Processos Metalúrgicos de Conformação - Fernando Penteado - Bom

7/17/2019 Processos Metalúrgicos de Conformação - Fernando Penteado - Bom

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II - PROCESSOS METALÚRGICOS DE CONFORMAÇÃO

1.Introdução

Nem sempre a estrutura de um metal obtido por fundição é adequado para determinadas aplicaçõesque exigem altas resistências à tração e ductilidade, como é o caso, por exemplo, de perfisestruturais, chapas que serão conformadas, fios, cabos, etc.

Para obtenção de propriedades mais compatíveis com estes tipos de aplicação, os metais passampor outros tipos de processamento, que se caracterizam por trabalharem o metal através daaplicação de pressão ou choque.Este trabalho visa duas coisas: obtenção do metal na forma desejada e melhoria de suaspropriedades mecânicas, o que é obtido com o rompimento e refino da estrutura dendrítica presentenos metais fundidos.Embora, de forma geral esses processos produzam produtos classificados como primários, tais comochapas, barras e perfis, eles podem dar origem, também, a produtos acabados, tais como trilhos,arames, tubos, etc.Os processos metalúrgicos de conformação são: A laminação, a trefilação, o forjamento e a extrusão.2. Conformação a Quente e a Frio

Dependendo do processo, o metal pode ser trabalhado a quente ou a frio:Podemos definir como trabalho a quente aquele feito acima da temperatura de recristalização dometal e trabalho a frio como aquele realizado abaixo desta temperatura, ou seja, na maioria doscasos, à temperatura ambiente. Vide o esquema da figura 29.

Temperatura deRecristalização (+)(-)

Material se encrua Material se recristaliza

Figura 29

2.1. Características do Trabalho a Quente:

• Grãos deformados durante o processo, logo mudam para novos grãos não deformados.• Nesta mudança os grãos podem ser afinados através de rompimento e reformação, o que

aumenta a tenacidade do metal.• O metal aumenta sua resistência à tração em determinada direção, uma vez que as impurezas

existentes são segregadas em fibras com orientação definida.• O trabalho a quente é mais fácil e rápido, exigindo máquinas de potência menor para sua

realização, porém que resistam às altas temperaturas do processo.• O metal pode ser deformado em formas extremas quando quente, porque a reformação contínua

dos cristais elimina rupturas e trincas. Conseqüentemente as deformações são mais profundasque no trabalho a frio.

• A temperatura de trabalho deve ser acima da de recristalização, mas não muito elevada paraevitar a formação de granulometria grosseira.

• As temperaturas altas oxidam e formam carepa na superfície do metal e tolerâncias rigorosas nãopodem ser mantidas.

2.2. Características do Trabalho a Frio:

Prof. Fernando Penteado



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• O trabalho a frio é normalmente precedido do trabalho a quente, remoção de carepa, limpeza da

superfície e possivelmente decapagem.• Com este tipo de trabalho obtêm-se tolerâncias rigorosas, bom acabamento superficial e boas

propriedades mecânicas.• O trabalho a frio deve ser efetuado acima do limite de escoamento do material para que a

deformação seja permanente.

• Quando um metal é trabalhado a frio os seus cristais são internamente deformados, provocandoaumento de dureza e da resistência mecânica, perda de ductilidade e aumento das tensõesresiduais que, muitas vezes, poderão levar à ruptura da peça. Vide a figura 30.

• Isso pode ser evitado através de um tratamento térmico de recozimento ou normalização que fazo metal retornar às suas condições originais ou próximo delas.

• As máquinas para execução de trabalhos a frio devem poder exercer forças muito maiores do queas projetadas para trabalhos a quente, portanto devem ser mais robustas.

Figura 30

2.3. Noções sobre a Fabricação de Aços

A principal matéria-prima para fabricação do aço é o gusa líquido que consiste em ferro líquidocontendo, em solução, carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre. Outro material usado é a sucataproveniente das linhas de laminação e também da própria aciaria.O gusa líquido proveniente do alto-forno e a sucata são misturados no forno conversor, onde sãoconvertidos em aço.O processo de conversão consiste na oxidação dos elementos dissolvidos no ferro líquido com aconseqüente formação de óxidos que constituirão a escória, juntamente com a cal e a fluoritaadicionadas. Para que isto ocorra, oxigênio é soprado no banho. O grau de oxidação e aconseqüente eliminação ou redução de determinados elementos químicos é função do tempo desopro. Após o sopro é retirada amostra do banho e da escória para efetuar-se a análise preliminar. Combase nesta análise são efetuadas as adições à panela, durante o vazamento do aço, para controlar aoxidação do ferro e para colocar a composição química do mesmo, dentro da especificaçãosolicitada.O oxigênio dissolvido no banho mais o oxigênio do ar reagem com as adições, formando óxidos.Parte dos óxidos (de alumínio, de silício, de manganês e de ferro), sendo partículas sólidas imersasno ferro líquido, sofrem, empuxo, deslocando-se para a superfície na panela e formando uma crosta.Outra parte não tem tempo ou condições de emergir e ficará retida no interior do aço solidificado.O aço líquido é vazado da panela para as lingoteiras onde se inicia o processo de solidificação domesmo.O nível de oxigênio do banho, associado à técnica de desoxidação fará com que o lingote obtido sejade um aço acalmado ou efervescente. Vide a figura 31.Para a fabricação de aços acalmados, durante o vazamento, é feita uma adição de desoxidantes que,praticamente, eliminam todo o oxigênio dissolvido no aço. Assim o aço líquido ao solidificar nãoconterá gases dissolvidos.

A solidificação do aço inicia na periferia do lingote, nas partes que estão em contato com as paredesda lingoteira e pelo topo por irradiação. Com o resfriamento há a contração do metal que dará origema vazios na parte superior do lingote. As inclusões não metálicas, que são insolúveis, tanto no aço




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líquido como no sólido vão se concentrando à medida que a solidificação progride terminando porlocalizarem-se no vazio, devido a ser esta a última parte a solidificar do lingote.Durante o processo de laminação estes vazios contendo inclusões não soldam devendo, portanto,serem descartados.Nos aços chamados efervescentes este vazio, que faz com que parte do lingote seja perdido, édistribuído através de todo o lingote em pequenas bolsas que não concentram todas as inclusões,soldando-se durante o processo de laminação e permitindo, portanto, um maior aproveitamento do

lingote.Para isto, a técnica de desoxidação na panela é controlada de forma a deixar certa quantidade deoxigênio dissolvida no aço. A solubilidade do oxigênio e do carbono é bem menor no ferro sólido queno líquido. Assim, na transformação de líquido para sólido, carbono e oxigênio precipitam formandobolhas de monóxido de carbono (CO).Estas bolhas criam correntes na parte líquida do lingote, agitando e prolongando o tempo desolidificação. Devido a isto o topo do lingote permanece líquido por mais tempo e os vazios formadospela contração são preenchidos por metal líquido proveniente daquela região, ficando apenaspequenos vazios não preenchidos, distribuídos ao longo do lingote.Como esses vazios soldam durante a laminação, não há necessidade do descarte de parte dolingote.Existem ainda, os aços semi-acalmados e os estabilizados que são variações dos dois tipos quedescrevemos.

Após a operação de lingotamento o lingote resfria até que o seu topo atinja um estado desolidificação que permita resistir a desmoldagem. Depois do estripamento, que é nome pelo qual éconhecida esta operação, os lingotes vão para os fornos-poços para homogeneização detemperatura, donde saem para serem laminados.

Lingote deaço acalmado

Lingote de açoefervescente

Figura 31

3. Laminação

Figura 32

3.1. Introdução




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A laminação consiste em modificar a seção de uma barra de metal pela passagem entre doiscilindros, deixando entre eles uma distância menor que a espessura inicial da barra. Vide a figura 32.Os produtos são arrastados pelo cilindro sob o efeito de forças de atrito, que se originam nasuperfície de contato dos cilindros e do metal laminado. Ao passar entre os cilindros o metal sofre deformação plástica. A espessura é reduzida enquanto quea largura e, principalmente, o comprimento são aumentados.

Em condições normais o resultado obtido é o alongamento do material, sendo seu alargamentorelativamente pequeno, devido às forças de atrito existentes ao longo do cilindro.

3.2. Condições de Agarramento e Arrastamento do Produto

Quando o produto a ser laminado é empurrado contra os cilindros é originada uma força de atrito AT e uma força normal AN, correspondente. A força normal AN, exercida pelo cilindro sobre o produto, origina uma componente horizontal AC quese opõe ao arrastamento. A força de atrito AT dá uma componente horizontal AB dirigida no sentidodo arrastamento. O produto será agarrado pêlos cilindros quando AB for maior que AC, o que implicaem µ.AN cos > AN sen , onde µ é o coeficiente de atrito. Vide a figura 33.

AB = AT cos

AC =AN sen AT = Força de atrito =µ.AN AB = µ.AN cos

Condição para agarramento:AB > AC

µ.N cos > N sen

Portanto:

Figura 33

Em resumo, o arrastamento da barra depende, principalmente, do coeficiente de atrito, do diâmetrodos cilindros e do tamanho da redução pretendida. Mas a velocidade também terá influência por suaação sobre o coeficiente de atrito. O agarramento será facilitado se a velocidade dos cilindros forbaixa.Na prática, o ângulo de contato para roletes lisos é inferior a 20ºe para roletes entalhados inferior a35º.

3.3. Variação da Velocidade de Laminação

Cada cilindro entra em contato com o metal segundo oarco AE, que se chama arco de contato.O metal de espessura eo entra em contato com os

cilindros à velocidade Vo e deixa os cilindros com aespessura e1, à velocidade v1. Vide a figura 34.Como devem passar na unidade de tempo, pelos planos AA e EE, bem como por qualquer outro planointermediário, iguais quantidades de metal (vazãoconstante), podemos dizer que:

bo.eo.lo = b.e.l = b1.e1.l1

Onde: b = largura; e = espessura;

l = comprimento da placa e t = tempo

t t

µ > tg

t

Figura 34Como l / t = velocidade (V) e considerando a variação de b desprezível, pois a grande variação é nocomprimento e não na largura, podemos dizer que:




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eo.Vo = e.V = e1.V1 Como eo > e > e1 implica que: Vo < V < V1

Portanto, a velocidade de laminação cresce desde a entrada até a saída dos cilindros. Ao longo doarco de contato há somente um ponto onde a velocidade periférica dos cilindros é igual à da placa.Este ponto é chamado de ponto neutro (PN).Entre o plano de entrada AA e o ponto neutro, o movimento da placa é mais lento que o da superfície

dos cilindros e a força de atrito atua no sentido de arrastar o metal para dentro dos cilindros. Aoultrapassar o ponto neutro o movimento da placa é mais rápido que o da superfície dos cilindros. Assim, a direção da força de atrito inverte-se, de modo que sua tendência é opor-se à saída da placade entre os cilindros, no plano EE. Portanto, a partir do ponto neutro o material sofre um processosimilar ao de extrusão, sendo forçado a sair pela pressão exercida pelo material que vem atrás.

3.4. Coeficiente de Alongamento

A relação entre o comprimento final da peça e o comprimento inicial é denominada coeficiente dealongamento.

f

l

F

L

K = l / L = F / fOnde:K = coeficiente de alongamentol = comprimento finalL = comprimento inicialF = área da seção transversal da peça antes da laminaçãof = área da seção transversal da peça após a laminaçãoNa prática, o valor de K varia de 1,1 a 1,6, podendo alcançar valores até de 2,5.

3.5. Equipamento

A máquina que executa a laminação é o laminador, o qual pode ser dos mais variados tipos.Basicamente todo laminador possui uma cadeira de laminação ou gaiola, constituída pelos cilindros,mancais e estrutura de apoio, bem como por um sistema de regulagem que permite aumentar oudiminuir a distância entre os cilindros. Vide a figura 35.

A movimentação dos cilindros é feita por um sistema motor / redutor. Os laminadores modernos degrande porte são equipados com motores que facilitam o controle de velocidades e a reversão nosentido de rotação.Os cilindros podem ser movimentados por um único motor ou por dois motores (um para cadacilindro).

Figura 35

3.5.1 Cilindros de laminação




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RanhuradosLisos

Figura 36

Os cilindros de laminação podem ser fabricados de ferro fundido branco, aços fundidos ou açosforjados, de boa resistência ao desgaste. O perfil dos cilindros de laminação varia de acordo com oproduto que se quer obter. Assim, os lisos são usados para a obtenção de chapas, placas e produtoscorrelatos; enquanto que os ranhurados são empregados para a obtenção de perfis, barras, trilhos,etc. Vide a figura 36.Os cilindros são compostos pela área de trabalho, onde acontece a laminação, pelos colos que sãoas partes onde atuarão os mancais de fixação dos mesmos na caixa e, finalmente, das pontasmotoras que é por onde os cilindros recebem potência proveniente da caixa de engrenagens.

Os cilindros ranhurados trazem, em sua área de trabalho, chanfros especiais que se denominamsulcos. Ao espaço livre entre os sulcos contíguos de dois cilindros denomina-se calibre. Cada par decilindros possui vários calibres que podem ser recalcadores preliminares, de desbastar e deacabamento.

3.5.2. Classificação dos laminadores

Quanto ao número de cilindrosDe dois cilindros (duo);De três cilindros (trio);De quatro cilindros (quadro);De vários cilindros (Sendzimir) eLaminadores planetários

Quanto ao sentido de rotação:Os laminadores podem ser de único sentido ou reversíveis.

a) laminador duo; b) laminador duo reversível; c) laminador trio;d) laminador quadro; e) laminador (Sendzimir); f) laminador planetário

Figura 37

A reversão não é necessária quando se dispõe de laminadores trio. Neste equipamento o produto é

alimentado em um sentido, entre os dois cilindros inferiores, e volta em sentido oposto entre os doiscilindros superiores. Exigem, portanto, mesas que se movimentam elevando e abaixando o materialque está sendo laminado.




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Nos laminadores quadros usam-se cilindros menores para entrar em contato com o produto,diminuindo os custos de manutenção e melhorando a precisão. Os cilindros maiores servem paraapoiar e evitar a deformação dos menores.Laminadores múltiplos como o Sendzimir são usados para laminação a frio de chapas finas. Paraconseguir-se ultrapassar o limite elástico do material da chapa é necessário o uso de cilindros depequeno diâmetro, que permitem a obtenção da espessura e grau de precisão dimensionaldesejados no produto laminado.

Laminadores planetários são constituídos de dois grandes cilindros de encosto, ao redor dos quaisgiram cilindros de trabalho de pequeno diâmetro. Este laminador é utilizado na laminação à quentequando são exigidas grandes reduções. Vide a figura 38.

• Conforme o tipo de peças a produzir: Desbastadores; de perfis e barras; de chapas e especiais.

FornoConversor

LaminadorDesbastadorLingoteCarro

Tor edoFornoPo o

AltoForno

Figura 39

Na seqüência mostrada na figura 39, podemos ver o chamado lingotamento convencional. Após serfundido, o aço é vazado adquirindo a forma de um lingote. Esses são mantidos e aquecidos em umforno poço, a fim de adquirirem uma temperatura homogênea adequada para laminação. Daí osmesmos são transportados até os laminadores desbastadores, onde são transformados em grandespeças brutas.• Laminadores desbastadores: Estes laminadores são máquinas potentes, geralmente duoreversível, com diâmetro de cilindros na faixa de 800 a 1400 mm e comprimento de trabalho de até 3m. O peso dos lingotes laminados varia de 2 a 10t podendo chegar até a 20t. Eles são totalmente

automáticos, sendo que a cada passagem do produto pelos cilindros, a distância entre eles diminui eo sentido de rotação é invertido. Se vamos produzir um bloco ou tarugo, conforme mostrado na figura40, o lingote será girado a 90 °após um certo número de passagens. Os blocos e tarugos obtidos têmsuas pontas cortadas para retirada de defeitos, e podem ser usados como matéria-prima paraposteriores laminações ou, ainda, para operações de forjamento.O laminador empregado para a obtenção de placas com 75a 300 mm de espessura e 400 a 1600 mmde largura é um potente laminador duo reversível de duas caixas de trabalho. Os cilindros da primeiragaiola são de até 1100 mm de diâmetro e estão situados horizontalmente. Os cilindros da segundacaixa de até 700 mm de diâmetro acham-se na posição vertical, para limitar a largura da placa.

Figura 40

• Laminadores de perfis e barras: São laminadores ranhurados ou combinados, conforme mostradona figura 40. Eles podem ser duos ou trios. Alguns ti[pos de perfis e barras que podem ser obtidos

constam da figura 41.




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Figura 41

• Laminadores de chapas: Além do processo convencional de lingotamento, as chapas podem serobtidas pelo lingotamento contínuo. Nesse processo a corrida contínua opera acoplada à aciaria eevita a perda de energia que ocorre no curso do processo produtivo tradicional. Eliminam-seoperações intermediárias e respectivos equipamentos como lingoteira, fornos-poços e o laminadordesbastador de grande porte.O aço é retirado do forno e vazado em veios. A medida que este se solidifica, ele passa a corrersobre rolos, seguindo diretamente para os laminadores, que lhe dão a conformação final. Além das vantagens na economia de energia, o processo permite um "lay-out" industrial mais

compacto. Vide a figura 42.

Laminador Quadro

Forno deSoleira Rotativa

Veio deLin otamento

FornoConversor

CarroTor edo

AltoForno

Figura 42

Os laminadores de chapas são usados para laminar chapas a quente (mais grossas) e a frio (maisfinas). As chapas finas são aquelas cuja espessura variando entre 0,10 e 6,0 mm.Para esta laminação usam-se no início laminadores quadros e, conforme o processo avança a frio e aespessura é reduzida, os laminadores Sendzimir As chapas laminadas a quente, quando finas podemser laminadas no laminador do tipo “Steckel”, que é um laminador quadro reversível, com dois fornosacoplados, a fim de manter as bobinas de chapa aquecidas. Vide a figura 43.No final do processo as chapas podem ser cortadas em um comprimento determinado ou enroladasem bobinas, quando finas.

Laminador Steckel Laminador SendzimirFigura 43

• Laminadores especiais: São usados para laminar, rodas, tubos sem costuras, etc.

• Laminação de rodas para trens e outras aplicações sobre trilhos: A matéria prima para a produçãode rodas são lingotes forjados a quente em prensas ou marteletes, que são perfurados no centro ecolocados nestes laminadores que, com a ajuda de roletes de formato especial, fazem a peça adquiriro perfil desejado.Vide a figura 44.




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Figura 44

• Laminação de tubos sem costura: Este processo é conhecido, devido a seus inventores, os irmãosMax e Reinhard Mannesmann, como o processo de laminação Mannesmann. Um esquema desseprocesso pode ser visto na figura 45. A matéria-prima que dá início ao processo é um tarugo redondo, que é aquecido à temperatura delaminação num forno. As barras redondas são perfuradas num laminador de cilindros oblíquos e transformadas em corposcilíndricos ocos de parede grossa.O laminador de cilindros oblíquos possui dois cilindros de perfil especial, que giram no mesmosentido de rotação e cujos eixos se encontram inclinados em relação ao eixo horizontal da barra.

A barra é introduzida entre a parte cônica dos dois cilindros é laminada em grande velocidade,adquirindo um movimento helicoidal e avançando sobre um mandril de calibração do diâmetrointerno, originando, então, o cilindro oco.O bloco oco assim obtido é transportado sobre um leito de rolos até o laminador contínuo eposicionado adequadamente. A seguir é introduzida uma biela no bloco oco. Após o posicionamento da biela, introduz-se a mesma junto com o bloco no laminador contínuo, onde o mesmo é deformado entre os rolos de laminação,servindo a biela como ferramenta interna.O laminador contínuo é constituído de oito cadeiras duo de laminação, dispostas muito próximasumas das outras e defasadas entre si de 90 graus. As duas últimas cadeiras do laminador contínuonão participam mais da deformação, funcionando apenas como cilindros alargadores do tubolaminado, no sentido de soltar a biela do mesmo. Esta é removida do laminador contínuo e devolvidapara a mesa de bielas, de onde será empregada novamente no laminador contínuo.

Na seqüência do processo o tubo é aquecido novamente à temperatura de laminação num forno dereaquecimento. Na saída do forno, segue-se o descarepamento da superfície do tubo por meio deágua em alta pressão. O laminador redutor-estirador completa a laminação do tubo. Os tubos assimobtidos, em comprimentos de até 160 m, são levados para um leito de resfriamento, sendo depoiscortados, ajustados e acondicionados para despacho.Neste processo podem ser produzidos tubos com diâmetros externos de 21 até 140 mm e paredes,conforme o diâmetro, de 2 até 16 mm.Existem, ainda, outros processos, usados para o estiramento do bloco oco, que não serão objetodesse trabalho.

Figura 45

3.6. Laminação a FrioMuitas vezes o acabamento superficial, a precisão dimensional e as características de resistênciamecânica de um produto obtido por laminação a quente não são suficientes para determinadasaplicações, exigindo um processamento a frio.




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Na laminação a frio obtém-se um ótimo acabamento, grande precisão, maior resistência à tração ecaracterísticas de dureza e ductilidade controladas através de tratamentos térmicos intermediários derecozimento. À medida que a espessura é reduzida pela laminação a frio, o aço vai ficando mais duro e menosdúctil. Desejando-se diminuir esta dureza, devemos fazer o recozimento deste material. Estetratamento pode também ser necessário para permitir a continuação de redução de um produto que já está altamente encruado.

Nos laminadores de tiras a frio da C.S.N., a espessura do aço laminado a quente sofre reduções daordem de 90%, obtendo-se chapas que variam, de 0,21 a 1,90 mm. A usinabilidade do aço também é melhorada pelo trabalho a frio. Antes da laminação a frio o aço passa por um processo de limpeza de sua superfície, para remoçãoda carepa. A maioria do trabalho é feita com pequenos cilindros em laminadores quadros e Sendzimir. É comumo emprego de tração sobre a chapa para minimizar os efeitos da alta pressão de laminação e manterconstante sua espessura, bem como para o guiamento da chapa.

3.6.1. Influência das trações sobre o produto laminado

Nas laminações a frio de chapas as tensões de compressão (q) exercidas para ultrapassar o limiteelástico do material já altamente encruado, são freqüentemente, muito elevadas.

A tração a ré ou a frente diminui esse esforço de laminação, sendo que a ré a diminuição é maior. Além disso a tração influencia, favoravelmente,no guiamento e no aplainamento da chapa. Vide oesquema apresentado na figura 46.

et f

Figura 46f = força de compressão horizontal devido aos atritos numa seção reta qualquer.P = f / e.b = tensão de compressão média horizontal nessa seção. Onde: e = espessura da chapa e

b = largura da chapa (cte).Se aplicarmos a tensão de tração t sobre a barra à ré, podemos dizer que teremos como resultanteuma nova força f ', que será f ' = f - t, portanto, a tensão de compressão passa a ser p' = f’ / e.bComo f ’ < f , resulta que p’< p. Por sua vez, a tensão vertical de compressão q = p + k, onde k éuma constante. Assim, teremos q' = p' + k. Portanto: q' < q

3.6.2. Espessura limite

Existe uma espessura mínima abaixo da qual não é possível realizar-se uma redução dada.Este fenômeno é devido ao achatamento local dos cilindros no contato com a chapa. Para umdeterminado diâmetro de cilindro torna-se mesmo impossível conseguir-se qualquer redução a partirde certa espessura. Neste ponto um maior aperto dos parafusos do laminador se traduz apenas emum aumento do achatamento e por conseqüência do comprimento do arco de contato, sem que setraduza num aumento de pressão dos cilindros sobre o material.Por esse motivo são empregados cilindros de pequenos diâmetros para a laminação de chapas finas,bem como, o uso de materiais com elevada resistência à tração e elevado módulo de elasticidade.Para o aço fortemente encruado o diâmetro dividido pela espessura deve ser menor do que 2500.Como exemplo, indicamos abaixo as espessuras mínimas que podem ser laminadas a partir de umachapa de aço inox 18-8 de 3,15 mm de espessura:

Diâmetro do cilindro (mm) Espessura mínimalaminada (mm)

400 0,90300 0,66200 0,45

130 0,30Tabela 3




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3.6.3. Influência da lubrificação na laminação a frio.

A lubrificação é de grande importância na laminação a frio, principalmente, de chapas finas.O lubrificante aplicado sobre os cilindros e sobre a chapa em grande quantidade, tem um duplopapel: extrair o calor desenvolvido pela deformação da chapa, de modo a evitar um aquecimentoexcessivo dos cilindros, e facilitar o escorregamento dos cilindros sobre a chapa.O lubrificante mais empregado é uma solução de óleo solúvel.

3.7. Posicionamento das Gaiolas

Conforme o produto a ser produzido bem como, o equipamento disponível, haverá uma melhor formade se disporem às gaiolas de laminação para obtenção dos vários passes com a menormovimentação e no mínimo tempo possível.Segundo o esquema de disposição das gaiolas a linha de laminação pode ser: a) linear, b)escalonada, c) contínua, d) semicontínua, etc. Vide a figura 47.

Figura 47

a) Linear: Neste caso, todas as gaiolas funcionam com a mesma velocidade e o produto precisaser flexível o suficiente para permitir seu "serpenteamento" entre as diversas gaiolas. Apenas umaunidade motriz é suficiente para tocar todo o conjunto.

b) Escalonada: Neste caso as gaiolas formam várias linhas, que funcionam com diferentesvelocidades, o que permite aumentar a velocidade da gaiola acabadora e, portanto, aumentar orendimento do laminador.

c) Contínua: Nas linhas contínuas o metal que está sendo laminado passa sucessivamenteatravés de todas as caixas de trabalho, situadas uma após a outra. A velocidade de laminação emcada gaiola seguinte é maior que na anterior, e regulada de tal forma a compensar o aumento decomprimento obtido na laminação anterior.

d) Semicontínua: Neste caso parte da laminação é feita de maneira contínua até uma bitolaintermediária, sendo a laminação de acabamento feita de modo escalonado.

3. Trefilação

3.1. Introdução

A trefilação ou estiramento é um processo de deformação do metal a frio, forçando sua passagem porum orifício calibrado de seção menor que a da peça bruta, através da aplicação de uma força detração. Depois de estirado, o metal adquire dimensões exatas, superfície limpa e elevada resistênciamecânica, devido à deformação do metal a frio. Perfis redondos, retangulares, hexagonais e outroscom diâmetro de até 100 mm, e tubos podem ser estiradas a frio. A trefilação é o único processo paraobtenção de arames e fios. Vide o esquema apresentado na figura 48.Os principais metais trefilados são: o aço, o alumínio e o cobre, sendo que estes dois últimos têmaplicação principal na transmissão de energia elétrica, como fios e cabos.




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3.2. O Processo

Figura 48• Preparação

A matéria-prima para o processo de trefilação é um material laminado a quente, que tem seu óxidoremovido através de decapagem química por ácido sulfúrico ou clorídrico ou, opcionalmente, no casode barras, perfis e tubos, mecânica por jateamento com granalha de aço. Após a decapagem química o material deverá sofrer uma lavagem com água e uma neutralização.Para isso é muito usada a cal, que além de neutralizar resíduos ácidos, serve como uma base paraaderência do lubrificante durante a trefilação. Outra forma de manter o lubrificante aderido ao metal,

mesmo nas elevadas pressões a que será submetido o material é sua fosfatização (vide fosfatizaçãono capítulo de acabamento superficial). A fosfatização é mais usada em peças que foram jateadas.

• Estiramento

A extremidade do material é afinada, a fim de passar pela fieira e poder ser presa ao cabeçote deestiramento, que exercerá a força de tração para passagem do material pela fieira.Este cabeçote puxa a peça em linha reta quando se tratar de barras, tubos e perfis. Quando atrefilação é de fios, estes vão sendo enrolados em bobinas e sofrendo sucessivas reduções, até quea bitola desejada seja alcançada. Vide o esquema constante da figura 49.No caso de tubos, pode ser inserido um mandril para controle do diâmetro interno, quando houverinteresse.

Figura 49

A pressão de estiramento contra uma matriz deve exceder o limite de escoamento do metal. Para queo material possa deslizar através da matriz, e para que esta não sofra um desgaste muito grande,devido ao atrito a essas elevadas pressões, é necessário que a peça esteja revestida com algumaespécie de lubrificante. Como lubrificantes podem ser usados: sabão grafitado (que adere nasuperfície do aço através da cal), óleos lubrificantes e óleos solúveis. Estes últimos, além delubrificarem, também refrigeram o material e a ferramenta. O lubrificante penetra nos poros de umacamada de fosfatos que reveste o metal, quando o mesmo for fosfatizado.

3.3 A Fieira




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Figura 50

As matrizes ou fieiras devem ser duras, resistentes ao desgaste e às altas pressões exercidas pelomaterial. A figura 50 mostra a seção transversal de uma matriz, onde se notam dois ângulos: o deentrada, confeccionado de maneira a permitir espaço para o lubrificante que adere às paredes damatriz, e o de trabalho que corresponde à seção da ferramenta onde se verifica a verdadeira reduçãodo material. A parte paralela serve para uma calibração final do material, enquanto que o ângulo desaída evita o atrito do material com a ferramenta devido a pequenos movimentos que este possafazer.

Os materiais mais empregados para a confecção da fieira são: ferro fundido coquilhado, aço ligatemperado e, principalmente, o carboneto de tungstênio (vídia) aglomerado com cobalto metálico dedureza 83a 89 RA. Ultimamente, vem ganhando terreno o diamante policristalino (PCD), obtidoatravés de cristais de diamante sintético sinterizado, devido à sua grande durabilidade.

3.4. Esforços na Trefilação

Figura 51

A força necessária para a trefilação é o resultado da somatória de três parcelas, a saber: Ft = Fc +Fat + Fp, onde: Ft = Força total para trefilação; Fc = Força de compressão para redução do diâmetro;Fat = Força de atrito e Fp = Força de cizalhamento. Vide a figura 51.Ft depende: Do ângulo de trabalho da fieira, da redução de seção pretendida, do limite deescoamento do material e do atrito (material da fieira, afiação, lubrificação).

Para uma mesma redução de seção o aumento do ângulo de trabalho implica em maior deformaçãopor cizalhamento, o que resultará em um maior encruamento do material trefilado. Uma diminuição doângulo, por sua vez implica em um aumento do atrito. Portanto, para cada condição existirá umângulo ideal. A velocidade de avanço não afeta diretamente o esforço de trefilação, mas provoca um aumento datemperatura da fieira devido ao atrito, que torna a lubrificação mais difícil, podendo resultar em umaumento da força de atrito e aquecimento exagerado do material e da ferramenta.O valor máximo da tensão longitudinal no material que está sendo trefilado ocorre na saída da fieira epode ser designada como sendo a tensão de trefilação. A tensão de trefilação não pode exceder a tensão de escoamento do material já trefilado e este é olimite para o máximo esforço de tração que se pode aplicar sobre o material a fim de se obter suaredução.

3.5. Redução de área




35

A redução de área na trefilação é dada por: Ra Df

Do= −1

2

2

Onde:Ra = Redução de áreaDf = diâmetro final do material trefilado.Do = diâmetro inicial do material a ser trefilado.

Ra deve ser menor que 0,63. Na prática Ra varia entre 5% e 40%.

3.6. Alongamento

O alongamento sofrido por um material na trefilação pode ser obtido por: Al Lf Lo

Lo=

−×100

Lf

Df

Lo

Do

Onde:

Al = AlongamentoLf = comprimento final do material trefilado.Lo = comprimento inicial do material a ser trefilado.

3.7. Efeitos da trefilação sobre as propriedades mecânicas do material

O encruamento sofrido devido à deformação a frio eleva a resistência à tração e o limite deescoamento do material e, ao mesmo tempo reduz os valores de alongamento, como pode ser vistona figura 52. No caso de aços as variações das propriedades são mais acentuadas nos primeiros15% de redução de área.

Figura 52

Conforme o número de passes a ser dado no material ou das propriedades mecânicas que se querobter no produto final poderão ser necessários tratamentos térmicos de recozimento, pois o materiala cada passe vai tornando-se mais duro e mais frágil chegando a ponto de não suportar maisnenhuma deformação.

4. Forjamento




36 .

Figura 53

4.1. Introdução

O forjamento antecedeu no tempo a todos os processos detransformação por deformação plástica, sendo certamenteconhecido desde 1500 AC. A maioria das ferramentas earmamentos antigos era obtida pelo trabalho artesanal do ferreiro,conforme mostrado no desenho da figura 53.

Trata-se de um processo de deformação plástica de um metal,geralmente a quente, com o auxílio de ferramentas agindo porchoque ou por pressão, de maneira a se obter uma peça deformato determinado.O forjamento, assim como qualquer outro processo de trabalhomecânico, está associado com uma variação na macroestrutura dometal, o que conduz a um rearranjo das fibras e altera o tamanho dogrão.

A figura 54 mostra o fibramento de um metal de um flange produzido por usinagem (A) e forjamento(B). O fibramento da peça forjada é muito mais favorável, promovendo uma maior resistência à flexãono caso do flange ter de suportar alta pressão.

Figura 54

BA

Os forjados constituem-se como primeira opção, onde se demande combinações do tipo: elevadaresistência mecânica com boa ductilidade e tenacidade. Por outro lado às peças forjadas,temperadas e revenidas, normalmente empregadas em componentes sujeitos a altas tensões e

deformações, não podem ser superadas em desempenho, confiabilidade, resistência à fadiga e acargas súbitas. A peça forjada pode ser obtida de duas formas:• Forjamento com matrizes abertas ou planas: Neste caso, o metal deforma-se entre as matrizesabertas, podendo fluir para os lados sobre a superfície da matriz.• Forjamento com matrizes fechadas ou estampos: Neste caso, o metal é obrigado a deformar-sede maneira a ocupar o contorno do molde formado por um par de matrizes.Os metais normalmente usados para o forjamento são o aço, ligas de cobre, o alumínio e omagnésio.

4.2 Pré-aquecimento

Cada metal ou liga possui um determinado campo de temperatura dentro do qual o forjamento podeser feito da melhor maneira. Deve ser uma temperatura que associe boa plasticidade e mínimaresistência à deformação. Antes de proceder-se à deformação, o tarugo deve ser uniformemente aquecido, sem que haja umsuperaquecimento ou queima do metal. A tabela 4 indica os intervalos de temperatura de forjamento de alguns metais.

Material Temperatura.máxima (°C) Temperatura mínima (°C) Aço carbono 1200-1000 800-850 Aço liga 1150-1100 825-900 Bronze (Cu+Sn) 850 700 Latão (Cu+Zn) 750 600 Ligas de AL 490-470 300-350

Ligas de Mg 430-370 350-400 Tabela 4

4.3. O Forjamento em Matrizes Abertas




37

Figura 55

Os forjados são feitos por este processo quando:O forjado é muito grande para ser feito em matrizesfechadas. A quantidade é muito pequena para compensar ausinagem de matrizes fechadas.O formato da peça é muito simples.

O tamanho dos forjados que podem ser produzidos emmatrizes abertas só é limitado pela capacidade dosequipamentos de aquecimento, forjamento e manuseio.Contudo, cerca de 80% dos forjados em matrizesabertas, pesam entre 15 e 500 Kgf.Com operadores habilidosos e com a ajuda de váriasferramentas auxiliares, pode-se produzir formatosrelativamente complexos em matrizes abertas.Entretanto, como estas operações levariam muito tempo,elas se tornariam muito caras. Portanto, forjadoscomplexos só são obtidos em matrizes abertas emcircunstâncias especiais.

A maioria dos forjados em matrizes abertas tem os

seguintes formatos: seções redondas, quadradas,retangulares, hexagonais e octogonais, forjadas a partir deum tarugo. O esquema de obtenção de um esboço de umparafuso é mostrado na figura 55.

Esboço de umparafuso

4.4. O Forjamento com Matrizes Fechadas

No forjamento em matrizes fechadas, o fluxo do metal é contido pelas paredes das matrizes, queformam uma cavidade com o formato da peça. Este tipo de forjamento é economicamenteempregado para produção de peças em grande quantidade com peso de até 350 Kgf. As matrizes são feitas geralmente em aços liga e tem um custo relativamente elevado, principalmentedevido ao trabalho de usinagem das cavidades. A peça obtida exige pouco trabalho de usinagem para obtenção do produto acabado.Como o fluxo do metal que está sendo deformado é restringido pelas cavidades das matrizes, apressão será distribuída em toda massa do metal e não somente na superfície, fazendo com que oalinhamento das fibras seja mais propício aumentando, portanto, as propriedades do forjado.Durante o forjamento de uma peça em matrizes fechadas, temos geralmente duas operações: oforjamento e a rebarbação.Peças simples podem ser forjadas de uma só vez em matrizes com uma única cavidade e depoisrebarbadas. Vive a figura 56.

Figura 56

Na cavidade da matriz inferior coloca-se o produto inicial, previamente aquecido e, através dapressão exercida pela matriz superior, o metal irá preencher toda a cavidade do estampo, com oexcesso de metal (rebarba) sendo comprimido em uma cavidade especial. As rebarbas representam15 a 20% do peso do forjamento e constituem a garantia de não faltar metal para o preenchimento de




38 .

toda matriz e obtenção de uma peça sã. As cavidades do estampo devem ter paredes inclinadasformando ângulos de 5 graus a 8 graus, de maneira a facilitar a extração da peça. Deve-se tambémevitar cantos vivos, que podem causar acúmulo de tensões e, conseqüentemente, trincas.No projeto da matriz não se deve esquecer que a peça ao ser formada esta acima da temperatura derecristalização do metal e, portanto, o metal irá se contrair até atingir a temperatura ambiente. Assim,a matriz deve ser construída maior para que a peça, ao se resfriar, fique nas dimensões projetadas.Depois da obtenção da peça na matriz fechada, o forjado é levado a uma prensa para o corte da

rebarba em uma matriz especial, após o que pode ser usinado para obtenção das dimensões finais.Peças mais complicadas são forjadas em várias matrizes ou em uma matriz com várias cavidades,onde a peça é obtida por etapas progressivas, como é o caso da biela mostrada na figura 57..

Figura 57

4.5. Máquinas para Forjamento

Inicialmente o forjamento era executado pelo homem com o malho e a bigorna. Com a entrada da eraindustrial apareceram os primeiros martelos forjadores mecânicos. Posteriormente, devido acrescente necessidade de produtos mais precisos, e da produção em grande série, surgiram asprensas, que deformam os metais sem choque, somente por pressão. Atualmente, dos equipamentos utilizados em forjarias, podemos distinguir os seguintes: marteletes,martelos, prensas mecânicas e prensas hidráulicas, dos quais apresentamos alguns exemplos aseguir.

4.5.1 Forjamento em marteletes

São usados para peças de tamanho pequeno e caracterizam-se pelo peso das massas que dão ogolpe sobre a peça que está sendo forjada (até 1t).

• Martelete pneumático A figura 58, mostra um marteletepneumático de dupla ação. Este marteleteconsta de dois cilindros: O de trabalho 1 eo de compressão 2. Pelo cilindro detrabalho corre o êmbolo-massa 3 com oestampo 4 preso a ele. O êmbolo docilindro de compressão 5 que é posto emmovimento pelo mecanismo de virabrequime biela 6, comprime o ar que é bombeadoalternadamente para os orifícios superior einferior do cilindro de trabalho, provocandoassim o movimento do êmbolo e oconseqüente martelamento. A admissão eo escapamento de ar no cilindro detrabalho efetua-se por meio de válvulas 8 que são comandadas por alavancas oupedais. As válvulas permitem realizar golpesindividuais ou trabalhar automaticamente eparar a massa na posição superior.O peso das peças de golpe varia de 50 a1000 Kgf dando até 190 golpes por minuto.Este martelete é usado para forjamento depeças de até 20 Kgf.

Figura 584.5.2 Forjamento em martelo - pilão




39

Os forjados de peso médio são obtidos em martelos-pilões de ação simples ou dupla, a vapor.Na figura 59 é mostrado um martelo pilão a vapor, de dupla ação e com dois apoios.Na parte superior da armação 1 está preso o cilindro de trabalho 2 pelo qual corre o êmbolo com obraço 3. O extremo inferior do braço está ligado à massa 4, com a matriz intercambiável 5, quemartela o metal que se acha sobre a matriz inferior 6. Esta vai colocada sobre a bigorna 7 que é umapeça moldada maciça. Por meio da alavanca 8 é manejado o mecanismo de distribuição, que podetambém ser manobrado automaticamente.

Nos martelos - pilões a vapor com um único apoio, o peso das peças de golpe (êmbolo, braço, massae matriz) tem que ser inferior a 2 toneladas. Os martelos de peso maior (até 5t) possuem umaarmação de dois apoios e guias para a massa, o que exclui a possibilidade do desvio do braçodurante o trabalho.Os martelos - pilões são de fácil manejo, podem dar golpes com forças diferentes, manter suspensa amassa e dar golpes seguidos.Estes martelos são utilizados para os mais diversos trabalhos de forja, partindo de tarugos de atéuma tonelada.

Figura 594.5.3 Forjamento em prensas mecânicas

A estampagem a quente em matrizes fechadas pode ser realizada por martelos e marteletes mas,preferencialmente, é feita em prensas. As vibrações e a violência dos choques não permitem o usode martelos mecânicos para o forjamento com matrizes progressivas.Outra vantagem das prensas é que elas permitem uma regulagem mais fácil e, por conseguinte,produzem um trabalho mais preciso.Finalmente, uma única pancada de uma prensa produz tanto trabalho quanto várias pancadas de ummartelo-pilão, eliminando a necessidade de reaquecimento da peça.

• Prensa excêntrica

O forjamento com matrizes fechadas pode ser feito por prensas excêntricas com capacidade entre500 e 18.000 tf e com velocidades de recalcamento entre 0,5 a 0,8 m/s. Praticamente não há cargade impacto não sendo, portanto, necessárias fundações pesadas para sua instalação. A deformaçãopenetra mais profundamente, o que melhora a qualidade do forjado.Considerando que a deformação é executada em um único curso do cabeçote, que as posiçõesextremas do cabeçote são precisamente localizadas e que o número de cursos por minuto pode sertão alto quanto o do martelo, teremos para a prensa uma maior capacidade produtiva e uma maiorprecisão do forjado (tolerância entre 0,2 e 0,5 mm). Além disso, os ângulos de saída da matriz podem ser reduzidos a 2 ou 3 graus, considerando-se apossibilidade da aplicação de extratores nas matrizes.Prensas excêntricas permitem ampla mecanização e mesmo automatização. Vide a figura 60.




40 .

• Prensa excêntrica

Principais componentes:

1 - Volante2 - Guias do cabeçote3 - Excêntrico4 - Biela5 - Mesa regulável6 - Volante regulador

Figura 60

4.5.4 Forjamento em prensas hidráulicas

São empregadas prensas hidráulicas para forjamento pesados em lingotes com peso entre 1 e 250 t.Diferentemente dos martelos-pilões as prensas deformam o metal sem dar golpes, aplicando umacarga estática. As prensas hidráulicas usadas para forjamento com matriz aberta podem ter entre 500e 15000 tf e as usadas para matriz fechada até 50000 tf . A figura 61 mostra o esquema de umaprensa hidráulica.

A armação da prensa é constituídapor quatro colunas 1, que estãopresas na base metálica 2 e nosuporte superior 3. Neste suporteestão montados o cilindro detrabalho 4 e o cilindro de elevação5. As colunas da prensas servemde guias para o suporte móvel 6 onde é presa a matriz superior 7. Amatriz inferior 8 é presa na basemetálica. O suporte móvel estáunido com o pistão 9 do cilindro detrabalho e preso por meio dasbarras 10 ao balancim 11 docilindro de elevação. Para o

funcionamento da prensa, apressão do fluido não deve sermenor que 200 atm.

Figura 61




41

4.6. Relações entre os Parâmetros que atuam na Deformação por Forjamento

4.6.1. Cálculo da força de forjamento

Figura 62Considerando-se uma força de deformação P atuando sobre a superfície de um corpo metálico, comoo da figura 62, podemos dizer que, quando a mesma executar uma deformação elementar dh, nestecorpo teremos a realização de um trabalho elementar dT, onde: dT = Pdh

Sabemos que o corpo oporá uma resistência à sua deformação, que dependerá basicamente domaterial, da temperatura, da velocidade da deformação e das condições de vinculação desse corpo

ao molde (matriz aberta ou fechada). Chamaremos esta resistência de rd, onde: rd P

S = , sendo S a

área da superfície que está sendo deformada, ou seja, o produto das dimensões a x b (comprimentox largura). Assim teremos: dT = rd.S.dhPor outro lado sabemos que durante a deformação o volume do corpo permanecerá constante, poisnão haverá alteração em sua densidade, alterando-se apenas, proporcionalmente, suas dimensões,assim:Vo = V = V1 = cte. (V = a.b.h)

Portanto, multiplicando e dividindo por h, teremos: dT rd V

dh

h= . . Para determinarmos o trabalho para a realização da deformação total, devemos integrar dT.

Assim teremos: T =h

hf

rd V dh

h0∫ . . = rd V ho

hf . . ln

Por outro lado, se chamarmos a deformação total ho - hf = e, teremos T = P.e

Portanto, igualando em T, teremos: P rd V ho

hf

e=

. . ln

rd é uma resistência ideal à deformação. Na prática teremos uma resistência real Rd = rd

µ , onde µ

é o rendimento.

Assim a força necessária para a deformação do material será: P Rd V ho

hf

e=

. . ln

Rd é tabelado por material. A tabela 5 indica o valor de Rd para a deformação a quente de aço, emmatrizes abertas. Nos casos de matrizes fechadas Rd, aumenta entre 30% a 60%, dependendo doformato da cavidade.

Percentual dedeformação

Rd (MPa)Martelo

Rd (MPa)Prensa

0 a 10 100 a 150 40 a 6010 a 20 150 a 200 60a 12020 a 40 200 a 300 120a 220

40 a 60 300 a 360 220a 280 Acima de 60 360 a 500 280a 380

Tabela 54.6.2. Dimensionamento de um martelo para execução de uma determinada deformação.




42 .

• Martelo em queda livre

Figura 63Se considerarmos um martelo de massa Q executando uma determinada deformação e, comomostrado na figura 63, podemos dizer que:

T m v

= .

.

2

2 µ , onde:

v = velocidade final da massa de peso Qm = Q/g, onde g é a aceleração da gravidade

= rendimento, pois parte da energia do choque é absorvida pela máquina.

Por outro lado: v g = 2. . C , onde C = curso livre do martelo (altura da queda de Q)

Assim: v2 = 2gC, portanto podemos dizer que: T Q g C

g =

. . .

.

2

2µ

∴ =T Q C . . Como: T P e= . , podemos igualar em T: P Q C

e=

. .

Como : P V Rd ho hf e

= . . ln , igualando-se em P , finalmente, vem: Q V Rd ho hf C

= . . ln. µ

• Martelo de Dupla Ação

Figura 64

Em um martelo de dupla ação, como o da figura 64,teremos:T Q C p A C = +. . . . .

Onde:p = pressão de ar ou vapor no pistão do martelo(usualmente de 7000 a 9000 MPa).

A = área da cabeça do pistão. A d

= π . 2

4

C = curso livre do martelo (altura de queda)Q = peso da massa do marteloCom o mesmo raciocínio feito para o martelo desimples ação, podemos deduzir que:

QV Rd ho hf p A C

C =

−. . ln . . .

. µ




43

• Exercício:

Dimensionar um martelo de duplo efeito para executar, emuma única pancada, uma deformação de 10 mm em um blocode 250 mm de altura e base de 150 x 200 mm.

Dados: material: aço

pressão do pistão: p = 7000 MPadiâmetro do pistão: 300 mmrendimento do sistema: 0,8curso livre do martelo:C = 600 mm

Solução:

QV Rd ho hf p A C

C =

−. . ln . . .

.

η

η

V = 150 x 200 x 250 = 7.500.000 mm3Determinação de Rd:

Porcentual de deformação:

250 100

10

→

→ x ∴ = 4% , da tabela vem Rd = 120 MPa

ln ln ,ho

hf = =

250

2400 0408

A D

mm= = =π π . .

. .

2 2

2

4

300

470 686

10,7006.28,0600

8,0600686.7007,00408,0120000.500.7=

×

×××−××=Q

Q = 27000 N

5. Extrusão5.1. Introdução

Figura 65

No processo de extrusão, o metal é comprimido acima de seulimite em uma câmara, sendo forçado a escoar através de umamatriz que irá determinar a seção do produto resultante. A extrusãopode ser a frio ou a quente, porém, para a maioria dos metais,utiliza-se extrusão a quente, de modo a reduzir as forçasnecessárias para o processo, eliminar os efeitos do trabalho a frio ereduzir as propriedades direcionais.O metal é normalmente comprimido por um êmbolo, para frente oupara trás, e forçado a passar através da matriz, dando origem a umproduto que pode ser sólido ou oco.Os metais mais usados para a extrusão são o chumbo, o alumínio,o magnésio e o cobre e suas ligas, devido as suas resistências aoescoamento e temperaturas de extrusão serem relativamentebaixas. O aço é mais difícil para ser extrudado, devido a sua altaresistência ao escoamento e sua tendência de soldar-se àsparedes da câmara da matriz, nas condições de alta temperatura epressão necessárias à extrusão.Na figura 65 são mostrados perfis de alumínio obtidos porextrusão.




44 .

Figura 66

5.2. Extrusão a Quente

As altas temperaturas e pressões que podem atingir até 7000 atmosferas são os maiores problemasda extrusão a quente. São necessárias lubrificação e proteção da câmara, do êmbolo e da matrizpara evitar-se desgaste prematuro ou um emperramento da extrusora.Para baixas temperaturas, é usual a aplicação de óleo grafitado como lubrificante; para altastemperaturas, como as alcançadas na extrusão do aço, usa-se vidro líquido como lubrificante. Alémdisso, os êmbolos podem possuir sistema de refrigeração por água, quando não estão em operação.

Entretanto, a melhor garantia para o equipamento é deixar o metal o mínimo tempo possível nacâmara, através de uma alta velocidade de extrusão,que pode alcançar até 2m/s. A maioria das extrusões a quente são efetuadas em prensas hidráulicas horizontais, com capacidadeentre 250 e 6.000 tf . A tabela 6 indica a temperatura de extrusão para alguns metais.

METAL TEMPERATURA DE EXTRUSÃO (ºC) AÇO 1200 a 1320

MAGNÉSIO 350 a 430 ALUMÍNIO 420 a 480

LIGAS DE COBRE 650 a 900 Tabela 6

5.2.1 Aplicações da extrusão a quente

A extrusão é mais cara que a laminação para a produção de grandes quantidades. Portanto, paraperfis com formatos que possam ser obtidos por laminação, a escolha dependerá de um estudoeconômico. Entretanto, quando se tratar da obtenção de formas com saliências e reentrâncias, quenão poderiam ser obtidas por laminação, a alternativa mais interessante é a extrusão. A extrusão também é bastante usada para a obtenção de tubos, geratrizes de engrenagens, cápsulasde projéteis, peças para aviação, etc.

5.2.2 Fabricação de tubos de aço sem costura, por extrusão a quente

Os tubos extrudados feitos de aços ligados e ligas não ferrosas são obtidos a partir de tarugosredondos laminadas ou forjados. Normalmente esses são perfurados antes da extrusão.Para tubos de pequeno diâmetro interno escolhe-se um diâmetro do furo um pouco maior que omandril interno a ser utilizado. Para tubos de grande diâmetro interno prevê-se um furo menor, o qualé alargado a quente para o diâmetro interno final desejado. Além disto, todos os tarugos sãoarredondados na face de prensagem com um determinado raio. Estes tarugos perfurados sãoaquecidos à temperatura de prensagem, tanto para o alargamento de seu diâmetro interno quantopara a prensagem, em fornos de banho de sal ou fornos elétricos de indução. A seguir, o tarugo perfurado aquecido é recoberto interna e externamente com vidro derretido, eintroduzido na câmara de extrusão. Na saída desta encontra-se uma matriz, provida de materiallubrificante, que determina o diâmetro externo do tubo, enquanto que o mandril introduzido no tarugodetermina o seu diâmetro interno. O êmbolo da prensa atua sobre um anel de prensagem colocadosobre o tarugo. Após a conclusão do processo de prensagem, cortasse o disco de materialremanescente na câmara, com auxilio de uma serra ou tesoura. A figura 67 mostra esquematicamente o processo de prensagem por extrusão, no qual a direção deprensagem pode ser tanto vertical quanto horizontal. No caso da prensagem vertical ocorre sob aprensa um desvio do tubo de 90 graus, cortando-se a seguir o mesmo em comprimentos defabricação.




45

Figura 67

5.3. Extrusão a Frio

Figura 68

Certos metais tais como o chumbo, oestanho, o zinco, o alumínio, o cobre, oníquel e suas ligas apresentam altaplasticidade sendo adequados para aextrusão a frio, além disso, a rápidaaplicação de pressão libera umaquantidade de calor que eleva atemperatura do metal extrudado, o quefacilita a mesma. A figura 68 mostra o esquema para aprodução de tubos para pasta dental. Parasua obtenção é colocada no fundo de umacâmara fechada uma pastilha (cortada a

partir de uma chapa), a qual é atingida porum punção em alta velocidade. O metal éobrigado a conformar-se em torno dopunção formando o tubo, que édescarregado quando o punção recua. Poreste processo, consegue-se uma produçãode até 80 tubos por minuto. As pressõesexercidas neste processo variam de 1 a 3vezes o limite de escoamento do metal. A lubrificação é feita através de óleos,graxas ou sabões. Para aderência dolubrificante no metal é interessante queeste seja fosfatizado, pois a camada de

fosfatos é porosa e retém o lubrificante. Para a extrusão a frio, são normalmente utilizadas prensas mecânicas verticais devido a sua rapidezde operação. Prensas hidráulicas são usadas para peças maiores ou para metais que apresentammaior resistência à deformação.Os fatores fundamentais para uma boa extrusão a frio são: O material possuir alta maleabilidade eplasticidade (sempre deve se usar material recozido), a força de extrusão ser aplicada rapidamente eter intensidade constante e as peças terem seção simétrica. Os defeitos mais comuns que apresentam as peças extrudadas a frio são: Rasgos, rugas eespessura de parede irregular. Esses defeitos normalmente são provenientes de falhas nas pastilhas,descentralização do punção em relação à matriz ou, ainda, desnivelamento da matriz. Vide a figura69.




46 .

Figura 69

5.3.1 Aplicações da extrusão a frio

A extrusão a frio visa tanto melhorar as propriedades mecânicas de um metal, como produzir formasespecíficas.

Sua rapidez e um dos motivos que torna este processo vantajoso para a obtenção de latas, carcaçasde extintores de incêndio, pistões de alumínio para motores, cilindros, tubos, geratrizes deengrenagens, etc. A extrusão a frio torna-se bastante interessante para metais moles e formassimples. A extrusão a frio é competitiva com a estampagem profunda de chapas, pois exige menor número deoperações para a obtenção da peça estampada e devido ao menor custo das ferramentas, emboraexijam prensas mais potentes para execução da operação.5.4. Cálculo das dimensões da pastilha para extrusão

O formato da pastilha deverá coincidir com o do fundo da peça. As dimensões da pastilha que dará origem à peça extrudada é calculada pela igualdade de volumes,uma vez que o volume da pastilha será igual ao da peça, pois não há perda de material, nem

alteração de sua densidade.

• Exemplo:Calcular as dimensões da pastilha que dará origem a um copo cilíndrico, numa extrusão a frio.

• Solução:a) Cálculo do volume da peça:

) ) ](([V D d H ef D e= − − + f π

4

2 2 2. .

b) Cálculo do volume da pastilha:Sabemos que o diâmetro da pastilha coincide com odiâmetro externo da peça.

Assim teremos:Vo

Dh=

π ..

2

4

Igualando-se as duas expressões teremos o valor deh:

h =

Pastilha) )(( D d H ef D ef

D

− − +2 2 2

2

. .




47

5.5 Determinação da força de extrusão

De acordo com Dipper, a força necessária para a extrusão de determinado metal pode ser obtidaatravés da seguinte fórmula:

)( Fe

Sp Kfm h e=

+. . ,2 0 25

η

Onde:Sp = área da seção transversal do punçãoKfm = fator de estabilização médio (resistência oposta pelo material à deformação), que varia com ometal e com o grau de deformação.η = rendimento da deformação que varia de 0,6 a 0,8 para materiais moles, tais como o chumbo e o

alumínio e entre 0,5 a 0,7 para materiais mais duros.h = altura da pastilha de extrusãoe = espessura da parede da peça pronta.

O grau de deformação, representado por δ g , é calculado como: δ g So

S = ln

Sendo:

So = área da base da pastilha de extrusão.S = área da seção transversal da peça pronta.• Exemplo:

Determinar a força necessária para a extrusão de umcopo cilíndrico, sabendo-se:Material: Alumínio 99,5%Diâmetro da pastilha: D = 26 mm Altura da pastilha: h = 20 mmEspessura final de parede: e = 3,0 mmEspessura final do fundo: e = 2,0 mmSolução:

)( Fe

Sp Kfm h e=

+. . ,2 0 25

η a) Determinação de Sp:

Sp d

mm= = =π π . int .

2 2

2

4

20

4314

b) Determinação de Kfm:

δ g So

S = = =ln ln ,

531

2170 9

No gráfico 1, na curva do alumínio 99,5%, com grau de deformação de 0,9, tiramos: Kfm = 10Kgf/mm2.b) η adotado igual a 0,8 devido à simplicidade da peça e por se tratar de material macio.

Portanto, teremos:

)( Fe kgf =

× × + ×=

314 10 2 0 25 20 3

0 814 400

,

,.




48 .

δ g

K f m ( k

g / m m ² )

Gráfico 1

Processos Metalúrgicos de Conformação - Fernando Penteado - Bom

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