Engenharia de Fabricação - Forjamento

CAPÍTULO 4

4. Forjamento

O forjamento é o mais antigo processo de conformar metais, tendo suas origens no trabalho dos ferreiros de muitos séculos antes de Cristo. A substituição do braço do ferreiro ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. Atualmente existe um variado maquinário de forjamento, capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos, desde alfinetes, pregos, parafusos e porcas até rotores de turbinas e asas de avião.

4.1 Definição

Forjamento é o nome genérico de operações de conformação mecânica efetuadas com esforço de compressão sobre um material dúctil, de tal modo que ele tende a assumir o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho.

A maioria das operações de forjamento é executada a quente; contudo, uma grande variedade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões, etc., são produzidas por forjamento a frio.

Na maioria das operações de forjamento emprega-se um ferramental constituído por um par de ferramentas de superfície plana ou côncava, denominadas matrizes ou estampos.

De um modo geral, todos os materiais conformáveis podem ser forjados. Os mais utilizados para a produção de peças forjadas são os aços (comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta), ligas de alumínio, de cobre (especialmente os latões), de magnésio, de níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) e de titânio.

O material de partida é geralmente fundido ou, mais comumente, laminado - condição esta que é preferível, por apresentar uma microestrutura mais homogênea. Peças forjadas em matriz, com peso não superior a 2 ou 3 kg, são normalmente produzidas a partir de barras laminadas; as de maior peso são forjadas a partir de tarugos ou palanquilhas, quase sempre também laminados, e cortados previamente no tamanho adequado. Peças delgadas, como chaves de boca, alicates,

Engenharia de Fabricação - Forjamento tesouras, tenazes, facas, instrumentos cirúrgicos, etc., podem ser forjadas a partir de recortes de chapas laminadas.

4.2. Martelamento

O forjamento por martelamento é feito aplicando-se golpes rápidos e sucessivos no metal. Desse modo, a pressão máxima acontece quando o martelo toca o metal, decrescendo rapidamente de intensidade à medida que a energia do golpe é absorvida na deformação do material.

O resultado é que o martelamento produz deformação principalmente nas camadas superficiais da peça, o que dá uma deformação irregular nas fibras do material. Pontas de eixo, virabrequins, discos de turbinas são exemplos de produtos forjados fabricados por martelamento. No forjamento por martelamento são usados martelos de forja que aplicam golpes rápidos e sucessivos ao metal por meio de uma massa de 200 a 3.0 kg que cai livremente ou é impulsionada de uma certa altura que varia entre 1 e 3,5 m.

Figura 4.1 – Martelamento.

4.3. Prensagem

Na prensagem, o metal fica sujeito à ação da força de compressão em baixa velocidade e a pressão atinge seu valor máximo pouco antes de ser retirada, de modo que as camadas mais profundas da estrutura do material são atingidas no processo de conformação. A deformação resultante é, então, mais regular do que a produzida pela ação dinâmica

Engenharia de Fabricação - Forjamento do martelamento. Palhetas de turbinas e forjados de liga leve são produtos fabricados por prensagem.

O forjamento por prensagem é realizado por prensas mecânicas ou hidráulicas. As prensas mecânicas, de curso limitado, são acionadas por eixos excêntricos e podem aplicar cargas entre 100 e 8.0 toneladas. As prensas hidráulicas podem ter um grande curso e são acionadas por pistões hidráulicos. Sua capacidade de aplicação de carga fica entre 300 e 50.0 toneladas. Elas são bem mais caras que as prensas mecânicas.

As operações de forjamento são realizadas a quente, em temperaturas superiores às de recristalização do metal. É importante que a peça seja aquecida uniformemente e em temperatura adequada. Esse aquecimento é feito em fornos de tamanhos e formatos variados, relacionados ao tipo de metal usado e de peças a serem produzidas e vão desde os fornos de câmara simples até os fornos com controle específico de atmosfera e temperatura. Alguns metais não-ferrosos podem ser forjados a frio.

Figura 4.2 – Prensagem.

4.4. Matrizes para o forjamento

A matriz de forjamento é a responsável por fornecer o formato final da peça forjada. De acordo com o tipo de matriz usada, o forjamento pode ser classificado em:

Engenharia de Fabricação - Forjamento forjamento em matrizes abertas, ou forjamento livre; forjamento em matrizes fechadas.

As matrizes de forjamento são submetidas a altas tensões de compressão, altas solicitações térmicas e, ainda, a choque mecânicos.

Devido a essas condições de trabalho, é necessário que essas matrizes apresentem alta dureza, elevada tenacidade, resistência à fadiga, alta resistência mecânica a quente e alta resistência ao desgaste. Por isso, elas são feitas, em sua maioria, de blocos de aços-liga forjados e tratadas termicamente. Quando as solicitações são ainda maiores, as matrizes são fabricadas com metal duro.

No forjamento livre, as matrizes têm geometria ou formatos bastante simples. Esse tipo de forjamento é usado quando o número de peças que se deseja produzir é pequeno e seu tamanho é grande. É o caso de eixos de navios, turbinas, virabrequins e anéis de grande porte.

Figura 4.3 – Forjamento livre.

A operação de forjamento livre é realizada em várias etapas. Como exemplo, a ilustração mostra o estiramento de uma parte de uma barra. Observe a peça inicial (a) e o resultado final (e). A operação é iniciada com uma matriz de pequena largura. O estiramento acontece por meio de golpes sucessivos e avanços da barra (b,c,d,e). A barra é girada 90 o e

Engenharia de Fabricação - Forjamento o processo repetido (f). Para obter o acabamento mostrado em “g”, as matrizes são trocadas por outras de maior largura.

Figrura 4.4 – Forjamento livre em etapas.

No forjamento em matrizes fechadas, o metal adquire o formato da cavidade esculpida na matriz e, por causa disso, há forte restrição ao escoamento do material para as laterais. Essa matriz é construída em duas metades: a metade de baixo fica presa à bigorna e nela é colocado o metal aquecido. A outra metade está presa ao martelo (ou à parte superior da prensa) que cai sobre a metade inferior, fazendo o material escoar e preencher a cavidade da matriz.

Figura 4.5 – Forjamento em matriz fechada.

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Uma peça forjada acabada geralmente não é conformada em um só golpe, porque tanto a direção quanto a extensão na qual o metal pode escoar são pequenas. Por isso, para a confecção de uma única peça são necessárias várias matrizes com cavidades correspondentes aos formatos intermediários que o produto vai adquirindo durante o processo de fabricação.

Figura 4.6 – Matrizes intermediárias para confecção de peças forjadas.

A matriz apresenta uma cavidade extra em sua periferia e que tem o objetivo de conter o excesso de material necessário para garantir o total preenchimento da matriz durante o forjamento. Esse excesso de material chama-se rebarba e deve ser retirado da peça em uma operação posterior de corte.

Figura 4.7 – Cavidade para conter excesso de material (rebarba).

A rebarba é um dos problemas do forjamento por matriz fechada.

Para minimiza-lo, as matrizes apresentam calhas para evitar que a rebarba seja muito grande.

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Figura 4.8 – Calha para diminuir rebarba.

Para peças não muito complexas, são aplicadas as seguintes etapas no forjamento em matriz fechada: 1.Corte do blank, ou seja, do pedaço de metal em barra no tamanho necessário; 2.Aquecimento – realizado em fornos; 3.Forjamento intermediário, realizado somente quando é difícil a conformação em uma única etapa; 4.Forjamento final – feito em matriz, já com as dimensões finais da peça; 5.Tratamento térmico – para a remoção das tensões, homogeneização da estrutura, melhoria da usinabilidade e das propriedades mecânicas.

4.5. Defeitos dos produtos forjados

Os produtos forjados também apresentam defeitos típicos. Eles são:

Falta de redução – caracteriza-se pela penetração incompleta do metal na cavidade da ferramenta. Isso altera o formato da peça e acontece quando são usados golpes rápidos e leves do martelo.

Trincas superficiais – causadas por trabalho excessivo na periferia da peça em temperatura baixa, ou por alguma fragilidade a quente.

Trincas nas rebarbas – causadas pela presença de impurezas nos metais ou porque as rebarbas são pequenas. Elas se iniciam nas rebarbas e podem penetrar na peça durante a operação de rebarbação.

Trincas internas – originam-se no interior da peça, como conseqüência de tensões originadas pr grandes deformações.

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Gotas frias – são descontinuidades originadas pela dobra de superfícies, sem a ocorrência de soldagem. Elas são causadas por fluxos anormais de material quente dentro das matrizes, incrustações de rebarbas, colocação inadequada do material na matriz.

Incrustações de óxidos – causadas pela camada de óxidos que se formam durante o aquecimento. Essas incrustações normalmente se desprendem ma, ocasionalmente, podem ficar presas nas peças.

Descarbonetação – caracteriza-se pela perda de carbono na superfície do aço, causada pelo aquecimento do metal.

Queima – gases oxidantes penetram nos limites dos contornos dos grãos, formando películas de óxidos. Ela é causada pelo aquecimento próximo ao ponto de fusão.

4.6. Determinação do peso do lingote para forjamento de peças

O principal problema do forjamento é a determinação do peso total do lingote necessário para a fabricação de peças mecânicas, como eixos, por exemplo. Para isso, procede-se conforme o exemplo dado à seguir:

Exemplo: calcular o peso de um lingote necessário para forjar um eixo de 800 m de diâmetro e 5000 m de comprimento, com dois aquecimentos, forjado em martelo, sabendo-se que o material possui peso específico de 7,85 g/cm 3 .

A determinação do peso total do lingote segue a expressão:

W total

= Wf + W ps + W pi + W ce + Wc onde:

W f = peso do forjado

W ps = peso da parte superior do lingote

W pi = peso da parte inferior do lingote

W ce = peso de cortes e entalhes

W c = peso da carepa

A determinação do peso do lingote, dá-se seguindo a expressão:

W f = V . ! onde: V = volume do lingote

! = peso específico do material

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