CONFORMAÇÃO MECÂNICA

EXTRUSÃO

DEFINIÇÃO

Processo de conformação plástica no qual o material sofre redução em sua área de seção transversal pela aplicação de pressões elevadas e escoamento através do orifício de uma matriz.

CONCEITOS BÁSICOS

  • Primeiros experimentos: final do século XIX

  • Conformação indireta (reação da matriz à pressão do pistão)

  • Em geral, a quente

    • Redução dos esforços

    • Evitar encruamento

  • Aplicado a materiais de difícil conformação (inoxidáveis e ligas de níquel)

  • Metais e não-metais (ex.: polímeros)

    • Esforços de compressão minimizam trincamentos

  • Extrusão a frio

    • Menos utilizado

    • Maiores esforços

    • Alto nível de encruamento

    • Maior precisão dimensional e geométrica

  • Metais submetidos à extrusão:

    • Alumínio

    • Cobre

    • Metais não ferrosos

  • Metais ferrosos: aplicação restrita:

    • Temperaturas mais elevadas

    • Maiores esforços

  • Matéria prima: lingotes (fundidos) ou tarugos (laminados)

  • Formas variadas

  • Boa homogeneidade estrutural e dimensional

  • Baixo índice de oxidação superficial

  • Custo inicial elevado

  • Limitação de comprimento do produto

  • Baixas velocidades de trabalho

EXTRUSÃO DIRETA

EXTRUSÃO INDIRETA

  • Êmbolo vazado

  • Minimização de atrito

  • Menos utilizado

  • Processo mais antigo

  • Material e êmbolo movimentam-se em sentido contrário

EXTRUSÃO HIDROSTÁTICA

  • Pressão constante

  • Sem atrito com as paredes do container

  • Menores esforços

  • Lubrificação otimizada

  • Bom acabamento superficial

  • Tolerâncias precisas

  • Limitações para a temperatura e pressão de operação

EXTRUSÃO DE TUBOS

EXTRUSÃO DE TUBOS SOLDADOS

MÁQUINAS DE EXTRUSÃO

  • Quase sem exceção: prensas

    • Cilindro/pistão

    • Bomba hidráulica ou sistema acumulador

  • Prensas horizontais (mais comuns)

    • Material tem maior contato com a região inferior do container: maior resfriamento

    • Deformação assimétrica

  • Prensas verticais

    • Grandes espaços verticais livres

    • Resfriamento uniforme

    • Tubos de paredes finas

  • Pistão sujeito a grandes esforços e elevadas temperaturas

    • Aço-liga resistente ao calor

  • Container (recipiente)

    • Sujeito a altas temperaturas e atrito

    • Aço-liga resistente ao calor

FERRAMENTAS DE EXTRUSÃO

  • Matrizes ou fieiras

  • Capacidade de resistência a altas temperaturas, oxidação e atrito

  • Aços ligados ou metal duro

  • Faces planas ou cônicas

Face plana (a): metal escoa e forma seu próprio ângulo de entrada

Face cônica (b): aumento de homogeneidade de extrusão e diminuição da pressão, com aumento do atrito nas paredes da fieira. Devem ser utilizadas com boa lubrificação (mais comum: vidro fundido).

MECÂNICA DA EXTRUSÃO

Metal sob pressão: fluxo pela matriz, adotando a forma de saída da mesma.

Altos níveis de atrito entre material e container

Condição (a): Extrusão homogênea

  • Atrito baixo: boas condições de lubrificação; extrusão hidrostática

  • Deformação homogênea

Condição (b): Aumento do atrito entre peça e paredes do container

  • Distorção do modelo reticulado

  • Zona neutra nos cantos do container

  • Centro do tarugo: elongação

  • Bordas do tarugo: cisalhamento

  • Cisalhamento requer gasto adicional de energia: trabalho redundante

Condição (c): Alto nível de atrito

  • Escoamento concentrado no centro

  • Plano de cisalhamento interno

  • Superfície do tarugo resfriada por container frio

  • Fina camada externa do tarugo permanece aderida ao container

O atrito entre tarugo e container eleva o consumo de energia durante o processo e o desgaste nas paredes do container. Em condições de atrito elevado, a superfície oxidada do tarugo pode ser arrastada para o interior do produto extrudado, provocando defeitos. O uso de lubrificação pode minimizar este problema. Outro modo de contornar este problema é a utilização de um disco na extremidade do pistão com diâmetro menor do que o do container, de modo a extrudar o material interno ao tarugo, livre de oxidação superficial. No interior de container forma-se uma casca oca de metal não extrudado e aderida às paredes do recipiente, que deve ser removida. A porção final do tarugo também não sofre extrusão, sendo retirada ao final do processo. A remoção se dá pelo afastamento do container e do pistão. Um disco raspador é acionado para a remoção do material do interior do container.

Força de extrusão

A força requerida para o processo depende da resistência do material, da relação de extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis como a temperatura e a velocidade de extrusão.

A força pode ser estimada pela fórmula:

(Força Ideal)

onde:

F = Força de Extrusão

Ao = área de seção transversal do tarugo antes da extrusão

Af = área de seção transversal do tarugo após a extrusão

K = constante de extrusão

A força máxima de atrito entre o tarugo e o container é obtida por:

Fa = U.l0..K

Onde:

U = perímetro interno do container

l0 = comprimento inicial do tarugo

 = coeficiente de atrito

K = Constante de extrusão

Sendo o atrito uma força a ser superada durante o processo, a força máxima de extrusão é calculada por:

Fmax = F + Fa

FATORES DE INFLUÊNCIA NO PROCESSO DE EXTRUSÃO

  • Homogeneidade de composição e estrutura da matéria prima

  • Temperatura de operação

    • Baixa: minimização de consumo de energia, desgaste de máquina, ferramentas e container e de oxidação e/ou corrosão do material

    • Alta (maioria dos casos): superior a temperatura de recristalização (limite superior) e 50 ºC abaixo de Tf (limite superior). Na prática, o limite superior é fixado a temperaturas mais baixas, para evitar fragilidade a quente (fusão de microconstituintes de menor ponto de fusão)

  • Pressão de trabalho

    • Consumo de energia, robustez e custo do equipamento, desgaste.

    • Fator de maior influência: intensidade de redução. Reduções acima de 90% acentuam aumento de pressão.

  • Velocidade de trabalho.

    • Produtividade

    • Minimização das perdas de calor

É fácil de notar que estas condições são, não raro, contraditórias entre si. Em condições reais, deve-se buscar um ponto de equilíbrio entre estes fatores, de modo a se obter a melhor condição possível de operação. Via de regra, esta é uma das atribuições do engenheiro ou tecnólogo.

DEFEITOS

Os materiais metálicos mais comumente extrudados são o alumínio e suas ligas e o cobre e suas ligas. Outros metais não-ferrosos também podem ser extrudados, mas tem aplicação mais restrita. Tubos e barras de aço podem também ser produzidos por extrusão, mas apresentam dificuldades operacionais, relacionadas, principalmente, à temperatura de operação.

Os defeitos típicos do processo de extrusão são os seguintes:

  • Vazios internos na parte final do extrudado, decorrentes do modo de escoamento. Velocidades de extrusão muito elevadas podem acentuar o problema.

  • Trincas de extrusão, perpendiculares ao sentido de extrusão, decorrentes de defeitos na matéria-prima, associadas à temperaturas de operação muito elevadas e/ou velocidades muito altas.

  • Escamas superficiais, ocasionadas pela aderência de partículas de materiais duros na superfície das ferramentas, devido a desgaste ou quebra de camadas superficiais do container. Temperaturas de operação muito elevadas ou desalinhamento do pistão podem também colaborar na ocorrência deste defeito.

  • Riscos de extrusão, causados por irregularidades superficiais na ferramenta ou por resíduos de óxidos metálicos retidos na sua superfície.

  • Inclusões de partículas de materiais estranhos, arrastadas longitudinalmente, dando ao produto a aparência de manchas provocadas por raspagens.

  • Bolhas superficiais provenientes de gases retidos na fundição do lingote ou no tratamento térmico para aquecimento da matéria-prima.

  • Marcas transversais, provocadas pela parada e retomada do movimento da prensa.

  • Manchas e perda de cores, decorrentes da oxidação e contaminação superficial com substâncias estranhas ou provenientes do lubrificante.

Além destes defeitos, pode-se ainda mencionar granulações grosseiras ou segregações na superfície do produto, provocadas pela falta de homogeneidade estrutural, ou pela não uniformidade de temperatura através da seção transversal da peça durante a extrusão.

Os defeitos em produtos extrudados podem ser classificados de acordo com a causa principal:

  • Defeitos relacionados à geometria do lingote

  • Defeitos decorrentes do estado superficial do lingote

  • Defeitos relacionados à lubrificação

  • Defeitos decorrentes do metal (trincas, sulcos, etc.)

  • Defeitos decorrentes do desgaste da ferramenta

A falta de coesão interna em forma de “V”, defeito também conhecido como chevron, pode ocorrer na conformação através de um canal cônico, como é comum na extrusão e na trefilação, dependendo de uma série de fatores como taxa de redução de seção, ângulo do cone da ferramenta, atrito e características do metal. Pode ser minimizado pelo tratamento térmico de recozimento do tarugo a ser extrudado ou pelo arredondamento do canto formado pela parte cônica com a cilíndrica da ferramenta.

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