Extrusão

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.