Extrusão e Forjamento

Transcrição

1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação Extrusão e Forjamento Dr. Ronnie Rego Dr. Alfredo R. de Faria

2 Agenda Introdução Extrusão Forjamento Fechamentos 2

3 [Aula#1] Processos de Conformação Mecânica Alteração de forma com volume e massa conservados Forjamento Laminação Trefilação Calandragem Extrusão Embutimento (Estampagem profunda) Estiramento Movimento da ferramenta Movimento do material Esforço no material Dobramento Cisalhamento 3

4 [Aula#3] Tipos de Falhas Critério de Instabilidade Plástica 4

5 [Aula#4] Laminação Processo de deformação plástica que resulta na redução da seção transversal Material passa entre dois cilindros que giram na mesma velocidade e sentidos opostos Altas tensões compressivas: Esmagamento rolo-material Atrito entre rolo e material Redução: sequência de passes Consequenteaumento do comprimento Alta produtividade 5

6 [Aula#4] Trefilação Processo de passagem de material por ferramenta que impõe a redução de seção, mediante aplicação de força de tração na saída da ferramenta Fio, tubo ou barra Seção circular, em geral Oriundos da laminação Ferramenta: fieira Equipamento: trefiladora Material Fieira 6

7 Processos de Fabricação: Estrutura do Curso Plasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó F dx 7

8 Objetivo da aula Conceituação dos processos de conformação de extrusão e forjamento Objetivos Específicos (para cada processo): 1. Prover definições fundamentais sobre o processo e cadeia, suas variantes tecnológicas e suas aplicações 2. Apontar as influências principais sobre o processo 3. Apresentar tipos de falha mais recorrentes 8

9 Processos de Fabricação I (MT-717): Literatura de Referência 1. DIETER, G. E. MechanicalMetallurgy-SI MetricEdition. McGraw-HillBook Co., Singapore, CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, DOEGE, E.; BEHRENS, B. HandbuchUmformtechnik Grundlagen, Technologien, Maschinen. Springer, Berlin, TAYLAN, A.; NGAILE, G; GANGSHU, S. ColdandHot Forging Fundamentals and Applications. ASM International, Materials Park, BRESCIANI FILHO, E.; ZAVAGLIA, C.A.C.; BUTTON, S.T.; GOMES, E.; NERY, F.A.C. Conformação Plástica dos Metais. 4.ed. Editora da Unicamp, Campinas,

10 Agenda Introdução Extrusão Forjamento Fechamentos 10

11 Extrusão Processo de conformação plástica em que bloco de metal éforçado a passar através de orifício de matriz por ação de compressão Pressões elevadas aplicadas por pistão acionado hidráulica ou pneumaticamente Produção de barras, tubos e perfis de geometria complexa, a partir de material fundido ou laminado Comumente conduzido a temperaturas elevadas (acima da recristalização) Sem processo de encruamento EXTRUSÃO TREFILAÇÃO 11

12 Extrusão Processo de conformação plástica em que bloco de metal éforçado a passar através de orifício de matriz por ação de compressão 12

13 Extrusão Processo de conformação plástica em que bloco de metal éforçado a passar através de orifício de matriz por ação de compressão Pressão de Extrusão Curso do Pistão 1- Compressão Inicial 2- Breakthrough pressure(pmax) 3- Escoamento do material extrudado 4- Efeito da redução do comprimento ( escoamento) 13

14 Extrusão Extrusão Direta x Extrusão Indireta Extrusão Direta Pistão age sobre o tarugo forçando-o contra a ferramenta Extrusão Indireta(Inversa) Pistão se mantém fixo, com a ferramenta em sua extremidade Recipiente com o tarugo avançam na direção do pistão: Atrito inexistente 14

15 Extrusão Extrusão Direta x Extrusão Indireta Processo de Extrusão Indireta 15

16 Extrusão Extrusão Direta x Extrusão Indireta Extrusão Direta Ferramental barato Necessita lubrificação Aparecimento de defeitos Extrusão Indireta(Inversa) Pistão oco: caro e pode flambar Exige menos esforço (atrito inexistente) Produto mais homogêneo Pressão de Extrusão DIRETA INDIRETA Curso do Pistão 16

17 Extrusão Variantes do processo de extrusão: Extrusão Hidrostática Tarugo tem diâmetro menor que o do recipiente No espaço formado, hápreenchimento com fluido Vantagens Versátil: vários formatos para a mesma matriz Menor pressão de conformação Desvantagens Grande energia armazenada Dificuldade de controle da velocidade do processo 17

18 Extrusão Variantes do processo de extrusão: Extrusão Hidrostática Tarugo sujeito a pressão hidrostática uniforme Atrito inexistenteentre tarugo e recipiente: curva de pressão similar àda extrusão indireta Pressão de Extrusão DIRETA INDIRETA Curso do Pistão 18

19 Extrusão Variantes do processo de extrusão: Extrusão por Impacto Pistão desce rapidamente sobre o tarugo, que é conformado na direção contrária àde movimentação do pistão (similar àextrusão indireta) Processo usualmente conduzido a frio Geometria: folga entre pistão e matriz 19

20 Extrusão: Equipamento Prensa Extrusora Hidráulica: conjunto cilindro-pistão Prensa Extrusora Horizontal 20

21 Extrusão: Equipamento Prensa ExtrusoraHidráulica: conjunto cilindro-pistão Horizontal Base do tarugo resfria antes: deformação não uniforme Maiores capacidades: espaço horizontal é mais flexível Vertical Resfriamento uniforme: deformação uniforme Bom alinhamento pistão-matriz Necessidade de pé-direito alto Prensa Extrusora Vertical 21

22 Extrusão: Equipamento Ferramental: Matriz de extrusão Deve suportar altas pressões, choque térmico e oxidação 22

23 Extrusão: Equipamento Ferramental: 1. Material Extrudado 2. Suporte da Matriz 3. Matriz 4. Tarugo 5. Falso Pistão 6. Pistão Acionador 7. Recipiente: Bucha Interna (camisa) 8. Recipiente: Cilindro de Extrusão 23

24 Extrusão: Equipamento Ferramental: Matriz de extrusão Matriz de canto reto Metal entra e forma zona morta (cisalhamento interno) moldando o próprio ângulo da matriz Metais não ferrosos Matriz de entrada cônica Processos com boa lubrificação, com semiângulo entre 45 e 60 Metais ferrosos 24

25 Extrusão: Produtos Extrudados/ Aplicações Barras, tubos e perfis de geometria complexa A partir de material fundido ou laminado 25

26 Extrusão: Produtos Extrudados/ Aplicações Barras, tubos e perfis de geometria complexa A partir de material fundido ou laminado 26

27 Extrusão: Fatores de Influência 1. Diâmetro inicial 2. Intensidade da deformação da seção transversal (redução projetada) 3. Geometria da ferramenta 4. Força de compressão 5. Lubrificação (atrito entre material e recipiente) 6. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas) 7. Temperatura de trabalho 8. Velocidade do processo Quantificação por relações geométricas e de deformação 27

28 Extrusão: Fatores de Influência Relações geométricas e de deformação na extrusão Recipiente Matriz Razão de Extrusão (r) [%] A i, D i A f, D f Deformação principal (φ P ) [%] 28

29 Extrusão: Fatores de Influência Geometria da matriz F GES : Força total F RS : Força de atrito coma matriz (parte cônica) F Sch : Força de cisalhamento (trabalho redundante) F Id : Força ideal de deformação (sem atrito e cisalhamento) F RW : Força de atrito com o recipiente (parte cilíndrica) Ângulo ótimo 29

30 Extrusão: Fatores de Influência Condição de Lubrificação 1. Deformação homogênea Baixo atrito, extrusão hidrostática, boa lubrificação 2. Atrito aumentado Início do trabalho redundante (cisalhamento não resultante em redução) 3. Atrito severo Escoamento da parte central e formação de casca na parede do recipiente 4. Extrusão indireta Atrito inexistente 1 2 Zona Morta

31 Extrusão: Fatores de Influência Cálculo da Cargae Pressãode Extrusão Aulas #11 e #12 ( Métodos Analíticos ) 31

32 Extrusão: Fatores de Influência Microestrutura do tarugo Evolução da microestrutura em função da condição do tarugo engendra: Relaxação Recristalização Segregação Em interação com parâmetros do processo Temperatura Velocidade 32

33 Extrusão: Tipos de Falhas Trincas internas centrais ( Chevron marks ) Similar ao exposto para Trefilação Acentuada diferença de velocidades entre material externo e interno Baixo atrito entre recipiente e tarugo ( v EXT ) Baixa razão de extrusão ( v INT ) 33

34 Extrusão: Tipos de Falhas 34

35 Agenda Introdução Extrusão Forjamento Fechamentos 35

36 Forjamento Trabalho de uma material para um formato útil por meio de martelamento ou prensagem Conformação éresultado de esforço de impacto ou de pressão Em geral conduzidos a quente Matriz pode ser aberta ou fechada Processo aplicada a produções de larga escala (amortizar custo do ferramental) 36

37 Forjamento Trabalho de uma material para um formato útil por meio de martelamento ou prensagem Primeiro dos processo de conformação: fabricação de espadas (ferreiro) Avanço: equipamentos mecanizados com a I Revolução Industrial 37

38 Forjamento 38

39 Forjamento: Classificações Forjamento a Quente Com aquecimento prévio Permite altas deformações Demanda baixa carga de conformação Menor precisão dimensional Forjamento a Frio Maior precisão dimensional Deformações limitadas Demanda alta carga de conformação 39

40 Forjamento: Classificações Forjamento com Matriz Aberta Geometria simples da matriz (em geral, plana) Componentes de grande volume e geometria simples Baixa escala de produção Preparação para processo de matriz fechada 40

41 Forjamento: Classificações Forjamento com Matriz Fechada Alta pressão em cavidade fechada Melhor tolerância dimensional Alta escala de produção 41

42 Forjamento: Classificações Variações do Processo Mandrilagem Puncionamento Recalque Estiramento Forjamento Rotativo Rotary Flow Forging 42

43 Forjamento Processo conduzido em sequência de etapas 43

44 Forjamento: Equipamento Classificação (por Kienzle) 1. Limitado pela Energia Martelos 2. Limitado pelo Curso Prensa mecânica 3. Limitado pela Carga Prensa hidráulica

45 Forjamento: Equipamento Limitado pela Energia Por Impacto: Martelo Efeito da gravidade: restrição da energia potencial (massa e altura do pistão) Alternativa: Acionamento auxiliado por ar comprimido: energia potencial e cinética Rápido: pouco tempo de contato (< 10 ms) Baixo custo do equipamento Restrito a baixas cargas de conformação (600 ton) Sem controle de carga e velocidade Auxílio da pressão do ar: parcela adicional de energia cinética 45

46 Forjamento: Equipamento Limitado pelo Curso Por Prensagem: Prensa Mecânica Conversão de movimento rotativo em alternativo Curso limitado pela excentricidade dos eixos Mais lento: esmagamento, não impacto Alto custo do equipamento Maior vida útil da ferramenta Permite altas cargas ( ton) 46

47 Forjamento: Equipamento Limitado pela Carga Por Prensagem: Prensa Hidráulica Pressão hidráulica acumulada movimento pistão em um cilindro Em qualquer ponto do curso: carga máxima disponível (controlável) Controle da velocidade controle da taxa de deformação Maior precisão dimensional Permite altas cargas de conformação ( ton) O mais lento: conformação por esmagamento, não por impacto O mais alto custo de equipamento 47

48 Forjamento: Equipamento Ferramental: Matriz e Punção Altas tensões de compressão (~ 2000 MPa) Altas temperaturas (forjamento a quente) Choque mecânico (martelamento) Alta dureza Elevada Tenacidade Resistência à Fadiga Resistência mecânica a Quente Resistência ao Desgaste Matriz plana Matriz redonda Matriz em V Diferentes geometrias de matriz para forjamento de matriz aberta Matriz fechada (parte inferior) 48

49 Forjamento: Equipamento Ferramental: Matriz e Punção ARBL: Aços de alta resistência e baixa liga (ex: Cr-Ni-Mo) Metal duro (ex: Carboneto de Tungstênio com Vanádio) 49

50 Forjamento: Equipamento Ferramental: Calha de rebarba (processo de matriz fechada) Zona oca para recolher o preenchimento do material excedente (rebarba) Diminui o espalhamento da rebarba Permite maior tolerância ao cálculo do volume de forjamento 50

51 Forjamento: Produtos Extrudados / Aplicações Eixos, anéis, parafusos, bielas, virabrequins, engrenagens A partir de lingotes ou forjados Lingote 51

52 Forjamento: Produtos Extrudados/ Aplicações Trem de Pouso 52

53 Forjamento: Fatores de Influência 1. Dimensões iniciais e dimensões finais planejadas 2. Geometria da ferramenta 3. Força de compressão 4. Atrito entre matriz e componente 5. Propriedades mecânicas acumuladas 6. Temperatura de trabalho 7. Velocidade do processo Quantificação por relações geométricas e de deformação 53

54 Forjamento: Fatores de Influência Relações geométricas e de deformação no forjamento (Recalque) Deformação Convencional (e) h i Deformação Verdadeira (ε). Sendo d i Redução (r) [%] Relação de Prensagem (S) h f 54

55 Forjamento: Fatores de Influência Geometria da matriz Complexidade geométrica aumentando a dificuldade de forjamento Projeto da calha de rebarba interativo com a força de compressão no processo 55

56 Forjamento: Fatores de Influência Cálculo da Cargae Pressãode Forjamento Métodos Analíticos 56

57 Forjamento: Fatores de Influência Atritoentre matriz e componente Tensões de cisalhamento criadas na superfície de contato Efeito: abaulamentodo perfil forjado Anéis: perfil de abaulamento influenciado pela intensidade do atrito SEM atrito COM atrito Cold and Hot Forging Baixo atrito Elevado atrito 57

58 Forjamento: Fatores de Influência Propriedades mecânicas prévias Esforço varia com o grau de encruamento acumulado até a operação 58

59 Forjamento: Fatores de Influência Velocidade do processo a. Baixa velocidade: prensa hidráulica Maior tempo de contato entre matriz e componente, facilitando a refrigeração Menores temperaturas b. Elevada velocidade: prensa mecânica/excêntrica Menor tempo de contato, dificultando refrigeração Menores gradientes de temperatura Deformação mais uniforme, menor abaulamento 59

60 Forjamento: Tipos de Falhas 1. Trincas 1 2. Gota Fria 3. Segregação de banda

61 Forjamento: Tipos de Falhas Trincas Superficiais, Internas ou nas Rebarbas Resultado de elevada deformação quando: Esforço excessivo combinado com baixa temperatura Fragilização a quente: alta concentração de enxofre 61

62 Forjamento: Tipos de Falhas Gota Fria Pequenas trincas em cantos do componente forjado Raios excessivamente pequenos nos cantos da matriz Fluxo anormal do material na matriz: duas superfícies em contato do forjado não se soldam completamente, dobrando uma sobre a outra 62

63 Forjamento: Tipos de Falhas Segregação de bandas Excesso de fases secundárias e/ouinclusões Elementos separados em dendritas e alinhados à direção de forjamento Pode representar um processo de penetração incompleta Heterogeneidade das propriedades mecânicas (dureza e tensão residual) Reduz ductilidade e resistência à fadiga, aumenta distorções Parte de um blankforjado para fabricação de engrenagem 63

64 Forjamento: Tipos de Falhas Forjabilidade: Capacidade de o material deformar sem fraturar Ensaio de Compressão: Avalia o comportamento do material sob esforço de compressão Materiais com comportamento muito diferente entre tração e compressão Dúctil Frágil Falha dependendo do material Modos de deformação no ensaio 64

65 Forjamento: Tipos de Falhas Forjabilidade: Capacidade de o material deformar sem fraturar Ensaio de Compressão Máquina de ensaio universal, com duas placas lisas Influências: acabamento superficial, microestrutura e geometria do CDP Exemplo de corpo de prova após ensaio Equipamento de ensaio de compressão 65

66 Forjamento: Tipos de Falhas Forjabilidade: Capacidade de o material deformar sem fraturar Forjamento Hidrostático (análogo à Extrusão Hidrostática) Pressão hidrostática uniforme, reduzindo a diferença de tensões no material, que leva à ruptura por cisalhamento 66

67 Agenda Introdução Extrusão Forjamento Fechamentos 67

68 Objetivos Específicos 1 Definições Fundamentais 2 Influências Principais Recipiente Matriz A i, D i A f, D f h f 3 Tipos de Falhas 68