.Fs0.98

Ls/Bm = 6,3 Fm = 1,46.Fs0.98

Ls/Bm = 16,0 Fm = 1,63.Fs0.98

Como critério de projeto citado no item 3, deve-se observar se a resistência real à deformação

Kr, obtida do quadro III, não ultrapassa a tensão limite de ruptura do material a forjar ou a tensão limite

de escoamento do material da matriz prevenindo falhas em qualquer uma das partes em contato.

O apêndice D, no final deste roteiro, apresenta um exemplo de cálculo de esforços e energia que

utiliza o método descrito anteriormente.

8. DIMENSIONAMENTO, ESCOLHA DE MATERIAL E TRATAMENTO TÉRMICO DAS

MATRIZES DE FORJAMENTO

Verificado o critério de projeto citado no item 7 procede-se o dimensionamento das matrizes,

bem como a escolha do material onde elas serão usinadas e tratamentos térmicos necessários para que

possuam as propriedades exigidas para utilização. Esta etapa deve observar o seguinte procedimento:

• escolha de um material que após tratado, possua elevada dureza, tenacidade e resistência à fadiga, alto

limite de escoamento, elevada resistência ao choque, resistência a oscilações térmicas e resistência ao

desgaste. Como materiais indicados encontram-se os aços-carbono ligados ao Cr, V, Mo, Ni e W;

normalmente fornecidos para usinagem, temperados e revenidos a uma dada dureza, já que o

tratamento térmico posterior para endurecimento poderia acarretar a perda do bloco devido às grandes

tensões internas desenvolvidas na tempera. O apêndice A no final deste roteiro apresenta as

características de um aço indicado para a fabricação das matrizes;

• especificação das dimensões mínimas do bloco da matriz segundo as impressões a realizar garantindo a

sua rigidez, facilidade de fixação e a possibilidade de novas gravações. Na tabela 8, são mostradas tais

dimensões, de acordo com GRUNING, p. 58:

• as dimensões de gravação da matriz devem ser acrescidas tendo em conta a contração térmica sofrida

pelo forjado após o resfriamento. Segundo ROSSI p. l29, tem-se os seguintes percentuais de acordo

com o material forjado e a temperatura utilizada:

14


15

aço, entre 1000 e l040 oC : 1,0%

bronze, entre 500 e 540 oC : 0,8%

latão, entre 500 e 540 oC : 0,9%

cobre, entre 500 e 540 oC : 0,8%

ligas leves, entre 400 e 440 oC : 0,9%

Assim, o forjamento de aço a 1000 oC, uma dimensão de l00 mm no forjado corresponde na

matriz a uma gravação igual a 101 mm;

• observar se a forma da peça não provoca durante o forjamento, deslocamentos horizontais da matriz

devido ao esforço normal, caso tal fato ocorra busca-se a eliminação desse efeito através do forjamento

simultâneo de outras peças, como exemplificado à figura 8:

• garantir o alinhamento entre as matrizes através do uso de um sistema entre os mostrados na figura 9:

colunas guia, assentos cônicos ou inclinados, preferindo-se os assentos devido ao desgaste apresentado

pelas colunas com a conseqüente perda de tolerâncias dimensionais.

9. DIMENSIONAMENTO, ESCOLHA DE MATERIAL E TRATAMENTOS TÉRMICOS PARA

OS ESTAMPOS DE REBARBAÇÃO

O dimensionamento da matriz para corte das rebarbas deve envolver o seguinte procedimento:

• cálculo do esforço necessário ao corte;

• escolha de um material cujas propriedades após tratado termicamente adequem-se ao esforço de corte,

com características de alta dureza, resistência à fadiga e à abrasão, dentre esses materiais destacam-se

os aços de médio teor de carbono, aços-carbono ligados ao Mn, Cr, V e W.

• especificação de ângulos e ajustes de acordo com os valores especificados na tabela 9 (ROSSI p. l40.)

10. TIPO E CAPACIDADE DAS MÁQUINAS DE TRABALHO

A partir dos resultados encontrados no item 7, para esforços e velocidades de forjamento,

escolhe-se máquina em termos de tipo (prensa mecânica ou hidráulica), potência, dimensões principais

(vão livre entre colunas, distancia mínima e máxima entre pistão e mesa, largura e comprimento da mesa)


adequadas ao percurso efetuado relativamente entre as matrizes e às dimensões dos blocos dessas

matrizes.

Figura 8 - Disposição de peças na matriz de forjamento.

Tabela 8 - Dimensões mínimas das matrizes de forjamento

Profundidade de

impressão Espessura mínima de parede

Altura mínima do bloco

da matriz h (mm) a (mm) H (mm)

6 12 10 100 10 20 16 100 16 32 25 125 25 40 32 160 40 56 40 200 63 80 56 250

100 110 80 315 125 130 100 355 160 160 110 400

Tabela 9 - Ajustes e ângulos entre punção e matriz de rebarbação

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Forma (a)

Forma (b)

Forma (c)

h (mm) s (mm) d (mm) s(mm) s (mm)

até 5 0,3 Até 20 0,3 0,3

de 5 a 10 0,5 de 20 a 30 0,5

de 10 a 20 0,8 de 30 a 45 0,8

de 20 a 25 1 de 45 a 60 1

de 25 a 30 1,2 de 60 a 70 1,2

acima de 30 1,5 Acima de 70 1,5

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Figura 9 - Sistemas de alinhamento para matrizes de forjamento h = 20 a 25 mm; h1 = 26 a 32

mm; r = 5 a 6 mm

O quadro II mostra como as diversas características das prensas e do processo de forjamento a

quente interagem.

As prensas utilizadas no forjamento a quente podem ser classificadas em três tipos:

- máquinas de força restrita (prensas hidráulicas);

- máquinas de curso restrito (prensas excêntricas);

- máquinas de energia restrita (prensas de fricção).

As principais características dessas prensas são as seguintes:

Quadro II - Interação das variáveis do processo de forjamento a quente e das prensas utilizadas.

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MATERIAL

TAXA DEDEFORMAÇÃO

TEMPERATURADAS

MATRIZES

VELOCIDADEDE TRABALHO

TEMPERATURADE

FORJAMENTO

ATRITO ELUBRIFICAÇÃO

GEOMETRIADO

FORJADO

FORÇA E ENERGIANECESSÁRIAS

- DIMENSÕES DOS BLOCOS DAS MATRIZES- PERCURSO NECESSÁRIO

TOLERÂNCIASDO

FORJADO

VARIAÇÕES NO PESO E NA TEMPERATURA

DO FORJADO

TEMPO DECONTACTO

RIGIDEZ

TOLERÂNCIAS,PARALELISMO E

PLANEZA

CAPACIDADEDE FORÇA

CAPACIDADEDE ENERGIA

CURSOSPOR MINUTO

- DIMENSÕES DAS MESAS- VÃOS LIVRES- CURSOS

VARIÁVEIS DO PROCESSO VARIÁVEIS DA PRENSA

• energia disponível: suprida pela máquina para a efetivação do processo de conformação, esta energia

não inclui a parcela de energia necessária para vencer o atrito existente entre as partes móveis das

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máquinas e aquela relativa às deformações elásticas das partes do equipamento, tais como colunas,

mesas, etc..;

• força disponível: suprida pela prensa para efetivar a deformação do corpo metálico a forjar. Essa

força pode ser constante durante todo o percurso no caso das prensas hidráulicas ou variar de acordo

com cada posição do curso da máquina em relação ao seu ponto morto inferior, como no caso das

prensas mecânicas (excêntricas e de fricção);

• número de cursos por minuto: tal característica determina a taxa de produção do equipamento;

• tempo de contato sob pressão: tal característica é importante pois define a quantidade de calor que será

transferida do forjado para as matrizes, que poderá causar problemas quanto ao desgaste das

ferramentas e ao aumento da força necessária para forjamento devido ao resfriamento do forjado;

• velocidade de trabalho (sob pressão): tal característica determina o tempo de contato entre matrizes e

forjado, bem como a taxa de deformação do processo. Esses dois fatores definem a tensão de

escoamento do material e conseqüentemente, a força e a energia necessárias ao processo.

Outra característica importante para escolha de uma prensa para o forjamento a quente refere-se

às dimensões necessárias na máquina para acomodar as matrizes, facilitar a introdução do material

aquecido e a retirada do forjado e finalmente, o percurso que deve ser suficiente para promover a

deformação total da peça a forjar. A figura 10 mostra tais dimensões.

O apêndice C deste roteiro apresenta algumas características de prensas utilizadas no forjamento

a quente.

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Figura 10 - Esquema de uma prensa para forjamento a quente.

11. BIBLIOGRAFIA

ROSSI, M., Estampado en caliente de los metales, Ed. Hoepli, Barcelona, l97l.

GRUNING, K.., Técnica da conformação, Ed. Polígono, São Paulo, l973.

BILLIGMANN, J. e FELDMANN, H.D., Estampado e prensado a máquina, Ed. Reverté,

Barcelona, l979.

ALTAN, T. e outros, Metal Forming, Fundamentals and Applications, ASM, 1983.

12. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

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Como referência bibliográfica auxiliar para a execução de cada etapa do projeto, tem-se:

• etapas de fabricação: ROSSI, pp. 146 a 166.

• temperaturas de trabalho: ROSSI, pp. l0 a 12

BILLIGMANN, pp. 41, 44, 77, 358, 359, 451,453.

CATALOGOS DE AÇOS VILLARES S/A

METALS HANDB00K, vol. 5 pp. 52, 119, 126.

METALS HANDB00K, vol. 1 pp. 424 e 731.

• forjado: sobremetais: Norma Brasileira ABNT, p-PB-39.

tolerâncias BILLIGMANN, pp. 404 a 409

METALS HANDB00K, vol. 5, p.47.

ângulos: Norma ABNT, P-PB-39.

GRUNING, p. 64.

raios: GRUNING; pp. 65 e 66.

bacia de rebarbas: NB ABNT PPB-39

GRUNING, p. 63.

• esforços e trabalhos: propriedades dos materiais forjados:

BILIGMANN, pp. 8 a 3l, 33, 75, 76, 8l, 84, l03, l58 a l60, 367, 368.

diagramas para cálculo: BILLIGMANN, pp. 95 a l09, ll9 a l23

GRUNING, pp. 47 a 5l.

• dimensionamento das matrizes:escolha e preparação dos materiais:

BILLIGMANN, pp. 355, 356.

GRUNING, pp. 54 a 56.

CATALOGOS AÇOS VILLARES S/A.

METALS HANDB00K, vol. 5, pp. 27 a 29, 37.

METALS HANDB00K, vol.l, 730 a 733, 739.

• seleção das máquinas: ROSSI, pp. 2ll a 307.

BILLIGMANN, pp. l63 a 28l.

METALS HANDB00K, vol. 5, pp. 1 a l9.

CATÁLOGOS DE FABRICANTES DE PRENSAS.

APÊNDICE A - AÇOS EMPREGADOS PARA FABRICAÇÃO DE MATRIZES DE

FORJAMENTO A QUENTE

1) Aço para trabalho a quente VILLARES VMO

22


• Composição química média: 0.57% C 0.70% Mn 1.10% Cr 1.65% Ni 0.50% Mo 0.06% Nb

• Similares: DIN 56 NiCrMoV 7 ASM 6F3

• Características gerais: Possui notáveis características físicas e químicas que o tornam o aço ideal para

seu campo de aplicação: retenção de resistência mecânica em altas temperaturas, boa resistência ao

revenido, alta tenacidade, elevada resistência ao desgaste e boa resistência às pressões de trabalho.

Essas características permitem manter-se intacta por longo tempo, a gravura das matrizes de

forjamento fabricadas com aço VMO e possibilitam seu uso em matrizes destinadas a trabalhar tanto em

martelos de queda como em prensas de forjamento.

Quando fornecido em blocos para matrizes e estampos, é submetido a um forjamento

TRIAXIAL que reduz sensivelmente a heterogeneidade existente no lingote e proporciona características

mecânicas bastante uniformes nas 3 direções principais do bloco, bem como grande durabilidade. De

qualquer modo, tendo em vista assegurar sempre os melhores resultados, permanece identificada a direção

principal do eixo longitudinal do lingote.

Recomenda-se, sempre que possível, que o rabo de andorinha e as impressões com cantos vivos

sejam corados perpendicularmente ao eixo do lingote, ou seja, transversalmente às fibras.

A fim de facilitar o controle de qualidade não-destrutivo e proporcionar economia de mão-de-

obra de desbaste ao cliente, os blocos TRIAXIAL, são fornecidos com todas as faces desbastadas por

usinagem.

• Aplicações típicas: Matrizes de forjamento para prensa. Matrizes de forjamento para martelos de

queda. Estampos para estampagem a quente.

• Estado de fornecimento: Os blocos de aço VMO podem ser fornecidos nas seguintes condições de

tratamento térmico:

1. Recozido, com dureza máxima de 250 HB, nesse estado, o bloco pode ser usinado com facilidade e é

normalmente temperado e revenido após a gravação;

2. Com beneficiamento integral, para a dureza especificada pelo cliente;

3. Com beneficiamento diferencial, que consiste em tratar 2/3 da altura do bloco para a dureza de trabalho

e o 1/3 restante para uma dureza menor, o que facilitar a usinagem do rabo de andorinha.

• Recozimento: Havendo necessidade de uma retempera, o bloco (ou ferramenta usinada) deve ser

previamente recozido. Para evitar a descarbonetação superficial, recomenda-se realizar o tratamento em

atmosfera controlada ou com o bloco colocado em uma caixa e envolto em coque queimado ou cavacos

de ferro fundido. O conjunto é aquecido lentamente até 660-680 graus centígrados e mantido nesta

temperatura durante 6 horas no mínimo. Em seguida, resfriar à razão de 8 graus por hora, até 550

23


graus, quando o conjunto pode ser removido para resfriar ao ar, até 200 graus. Quando o bloco atingir

essa temperatura, pode ser retirado da caixa e resfriado ao ar calmo.

• Tempera: Os blocos adquiridos no estado recozido devem ser beneficiados para a dureza de trabalho. A

tempera, primeira operação do beneficiamento, poderá ser executada de acordo com as seguintes

instruções:

Aquecer lentamente o bloco até a temperatura de 830 a 880 graus. A fim de assegurar boa

penetração do calor em toda a seção da matriz recomenda-se prever 4 a 5 horas de aquecimento por 100

mm de espessura, até que seja atingida a temperatura de tempera.

Nessa temperatura o bloco deve ser mantido cerca de 2 horas por 100 mm de espessura. Para

evitar a descarbonetação, principalmente da face da gravura, recomenda-se fazer aquecimento em fornos

com atmosfera controlada ou em banho de sal. Quando não se dispõe desses equipamentos, aconselha-se

colocar a matriz no forno com a face de gravura protegida por uma camada de carvão vegetal ou coque

queimado bem seco, em grãos.

Recomenda-se que a tempera seja feita em óleo com 50 a 60 graus e agitação violenta. Quando a

temperatura da superfície do bloco atingir cerca de 200 graus, este deve ser transferido imediatamente para

o forno de revenido.

• Revenido: O revenido é o segundo tratamento que compõe o beneficiamento. Para as matrizes de

VMO, recomenda-se duplo revenido; o primeiro deve ser executado imediatamente após a tempera,

elevando-se a temperatura do bloco lenta e uniformemente até 450-650 graus. A temperatura de

revenido depende da dureza desejada na matriz. A figura A.1 mostra o diagrama de revenido.

Como medida de segurança, recomenda-se que o primeiro revenido seja feito a uma temperatura

pouco abaixo daquela que, provavelmente, dará a dureza desejada. Com o resultado da dureza obtida na

matriz e com auxílio da curva da figura A.1, determina-se a temperatura do segundo revenido, para se

obter a dureza desejada.

Nos dois tratamentos deve-se assegura perfeita homogeneização da temperatura em toda a seção,

e para isso a matriz deve ser mantida em temperatura na razão de 2 horas por 50 mm de espessura. Em

ambos os casos, resfriar ao ar calmo.

A Tabela A.1 mostra os valores de dureza dos blocos VMO fornecidos beneficiados. A figura

A.1 mostra os valores das propriedades mecânicas do aço VMO já beneficiado.

TABELA A.1 - DIMENSÕES E VALORES DE DUREZA DOS BLOCOS DE VMO BENEFICIADOS

Seção Comprimento Peso máximo Profundidade máxima de Dureza

24


transversal máximo gravura mm x mm mm Kg mm HRC 250 x 350 450 310 12 47-50 250 x 430 500 425 20 41-45 380 x 500 900 1350 50 36-40 380 x 710 1200 2500 130 32-35 maiores maiores Maiores maiores 28-31

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

250

300

350

400

450

500

600

700

Temperatura ( C)

beneficiado pararesistência de 1600 MPa

beneficiado pararesistência de 1200 MPa

12

3

3

2

1

1 - limite de resistência, MPa 2 - limite de escoamento, MPa 3 - estriccão, %

Figura A.1 - Propriedades mecânicas do aço VMO beneficiado.

APÊNDICE B - PROCEDIMENTO PARA A DETERMINAÇÃO DA FORMA DE

PRÉ-FORJADOS

(Adaptado do procedimento à pg. 24 do "Metals Handbook", vol. 5 "Forging and Casting", 8a. ed.,

ASM)

Tendo por base a figura B.1, descreve-se os seguintes passos para a execução do procedimento:

1. Desenhar a vista lateral e a planta do forjado numa escala conveniente, se possível em escala 1:1

(Figura B.1-a);

2. Desenhar a linha de rebarbas ao redor do forjado, como mostrado na figura B.1-a;

3. A uma distância conveniente da planta, traçar uma linha-base paralela ao eixo longitudinal do forjado,

como mostrado na figura B.1-b;

25


4. Dividir o forjado em elementos de acordo com a forma do forjado, baseando-se por exemplo, em

formas geométricas ou em mudanças bruscas nas dimensões (O forjado da figura B.1-c foi dividido em

três elementos: um cilindro vertical em cada extremidade e um cilindro horizontal que une os dois

anteriores);

5. Traçar uma linha horizontal através de cada um dos elementos, que contenha a maior e a menor seções-

transversais desses elementos. Prolongar essas linhas horizontais além da linha-base traçada no item 3,

como mostrado nas figuras B.1-b e B.1-c;

6. Calcular a área de cada uma dessas seções transversais e anotar tais valores nas respectivas linhas

horizontais;

7. A partir da linha-base, traçar uma linha contendo os valores dessas áreas calculadas, utilizando uma

escala apropriada (Figura B.1-b). Caso haja necessidade utilizar outros pontos para suavizar a curva

obtida;

8. Adicionar à curva obtida em 7, a área da seção transversal da rebarba;

9. Calcular a seção transversal do pré-forjado em cada linha horizontal, medindo a distância da intesecção

da linha-base com cada uma das linhas horizontais;

10. Calcular o diâmetro D do pré-forjado em cada linha horizontal, usando a expressão da área de um

círculo. Plote as dimensões encontradas, simetricamente a uma linha de referência (Figura B.1-c).

Trace uma linha ao longo dos pontos plotados. Produzindo um pré-forjado com essa linha de contorno,

garantir-se-á que o escoamento do material a forjar durante as etapas de pré-forjamento e forjamento

seja o melhor possível.

26


Figura B.1 - Determinação da geometria de uma peça pré-forjada.

APÊNDICE C - PRENSAS UTILIZADAS PARA O FORJAMENTO A QUENTE

27


Neste apêndice são apresentadas as diversas prensas e máquinas auxiliares que podem ser

empregadas para a fabricação de peças forjadas a quente.

Cabe destacar que os modelos e especificações apresentadas referem-se à linha de produção de

PRENSAS SCHULER, DIVISÃO HASENCLEVER porém, os tipos de prensas apresentados são comuns

a outros fabricantes.

Os tipos de máquinas descritas serão na ordem:

- prensas hidráulicas;

- prensas excêntricas;

- prensas de fricção por parafuso;

- forjadoras rotativas.

C.1 PRENSAS HIDÁULICAS

A figura C.1 apresenta uma prensa hidráulica HASENCLEVER

Figura C.1 - Prensa hidráulica HASENCLEVER.

C.2 - PRENSAS EXCÊNTRICAS DE COLUNA DUPLA (MODELOS VER e VEPES)

28


As figuras C.2-a e b mostram respectivamente a prensas excêntrica modelo VER e as peças que

nelas podem ser forjadas.

Figura C.2-a. Prensa excêntrica modelo

29


Figura C.2-b - Peças forjadas em prensas excêntricas

C.3 - PRENSAS DE FRICÇÃO POR PARAFUSO (MODELO FPRN)

As figuras C.3-a, b e mostram respectivamente, uma prensa de fricção e as peças que ela pode

produzir.

30


Figura C.3-a - Prensa de fricção por parafuso.

Figura C.3-b - Peças forjadas em peças de fricção.

C.4 FORJADORA ROTATIVA (MODELO AWF)

As figuras C.4-a e b mostram respectivamente, o esboço da forjadora e as peças que nela podem

ser produzidas.

31


Figura C.4-a - Forjadora rotativa.

Figura C.4-b - Seqüência de operações em forjadora rotativa.

APÊNDICE D - EXEMPLO DE CÁLCULO DE ESFORÇOS NO FORJAMENTO A QUENTE

Os cálculos serão realizados considerando o forjamento a quente de uma peça obtida a partir de

um tarugo ambos mostrados na figura D.1.

32


1a. etapa - embolachamento

Nessa etapa, o tarugo de altura hi = 114 mm e diâmetro di = 63.5 mm, será recalcado até um

disco de altura hf = 72 mm e diâmetro df = 80 mm.

Definidos para o material ABNT 4340 um valor de σB de 70 kgf/mm2 (à temperatura ambiente)

e para a primeira etapa uma temperatura de trabalho de 1000 oC (Apêndice A), tem-se do quadro I que

Kfs = 0.146.1014.T-4.09 ou Kfs = 7.84 kgf/mm2

Do quadro II, definindo-se por uma prensa excêntrica (prensa mecânica rápida):

Kfd = 3.5.Kfs0.76 ou Kfd = 16.74 kgf/mm2

No quadro III, com d1/h1m = 1,1 tem-se n = 0.8 com

Kr = 1,26.Kfd1.0 ou Kr = 21,09 kgf/mm2

No quadro IV, com um valor de área projetada igual a

Aproj = π.802/4 mm2

Tem-se

Fforj = Kr . Aproj ou Fforj = 106.020 kgf

No quadro VI, o trabalho pode ser calculado considerando que o deslocamento da matriz

superior foi igual a

h = 114 - 72 mm = 42 mm T = 106.200 . 42 T = 4,4 . 104 J

2a. etapa - forjamento

Nessa etapa, ocorrerá o forjamento final da peça.

33


Definidos para o material ABNT 4340 um valor de σB de 70 kgf/mm2 (à temperatura ambiente)

e para a segunda etapa uma temperatura de trabalho de 950 oC (Apêndice A), tem-se do quadro I que

Kfs = 0.146.1014 . T-4.09 ou Kfs = 9.67 kgf/mm2

Do quadro II, definindo-se por uma prensa excêntrica (prensa mecânica rápida):

Kfd = 3.5.Kfs0.76 ou Kfd = 19.6 kgf/mm2

No quadro III, com b/hg = 4,0/2,0 tem-se n = 0.45

para n = 0.5 Kr = 2,14.Kfd0.952 Kr = 36.4 kgf/mm2

para n = 0.4 Kr = 2,78.Kfd0.909 Kr = 41.6 kgf/mm2

donde Kr = 39,0 kgf/mm2

No quadro IV, com um valor de área projetada igual a

Aproj = π.1082/4 mm2

Tem-se

Fforj = Kr . Aproj ou Fforj = 357.274 kgf

No quadro VI, o trabalho pode ser calculado considerando que o deslocamento da matriz

superior foi igual a

h = 72 - 50 mm = 22 mm

T = 357.274 . 22 T = 7,7 . 104 J

34


Como critério de cálculo, verifica-se que tanto na primeira quanto na segunda etapa do processo

o valor de Kr não ultrapassa a tensão limite de resistência do aço ABNT 4340 à temperatura de

forjamento, nem a tensão limite de escoamento do material da matriz à temperatura de trabalho de

aproximadamente 400 oC (Figura A.2 - Apêndice A).

Figura D.1 - Tarugo e peça a forjar.

35

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