Resumo sobre o Processo de Forjamento

Resumo sobre o Processo de Forjamento

Forjamento

Introdução

O forjamento é uma operação de conformação mecânica que tem como objetivo dar forma aos metais através de martelamento ou esforço de compressão. Acredita-se que os forjamentos mais antigos tenham se iniciado em algumas regiões do Oriente Médio 8.000 a.C, onde ferro e bronze fundidos foram forjados pelo processo a quente, por esses homens da antiguidade para produzir ferramentas manuais, instrumentos e armas, como facas, adagas e lanças.

Durante a Segunda Guerra Mundial, o forjamento a frio foi aplicado e aprimorado na Alemanha para a fabricação de peças de aeronaves e munição para armas.

No decorrer do tempo, diferentes tipos de máquinas para forjamento foram desenvolvidos e introduzidos. Foi procurado obter maiores forças de conformação, aperfeiçoar o processo de duplicação de peças através de moldes fechados ou aumentar a resposta das ferramentas no trabalho a altas temperaturas.

Na atualidade, o forjamento é um processo que permite um bom custo-benefício na fabricação de peças.

Forjamento a Quente

O forjamento a quente é o processo de conformação onde o metal a ser forjado se encontra acima da temperatura de recristalização. Isto faz com que durante a deformação os mecanismos de recuperação e recristalização aconteçam, inibindo a geração de tensões internas e favorecendo a ductilidade pela formação e aumento dos grãos. Abaixo é apresentada uma tabela que relacionam alguns metais e suas faixas de temperatura para forjamento:

Para que o forjamento seja bem sucedido é necessário que todo o corpo esteja a uma temperatura uniforme, que é conseguida através de fornos de câmara, de indução e de atmosfera controlada quando necessário.

No forjamento a quente, deve-se ter um cuidado especial por conta da formação da carepa (um óxido originado ao redor da peça aquecida que pode chegar de 2% a 4% do peso) que como qualquer óxido, tem como característica uma dureza elevada podendo ocasionar defeitos a peça ou até mesmo danificar a matriz.

Assim como no forjamento a frio, este processo se utiliza de prensas martelo, hidráulicas e excêntricas diferindo na energia/força que será aplicada (menor, pois o metal aquecido flui com maior facilidade) e na resistência as altas temperaturas.

As matrizes podem ser tanto abertas (livres) quanto fechadas, sendo que a primeira é bastante utilizada para se consegui as dimensões necessárias a segunda. Normalmente são necessárias varias etapas para se obter a peça final.

Vantagens do Processo

  • O processo a quente necessita de menor energia para deformar o metal, já que a tensão de escoamento decresce com o aumento da temperatura, que por sua vez aumenta a capacidade do material de escoar sem se romper (ductilidade);

  • Maior conformabilidade/forjabilidade;

  • Homogeneização química da estrutura;

Desvantagens do Processo

  • As matrizes fechadas devem possuir calha de rebarba;

  • O acabamento superficial e a tolerância geométrica (devido à expansão e contração do metal) são inferiores ao tratamento a frio;

  • Geração de carepa;

  • Necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de energia para aquecimento das peças;

  • Desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil.

Forjamento a Frio

O forjamento a frio tem esse nome, pois o processo é realizado abaixo da temperatura de recristalização do material forjado.

A carga utilizada para a conformação por forjamento a frio é muito grande, podendo chegar até a 15000 toneladas para prensas de grande porte. Isso causa um grande desgaste das ferramentas e da matriz.

A velocidade de trabalho também influencia na vida da ferramenta, e um patamar de velocidade deve ser escolhido de acordo com a carga aplicada.

O acabamento superficial e a exatidão dimensional de uma peça forjada a frio são superior ao do forjamento a quente e até de outros processos de conformação e fundição. Geralmente as peças forjadas a frio já saem da matriz pronta para serem utilizadas, sem necessidade de ajustes de superfície ou dimensão

Preparação do Aço para forjamento a frio

A maioria dos aços trabalhados no forjamento possui uma resistência mecânica muito alta, o que torna a carga necessária de conformação elevada e conseqüentemente diminui a vida das ferramentas utilizadas. Para que se diminua a resistência desses aços e torne mais amena a carga de aplicação, é interessante que o aço passe por um tratamento térmico de esferoidização.

A cementita em forma de esferas torna mais fácil o escoamento do material entre os grãos, o que diminui a força necessária para a fluidez do aço trabalhado. Para se formar cementita, o aço deve ser aquecido próximo à faixa de sua temperatura de austenitização e depois resfriado lentamente ao ar livre.

Equipamentos para forjamento

Basicamente existem duas grandes famílias de equipamentos para forja, as prensas e os martelos e cada um deles se subdividem de forma genérica em alguns tipos peculiares

1. Martelo

A peça mais comumente usada dos equipamentos de forja é o martelo de forja. Os três tipos básicos de martelo são: martelo de queda livre, martelo de contragolpe e o martelo de duplo efeito.

1. Martelo de Queda Livre com Prancha

No martelo de queda livre, a matriz superior e a massa cadente são elevadas por rolos de atrito engrenados à uma prancha, correntes ou outros mecanismos.

Quando o mecanismo é liberada, a massa cadente cai sob a influência da gravidade para produzir a energia da pancada. A mecanismo é imediatamente elevado para nova pancada.

O forjamento com um martelo é normalmente feito com pancadas repetidas. Os martelos podem atingir entre 60 e 150 pancadas por minuto dependendo do tamanho e capacidade. A energia suprida pelas pancadas é igual à energia potencial devido ao peso da massa cadente e da altura de queda.

Os martelos de queda são classificados pelo peso da massa cadente. Entretanto, uma vez que o martelo é uma máquina limitada energeticamente, no qual a deformação se processa até que a energia cinética seja dissipada pela deformação plástica da peça de trabalho ou pela deformação elástica das matrizes e da máquina, é mais correto classificar essas máquinas em termos da energia transmitida.

1.2 Martelos de Duplo Efeito

Uma capacidade maior de forja é atingida com um martelo de duplo efeito no qual o martelo é acelerado no seu curso descendente por pressão de vapor ou ar comprimido em adição à gravidade. O vapor ou ar comprimido podem também ser usados para elevar o martelo no seu curso ascendente.

1.3 Martelos de Contragolpe

Nos martelos de queda o choque produzido pela queda da massa é transmitido para toda a estrutura da máquina, bem como para as fundações. Para amenizar este fato foram desenvolvidos os martelos de contragolpe, em que ambas as partes (superior e inferior) se movimentam ao mesmo tempo encontrando-se no meio do percurso. Desta forma a reação do choque praticamente inexiste e não é transmitida para a estrutura da máquina e fundações. Mas dada a configuração deste tipo de martelo temos como desvantagens:

  • Maior desalinhamento entre as partes superior e inferior da matriz;

  • A força de forjamento deve estar localizada no meio da matriz para evitar grandes atritos entre as massas e as guias;

  • Não é possível manipular a peça durante o movimento do martelo;

  • Maiores despesas de manutenção.

Uma característica comum aos martelos é que em função do forjamento ser feito por meio de golpes, o martelo adquire grande flexibilidade, pois enquanto as prensas são limitadas em termos de força (só podem ser aplicadas se a força requerida for menor que a disponível), nos martelos esta limitação não existe uma vez que o martelo aplicará golpes sucessivos até que a conformação desejada se processe. Desta forma os martelos são mais indicados para o uso com matrizes de múltiplas cavidades em que em um único bloco existem as cavidades para pré-conformação e conformação final.

2. Prensas

2.1 Prensas de fuso

São constituídas de um par porca/parafuso, com a rotação do fuso, a massa superior se desloca, podendo estar fixada no próprio fuso ou então fixada à porca que neste caso deve ser móvel, dando origem a dois subtipos de prensas; as de fuso móvel; e as de porca móvel. Ligado ao fuso há um disco de grande dimensão que funciona como disco de inércia, acumulando energia que é dissipada na descida. O acionamento das prensas de fuso pode ser de três tipos: • Através de discos de fricção; • Por acoplamento direto de motor elétrico; • Acionado por engrenagens.

2.2 Prensas excêntricas ou mecânicas

Depois do martelo de forja, a prensa mecânica é o equipamento mais comumente utilizado. Pode ser constituído de um par biela/manivela, para transformar um movimento de rotação, em um movimento linear recíproco da massa superior da prensa. O curso do martelo neste tipo de prensa é menor que nos martelos de forjamento e nas prensas hidráulicas. O máximo de carga é obtido quando a massa superior está a aproximadamente 3 mm acima da posição neutra central. São encontradas prensas mecânicas de 300 a 12.000 toneladas. A pancada de uma prensa é mais uma aplicação de carga crescente do que realmente um impacto. Por isto as matrizes sofrem menos e podem ser menos maciças. Porem o custo inicial de uma prensa mecânica é maior que de um martelo.

Operação da Prensa Excêntrica Mecânica

2.3 Prensas hidráulicas

As prensas hidráulicas são máquinas limitadas na carga, na qual a prensa hidráulica move um pistão num cilindro. A principal característica é que a carga total de pressão é transmitida em qualquer ponto do curso do pistão. Essa característica faz com que as prensas hidráulicas sejam particularmente adequadas para operações de forja do tipo de extrusão. A velocidade do pistão pode ser controlada e mesmo variada durante o seu curso.

A prensa hidráulica é uma máquina de velocidade baixa, o que resulta em tempos longos de contato com a peça que pode levar a problemas com a perda de calor da peça a ser trabalhada e com a deterioração da matriz. Por outro lado a prensagem lenta de uma prensa hidráulica resulta em forjamento de pequenas tolerâncias dimensionais.

As prensas hidráulicas são disponíveis numa faixa de 500 a 50.000 toneladas. O custo inicial de uma prensa hidráulica é maior do que o de uma prensa mecânica da mesma capacidade.

Matrizes

Toda a operação de forjamento precisa de uma matriz. Ela ajuda a fornecer o formato final da peça forjada, além de ser determinante na classificação dos processos de forjamento, os quais podem ser:

  • 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 choques 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 tratados termicamente. Quando as solicitações são ainda maiores, as matrizes são fabricadas com metal duro.

Forjamento em Matriz Aberta ou Forjamento Livre

O material é conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam. É usado geralmente para fabricar peças grandes, com forma relativamente simples (p. ex., eixos de navios e de turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, excêntricos, ferramentas agrícolas, etc.) e em pequeno número; e também para pré-conformar peças que serão submetidas posteriormente a operações de forjamento mais complexas. Como exemplos de peças produzidas por este processo têm-se eixos de navios e de turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, etc.

Forjamento em Matriz Fechada

O material é conformado entre duas metades de matriz que possuem, gravadas em baixo-relevo, impressões com o formato que se deseja fornecer à peça.

A deformação ocorre sob alta pressão em uma cavidade fechada ou semi-fechada, permitindo assim obter-se peças com tolerâncias dimensionais menores do que no forjamento livre.

Nos casos em que a deformação ocorre dentro de uma cavidade totalmente fechada, sem zona de escape, é fundamental a precisão na quantidade fornecida de material: uma quantidade insuficiente implica falta de enchimento da cavidade e falha no volume da peça; um excesso de material causa sobrecarga no ferramental, com probabilidade de danos ao mesmo e ao maquinário.

Dada à dificuldade de dimensionar a quantidade exata fornecida de material, é mais comum empregar um pequeno excesso e incorporar as matrizes uma zona oca especial para recolher o material excedente ao término do preenchimento da cavidade principal. O material excedente forma uma faixa estreita (rebarba) em torno da peça forjada. A rebarba exige uma operação posterior de corte (rebarbação) para remoção.

Comparativamente ao forjamento livre, esta operação em matriz fechada, usa ferramentas mais complexas (e mais dispendiosas) e um menor número de operações para fabricar a peça. Por usar matrizes mais dispendiosas o forjamento em matriz fechada é normalmente usado para a fabricação de peças que serão produzidas em massa, para que assim valha o investimento feito nas matrizes. A presença de rebarba, cortada na operação final, é uma característica do processo.

Lubrificação

Uma característica importante para o forjamento é a lubrificação do sistema, responsável pela eliminação de variáveis que originam defeitos característicos do processo de forjamento, também tem como objetivo de auxiliar em vários aspectos o forjamento, dentre eles:

  • Reduzir atrito de deslizamento entre a matriz e o material;

  • Agir no sentido de evitar a soldagem localizada na matriz e na superfície do componente forjado;

  • Possuir propriedade isolante para reduzir a troca de calor a fim de minimizar a variação da temperatura na superfície da matriz;

  • Possuir propriedade não abrasiva e nem corrosiva;

  • Eliminar a carepa e outras impurezas;

  • Desenvolver uma pressão balanceada do gases, para auxiliar a rápida extração do forjado da gravura;

  • Ser livre de poluentes ou componentes tóxicos e não produzir fumaça.

Defeitos Comuns

  • Trincas - Devido à contração do material, tanto ao processo de forjamento quanto ao de tratamento térmico;

  • Dobras - Ocorre na ação de fechamento, quando o material se sobrepõe contra ao fluxo de deformação;

  • Vazios causados, pela falta de material;

  • Incrustação de óxidos.

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