Propriedades Mecânicas de Materiais em Peças Forjadas: Recalque, Forjamento e Laminação, Notas de aula de Engenharia Mecânica

Baixe Propriedades Mecânicas de Materiais em Peças Forjadas: Recalque, Forjamento e Laminação e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Dept. de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecanicos PMR – 2202 Introdução Manufatura Mecânica Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha 2. Conformação Maciça (Volumétrica) 2.1 Revisão sobre conformação mecânica 2.2 Recalque 2.3 Forjamento 2.4 Extrusão, Trefilação 2.5 Laminação 2.6 Tendências Atuais 2.7 Questões de estudo dirigido Bibliografia: Bibliografia: Kalpakjian, S. & Schmid, S. R. – Manufacturing Engineering and Technology – Ed. Prentice Hall 4 ed. EUA, 2001 Parte III – Processos e equipamentos de conformação e moldagem pg. 316 a 512. Capítulos 13, 14, 15 e 16. 2.1 Revisão sobre conformação mecânica Para processos de conformação volumétrica tais como laminação, forjamento, ou recalque são indicados especialmente materiais com grande ductilidade. Em função das forças necessárias para a conformação, estes materiais devem também possuir limites de escoamento a frio, e a quente, relativamente baixos. A rede cristalina é importante. Sistemas cristalinos típicos são: cúbico de face centrada (CFC), cúbico de corpo centrado (CCC) e hexagonal compacto (HC). Estes sistemas cristalinos possuem múltiplos sistemas de escorregamento, os quais influenciam a capacidade de deformação do material. Após o processo de conformação, para alguns materiais, a peça produzida pode resultar endurecida (encruada). Através de uma seqüência de processos de conformação - tratamentos térmicos peças feitas de aços sujeitas a grandes solicitações mecânicas são possíveis de serem produzidas economicamente em grandes séries. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 2/92 8/10/2003 Aços para cementação para semiacabados e peças forjadas. Resistência Estática Material Rm / N.mm-2 Rp0,2 / N.mm-2 Custo relativo Propriedades Aplicação C15 E 600 ... 800 360 1,1 Soldábilidade muito boa Peças com endurecimento superficial. Com pouca solicitação: alavancas, elementos de fixação 16MnCr5E 900 ....1050 650 1,7 soldabilidade condicional Peças com solicitação moderada , como pequenas engrenagens e eixo de cambio 20MnCr5E 1000...1300 700 1,9 soldabilidade condicional Aço para peça forjada de alta solicitação: eixos de tansmissão. Custo relativo do material relativo à barra de aço St37-w, dimensão média, comparando preços por unidade de volume. Material pré- estirado. Ligas de alumínio para conformação mecânica Resistência Estática Material Rm / N.mm-2 Rp0,2 / N.mm-2 Propriedades Aplicação AlMgSi 1 210 110 Endurecivel a frio e a quente, conformação limitada, usinabilidade razoável, soldabilidade muito boa, resistente a corrosão. Automóveis, navios, sinalizações AlMgMn 174 78 Boa resistência a temperaturas elevadas, não endurecível, usinabilidade regular, boa soldabilidade, boa resistência à corrosão. Construção mecânica e automóvel AlMg3 175 78 Boa conformação, usinabilidade regular, soldável boa, boa estabilidade química. Construções mecânicas, aeronáuticas. AlCuMg1 390 265 Endurecivel a frio, conformabilidade de suficiente a boa, resistência a corrosão condicional. Elementos de máquina, rebites, peças aeronáuticas. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 5/92 8/10/2003 2.2 Recalque Recalque é um processo de conformação livre, onde um recorte bruto do material, é reduzido por compressão entre duas interfaces paralelas, geralmente planas. Figura 2.1: Recalque – Modelo experimental e exemplo de peça Recalque de Cilindro Recalque de Anel Exemplo de Fabricação: Recalque inicial e final da Cabeça de um parafuso PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 6/92 8/10/2003 Recalque é um processo fundamental da conformação a frio e forjamento, ex.: para a fabricação de elementos de fixação. Além disto bastante importante para o estudo teórico dos processos de conformação e para o ensaio de materiais. Pode ser classificado em: . Recalque a frio: peças pequenas, força reduzida, alta precisão, bom acabamento . Recalque a quente: peças grandes e complexas, redução das forças através do aquecimento, acabamento superficial ruim, necessidade de retrabalho. O coeficiente de atrito µ depende de: . Lubrificante e da rugosidade e acabamento superficial . Par peça / ferramenta . Temperatura µ = 0,05 ... 0,15 no recalque a frio µ = 0,25 ... 0,5 no recalque a quente PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 7/92 8/10/2003 2.3 Forjamento Sob forjamento entende-se a fabricação através da conformação com pré- aquecimento, corte (e junção) de uma peça sem encruamento permanente. Vantagens do processo de forjamento são entre outras o elevado aproveitamento do material e a grande capacidade de produção, que possível através deste processo, assim como uma elevada segurança do processo e a boa reciclabilidade do produto. A resistência elevada das peças forjadas comparadas com a das peças fundidas tem como conseqüência as a possibilidade de redução das dimensões de um elemento de máquina. Ex.: em um eixo virabrequim forjado pode se chegar a uma redução de até 20% do peso, o resulta em uma redução do consumo de combustível. Peças de alumínio forjadas oferecem igualmente vantagens semelhantes quanto a resistência e a economia de peso da peça. Além disto, possuem uma boa resistência a corrosão e a possibilidade de tratamento superficial de oxidação eletrolítica, gerando uma camada superficial que permite o recobrimento da superfície, que permite coloração e melhoria das propriedades tribológicas (anodização). O processo de forjamento está incluído dentro dos grupos principais de fabricação: . Conformação . Corte . Junção PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 10/92 8/10/2003 Figura 2.4: Forjamento Virabrequim forjado 38 Mn S6 BY para motor de veículos de passeio Divisão do processo em: Forjamento a quente – Forjamento a frio Forjamento livre – Forjamento em matriz Vantagens do forjamento: - Melhoria da microestrutura - Resistência maior e melhor acabamento superficial que a fundição. - Melhor distribuição das fibras distribuição de fibras numa engrenagem (revelada por ataque macroscópico) PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Pg. 11/92 8/10/2003 É comumente dividido em forjamento a frio e forjamento a quente. Por volta de 1970 surgiu o chamado forjamento semi-aquecido (ou a morno). Ele combina as vantagens do forjamento a quente (alto grau de conformação) com as do forjamento a frio (bom acabamento superficial). A temperatura para os aços fica entre 650 a 900 oC. Desvantagem: grande quantidade de refugo. Forjamento a quente Forjamento a frio Produção de peças Produção de peças Grande importância técnico- econômica Inclui os processos: - extrusão - recalque - cunhagem (troquelagem) Tensões reduzidas Pouco ou nenhum encruamento Microestrutura mais homogênea Tensões elevadas e encruamento → alta solicitação da ferramenta Alta forjabilidade Forjabilidade limitada Retrabalho de peças grandes Peças pequenas de aço ou metais não ferrosos Tolerância de fabricação de ruim a média Pouco retrabalho Superfície com carepa Boa qualidade superficial Temperaturas de forjamento: Aço > 1000 C (até 1050 C) Ligas de alumínio 360 C ... 520 C Ligas de cobre 700 C ... 800 C Podem ser feitas ainda as seguintes distinções: Forjamento livre Forjamento em matriz fechada Simples, sem relação entre a forma da peça e a da ferramenta Matriz relacionada com a forma peça meta: preparação de tarugos / formas tubulares para a fabricação final (forjamento parcial em matriz / usinagem) meta: possibilita boa precisão de dimensional e de formas. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 12/92 8/10/2003 Seqüencia de trabalho no forjamento em matriz A seqüência neste caso será: - corte do material - preparação da seção transversal (geralmente forjamento livre) - prensagem o número de operações intermediárias dependerá da complexidade da peça. Figura 2.6: Forjamento em matriz fechada Forjamento em matriz fechada com rebarba Forjamento em matriz fechada sem rebarba Forjamento por recalque em matriz Matriz superior peça Matriz inferior Área de fechamento da matriz Rebarba Canal de Rebarba Mordente de sujeição Matriz recalcadora Peça recalcada PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 15/92 8/10/2003 Quanto ao fluxo do material conformado, distinguem-se três processos principais: - Recalque - Redução da altura inicial sem grande expansão lateral e sem grande deslizamento relativo entre peça e ferramenta. - Expansão / Alargamento - escoamento lateral do material com grande trecho de deslocamento peça-ferramenta. - Fluxo de material ⊥ ao movimento da ferramenta. - Expansão com extrusão - preenchimento de cavidades ocas da ferramenta pela ampliação local da altura inicial com deslocado relativamente longo escoamento lateral do material após o preenchimento do canal de rebarba. - Fluxo de material ⊥ e || ao movimento da ferramenta. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 16/92 8/10/2003 Estes três processos fundamentais podem ainda aparecer em combinações. Figura 2.7: Forjamento em matriz fechada II Modos básicos de fluxo do material forjado Recalque Expansão Expansão com extrusão Etapas subseqüentes de fabricação - calibração - tratamento térmico - retirada da carepa - usinagem de acabamento PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 17/92 8/10/2003 Figura 2.10: Ferramental de forjamento em matriz fechada para forjar uma polia. Ferramental de fabricação com separação posterior Pré-forma Peça acabada Matriz inferior Peça forjada Matriz superior Matriz superior Matriz inferior Peça forjada Anel posicionador PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 20/92 8/10/2003 Figura 2.11: Esquematização dos tipos de ferramental de forjamento a: perda de material b: peça final Influência da divisão sobre o suplemento de material Evitar a divisão em regiões flangeadas da peça Influência divisão nas seções transversais em peças em forma de U ou anel em regiões flangeadas da peça A: adequado B: inadequado PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 21/92 8/10/2003 Para a fabricação do ferramental de forjamento em matriz fechada são empregados aços para trabalho a quente, aços altamente ligados, como o aço H13, uma vez que durante o processo de forjamento, o ferramental é submetido a vários tipos de solicitações: 1. solicitação mecânica, Ex.: solicitações de amortecimento em martelo de forja. 2. solicitação térmica 3. Oxidação 4. Desgaste através do atrito entre peça e ferramenta. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 22/92 8/10/2003 Figura 2.13: Perfis extrudados Estrutura espacial da carroceria (Audi A2) perfis extrudados de Al e conexões de Al fundido Exemplo de perfis extrudados Materiais extrudados típicos: Campo de aplicação: - ligas de alumínio - automóveis - ligas de cobre - indústria espacial e aeronáutica - ligas de magnésio - construção civil e moveis PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 25/92 8/10/2003 2.4.2 Parâmetros dos processos de extrusão e trefilação Comportamento Força versus Deslocamento No inicio do processo a força no punção aumenta devido a forte resistência à deformação elástica na peça e na ferramenta, até que o material da peça começa a escoar preenche a toda a cavidade da matriz. Após vencer o atrito de aderência entre a peça e a ferramenta a resistência interna ao escorregamento a força de extrusão cai nitidamente. Continuando a crescer o deslocamento do punção a força necessária é reduzida, uma vez que a área sob atrito vai ficando cada vez menor. O grau extrudabilidade depende do grau de redução e do processo escolhido. Ex.: Extrusão direta completa Extrusão direta completa Trefilação de barras e fios Trefilação de corpos ocos ϕ ηF ηF ϕ ηF ϕ ηF 0,4 0,45 0,30...0,60 0,15 0,45...0,55 0,15 0,40...0,60 1,0 0,75 0,5 0,65...0,75 0,50 0,70...0,85 1,5 0,80 PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 26/92 8/10/2003 Figura 2.14: Parâmetros de extrusão e trefilação. Grau de conformação / Deformação verdadeira ϕ : 1A Aoln=ϕ Deformação relativa ε : 1A Ao A ln=ε Força de conformação F : f fmkA η ϕ ϕ .. ln * = A* = na extrusão A0 na trefilação A1 A0 = seção transversal antes da conformação A1 = seção transversal após a conformação kfm = tensão de escoamento média ηf = rendimento da conformação Deslocamento do punção h Fo rç a no p un çã o, F p PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 27/92 8/10/2003 Na prática estes processos podem aparecer em combinação uns com os outros ou ainda em combinação com outros processos de conformação (recalque, mandrilagem, etc), resultando em processos tais como a extrusão direta completa, extrusão indireta em copo (extrusão-forjamento). Figura 2.16: Processos fundamentais de extrusão direta Extrusão direta Extrusão completa Extrusão ôca Extrusão copo Extrusão direta completa Extrusão direta ôca Extrusão direta copo Punção Contra- Punção Peça Matriz Ejetor Forma final da Peça Forma inicial da Peça Forma inicial da Peça Forma final da Peça Punção Matriz Peça Forma inicial da Peça Forma final da Peça Punção Matriz Peça PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 30/92 8/10/2003 Figura 2.17: Processos fundamentais de extrusão indireta Figura 2.18: Processos fundamentais de extrusão transversal Extrusão Indireta Extrusão Indireta Completa Extrusão Indireta ôca Extrusão Indireta Copo Forma inicial da peça Forma final da peça Punção Matriz Peça Ejetor Extrusão Indireta Completa Extrusão Indireta ôca Extrusão Indireta Copo Forma final da peça Forma inicial da peça Punção Peça Matriz Ejetor Contrapunção Forma inicial da peça Forma final da peça Punção Peça Matriz Ejetor Extrusão Transversal Extrusão Transversal Completa Extrusão Transversal ôca Extrusão Transversal copo Extrusão Transversal ôca Extrusão Transversal copo Extrusão Transversal Completa Ejetor Forma inicial da peça Forma final da peça Forma inicial da peça Forma final da peça Forma final da peça Forma inicial da peça Punção Peça Matriz Mandril Peça Punção Mandril Porta Matriz Punção Porta Matriz Peça Matriz PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 31/92 8/10/2003 Os processos de extrusão podem ainda ser dividido pela temperatura da peça: Critério: Temperatura da peça Extrusão a frio Extrusão semi-aquecida Extrusão a quente . elevada economia . combinação com outros processos . alta qualidade dimensional e superficial . Fabricação de peças complexas . Melhores propriedades mecânicas Propriedades semelhantes a dos extrudados a frio. . Menor tensão de escoamento . Importância cada vez maior melhora da trabalhabilidade A compreensão do fenômeno de atrito na extrusão a frio é de grande importância, devido a grande área de interface entre peça e ferramenta nestes processos. Limitações geométricas da extrusão: . impossibilidade de cantos vivos . impossibilidade de roscas . impossibilidade de separações na parte posterior . impossibilidade de furos transversais Material : quase todos os materiais, também os frágeis (Ex.: Ferro Fundido) por meio de punção com contra-pressão. Máquina: Prensa mecânica de manivela e excêntrica, bem como prensa hidráulica. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 32/92 8/10/2003 Característica de todos os processos de extrusão de semi acabados é a pressão hidrostática elevada. Esta contribui para o aumento da extrudabilidade quando comparada com outros estados de tensões. Neste sentido, nos processos de extrusão de semi-acabados podem ser atingidos deformações de até ϕ = 7. Caso especial: extrusão hidrostática: compressão pura máxima ϕ=9 Vantagem : - produção de perfis seções transversais melhores - menor custo de ferramenta Material : - Quase todos os aços e metais não ferrosos, principalmente: ligas de Al, Mg, Cu, Sn e Pb Liga mais utilizada: Al 6063 ( = AlMgSi0,5). Máquinas : prensas hidráulicas com sistema direto ou acumulador. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 35/92 8/10/2003 2.4.4 Trefilação Na trefilação podem ser distinguidos os seguintes processos fundamentais: Trefilação em fieira: A trefilação por deslizamento é um processo de trefilação de perfil maciço ou vazado (trefilado tubular) confinado em uma ferramenta sólida e convergente (fieira). Ex: barra trefilada, perfil trefilado, tubo trefilado e estirados. Trefilação por laminação: No lugar da fieira de trefilação se usa trefilação por laminação um par de cilindros rotativos apoiados em mancais. Comparada com a trefilação em fieira, a trefilação por laminação têm a vantagem de que a força no punção é de 10 a 30 % menor devido ao atrito reduzido. Ao contrário da extrusão, na trefilação a peça é puxada e conduzida através da trefila (fieira de trefilação). → Na zona de deformação domina compressão e tração. O processo de trefilação quando feito a temperatura ambiente, resultará em um encruamento do material. Isto ocorre antes de tudo com materiais como o alumínio e o cobre puro, resultando em um aumento de suas resistências mecânicas, que para estes materiais só pode ser obtido via conformação plástica. Tipos de trefilação: − Trefilação de corpos maciços em fieira: barras redondas ou perfilados bem como arames, trefilados planos de chapas. − Trefilação de corpos ocos em fieira: diferenciação adicional em processos com e sem ferramentas interna (mandril). − Trefilação de corpos ocos em fieira sem mandril : inclui trefilados comuns com espessura de parede irregular e superfície interna rugosa. Visa obter uma redução na seção transversal da peça, sem que isto implique em uma alteração na espessura de parede do trefilado. − Trefilação de corpos ocos em fieira com mandril : neste processo é possível uma trefilação com diferentes espessuras de parede. Pelo que possibilita a fabricação de tubos com espessura precisa e superfícies lisas e regulares. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 36/92 8/10/2003 Tipos de trefilação de corpos oco com fieira e mandril: − fieira fixa (mandril) O mandril é mantido dentro da fieira por uma haste. As limitações do processo são o máximo comprimento da haste do mandril. Quando a haste do mandril é muito grande, a velocidade de trefilação fica muito alta, podendo resultar em vibração, e implicam numa superfície defeituosa e marcada. − fieira livre flutuante Um corpo oco é puxado através do orifício de fieira com um mandril interno solto. Neste caso o mandril é mantido centrado e posicionado em seu lugar através das forças de compressão e pelas forças de atrito atuando em sentido contrário. Isto possibilita a fabricação de um dado projeto de tubo com qualquer geometria teoricamente imaginada, uma vez que o comprimento de trefilação só está limitado pela haste do mandril. − com mandril acompanhante neste processo um corpo oco junto com uma haste é trefilado através da fieira. Não ocorre nenhum atrito entre a peça e a ferramenta interna, uma vez que os dois estão à mesma velocidade. A desvantagem é que a haste está embutida na peça e após a trefilação terá de ser removida. Para obter-se uma superfície interna lisa, a haste (mandril) precisa estar completamente retificada e cromada. Além disto o comprimento de trefilação está limitado ao comprimento do mandril. Um outro processo de trefilação em fieira é a trefilação por estiramento. Neste caso a peça, um corpo oco com flange, é puxada junto com um punção através da fieira de trefilação. A espessura da parede da peça passa por uma redução e comprimento é aumentado. Ao contrário dos outros processos de trefilação, este processo permite a fabricação de peças ou produto final. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 37/92 8/10/2003 Divisão dos processos de laminação − conforme a cinemática (longitudinal, transversal e cisalhante ) − conforme a geometria da ferramenta (laminação plana e de perfis) − conforme a geometria da peça (corpo ôco ou maciço) − conforme a temperatura da peça – laminação a frio ou a quente − laminado continuo e laminados de em lotes. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 40/92 8/10/2003 Figura 2.23: O processo de laminação – exemplo de laminação longitudinal plana. αE : ângulo de laminação xF : posição da zona de laminação Cilindro laminador entrada Zona laminada saída PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 41/92 8/10/2003 2.5.2 Parâmetros e fundamentos do processo de laminação Na laminação ocorre uma redução de espessura do laminado ∆h, a qual corresponderá também uma redução no esforço de laminação, valendo: ∆h = h0 - h1 Devido ao volume do laminado ser constante e a mudança de largura da chapa ser desprezível (válido se b/xE > 20), a redução da espessura vai implicar em um aumento do comprimento laminado. Isto implica que o laminado adquire uma outra velocidade v diferente da velocidade inicial do cilindro de vw. Singularmente na zona de laminação estas velocidades são iguais. As tensões σx e σy são tensões de compressão. Elas crescem até a região de laminação e depois voltam a cair. Pelo critério de Tresca a diferença entre as tensões é igual a tensão de escoamento kf. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 42/92 8/10/2003 Laminação de tubos Os diferentes processos de laminação de tubos podem agrupados em um conceito fundamental comum. Destacando-se os tubos sem costura. Identificam-se três etapas de conformação: 1. Fabricação de um bloco oco espesso através do puncionamento de um bloco fundido ou laminado maciço. 2. Laminação longitudinal do bloco oco com um mandril cilíndrico interno. formação do lingote 3. Redução do lingote, também com laminação longitudinal sem mandril; surgimento do tubo com o diâmetro interno desejado. Alta capacidade de fabricação: . laminação de tubos com diâmetro externo entre 180 e 400 mm. . laminador de passo peregrino para tubos com φ interno entre 400 e 650 mm. A laminador contêm os cilindros de trabalho e o laminador guiado. A ferramenta interna, tem um mandril mantido com uma haste. Ele forma junto com os cilindros de trabalho, incluindo o calibrador, um espaço anular. Um suporte pneumático guia o bloco oco dentro da região de laminação. O tubo laminado é puxado de volta, e girado 90° e com um mandril de 1 a 3 mm maior novamente laminado. Finalmente o tubo pronto é retirado da máquina. Este processo permite fabricar tubos de até 18 m de comprimento. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 45/92 8/10/2003 Figura 2.25: Laminação de tubos Etapas de conformação 1. produção de bloco oco 2. laminação longitudinal do bloco oco com mandril 3. laminação de redução a) cilindro motor b) mandril c) retorno d) haste do mandril e) mancal de encosto f) bloco oco PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 46/92 8/10/2003 Figura 2.26: Laminação a frio de produtos planos. Etapas de fabricação: • Preparação do laminado a frio • Laminação a frio • Pos tratamento (recozimento, acabamento) • Eventuais revestimentos (Sn, Zn, etc.) Propriedades dos laminados a frio : • Superfície isenta de trincas e poros • Rugosidade e textura superficial definida • Estreita tolerância de espessura da chapa • Planaridade Peça Cilindro de apoio Cilindro de trabalho PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 47/92 8/10/2003 Figura 2.27: Padrões de impressão de rugosidade em chapas finas Carroceria de carro de passeio Pretex EDT Laser LT SBT EBT PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 50/92 8/10/2003 Revestimentos Para evitar a corrosão as chapas metálicas podem passar por um processo de pos- tratamento com revestimentos metálicos e /ou recobrimentos orgânicos / inorgânicos. Revestimentos metálicos −. imersão em banho fundido , ex.: chapas revestidas com zinco ou alumínio − . revestimento eletrolítico Ex.: estanho, níquel, cobre ou cromo −. CVD deposição química de vapor sob vácuo, ex.: ouro ou cromo − . Revestimento por laminação, ex.: com alumínio, níquel ou cobre Revestimentos não metálicos: −. Esmaltagem −. Pintura PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 51/92 8/10/2003 2.5.4 Outros processos de laminação Laminação de roscas Na fabricação de elementos de fixação o processo de roscamento desempenha um papel muito importante . Exemplos: todos os tipos de roscas (métrica, withworth, trapezoidal , etc) podem ser fabricados pelo processo de laminação. Vantagens da laminação de roscas em comparação com a usinagem: −. alta precisão e produtividade (ex.: 90 000 peças /h para roscas M5) −. superfície lisa e uniforme da rosca laminada −. aumento da resistência do flanco da rosca --. aumento da resistência a fadiga − . redução da sensibilidade ao entalhe − . economia de material, uma vez que as dimensões iniciais são menores que as dimensões desejadas para o diâmetro externo da rosca. Pré-condição para um aumento nítido da resistência mecânica é contudo um tratamento térmico adequado de beneficiamento (tempera + revenido) antes do processo de laminação. - Para a fabricação de roscas podem ser usadas ferramentas planas ou curves. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 52/92 8/10/2003 Laminação de roscas com cilindro e segmento de roscamento Neste processo se comprime entre até três elementos de roscamento, fixos e reguláveis com uma zona de saída com raio de curvatura determinando um segmento de roscamento o qual gira e guia a peça contra o cilindro de laminação de rosca. Devido a alta produtividade deste processo ele é indicado para a fabricação de grandes lotes de peças. Figura 2.30: Principio do processo de laminação de roscas com um cilindro dede roscamento e um segmento de apoio. Segmentos de roscar Laminador de rosca Entrada da peça para roscar Saída da peça com rosca Segmentos de roscar Entrada da peça para roscar PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 55/92 8/10/2003 Laminação sobre compressão (Rolagem) O processo de rolagem é especialmente interessante para a fabricação de pinhões de aço. Neste caso, a peça e comprimida contra um rolo compressor. Característico é redução da espessura da peça. Com este processo podem ser fabricadas peças cilíndricas ou esféricas . Figura 2.31: Processo de laminação sobre compressão (rolagem) Rolagem Forma final Forma intermediária Forma inicial Mandril Rolo compressor Calço Laminação de engrenamentos Eixo principal com endentamento produzido por laminação de um perfil PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 56/92 8/10/2003 Vantagem : - boa uniformidade e circularidade da peça - forte encruamento - pouco refugo de material a desvantagem é a grande geração de calor pelo atrito elevado, sendo necessário um sistema de lubrificação adequado. Laminação a frio de engrenamentos Com este processo podem ser fabricados eixos endentados (engrenamentos). Vantagens: - alta precisão dimensional - bom acabamento superficial - boas propriedades mecânicas (distribuição das fibras e dureza) PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 57/92 8/10/2003 2.6.3 Forjamento de precisão Forjamento com tolerâncias mais estreitas, de tal modo que não seja necessária nenhuma operação posterior de acabamento. Outros temas importantes no desenvolvimento da conformação volumétrica − Fabricação de peças de precisão. − Fabricação por conformação de micro peças (técnica de micro conformação) PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 60/92 8/10/2003 Figura 2.32: Fabricação de micro peças. Micro peça extrudada Micro peça produzida por corte fino PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 61/92 8/10/2003 2.7 Questões para estudo dirigido . Esquematize as tensões em um processo de recalque com e sem atrito. . Como são definidos os grau de recalque e a razão de recalque ? . Por que na prática industrial, o forjamento com rebarba é preferido, não obstante a remoção da rebarba ser bastante trabalhosa? . Indique os três processos fundamentais do forjamento. . Quais os tipos de solicitação que se têm em uma ferramenta de forjamento ? . Esquematize o diagrama Força – deformação em um processo de extrusão direta de um corpo maciço e explique-o. . Como pode se diferencias a extrusão direta de corpo maciço da trefilação de chapas. . Cite três processos de trefilação em fieira para corpos ocos. . Quais as vantagens da laminação de roscas sobre a usinagem de roscas? . Quais as etapas de fabricação são necessárias na laminação a frio de produtos planos ? PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 62/92 8/10/2003 3.2 Materiais para a conformação de chapas (Revisão dos materiais típicos) Aços − chapas e tiras laminadas a frio: boa conformabilidade a frio coloca o aço em posição de destaque, possibilitando a conformação de peças complexas de espessura reduzida. Para isto é necessária uma boa estampabilidade (embutimento e estiramento). Em parte, pode se obter um bom acabamento superficial através da zincagem eletrolítico ou a fogo para obter resistência a corrosão. A estampabilidade dependerá de propriedades mecânica. Esta avaliação necessita ensaios específicos de estampagem. Uso: carrocerias automotivas. – exemplos: aços IF − chapas de aço de alta resistência: A resistência mecânica destes aços é obtida de elementos de liga que provocam o endurecimento por solução sólida, precipitação e o refino de grão. Ex.: Nióbio e Titânio. O teor de carbono é mantido baixo visando facilitar a conformabilidade e a soldabilidade. Propriedades especiais: alta resistência e limite de escoamento. Exemplos atuais: Aços bake-hardening Empregos: partes externas na industria aeronáutica e elementos de segurança. Aços inoxidáveis: São aços resistentes à influência do meio ambiente, mantendo uma boa qualidade superficial. Propriedades: aços ferríticos possuem muito boas propriedades de conformabilidade mantendo valores de resistência mecânica elevados. A conformabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos é fortemente dependente do encruamento prévio. Emprego: peças resistentes à corrosão em uma carroceria. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 65/92 8/10/2003 Alumínio: Ligas de AlMg não endurecíveis: Estas ligas de alumínio sujeitas apenas a endurecimento natural ou não tratável termicamente. Com o aumento do teor de Mg aumenta a resistência a tração, limite de escoamento e a dureza. Devido a possibilidade de defeitos superficiais na conformação, este material não é usado em peças de segurança. Liga de AlMgSi endurecíveis: Ligas de AlMgSi são endurecíveis a quente quanto a frio, exibindo entretanto valores relativamente baixos de resistência mecânica. No estado solubilizado, exibe uma conformabilidade muito boa (Estampagem profunda, embutilibilidade e estirabilidade) sem a formação de defeitos superficiais na peça conformada. Emprego: chapas externas em carrocerias automobilísticas. Cobre e Ligas de cobre: Cobre e as ligas de cobre desempenham um papel essencial na indústria eletro- eletrônica. Emprego: componentes eletrônicos automobilísticos, conexões, leadframes. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 66/92 8/10/2003 É importante nas chapas metálicas para uma boa conformabilidade uma boa ductilidade, elevada resistência a tração e baixo limite de escoamento. Chapas de alumínio para a conformação mecânica Resistência estática Material Rm / N.mm -2 Rp0,2 / N.mm- 2 Custo relativo Propriedades Aplicação Al99 F8 80 <70 2,3 Boa resistência a intemperies Estampagem profunda AlMg2/3/5 150…240 60 ... 110 - Liga de alumínio não endurecivel, alta resistencai a corrosao Peças com solicitação mecânica moderada AlMgSi1 210 110 - Liga de alumínio de endurecimento por precipitação Peças externas da carroceria AlCuMg1 380 240 2,9 Endurecivel, liga de alta resistência. Elementos de máquina AlZnMgCu1,5 470 370 4,5 Máxima resistência e boa usinabilidade Construção de máquinas e automóveis Chapas de cobre para a conformação mecânica Resistência estática Material Rm / N.mm -2 Rp0,2 / N.mm - 2 Custo relativo Propriedades Aplicação E-Cu F 20 200... 250 100 10 Boa codutibilidade Trocadores de calor CuZn37 F38 > 370 200 8,1 Principal liga de conformação PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 67/92 8/10/2003 3.4 Dobramento O processo de dobramento corresponde a um processo de flexão em estado plástico. As peças podem ser divididas em: . fios e arames . barras (perfilados maciços ou vasados, tubos) . chapas (tiras, painéis , chapas planas e curvas) . peças maciças Divisão dos processos de dobramento: . dobramento com ferramentas de movimentação linear. (dobramento livre, dobramento em trefila, dobramento em matriz) . dobramento em matriz de movimento rotativo. (dobradeira oscilante, laminador perfilhador) PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 70/92 8/10/2003 Figura 3.3: Revisão dos processos de dobramento dobramento com ferramenta de movimentação linear dobramento com ferramenta de movimentação rotativo dobramento livre dobramento em trefila dobramento com matriz em V dobramento com matriz em U dobramento por rotação Laminação de perfis PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 71/92 8/10/2003 3.4.1 Dobramento livre Por este processo podem ser produzidos ângulos de dobramento com a profundidade do da movimentação do punção, pelo que uma ferramenta pode fabricar diferentes ângulos de dobramento, o que o torna um processo bastante flexível. A desvantagem é que o ângulo de dobramento é bastante impreciso. 3.4.2 Dobramento em matriz Conforme a forma da ferramenta distingue-se o dobramento em V e o dobramento em U. 3.4.3 Dobramento em trefila Neste caso uma tira é puxada através de uma trefila. Este processo pode ser contínuo possibilitando a fabricação de perfis. 3.4.4 Dobramento com encosto rotativo No dobramento por rotação, um extremo da peça dobrada é fortemente fixado enquanto o outro é girado através de um braço articulado girante. A vantagem deste processo é que peças de pequeno comprimento podem também ser dobrada. 3.4.5 laminação de perfis as chapas metálicas podem ser através da laminação em perfilhadores passar por um processo de dobramento. O processo possibilita a fabricação de quase todas as formas de perfis desejadas. A velocidade de avanço fica entre 8 e 30 m/min e pode processar chapas de aço com espessuras entre 0,5 e 12 mm. A largura inicial fica entre 10 e 600 mm. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 72/92 8/10/2003 Figura 3.4: Teoria elementar do dobramento Parâmetros de um arco de dobramento Distribuição esquemática das tensões e deformações 1: campo plástico 2 : campo elástico ri: : raio de dobramento interno ro: : raio de dobramento externo rm: : raio de dobramento médio so : espessura da chapa PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 75/92 8/10/2003 Figura 3.5: Retorno elástico Se o momento de flexão aplicado é liberado ao final do dobramento, ocorre a liberação da deformação elástica residual (efeito mola, retorno elástico). Fatores de influência: . Geometria s0 /rm . propriedades do material O retorno elástico pode ser compensado através: . Dobramento a mais no dobramento livre, isto é: deslocamento maior do punção . Prensagem com maior intensidade na dobramento em matriz. Constante de Retorno Elástico α α rK = αr : ângulo de dobramento após o retorno elástico α : ângulo de dobramento antes do retorno elástico PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 76/92 8/10/2003 . Divisão dos processos de dobramento Figura 3.6: Revisão dos processos de dobramento de perfis Dobramento em matriz Dobramento em 3 rolos Dobramento por estiramento Dobramento por repuxo PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 77/92 8/10/2003 3.5.2 Parâmetros razão de estampagem profunda : β = d0 / d1 limite de estampagem profunda βmax : → quando ultrapassado surgem trincas no fundo da peça . limite de estampagem profunda: A máxima razão de estampagem βmax depende de: . espessura da chapa s0 . material . geometria da ferramenta para a primeira estampagem a razão de estampagem fica em torno de 1,7 a 2,2. Se a geometria desejada requer uma proporção maior que βmax a serão necessárias etapas múltiplas de trabalho. Razão total de estampagem profunda : β total = β1 . β2 . ... . βn; β total < 6,5 Para razões de estampagem ainda maiores a peça deve passar por recozimentos intermediários, após o que passa a se considerar o processo com o limite de estampagem inicial. É importante além disto que além da razão d0/s, determinará a necessidade ou não de um prensa chapas. Numa primeira estimativa grosseira é normal se empregar um prensa chapas para uma razão entre d0/s > 25 ... 30. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 80/92 8/10/2003 Figura 3.7: Estampagem profunda: primeira operação de estampagem e posteriores Estampagem inicial Estampagens posteriores Prensa chapas Punção Flange copo Matriz lateral Peça / blank Punção Prensa chapas Matriz PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 81/92 8/10/2003 Figura 3.8: Estampagem profunda na primeira operação de estampo. Blank Peça pronta Fundo Lateral Matriz Flange Punção Prensa chapas Blank Caso sem prensa chapas PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 82/92 8/10/2003 3.5.3 Avaliação do recorte (blank) Uma avaliação precisa do recorte do blank das chapas é muito importante, no sentido de minimizar a razão de estampagem mas também para evitar as trincas no fundo da peça estampada Exemplo: Cálculo do diâmetro de recorte (blank) para peça com geometria fornecida. Geometria desejada blank (recorte) procurado PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 85/92 8/10/2003 3.5.4 estampagem por estiramento A estampagem / embutimento é um processo de conformação por tração, no qual ocorre a formação de uma região de aprofundamento em uma peça plana. O processo mais importante deste grupo é o estiramento Estiramento Podem ser identificadas duas variantes : No estiramento simples a chapa fixada em um apoio girante. Um punção tencionado sobre a chapa. O punção opera contra a chapa. O uso de ferramental adicional possibilita a fabricação de formas mais complexas. No estiramento tangencial a peça é solicitada até o seu limite de escoamento e só então colocada tangencialmente sobre a ferramenta de estiramento O estiramento ocorre já no inicio do processo, de modo a atingir uma deformação uniforme no material como um todo. As vantagens do estiramento são a simplicidade e o custo baixo bem como o reduzido efeito de retorno elástico devido às altas tensões de tração. PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 86/92 8/10/2003 Figura 3.11: Estiramento peça Forma inicial da peça Forma final da peça punção grampo Estiramento simples Estiramento tangencial peça ferramenta grampo PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 87/92 8/10/2003 Figura 3.13: Tailored Blanks Instalações para a soldagem a laser túnel longitudinal de automóvel - União de chapas diferentes mediante solda a laser - otimização local das propriedades das chapas conformadas - otmização do aproveitamento das chapas PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 90/92 8/10/2003 3.7.2 Sanduíches com espuma de alumínio (AFS - Aluminium Foam Sandwich) O semi acabado em forma de sanduíches o revestimento de chapa alumínio com um material poroso formado de alumínio. A conformação é feita através de processos convencionais de conformação. Exemplo: estampagem profunda. Através da introdução de energia térmica e de um meio auxiliar é fabricada a espuma metálica de alumínio. Vantagens: - alta rigidez - peso reduzido - bom amortecimento térmico e sonoro - boa conformabilidade PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 91/92 8/10/2003 3.8 Perguntas para estudo dirigido . O que você entende por anisotropia? . Porque deseja-se uma valor elevado de r e de n para a estampagem de uma chapa? . Cite pelo menos três simplificações que podem ser encontradas na teoria elementar de dobramento. . O que entende por orelhamento? Qual a sua origem ? . Por que é importante diferenciar as ligas de alumínio em endurecíveis e não endurecíveis para sua conformação plástica? . O que se entende por “Tailored Blank” ? PMR 2202 – Introduçao a Manufatura Mecanica – Prof. Dr. G. F. Batalha Página 92/93 8/10/2003