Sistemas Mecatrônicos nos Processos de Conformação Mecânica

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1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Contexto Social e Profissional da Engenharia Mecatrônica Sistemas Mecatrônicos nos Processos de Conformação Mecânica Grupo 7 Ana Laura Torres Cortez Cássio Henrique de Moraes Guilherme Gazzinelli Rohrmann Isla Mendes Guimaraes Luciano José Divinópolis, 07 de Junho de 2010

2 Conteúdo 1 Introdução... p Generalidades da Conformação Mecânica p Temperatura na Conformação... p Trabalho a Quente... p Trabalho a Frio... p Trabalho a Morno... p Tabela Comparativa... p Forjamento... p Forjamento por Martelamento... p Forjamento por Prensagem... p Forjamento em Matriz Aberta ou Forjamento Livre... p Forjamento em Matriz Fechada... p Aplicações dos Produtos Forjados... p Defeitos mais comuns dos Produtos Forjados... p Vantagens e Desvantagens da aplicação do Forjamento p Extrusão... p Extrusão Direta... p Extrusão Indireta ou Inversa... p Etapas do Processo de Extrusão... p Defeitos mais comuns no Processo de Extrusão... p Laminação... p Laminadores... p Processos de Laminação... p Processos de Laminação a Quente... p Processos de Laminação a Frio... p Aplicações... p Vantagens... p Defeitos mais comuns no Processo de Laminação... p Trefilação... p Tipos de Trefilação... p Trefilação a Frio... p Trefilação a Quente... p Defeitos... p Conformação de Chapas ou Estampagem... p. 26 1

3 7.1 Operações Básicas... p Corte... p Dobramento... p Estampagem profunda ou repuxo... p Defeitos... p Ferramental... p Vantagens e Desvantagens... p Exemplos de aplicações de estampagem... p Conclusão... p Referências... p. 34 2

4 1. Introdução Por volta de 1890 teve início a industrialização. Ela é recente se comparada às épocas primitivas em que uma determinada forma de trabalho podia durar muitos anos sem aperfeiçoamento. Surgiram as primeiras fábricas, dando início à fase industrial na história do homem. Com o desenvolvimento das indústrias, foi intensificada a utilização de novos materiais e de novos processos de fabricação. Os processos de conformação mecânica são aqueles que alteram a geometria do material (forma) por deformação plástica, através de forças aplicadas por ferramentas adequadas, mantendo sua massa e integridade. Alguns destes processos são apresentados na Figura 1. Figura 1: Representação esquemática de alguns processos de conformação mecânica 3

5 De todos os processos de fabricação, a conformação mecânica tem um fundamental papel porque produz peças com excelentes propriedades mecânicas com a mínima perda do material, oferecendo assim um menor custo de fabricação. Parte-se de uma geometria relativamente simples, que após prévio aquecimento ou não, e uma ou mais operações, podemos gerar uma ou mais peças com a mais complexa geometria. Panelas, fogões, geladeiras, fornos microondas, microcomputadores, automóveis, máquinas agrícolas, trens, navios, aviões, naves espaciais, satélites, etc. Desde o produto mais simples até o mais sofisticado, todos dependem de vários processos de fabricação mecânica para existir. Como é possível que materiais tão rígidos, como o aço, podem ser comprimidos, puxados ou dobrados para adquirirem os formatos que o produto necessita? As propriedades mecânicas dos materiais respondem: elasticidade e plasticidade. A elasticidade é a capacidade que o material tem de se deformar, se um esforço é aplicado sobre ele, e de voltar à forma anterior quando o esforço pára de existir. A plasticidade, por sua vez, permite que o material se deforme e mantenha essa deformação, se for submetido a um esforço de intensidade maior e mais prolongado. Essas duas propriedades são as que permitem a existência dos processos de conformação mecânica. Eles também são ajudados pela estrutura cristalina dos metais, porque permite que camadas deslizem umas sobre as outras, evitando rupturas internas e externas. É devido a este tipo de propriedade dos metais, que podemos obter até folhas de metal (p.ex. papel alumínio). Todos os processos podem ser realizados a quente (acima da temperatura de recristalização) ou a frio (abaixo da temperatura de recristalização). Neste trabalho sobre conformação mecânica serão estudadas as generalidades da conformação, além dos processos mais comuns na área industrial. 2. Generalidades da Conformação Mecânica Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. Cada um destes trabalhos fornecerá características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão funções da matéria prima utilizada como composição química e estrutura metalúrgica (natureza, tamanho, forma e 4

6 distribuição das fases presentes) e das condições impostas pelo processo, tais como: o tipo e o grau de deformação; a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado. O número dos diferentes processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas centenas. Não obstante, é possível classificá-los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação. Basicamente, os processos de conformação mecânica podem ser classificados em: Forjamento: Conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. Extrusão: Processo em que a peça é empurrada contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo. Laminação: Conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos. Trefilação: Redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, puxando-se a peça através de uma ferramenta (fieira, ou trefila) com forma de canal convergente. Conformação de Chapas ou Estampagem: Compreende operações com chapas, como corte, dobramento e estampagem. 2.1 Temperatura na Conformação Em função da temperatura e do material utilizado, a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. O trabalho a quente (TQ) é usado para reduzir os esforços de conformação e/ou permitir a recristalização. Recristalização acontece quando o material utilizado a uma certa temperatura, os grãos (estrutura cristalina) amassados e distorcidos pela conformação formam novos grãos, reduzindo as tensões internas. 5

7 Geralmente, a temperatura mais elevada de trabalho a quente é limitada bem abaixo do ponto de fusão, devido à possibilidade de fragilização à quente (existência de compostos dentro do material com menor ponto de fusão). Basta uma pequena quantidade de constituinte com baixo ponto de fusão nos contornos de grão para fazer um material desagregar-se quando deformado. De outra forma, o trabalho a frio (TF) é a deformação realizada sob condições em que não ocorre a recristalização do material. Já no trabalho a morno, ocorre uma recuperação do material, sem recristalização. Recuperação consiste em um rearranjo das discordâncias, melhorando a ductilidade do material, mas não ocorre formação de novos grãos (recristalização). É importante entender que a distinção básica entre TQ e TF não está na temperatura em si, mas na temperatura de recristalização do material. Porque, dependendo da liga, podemos ter TQ com conformações à temperatura ambiente, como no caso de Pb e Sn. Por outro lado, a conformação a 1100 C é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior, embora tal temperatura seja TQ para o aço. Temos que lembrar do calor gerado na conformação. Tanto a deformação plástica quanto o atrito contribuem para a geração de calor. Da energia empregada na deformação plástica de um metal, apenas 5 a 10% ficam acumulados na rede cristalina, sob a forma de energia interna, sendo os restantes 90 a 95% convertidos em calor. Em algumas operações de conformação contínua, como extrusão e trefilação (efetuadas em altas velocidades), a temperatura pode aumentar em centenas de graus. Uma parte do calor gerado é dissipada (transmitido às ferramentas ou perdido para a atmosfera), mas o restante permanece na peça, elevando-lhe a temperatura. 2.2 Trabalho a Quente O trabalho a quente é a etapa inicial na conformação mecânica da maioria dos metais e ligas. Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal, como proporciona o surgimento de menos discordâncias microestruturais e também ajuda a diminuir as heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido às rápidas taxas de difusão(movimentação interna de material) presentes às temperaturas de trabalho a quente. As bolhas de gás e porosidades são eliminadas pelo caldeamento destas cavidades e a estrutura colunar dos grãos grosseiros da peça fundida é quebrada e refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor tamanho. Além disso, as variações microestruturais proporcionam um aumento na dutilidade (propriedade do material de sofrer deformação permanente sem romper) e na tenacidade (capacidade que um material tem para absorver energia, nos campos plástico e elástico), comparado ao estado fundido. Como 6

8 desvantagem, geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que a superfície externa pode ocorrer crescimento de grão no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho. A maioria das operações de TQ é executada em múltiplos passes; em geral, nos passes intermediários a temperatura é mantida bem acima do limite inferior de recristalização do metal para se tirar vantagem da redução na tensão de escoamento, embora com o risco de um crescimento de grão. Como, porém, deseja-se usualmente um produto com tamanho de grão pequeno, a temperatura dos últimos passes (temperatura de acabamento) é bem próxima do limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande. Pequenos tamanhos de grãos darão origem a peças com melhor resistência e tenacidade. Veja na Figura 2 o comportamento dos grãos na conformação com TQ. Figura 2: Pré-aquecimento na laminação (TQ)(1) Recristalização no TQ(2) 2.3 Trabalho a Frio O trabalho a frio é acompanhado do encruamento do metal. O encruamento do metal é a deformação nos grãos do material em função da conformação sofrida, gerando aumento da dureza e queda da ductilidade. Este encruamento é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina. Um metal cristalino contém em média entre 1 e 100 milhões de cm de discordâncias por cm³, enquanto que um metal severamente encruado 7

9 apresenta cerca de 100 bilhões de cm de discordâncias por cm³. A estrutura característica do estado encruado examinada ao microscópio eletrônico apresenta dentro de cada grão, regiões pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordâncias nos planos de deslizamento. Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de escoamento e do limite de resistência, bem como no decréscimo do alongamento total (alongamento na fratura), mostrada na Figura 3. Figura 3: Encruamento de um material na laminação 2.4 Trabalho a Morno Os processos de deformação a morno objetivam aliar as vantagens das conformações a quente e a frio. Dos processos de conformação a morno um dos mais difundidos e com maiores aplicações industriais é o forjamento. O trabalho a morno consiste na conformação de peças numa faixa de temperatura onde ocorre o processo de recuperação do material, não ocorrendo, entretanto, a recristalização. Com relação ao trabalho a quente, o processo morno apresenta melhor acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da dilatação. Assim, pode-se ter menores ângulos de saída e maior carga para a retirada da peça das matrizes sem deformar o produto. A maior desvantagem é o aumento do limite de escoamento, sendo necessário o emprego de prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes. Em relação ao trabalho a frio, o processo a morno apresenta redução dos esforços de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno melhora ainda a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem muita energia e tempo. Existe alguma controvérsia sobre a faixa de temperatura empregada na conformação a morno dos aços, mas, certamente se torna importante entre 500 e 800 C. A temperatura inferior de conformação é limitada em aproximadamente 500 C devido à 8

10 possibilidade de ocorrência da "fragilidade azul" em temperaturas mais baixas. Esta fragilização aumenta a tensão de escoamento e diminui a ductilidade. Ela ocorre em temperaturas em torno de 200 a 400 C onde, átomos intersticiais difundem-se durante a deformação formando atmosferas em torno das discordâncias geradas, ancorando-as. O nome azul refere-se à coloração do óxido formado na superfície do aço nesta faixa de temperatura. 2.5 Tabela Comparativa Não há um processo mais vantajoso em si do que outro, tudo depende do julgamento de vários fatores (tolerância, acabamento, material, ductilidade final, deformação, etc.). Muitas vezes o material passa tanto por TQ como por TF. Veja tabela(figura 4) de características dos processos abaixo: TQ TF TM Força e energia < > ~ Eliminação de defeitos da fundição > < ~ Tolerância e acabamento < > ~ Surgimento de discordâncias < > ~ Uniformidade da microestrutura < > ~ Recuperação Não Não Não Recristalização Sim Não Não Figura 4: Legenda: > (maior); < (menor); ~ (intermediário) 3. Forjamento O forjamento é um processo de conformação mecânica, que resulta em uma mudança permanente nas dimensões finais e nas características metalúrgicas de uma peça. Ele deforma o material forjado por martelamento ou por prensagem e é usado para se obter produtos com alta resistência mecânica porque refina a estrutura metalúrgica do metal. Dependendo do tipo de processo adotado no forjamento, pode-se gerar mínima perda de material e uma boa precisão dimensional. 9

11 Diversas técnicas produtivas são adotadas para se conseguir forjar peças e melhorar as características metalúrgicas, algumas dessas técnicas são milenares, com baixo grau tecnológico, caras e demoradas e outras técnicas são de última geração e com elevado grau de automatização. Nestas técnicas mais modernas é comum o uso de programas computacionais complexos, que proporcionam ganho de tempo e redução de desperdício de energia e material, conhecidos como CAD/CAM, quando do estudo das deformações que o material irá sofrer no seu forjamento. 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, que dão formato às peças(figura 5). Figura 5: Foto processo de forjamento em uma peça 3.1 Forjamento por Martelamento O forjamento por martelamento é feito aplicando-se pancadas (golpes ou batidas) rápidas e sucessivas no metal, aplicando pressão sobre as peças no momento em que existe o contato do martelo de forja e a peça metálica. Por sua vez, esta pressão é absorvida pelo metal que se deformando muito rapidamente. No forjamento por martelamento são usados martelos de forja que aplicam golpes rápidos e sucessivos ao metal por meio de uma massa que varia de poucos quilos a várias toneladas, que cai de uma altura que varia de alguns centímetros a alguns metros como mostrado na figura 8. Este processo age sobre as camadas mais externas do material, podendo ou não gerar pontos de tensão, que se não forem controlados podem gerar falhas. 10

12 Exemplo de peças que são fabricadas por este processo são as Pontas de Eixo e os Virabrequins na Indústria Automotiva, outro exemplo, são as Pontas de Ganchos. Quando as peças metálicas são forjadas procura-se alterar principalmente as propriedades de elasticidade e de plasticidade do metal. 3.2 Forjamento por Prensagem No forjamento por prensagem o metal recebe uma força de compressão em baixa velocidade, diferente do processo anterior, e a pressão atinge seu grau máximo antes de ser retirada, de modo que até as camadas mais profundas da estrutura do material são atingidas, conformando-se mais homogeneamente e melhorando ainda as características metalúrgicas. São usadas prensas hidráulicas para realizar esta função, onde as forças aplicadas podem ser absurdamente elevadas. 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. Este 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. Além disso, recentemente os materiais metálicos estão sendo aquecidos por indução para serem forjados posteriormente, onde o aquecimento é muito mais rápido e as alterações estruturais do metal, muito mais violentas, exigindo um cuidado no uso deste aquecimento muito maior. Alguns metais não-ferrosos podem ser forjados a frio. Os processos convencionais de forjamento são executados tipicamente em diversas etapas, começando com o corte do material, aquecimento, pré-conformação mediante operações de forjamento livre, forjamento em matriz (em uma ou mais etapas) e rebarbação. O forjamento para poder realizar suas operações, e a peça adquirir o formato final desejado, utiliza matrizes (ferramentas ou moldes). Estas matrizes devem ser especiais e com um elevado cuidado na sua fabricação, pois são elas que recebem todo o impacto e moldam a peça, suportando altas pressões de trabalho, tendo que agüentar enormes variações térmicas em ciclos produtivos contínuos e repetitivos, por milhares e até milhões de vezes. As matrizes de forjamento normalmente são feitas de aços especiais, recebem apurado tratamento térmico e muito caro. 11

13 Figura 6: Processo de forjamento por prensagem 3.3 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 (por exemplo, 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. No forjamento em matrizes abertas dá-se o golpe, vira-se a peça a 90º e volta-se a bater, quando for possível e o processo for por martelamento, quando for por prensagem a deformação ocorre um único aperto. São utilizadas para a produção de peças grandes e em lotes produtivos pequenos (Figura 7). Figura 7: Processo de forjamento em matriz aberta 12

14 3.4 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 peças com tolerâncias dimensionais melhores 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 a dificuldade de dimensionar a quantidade exata fornecida de material, é mais comum empregar um pequeno excesso. As matrizes são providas de 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 (Figura 8). Figura 8: Processo de forjamento em matriz fechada 3.5 Aplicações dos Produtos Forjados 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 ligas, 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 Waspalloy, Astralloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) e de titânio. 13

15 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, tesouras, tenazes, facas, instrumentos cirúrgicos, entre outras, podem ser forjadas a partir de recortes de chapas laminadas. 3.6 Defeitos mais comuns dos Produtos Forjados Peças delgadas, como chaves de boca, alicates, tesouras, tenazes, facas, instrumentos cirúrgicos, entre outras, podem ser forjadas a partir de recortes de chapas laminadas. Muitos defeitos podem ocorrer quando se fala de forjamento de metais, ainda mais porque se trabalha com metais em altas temperaturas e sob elevadas cargas de pressão ou impacto, vamos exemplificar alguns que normalmente são os principais: Falta de Redução: Preenchimento incompleto do metal na cavidade da ferramenta. Isto ocorre porque o metal não fluiu como planejado na cavidade da matriz e não completou a peça, faltando partes da mesma, ou porque a força aplicada não foi suficiente para fazer isso. Trincas Superficiais: Rachaduras que aparecem na superfície da peça, que se deve ao excessivo trabalho na superfície da peça em temperatura baixa ou por fragilidade aquente inerente ao material (metal). Trincas nas Rebarbas: Rachaduras que aparecem nas regiões das rebarbas, após o rebarbamento (retirada do excesso de metal do forjamento). Aparecem porque o metal apresenta impurezas oriundas da fundição ou porque quando ao se rebarbar o esforço aplicado é muito lento, não cortando, mas sim arrancando a rebarba. Trincas Internas: Rachaduras que aparecem na parte interna da peça, ocorrendo devido às tensões originárias por grandes deformações, elevadas temperaturas de trabalho e impurezas presentes no metal. 14

16 Gota Fria: Aparente rachadura que apresenta o formato de uma ruga na superfície da peça e pode ser mais ou menos profunda. Isto ocorre devido a baixa temperatura de forjamento do metal ou da baixa temperatura de trabalho da matriz. 3.7 Vantagens e Desvantagens da aplicação do Forjamento Vantagens: Controlando a deformação durante o processo de forjamento, pode-se melhorar as propriedades mecânicas da peça produzindo um alinhamento direcional, melhorando assim propriedades de tensões, ductibilidade, impacto e resistência a fadiga. As fibras podem ser alinhadas na direção em pontos onde ocorrem máximas tensões. Menor custo de fabricação, pois se tem a mínima perda de material. Desvantagens: As peças a serem forjadas geralmente necessitam de usinagem antes do processo de forjamento. Os equipamentos são muito caros. 4. Extrusão Extrusão é o processo de conformação mecânica que consiste na compressão de um cilindro sólido, por exemplo, de metal alumínio, chamado de Tarugo ou Billet. Este tarugo é empurrado contra um orifício existente em uma matriz (molde ou ferramenta), com o intuito de fazer o material fluir por esse orifício e formar um perfil extrusado, sob o efeito de altas pressões e elevadas temperaturas de trabalho. 4.1 Extrusão Direta A extrusão direta trata-se do processo onde a matriz (ferramenta) fica fixa. O tarugo é colocado em um container (camisa) móvel. Os dois (camisa e tarugo) são aproximados e posicionados contra a matriz e um êmbolo (pistão) comprime este tarugo contra a matriz formando o perfil (Figura 9). 15

17 Figura 9: Processo de extrusão direta ou convencional 4.2 Extrusão Indireta ou Inversa A extrusão indireta trata-se do processo de extrusão onde a matriz, que é fechada, e o contâiner, estão fixos. O pistão, que dará o aperto no tarugo de alumínio que será extrudado, sempre é móvel, no entanto no processo de extrusão inversa o metal ao invés de escoar pela parte interna da matriz e sair do seu lado posterior, retorna sobre o pistão formando um copo ou um cartucho, por exemplo(figura 10). Figura 10: Processo de extrusão indireta ou inversa 16

18 4.3 Etapas do Processo de Extrusão Todo o processo de extrusão ocorre com o metal no estado sólido, diferente do processo de Injeção onde o metal está no estado líquido. A extrusão pode ser a frio ou a quente, sendo que normalmente quando é a quente o processo ocorre com o metal aquecido a uma faixa de temperatura que está diretamente atrelada ao metal e a liga que será extrudada. Pode-se dizer que a temperatura de extrusão para o alumínio, por exemplo, é de 450 a 540 graus Celsius, mas além do alumínio, é comercialmente comum extrusar os metais cobre, aços carbono e aços inoxidáveis. Uma extrusora basicamente comprime o metal aplicando elevadas Forças, geralmente em temperaturas também elevadas, contra uma matriz. Estas Forças dependem muito da geometria do produto a ser extrudado (se tubular ou maciço), do diâmetro (tamanho), da liga, e da quantidade de peças que serão extrudadas. O processo de extrusão é executado de duas maneiras distintas dependentes da temperatura e da ductilidade. A primeira é a extrusão a quente, e a segunda extrusão a frio. A extrusão a quente, é semelhante ao processo de injeção, onde o produto é injetado a alta pressão e temperatura numa forma vazada ou passa através de um molde de injeção contínua, tomando a forma de peça sólida semi acabada ou também a forma de vergalhão, para ser cortado (fatiado) no comprimento desejado.a extrusão a frio é semelhante ao processo de extrusão a quente e é a ductilidade do material a que dirá que tipo de processo será aplicado (quente ou frio). Nesse processo o material endurece por encruamento durante a deformação porque os grãos do material se quebram e assim continuam aumentando as tensões na estrutura e, consequentemente na sua dureza. 4.4 Defeitos mais comuns no Processo de Extrusão Com isso acrescenta-se uma maior vida útil a uma matriz e podem-se produzir mais peças com a mesma matriz sem que ela venha a se desgastar e se inutilizar. Apesar de todos os possíveis controles operacionais existentes, defeitos podem aparecer, são eles: Defeitos Superficiais: Trinca a quente - originária de temperaturas elevadas de trabalho. Arrancamento - originária da trinca da camada que fica estacionária dentro da "camisa" e que fica aderida na matriz. 17

19 Anel de Óxidos (Coring): Como o centro do tarugo move-se mais rápido que a superfície, gera-se uma zona de imperfeição que pode se apresentar no perfil no final da extrusão. No centro está o metal mais "limpo", com o mínimo de impurezas se comparado a superfície. Na superfície do tarugo existe uma camada de óxidos oriunda do resfriamento do tarugo, quando de sua fabricação e/ou solubilização. Esta camada de óxido normalmente é a última parte a ser extrudada, ou fica retida na pastilha sólida que será rejeitada quando a extrusão termina. Dependendo de como for o fluxo da extrusão, devido a geometria da matriz (perfil a ser formado), esta camada superficial pode se infiltrar e aparecer na superfície do perfil extrudado, não ficando retida na pastilha de alumínio (parte residual da extrusão). Este defeito pode ser muito grave, pois dada a utilização que terá o perfil, esta camada poderá ser um ponto fragilizante, já que mesma não proporciona um perfeito caldeamento (soldagem) do alumínio, na zona onde ela aparece. Isso é mais sério em perfis tubulares, mas também aparece em perfis sólidos. Somente retirando-se esta camada de óxido superficial existente no tarugo, é que se pode minimizar ou até eliminar a possibilidade de existência deste defeito, ou seja, para não se apresentar este defeito ele não deve estar presente é no tarugo. Bolhas: As bolhas podem ser originárias de vários motivos, desde a retenção de hidrogênio ou ar aprisionado no metal quando de sua fundição para a formação do tarugo, como de ar que fica aprisionado entre a matriz e a frente da pastilha de aço, ambos dentro da camisa. Nesta zona (matriz, alumínio, pastilha de aço e interno da camisa) pode acontecer o acúmulo de ar que não consegue ser expelido no momento da extrusão, migrando para a zona de extrusão e sendo expelido de dentro para fora no perfil extrudado. Pode aparecer tanto no início como no fim da extrusão. Recomenda-se que exista um espaço entre a pastilha de aço e o interior da camisa, para que este ar possa ser expelido. Casca de Laranja: A função do estiramento é de esticar e endireitar o perfil extrudado, trazendo-o para dentro das tolerâncias dimensionais exigidas por norma, ou pelo cliente, este estiramento se for feito em demasia, pode acarretar diferentes tensões entre a superfície do metal e seu interior, um deformando-se mais do que o outro, havendo assim um "enrrugamento" do perfil. Percebe-se este defeito com mais freqüência em peças (tubos) com paredes grossas e em vergalhões. 18

20 Solda Transversal: Muito similar ao defeito anterior. Trata-se da existência de óxidos superficiais indesejados na junção superfície de contato matriz e superfície de contato do tarugo. Ponta do tarugo. esta superfície oxidada de alumínio, pode se extender por toda a peça extrudado gerando pontos fragilizantes em peças com elevada responsabilidade mecânica e deve ser evitada. Proteção atmosférica seria uma alternativa, outra seria a usinagem, desbaste da ponta do tarugo. No caso de ficar alumínio retido no interior de uma matriz e a mesma ser reaquecida, existe a possibilidade desta camada de óxido ser mais espessa também originando este defeito. Deve-se minimizar ou eliminar qualquer tipo de óxido superficial existente no processo. Solda Longitudinal: Este tipo de defeito ocorre quando os óxidos, sejam eles oriundos do tarugo ou de alumínio que foi reaquecido em uma matriz, alinha-se longitudinalmente em todo o perfil extrudado. Este defeito é muito comum e visível em perfis tubulares redondos, onde no momento da extrusão o tarugo de alumínio é subdividido no interior da matriz. O tarugo leva com ele em cada parte, um pouco de óxido (normalmente da superfície do tarugo) que quando do momento do caldeamento (soldagem) não deixa que o metal realmente forme uma massa sólida e homogênea, gerando uma linha de óxidos em toda a extensão da peça extrudada. A cor dessa camada de óxido ressalta aos olhos, pois possui um tom escuro, cinza escuro, em todo o comprimento do perfil. Deve-se minimizar ou eliminar qualquer tipo de óxido superficial existente no processo. 5. Laminação Laminação é o processo de conformação mecânica que consiste em modificar a seção transversal de um metal na forma de barra, lingote, placa, fio, ou tira, etc., pela passagem entre dois cilindros com geratriz retilínea (laminação de produtos planos) ou contendo canais entalhados de forma mais ou menos complexa (laminação de produtos não planos), sendo que a distância entre os dois cilindros deve ser menor que a espessura inicial da peça metálica. A redução ou desbaste inicial dos lingotes (produtos padronizados da fundição, ver figura ao lado) em blocos, tarugos ou placas é realizado normalmente por laminação a quente. Depois dessa fase, segue-se uma nova etapa de laminação à quente para transformar o produto em chapas grossas, tiras a quente, vergalhões, barras, tubos, trilhos 19

21 ou perfis estruturais. Muitos ainda passam pela laminação a frio, que produz excelente acabamento superficial, com boas propriedades mecânicas e controle dimensional rigoroso do produto final. 5.1 Laminadores Um laminador consiste basicamente de cilindros (ou rolos), mancais, uma carcaça chamada de gaiola ou quadro para fixar estas partes, e um motor para fornecer potência aos cilindros e controlar a velocidade de rotação. As forças envolvidas na laminação podem facilmente atingir milhares de toneladas, portanto é necessária uma construção bastante rígida, além de motores muito potentes para fornecer a potência necessária. Dessa forma, o custo de uma moderna instalação de laminação é da ordem de milhões de dólares e são consumidas muitas horas de projetos, uma vez que esses requisitos são multiplicados para as sucessivas cadeiras de laminação contínua (chamado de tandem mill ). Os cilindros de laminação são de aço fundido ou forjado. Compoem-se de três partes (ver Figura 11): a mesa, onde se realiza a laminação, e pode ser lisa ou com canais; os pescoços, onde se encaixam os mancais; e os trevos ou garfos de acionamento. Os cilindros são aquecidos pelo material laminado a quente e é de grande importância um resfriamento adequado deles, usualmente através de jatos de água. Figura 11: Componentes de um cilindro de laminação 5.2 Processos de Laminação O processo mais simples é através do laminador duo, que pode ser reversível ou não. Nos duos não reversíveis, Figura 12-A, o sentido de giro dos cilindros não pode ser invertido, e o material só pode ser laminado em um sentido. Nos reversíveis, Figura 12-B, a inversão da rotação dos cilindros permite que a laminação ocorra nos dois sentidos de passagem entre os rolos. No laminador trio, Figura 12-C, os cilindros sempre giram no mesmo sentido. Porém, o material pode ser laminado nos dois sentidos, passando-o alternadamente entre o cilindro superior e o intermediário e entre o intermediário e o 20

22 inferior. À medida que se laminam materiais cada vez mais finos, há interesse em utilizar cilindros de trabalho de pequeno diâmetro que, apesar do custo ser mais elevado, pode-se ter maior precisão dimensional. Estes cilindros podem fletir, e devem ser apoiada em cilindros de encosto, Figura 12-D. Este tipo de laminador denomina-se quádruo, podendo ser reversível ou não. Quando os cilindros de trabalho são muito finos, podem fletir tanto na direção vertical quanto na horizontal e devem ser apoiadas em ambas as direções; um laminador que permite estes apoios é o Sendzimer, Figura 12-E. Outro laminador muito utilizado é o universal, que dispõe de dois pares de cilindros de trabalho, com eixos verticais e horizontais, Figura 12-F. Figura 12: Tipos de laminadores 5.3 Processos de Laminação a Quente Parte-se de blocos maciços e espessos, normalmente de metal, onde os mesmos são aquecidos e deformados plasticamente sob altas tensões e temperaturas, onde para o alumínio, por exemplo, na ordem de 350º Celsius (Temperatura de Recristalização), pelo esmagamento por compressão por cilindros laminadores lubrificados, reduzindo-se desta forma a sua espessura em diversos passes de laminação (+/- 50% por vez, a cada passe), num ciclo de vai e vem, ou no alinhamento de rolos de laminação. Nesta etapa do processo deseja-se uma redução maior redução da espessura do bloco e por consequência obtem-se um aumento de comprimento. A laminação a quente permite uma maior deformação (Figura 13). 21

23 Figura 13: Processo de laminação a quente 5.4 Processos de Laminação a Frio A laminação a frio é empregada para produzir tiras e folhas (a tira difere da folha pelo melhor controle dimensional) com acabamento superficial e tolerâncias dimensionais superiores, quando comparadas com as tiras produzidas por laminação a quente. Além disso, o encruamento resultante da redução a frio pode ser aproveitado para dar maior resistência ao produto final. Os materiais de partida para a produção de tiras de aço laminadas a frio são as bobinas a quente decapadas, resultantes dos trens contínuos de laminação. A laminação a frio de metais não ferrosos pode ser realizada a partir de tiras a quente ou, como no caso de certas ligas de cobre, diretamente de peças fundidas. máxima em cada passe. Normalmente, a porcentagem de redução menor é feita no último passe para permitir um melhor controle do aplainamento, bitola e acabamento superficial (Figura 14). Figura 14: Processo de laminação a frio 5.5 Aplicações Um dos produtos finais da laminação são as chamadas chapas laminadas. Estas chapas possuem uma ampla aplicação na vida moderna, sua utilização vai desde linha automotiva até a construção civil, passando por luminárias, tanques, painéis decorativos, etiquetas, 22

24 utensílios domésticos, barramentos, isolantes térmicos, latas para bebidas, telhas, forros, barcos, persianas, pisos, silos, dentre tantos outros. Como exemplo de material que pode ser laminado, adotamos o metal alumínio. Este metal quando é exposto a atmosfera, forma-se na sua superfície uma fina camada de óxido protetora, esta camada é invisível a olho nú, e a sua função é proteger o metal de oxidações posteriores, fazendo com que o mesmo tenha uma durabilidade muito maior. Esta característica para materiais laminados é espetacular, já que os mesmos apresentam muita superfície de contato do metal com o meio que o circula. Chapas laminadas de alumínio são facilmente encontradas em indústrias, protegendo e recobrindo máquinas e equipamentos, em ambientes agressivos aos metais em geral. Além disso, por não ser tóxico, facilmente encontram-se chapas laminadas de alumínio protegendo e embalando alimentos, desde marmitas até embalagens finas como tampas de potes de iogurte, por exemplo. Muitas panelas são feitas com chapas de alumínio laminadas, isso deve-se a propriedade que o metal possuir de alta condutibilidade térmica. Por não ser magnético encontram-se chapas laminadas de alumínio em muitos equipamentos eletrônicos delicados, protegendo-os. Exemplos não faltam para as possíveis aplicações do metal alumínio laminados. 5.6 Vantagens Elimina-se a superfície das mesmas por usinagem (fresagem), retirando qualquer tipo de impureza superficial resultante da solidificação e oxidação superficial, descasca-se o metal. Corta-se a ponta inferior e a última região de solifidificação (rechupe), formando assim um bloco homogêneo e maciço, sem impurezas e/ou falhas. Independentes do tipo de processo a ser adotado para se laminar um metal os produtos laminados podem ter aplicação imediata após a laminação, tais como trilhos, chapas, vigas e perfis. 5.7 Defeitos mais comuns no Processo de Laminação Vazios: São locais onde aparecem "buracos" no produto laminado, este defeito podem ser oriundos de rechupes ou dos gases retidos no metal, quando da sua fundição. Este tipo de defeito reduz a resistência mecânica do produto. Gotas Frias: São os pingos de metal que se solidificam na parede da lingoteira, durante o vazamento do metal na fundição e quando o líquido chega neste ponto 23

25 para preencher e formar o bloco que será laminado, adere ao mesmo e forma o defeito. Trincas: São rachaduras que aparecem nas peças laminadas e principalmente são oriundas de temperaturas inadequadas quando o metal é laminado. Dobras: São oriundas de reduções de espessura muito elevadas. Inclusões: São oriundas do processo de fundição, normalmente são óxidos, cinzas, escórias, pedaços da parede do forno de fundição, ou qualquer outro tipo de contaminação sólida inadequada no metal a ser laminado. Normalmente são óxidos metálicos e por serem muito mais duros que os rolos laminadores, provocam a deformação ou marcam os mesmos, chegando a deformá-los definitivamente. Por exemplo, os óxidos de alumínio, as inclusões de alumínio, são extremamente duras, mais duras até que o aço, material de que são feitos os rolos laminadores. Além disso o material laminado pode ficar empenamento, retorcido e fora de seção. 6. Trefilação A trefilação ocorre pelo racionamento de uma barra, fio ou tubo através de uma matriz com perfil semelhante. Desde que a seção transversal da matriz seja sempre menor que a peça trabalhada, o processo de trefilação ocasionara uma redução em área e um aumento no comprimento. Além disso, a trefilação é normalmente realizada a frio. Por este processo é possível obter produtos de grande comprimento contínuo, seções pequenas, boa qualidade de superfície e excelente controle dimensional. Na trefilação o material passa por um tratamento térmico de recozimento, quando é necessário restabelecer a ductilidade. 6.1 Tipos de Trefilação Trefilação a Frio 24

26 O processo de deformação a frio consiste em reduzir a secção transversal do tubo através de uma força de tração, utilizando ferramental externo (fieira) e interno (mandril). O tubo a trefilar primeiramente recebe um tratamento térmico, depois é decapado, fosfatizado e lubrificado antes da trefilação. Entre o diâmetro interno da fieira e o externo do mandril forma-se uma coroa circular, que corresponde a espessura da parede desejada, através da qual se traciona o tubo a trefilar. Neste processo, se reduz o diâmetro e a espessura, como também melhora a superfície interna e externa. Através da trefilação a frio, ocorre um encruamento do material, isto é: o limite de escoamento, a dureza e a resistência à tração aumentam e o alongamento diminui Trefilação a Quente Essa trefilação aplica-se a metais de rede CCC (Cúbico de Corpo Centrado) e raramente em metais de rede HC (Hexagonal Compacto). Por esses metais serem pouco maleáveis, é necessário aquecê-los até uma temperatura adequada em que obterão empacotamento igual às redes CFC, para poderem, então, serem trefilados. Após resfriamento recuperam sua característica original. 6.2 Defeitos Podem resultar em defeitos na matéria-prima (fissuras, lascas, vazios, inclusões) no processo de deformação. Quando a redução é pequena e o ângulo de trefilação é relativamente grande (tipicamente, quando D/L > 2) a ação compressiva da fieira não penetra até o centro da peça. Durante a trefilação as camadas mais internas da peça não recebem compressão radial, mas são arrastadas e forçadas a se estirar pelo material vizinho das camadas superficiais, que sofrem a ação direta da fieira. Tal situação (deformação heterogênea) gera tensões secundárias trativas no núcleo da peça, que pode vir a sofrer um trincamento característico, em ponta de flecha. A melhor solução é diminuir a relação D/L, o que pode ser feito empregando-se uma fieira de menor ângulo (a), ou então aumentando-se a redução no passe (em outra fieira com saída mais estreita). 25

27 7. Conformação de Chapas ou Estampagem Estampagem é um processo de conformação mecânica, geralmente realizada a frio, que engloba um conjunto de operações, onde a chapa plana adquire uma nova forma geométrica, plana ou oca. Esse processo só é possível devido à plasticidade dos metais. A estampagem da chapa pode ser simples, quando se executa uma só operação, ou combinada. Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricam-se peças de aço baixo carbono, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e de diferentes ligas não ferrosas e o latão 70-30, que tem um dos melhores índices de estampabilidade entre os materiais metálicos. Além do material, outro fator que se deve considerar nesse processo é a qualidade da chapa. Os itens que ajudam na avaliação da qualidade são: Composição química: deve ser controlada no processo de fabricação do metal. A segregação de elementos químicos, por exemplo, que pode estar presente no lingote que deu origem à chapa, causa o comportamento irregular do material durante a estampagem. Propriedades mecânicas: A dureza e resistência à tração, são importantíssimas na estampagem. Determinadas por meio de ensaios mecânicos, juntamente com dados sobre a composição química, geralmente são fornecidos nas especificações dos materiais, presentes nos catálogos dos fabricantes das chapas e padronizados através de normas. Especificações dimensionais: Ajudam no melhor aproveitamento possível do material, quando é necessário cortá-lo para a fabricação da peça. O ideal é obter a menor quantidade possível de sobras e retalhos que não podem ser aproveitados. O aproveitamento ideal envolve também o estudo da distribuição das peças na chapa. 7.1 Operações Básicas Corte Dobramento Estampagem Profunda ou Repuxo. Obs. Nem todo material podem passar pelas operações de estampagem. 26

28 7.1.1 Corte O corte é a operação de cisalhamento de um material na qual uma ferramenta ou punção de corte é forçada contra uma matriz por intermédio da pressão exercida por uma prensa. Em princípio, a espessura da chapa a ser cortada deve ser igual ou menor que o diâmetro do punção. As peças obtidas por corte, podem, eventualmente, ser submetidas a uma operação posterior de estampagem profunda. O corte permite a produção de peças nos mais variados formatos. Estes são determinados pelos formatos do punção e da matriz. Figura 16: Exemplos de corte Matriz para Corte matriz. Uma matriz de corte é composta principalmente por: Punção, guia da punção e Figura 15: Matriz para corte 27

29 O punção deve apresentar secção conforme o contorno desejado da peça a ser extraída da chapa; do mesmo modo, a cavidade da matriz. É muito importante o estabelecimento da folga entre o punção e a matriz. Essa folga depende da espessura da chapa e do tipo de material, que pode ser duro ou mole. Folgas muito grandes provocam rebarbas que podem ferir os operadores. As folgas pequenas provocam fissuras, ou seja, rachaduras, que causarão problemas nas operações posteriores. Quanto menores forem às espessuras das chapas e o diâmetro do punção, menor será a folga e vice-versa. Um corte, por mais perfeito que seja, sempre apresenta uma superfície de aparência "rasgada". Por isso, é necessário fazer a rebarbação, que melhora o acabamento das paredes do corte. Pode-se cortar papel, borracha e outros materiais não-metálicos com um punção de ângulo vivo. Nesse caso, o material fica apoiado sobre uma base sólida de madeira ou outro material mole. Figura 16: Rebarbação e corte com punção de ângulo vivo Dobramento No dobramento, a chapa sofre uma deformação por flexão em prensas que fornecem a energia e os movimentos necessários para realizar a operação. A forma é conferida mediante o emprego de punção e matriz específicas até atingir a forma desejada. Para comprimentos de dobra considerados pequenos, utilizam-se estampos que possuem a forma a ser dobrada. 28

30 Para fabricação de perfis dobrados ou alguns tipos de peças com comprimentos de dobras considerados grandes, utilizam-se prensas dobradeiras/viradeiras com matrizes e machos (punções) universais. Figura 17: Prensa dobradeira / viradeira e Dobramento de perfis Cantos vivos ou raios pequenos podem provocar a ruptura durante o dobramento. Materiais mais dúcteis como o alumínio, o cobre, o latão e o aço com baixo teor de carbono necessitam de raios menores do que materiais mais duros como os aços de médios e altos teores de carbono, aços ligados etc. O dobramento pode ser conseguido em uma ou mais operações, com uma ou mais peças por vez, de forma progressiva ou em operações individuais. Até atingir o formato final, o produto pode ser dobrado com o auxílio de apenas um estampo em uma única ou em mais fases ou, então, com mais de um estampo. Figura 18 Matriz de dobramento E para obter os variados formatos que o dobramento proporciona, realizam-se as seguintes operações: Dobramento simples e duplo. Dobramento em anel (aberto ou fechado) Nervuramento 29

31 Corrugamento Estampagem profunda ou repuxo O repuxo ou embutimento é uma operação de estampagem onde uma chapa, inicialmente plana, é transformada em um corpo oco sem que haja aparecimento de rugas e trincas. Ela é realizada a frio e, dependendo da característica do produto, em uma ou mais fases de conformação. Por esse processo, produzem-se panelas, partes das latarias de carros como páralamas, capôs, portas, e peças como cartuchos e refletores parabólicos. Figura 19: Funcionamento de processo de estampagem profunda ou repuxo As tensões que atuam no processo são diferentes em cada região da peça, gerando variações na sua espessura. Basicamente, existem quatro regiões com deformações distintas: Parte plana do fundo da peça cuja espessura final é praticamente a mesma do blank, quase não apresentando deformação; O raio do fundo da peça onde ocorre significativa deformação na espessura; O raio da matriz onde se verifica um aumento de espessura pelas diferenças entre as tensões de tração, compressão e a componente tangencial; As paredes laterais onde ocorre um decréscimo gradual da espessura até o fundo da peça. 7.2 Defeitos Um grande número de defeitos e falhas são encontrados na estampagem de chapas. A maioria dos defeitos em três classes principais: Erros de forma e dimensionais Defeitos no produto final ou na sua superfície. 30