Processo de comformação e laminação

Processo de comformação e laminação

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CONFORMAÇÃO MECÂNICA I – Generalidades, Laminação e Forjamento

Prof. Eng. Mec. Norberto Moro Téc. Mec. André Paegle Auras w.norbertocefetsc.pro.br FLORIANÓPOLIS - 2007

Sumário
Apresentação3
1. GENERALIDADES DA CONFORMAÇÃO MECÂNICA4
1.1 Introdução4
1.2 Temperatura na Conformação5
1.3 Trabalho a Quente6
1.4 Trabalho a Frio7
1.5 Trabalho a Morno8
1.6 Tabela Comparativa9
1.7 Processos de Recuperação e Recristalização9
1.8 Partículas e Inclusões1
1.9 Exercícios12
2. LAMINAÇÃO13
2.1 Introdução13
2.2 Laminadores14
2.3 Processos de Laminação15
2.4 Laminação a Quente20
2.5 Laminação a Frio21
2.6 Processamento Termomecânico2
2.7 Defeitos nos Produtos Laminados2
2.7 Exercícios23
3. FORJAMENTO24
3.1 Introdução24
3.2 Tipos, Equipamentos, Etapas e Materiais24
3.3 Forjamento Livre (Matriz Aberta)26
3.4 Forjamento em Matriz Fechada28
3.5 Defeitos nos Produtos Forjados31
3.6 Exercícios31
Respostas dos exercícios32
APRESENTAÇÃO
dependem de vários processos de fabricação mecânica para existir

Panelas, fogões, geladeiras, fornos microondas, microcomputadores, automóveis, máquinas agrícolas, trens, navios, aviões, naves espaciais, satélites, etc. Desde o produto mais simples até o mais sofisticado, todos

moderna seria impensável

Por mais simples que a peça seja, é sempre necessário usar máquinas e realizar mais de uma operação para produzi-la. Começando pela fundição, seguindo pelos processos de conformação mecânica e usinagem, as peças são fabricadas e reunidas para conjuntos mecânicos sem os quais a vida

ser aplicado sobre o material

Em um ambiente industrial, a conformação mecânica é qualquer operação durante a qual se aplica esforço mecânico em diversos materiais, resultando em uma mudança permanente de formas e dimensões. Para a produção de peças, a conformação mecânica inclui um grande número de processos: laminação, forjamento, trefilação, extrusão e conformação de chapas. Esses processos têm em comum o fato de que, para a produção da peça, algum esforço do tipo compressão, tração, flexão e cisalhamento, têm de

as que permitem a existência dos processos de conformação mecânica

Como é possível que materiais tão rígidos, como o aço, podem ser comprimidos, puxados ou dobrados para adquirirem os formatos que o produto necessita? As propriedades mecânicas dos materiais respondem: elasticidade e plasticidade. A elasticidade é a capacidade que o material tem de se deformar, se um esforço é aplicado sobre ele, e de voltar à forma anterior quando o esforço pára de existir. A plasticidade, por sua vez, permite que o material se deforme e mantenha essa deformação, se for submetida a um esforço de intensidade maior e mais prolongada. Essas duas propriedades são

podemos obter até folhas de metal (p.ex. papel alumínio)

Eles também são ajudados pela estrutura cristalina dos metais, porque permite que camadas “deslizem” umas sobre as outras, evitando rupturas internas e externas. É devido a este tipo de propriedade dos metais, que

Nesta primeira apostila de conformação mecânica serão estudadas as generalidades da conformação, além dos processos de laminação e de forjamento. Às apostilas, livros e sites que porporcionaram conteúdo a esta apostila, obtenham nossa gratidão.

1. GENERALIDADES DA CONFORMAÇÃO MECÂNICA 1.1 Introdução

Os processos de conformação mecânica são aqueles que alteram a geometria do material (forma) por deformação plástica, através de forças aplicadas por ferramentas adequadas, que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros.

As vantagens com este processo são muitas: bom aproveitamento da matéria; rapidez na execução; possibilidade de controle das propriedades mecânicas; e possibilidade de grande precisão e tolerância dimensional. É importante observar, entretanto, que o ferramental e os equipamentos possuem um custo muito elevado, exigindo grandes produções para justificar o processo economicamente.

Existem algumas centenas de processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas. Mas é possível classificá-los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço, deformação do material, variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação e o propósito da deformação. Basicamente, se dividem em:

perfis diversos, anéis e tubos

- LAMINAÇÃO: conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram (tipo massa de pastel), reduzindo a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos,

os produtos do forjamento

- FORJAMENTO: conformação por esforços compressivos fazendo o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. Moedas, parafusos, âncoras e virabrequins estão entre

- TREFILAÇÃO: redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira ou trefila) em forma de “funil”. É o processo comum para obtenção de fios de todo tipo.

alumínio, etc.) ou tubo

- EXTRUSÃO: processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal, como ocorre numa máquina de formar macarrão. O produto pode ser uma barra, perfil (esquadrias de

enlatados, etc

- CONFORMAÇÃO DE CHAPAS: Compreende operações com chapas, como corte, dobramento e estampagem. Produtos são arruelas, panelas,

1.2 Temperatura na Conformação

Em função da temperatura e do material utilizado, a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. O trabalho a quente (TQ) é usado para reduzir os esforços de conformação e/ou permitir a recristalização1 . Geralmente, a temperatura mais elevada de trabalho a quente é limitada bem abaixo do ponto de fusão, devido à possibilidade de fragilização à quente (existência de compostos dentro do material com menor ponto de fusão). Basta uma pequena quantidade de constituinte com baixo ponto de fusão nos contornos de grão para fazer um material desagregar-se quando deformado.

De outra forma, o trabalho a frio (TF) é a deformação realizada sob condições em que não ocorre a recristalização do material. Já no trabalho a morno, ocorre uma recuperação2 do material, sem recristalização.

1 Recristalização: Em uma certa temperatura, os grãos (estrutura cristalina) amassados e distorcidos pela conformação formam novos grãos, reduzindo as tensões internas.

2 Recuperação: Há um rearranjo das discordâncias, melhorando a ductilidade do material, mas não ocorre formação de novos grãos (recristalização).

É importante entender que a distinção básica entre TQ e TF não está na temperatura em si, mas na temperatura de recristalização do material. Porque, dependendo da liga, podemos ter TQ com conformações à temperatura ambiente, como no caso de Pb e Sn. Por outro lado, a conformação a 1100°C é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior, embora tal temperatura seja TQ para o aço.

atmosfera), mas o restante permanece na peça, elevando-lhe a temperatura

É importante lembrar do calor gerado na conformação. Tanto a deformação plástica quanto o atrito contribuem para a geração de calor. Da energia empregada na deformação plástica de um metal, apenas 5 a 10% ficam acumulados na rede cristalina, sob a forma de energia interna, sendo os restantes 90 a 95% convertidos em calor. Em algumas operações de conformação contínua, como extrusão e trefilação (efetuadas em altas velocidades), a temperatura pode aumentar em centenas de graus. Uma parte do calor gerado é dissipada (transmitido às ferramentas ou perdido para a

1.3 Trabalho a Quente

O trabalho a quente é a etapa inicial na conformação mecânica da maioria dos metais e ligas. Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal, como proporciona o surgimento de menos discordâncias microestruturais e também ajuda a diminuir as heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido às rápidas taxas de difusão 3 presentes às temperaturas de trabalho a quente4 . Além disso, as variações microestruturais proporcionam um aumento na dutilidade 5 e na tenacidade6 , comparado ao estado fundido.

Como desvantagem, geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que as superfícies externas, pode ocorrer crescimento de grão no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho.

A maioria das operações de TQ é executada em múltiplos passes; em geral, nos passes intermediários a temperatura é mantida bem acima do limite inferior de recristalização do metal para se tirar vantagem da redução na tensão de escoamento, embora com o risco de um crescimento de grão. Como, porém, deseja-se usualmente um produto com tamanho de grão pequeno, a temperatura dos últimos passes (temperatura de acabamento) é bem próxima do limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande. Pequenos tamanhos de grãos darão origem a peças com melhor resistência e

3 Movimentação interna de material.

4 As bolhas de gás e porosidades são eliminadas pelo caldeamento destas cavidades e a estrutura colunar dos grãos grosseiros da peça fundida é quebrada e refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor tamanho.

5 Propriedade do material de sofrer deformação permanente sem romper.

com TQ
Figura: Pré-aquecimento na laminação (TQ)

tenacidade. Veja abaixo figuras do comportamento dos grãos na conformação

Figura: Recristalização no TQ (veja o crescimento dos grãos pós-recristalização)

1.4 Trabalho a Frio

O trabalho a frio é acompanhado do encruamento 7 do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras – tais como contornos de grão – que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina. Um metal cristalino contém em média entre 1 e 100 milhões de cm de discordâncias por cm³, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 100 bilhões de cm de discordâncias por cm³. A estrutura característica do estado encruado examinada ao microscópio eletrônico, apresenta dentro de cada grão, regiões

7 Defomação nos grãos do material em função da conformação sofrida, gerando aumento da dureza e queda da dutilidade.

Pré-aquecimento: crescimento dos grãos

Grãos encruados Recristalização

pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordâncias nos planos de deslizamento.

Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de escoamento e do limite de resistência, bem como no decréscimo do alongamento total (alongamento na fratura).

Figura: Encruamento de um material na laminação

1.5 Trabalho a Morno

Os processos de deformação a morno objetivam aliar as vantagens das conformações a quente e a frio. Dos processos de conformação a morno um dos mais difundidos e com maiores aplicações industriais é o forjamento. O trabalho a morno consiste na conformação de peças numa faixa de temperatura onde ocorre o processo de recuperação do material, não ocorrendo entretanto, a recristalização.

Com relação ao trabalho a quente, o processo morno apresenta melhor acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da dilatação. Assim, pode-se ter menores ângulos de saída e maior carga para a retirada da peça das matrizes sem deformar o produto. A maior desvantagem é o aumento do limite de escoamento, sendo necessário o emprego de prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes.

Em relação ao trabalho a frio, o processo a morno apresenta redução dos esforços de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno melhora ainda a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem muita energia e tempo.

Existe alguma controvérsia sobre a faixa de temperatura empregada na conformação a morno dos aços, mas, certamente se torna importante entre 500 e 800°C. A temperatura inferior de conformação é limitada em aproximadamente 500°C devido à possibilidade de ocorrência da "fragilidade azul" em temperaturas mais baixas8 .

8 Esta fragilização aumenta a tensão de escoamento e diminui a ductilidade. Ela ocorre em temperaturas em torno de 200 a 400°C onde, átomos intersticiais difundem-se durante a deformação formando atmosferas em torno das discordâncias geradas, ancorando-as. O nome azul refere-se à coloração do óxido formado na superfície do aço nesta faixa de temperatura.

Grãos Encruados

1.6 Tabela Comparativa

Não há um processo mais vantajoso em si do que outro, tudo depende do julgamento de vários fatores (tolerância, acabamento, material, ductilidade final, deformação, etc.). Muitas vezes o material passa tanto por TQ como por TF. Veja tabela de características dos processos abaixo:

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