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Processos de Conformação - Coggle Diagram
Processos de Conformação
Introdução
- Conjunto de processos de manufatura que usa a deformação plástica para mudar a forma do material
- Ferramenta aplica tensões: excedem o limite de escoamento do material
Tensões compressivas, trativas, de dobramento ou de cisalhamento
- Material: propriedades como baixa tensão de escoamento e alta ductilidade
Conformação de grandes volumes
- Significante quantidade de deformações e grandes mudanças de forma
- A razão área volume da peça é relativamnete pequena
Conformação em chapas
- Operações correlatas em chapas, tiras, bobinas
- Razão áreas superficial/volume da peça é alta
-
Podem ser classificados quanto
- Ao tipo de esforço predominantes
- A temperatura de trabalho
- Forma do material trabalhado
- Tamanho da região de deformação
- Tipo de fluxo de material
- Tipo de produto obtido
Ao tipo de esforço predominante:
- Por compressão direta: forjamento e laminação
- Por compressão indireta: trefilação, extrusão, embutimento
- Por tração: estiramento de chapas
- Por cisalhamento: torção de barras e corte de chapas
- Por flexão: dobramento livre, dobramento de matriz e calandragem
Temperatura de trabalho
- Trabalho mecânico a frio: provoca o aparecimento do encruamento (aumento da resistência mecânica com a deformação plástica)
Fundamentos
Deformação Plástica
- Peça metálica tracionada: passa por deformação elástica posteriormente por deformação plástica
- Tensão limite entre essas deformações: limite de escoamento (resistência mecânica)
- Ductilidade: grau de deformação permanente antes da ruptura
Elementos de cristalografia
- Os sólidos formados pelo agrupamento de átomos sob determinada ordem são denominados cristais
- Essa estrutura forma uma rede de pontos no espaço denominado reticulado cristalino (cada ponto e vizinhança são idênticos aos demais)
- Os pontos do reticulado cristalino localizam as posições dos átomos; forma geométrica dessa posição define a estrutura cristalina.
Estrutura cristalinaOs cristais metálicos se cristalizam nos sistemas:
- Hexagonal compacto: planos de átomos justapostos; maior densidade de empacotamento; empilhamento ABABAB...
- Cúbico de face centrada: no terceiro plano de empilhamento os átomos ficam perpendiculares ao primeiro plano. sequência ABCABCABC
- Cúbico de corpo centrado: sua célula unitária se caracteriza por apresentar um átomo em cada vértice de um cubo e um átomo no centro desse cubo
Mecanismo de deformação plástica
- Quando se atinge a tensão limite de escoamento (durante a solicitação mecânica de um corpo metálico) o corpo inicia a deformação plástica
- Dois mecanismos estruturais básicos podem estar presentes no cristal durante o processo de deformação plástica: escorergamento e maclação
Conceito de tensão
- Esse conceito não oferece informações sobre o carregamento metálico (estado de tensões atuante, a posição relativa da tensão, a real capacidade de produção de escoamento, etc.)
- Deve-se desenvolver dois conceitos:
- conceito de tensor de tensões
- conceito de tensão no ponto (ponto material)
As tensões e o estado de tensões de um corpo podem variar ponto-a-ponto, de acordo como as forças são aplicadasNa prática as tensões não são homogeneamente distribuídas, pelas seguintes razões principais:
- o ponto de aplicação/transferência de carga não é homogêneo
- a geometria do material não é homogênea
- o material apresenta descontinuidades internas
- as propriedades mecânicas e/ou condição de contorno variam, entre outros
Conceito de deformação
- É a razão entre a diferença das dimensões finais e iniciais
de um material dividido (normalizado) pelo valor inicial
desta dimensão
- Deformação cisalhante: relação entre o deslocamento (a) de um material ao longo de um determinado comprimento (h) por meio de uma tensão de cisalhamento
- A deformação de engenharia é uma grandeza adimensional e representa um valor médio específico da deformação tomado sobre a extensão do segmento observado
- A tensão correspondente ao carregamento F (próximo slide) pode ser obtida pela simples aplicação do princípio do equilíbrio, utilizando o corte de uma porção da viga
Conformabilidade
- O conceito de conformabilidade plástica está intimamente relacionado à capacidade de promoverse a modificação da forma de um material metálico sem acarretar defeitos que inviabilizem seu uso
- Associa-se o termo conformabilidade às condições limites de deformação nas quais o material mantémse íntegro
- Análise da integridade das ferramentas
- equipamentos empregados no processo,
caracterizando o que se denomina de capacidade do processo
A conformidade depende:
- do tipo de material trabalhado (preponderantemente a morfologia granular e a presença e distribuição de partículas)
- da temperatura de trabalho
- do estado de tensão
- dos gradientes de deformação desenvolvidos
Estado de tensão e gradiente de deformação dividem duas classes de processos:
1) Em que predominam estados simples de tensão, comumente tração e nos quais as deformações localizam-se em regiões específicas da peça
2) Em que o estado de tensão é mais complexo, envolvendo tanto tensões de tração como de compressão compostas, além de apresentarem deformações em praticamente todas as regiões do corpo deformado
Variáveis que influenciam a conformabilidade:1) Às relacionadas com o material trabalhado
- composição química
- tamanho e forma granular
- porcentagem, distribuição, morfologia, tamanho e
natureza de precipitados e soluções sólidas
2) Às relacionadas ao processo de conformação
- grau de deformação
- taxa de deformação
- temperatura
- atrito
- estado de tensão
Ensaios de conformabilidade
- Deformação plástica é medida pelo ensaio mecânico
de tração
- Curva tensão deformação
- Demais propriedades são determinadas através dos
ensaios de conformabilidade
- Buscam avaliar quantitativamente as características dos materiais metálicos sob condições específicas de solicitação
- análise dos resultados obtidos fornece informações aproximadas do comportamento plástico quando conformados pelos diversos processos
Classificações:
- Os ensaios podem ser classificados quanto ao tipo de processo que se deseja avaliar, caracterizando o que se denominou forjabilidade e estampabilidade
- Ao tipo de ensaio realizado: ensaios de laboratório e
ensaios de fabricação
Ensaios de laboratório
- O estado de tensão presente é conhecido e pode ser adequadamente controlado, assim como a temperatura e taxa de deformação
- Ensaios de: tração, compressão, torção
Ensaios de torção
- No ensaio de torção pode-se atingir níveis elevados de deformação e de taxa de deformação sem que se observe o “empescoçamento”
- O atrito não influencia o comportamento do material ensaiado; isso faz com que a torção seja muito empregada em ensaios a quente
- Como desvantagem tem-se no ensaio de torção uma grande reorientação do material quando submetido a grandes deformações
- Situação não corresponde ao que normalmente se observa nos processos de conformação
Ensaios de compressão
- No ensaio de compressão, ou recalque, de cilindros, não há os efeitos de “empescoçamento” e de reorientação cristalina propiciando grandes deformações até romper-se o material ensaiado
- As condições de lubrificação na interface materialferramentas podem ser controladas de modo a uniformizar a deformação ao longo da altura do corpo-de-prova, evitando o efeito de “embarrilamento”
- A grande dificuldade desse tipo de ensaio reside na manutenção de uma taxa de deformação constante, que exige o uso de equipamentos especiais
- É empregado para caracterização de materiais a temperaturas elevadas: necessita de dispositivos para não ocorrer o resfriamento diferenciado ao longo do corpo-de-prova que causaria a localização de escoamento e consequente instabilidade plástica
Ensaios de Dobramento
- O ensaio de dobramento é empregado para avaliar a conformabilidade de placas espessas e é normalmente realizado a frio
- Pode-se determinar a ductilidade de um material metálico através do ângulo de dobramento atingido quando de sua falha
Ensaios de fabricação
- Apresentam uma maior complexidade de execução e em sua maioria, não se encontram normalizados
- Esses ensaios buscam reproduzir as condições verificadas nos processos de conformação e por isso exigem equipamentos e dispositivos mais elaborados do que os universais empregados nos ensaios de laboratório
Destacam-se os:
- Ensaio de compressão sob deformação plana
- Ensaio de indentação em meia-largura
- Ensaio de tração secundária (modificado do anterior)
- Ensaio de compressão de anéis útil para avaliação do coeficiente de atrito
- Para avaliação da estampabilidade são empregados ensaios de fabricação que reproduzem os estados de tensão presentes nos processos de estampagem:
- Ensaio Erichsen (relacionado ao estiramento sob punção semiesférico)
- Ensaios de Swift Ensaios de Siebel-Pomp nos quais avaliam-se as condições limites de embutimento profundo
-
Atrito e lubrificação
Atrito
- Alguns processos: 50% da energia é pra vencer o atrito - Atrito é o mecanismo pelo qual se desenvolvem forças de resistência superficiais ao deslizamento de dois corpos em contato
- A causa primordial para o atrito entre materiais metálicos correlaciona-se com o contato entre pequenas regiões ao longo das superfícies deslizantes
- Helman e Cetlin (1983) apontam que as forças de atrito parecem ter sua origem na resistência ao cisalhamento destas uniões
- Estas forças podem também se originar como resultado de um processo de “arar” o metal mais duro sobre a superfície do mais macio
Atrito é indesejado
- Fluxo do metal é retardado
- Elevação da temperatura
- Causa tensões residuais e defeitos
- Aumento da demanda de força e potência
- Desgastes das ferramentas
- Facilitar o “agarramento” das ferramentas de conformação com o metal a ser conformado
- Aumento do consumo de energia necessária à deformação, diminuindo a eficiência
LubrificantesFinalidade
- Interface peça ferramenta: reduzir o atrito
- Atuar como barreira térmica
- Minimizar a corrossão
Características dos lubrificantes
- Facilidade de aplicação e remoção
- Ausência de toxidade, odor, flamabilidade
- Ausência de reatividade com a superfície da peça
- Molhabilidade
- Fluidez
- Custo
Exemplos de lubrificantes
- Óleos Minerais
- Saponáceos
- Grafite
- Vidros Fundidos
- Serragem
Laminação
Laminação convencional
Conceito
- Modificar a seção transversal pela passagem do material entre dois cilindros com geratriz retilínea ou contendo canais entalhados
- Distância entre os dois cilindros deve ser menor que a espessura inicial da peça metálica
- Formas: barra, lingote, placa, fio, tira, etc. - Processo proporciona alta produtividade e controle dimensional
- Material é submetido a tensões compressivas elevadas: ação de prensagem dos rolos
- Forças de atrito: “puxam” o metal entre os cilindros
Etapas
- Redução ou desbaste inicial: laminação a quente
- Nova etapa: redução ainda com laminação a quente
- Laminação a frio: produto com excelente acabamento superficial
Trabalho a quente
- Requer menos energia mecânica
- Reduz heterogeneidades da estrutura do material
- Eliminação de bolhas de gás e porosidade
- Operações a quente: múltiplos passes
Laminador
- Cilindros, mancais, carcaça (gaiola), motor
- Forças podem atingir milhares de toneladas
- Construção rígida e motores potentes Duo, trio, quádruo
- Medida que se laminam materiais mais finos: cilindros de trabalho de pequeno diâmetro
- Minimizar o risco dos cilindros fletir: apoiar em cilindros de encosto
Cilindros
- Aço fundido ou forjado, ferro fundido (coquilhado ou não)
-Resfriamento: Jato d'água
Mancais
- De fricção: pescoço gira sobre casquilhos de bronze, madeira, etc.
- Rolamento
- A filme de óleo sob pressão
Processo manesmann
ConceitoDesenvolvido pelos irmãos Manesmann (1885) na Alemanha:
- Laminação de tubos sem costura
- “Sem costura”: diferenciar tubos originados de tiras soldadas
- Passagem de uma barra redonda maciça entre dois rolos de dupla conicidade
- Os eixos dos rolos se cruzam sob certo ângulo: estão inclinados em relação ao sentido de passagem da barra
- A orientação dos rolos origina um momento torçor e um avanço em sentido axial
- Rolos fazem com que a barra gire: compressão progressiva e cíclica no mandril
- Tensões de ruptura elevadas no seu centro
- Estado de tensão no centro provoca ruptura de material nessa área: barra abre e contorna o perfil, formando o tubo
- Temperaturas 1.200 a 1.300 °C
- Diversas operações são feitas para ajuste dos diâmetros
- Diâmetros entre 60 a 660 mm; espessura de paredes 3 e 125mm
- Comprimentos até 28 m
Laminação de roscas
Conceito
- Conformar o arame laminado entre “pentes”
- Pentes: ranhuras dos filetes (passo helicoidal)
- Processo é feito a frio: filetes com elevada resistência mecânica e com tensões residuais compressivas (melhorando a resistência a fadiga)
- Dependendo do produto:
- Laminação seguida de tratamento térmico – têmpera e revenido
- Tratamentos superficiais - zincagem
- Parafusos de aço carbono, aços ligas, aços inoxidáveis, ligas de alumínio e cobre
- Usinagem: no caso da laminação é recomendada para altos lotes de produção
Laminação transversal
Conceito
- Cross-rolling ou roll forming
- Redução de uma seção de peça retangular ou cilíndrica para passagem em um conjunto de rolos que giram em direção oposta
- Rolos possuem entalhe de acordo com as formas desejadas na peça
- Entalhes causam fluxo plástico do material na direção paralela aos rolos de laminação
- Rolos rotacionam somente uma vez na parte da peça em que a deformação é desejada
- É um processo “preliminar” como na fabricação de virabrequins
Forjamento
Conceito
- Origem: trabalho dos ferreiros, séculos antes de Cristo
Nome genérico para operações de conformação mecânica efetuada com esforço de compressão para que o material assuma a forma ou perfil da ferramenta de trabalho
- Ferramental: par de ferramentas de superfícies plana ou côncava denominada matriz ou estampo
- Maioria das operações é efetuada a quente
- Parafusos, pinos, porcas, etc.: forjamento a frio
Forjamento - escopo
- Forjamento em matriz aberta
- Forjamento em matriz fechada
- Operações correlatas
Forjamento em Matriz aberta
- Material é conformado entre matrizes: forjamento em matriz aberta que não se tocam - Metal aquecido é submetido ao impacto de um martelo
- Acionado por sistema pneumático ou queda livre
- Fluxo do metal não é confinado - Peças com grandes dimensões acabadas que sejam grandes, com geometria simples e pequena escala
- Eixos de navios e de turbinas, ganchos, âncoras, correntes
- Pode ser empregada como primeira de uma série de etapas - Facilitar a obtenção de geometria complexa através de matriz fechada ou usinagem
Forjamento em matriz fechada
- Material é conformado entre duas metades de matriz que possuem impressões com o formato que se deseja fornecer a peça
- Deformação ocorre sob alta pressão em cavidade fechada ou semifechada
- Produção de peças com tolerâncias dimensionais menores
- Matriz fechada: precisão na quantidade de material fornecida na cavidade
- Matriz provida de zona oca nas laterais: recolher material excedente ao término do preenchimento da cavidade principal – rebarba
- Formação da rebarba: matriz totalmente preenchida
Etapas
- Corte do material
- Aquecimento
- Pré-conformação (forjamento livre)
- Forjamento em matriz fechada
- Rebarbação
Considerações econômicas
- Lotes viáveis > 10.000 peças
- prensas de até 33.000 toneladas
- Projeto: Complexidade da peça
Equipamentos
- Martelos de forja: deformam o material através de rápidos golpes de impacto
- Prensas: deformam o material por compressão contínua com velocidade relativamente baixa
-
Extrusão
Conceito
- Conformação por compressão no qual o metal é forçado a fluir através de uma matriz com forma desejada para produzir seção reduzida
- Geometria da matriz permanece inalterada
- Classificação: perfis sólidos, perfis tubulares, semitubulares
- Perfis tubulares
- Utiliza-se mandril interno que move independente do pistão
- Matriz tipo estrela
Tipos de extrusão
- Direta: tarugo cilíndrico é colocado numa câmara e forçado através de uma abertura da matriz por um pistão hidráulico
- Indireta: tarugo é colocado em uma câmara e a matriz se desloca na direção do tarugo
- Hidrostática: diâmetro do tarugo é menor do que o da câmara, que é preenchida por um fluido
- É efetuada geralmente a temperatura ambiente; óleo vegetal como fluido
- Atrito praticamente nulo; ponta do tarugo tem que ser cônica
Variáveis de extrusão
Razão de extrusão: é a razão da área inicial da seção transversal do tarugo com a área final da seção transversal depois da extrusão
- 40:1 para o aço (processo a quente) e 400:1 para o alumínio
Fator de transformação: é a razão entre a área da seção transversal do recipiente e a área da seção transversal do perfil multiplicado pelo número de furos
- Ligas de alumínio de baixa dureza: valor ideal 70 para perfis sólidos e 60 para tubulares
Temperatura de trabalho: não deve exceder a temperatura solidus, onde se inicia a formação de fase líquida – evitar fissuras
- Não aquecer próximo a temperatura de fusão: impurezas de fusão menores fundirão nos contornos de grão – “fragilidade a quente”
- Atrito provoca aquecimento do tarugo: oxidação
Velocidade de extrusão: maior velocidade gera maior taxa de deformação; maior temperatura
- Alta temperatura agravada pela redução do tempo para dissipação do calor gerado
- Baixa velocidade: há grande dissipação de calor
Condições de atrito:
- (a) Baixo atrito: presença de fluido
- (b) Médio atrito: produz zona neutra de metal que sofre pequena deformação
- (c) Alto atrito: desenvolve-se um plano de cisalhamento interno
EquipamentosPrensas hidráulicas
- Controle da velocidade de operação e o curso
- Força pode ser mantida constante para um longo curso: extrusão de peças longas
- Prensas hidráulicas verticais: extrusão a frio, menor capacidade, ocupam menos espaço
- Prensas excêntricas: extrusão a frio e por impacto; produção em série de pequenos componentes
- Prensas especiais: operações de múltiplos estágios; seção transversal progressivamente reduzida
Produtos
- Produtos longos com seção transversal uniforme
- Seção entre 1 a 100 mm; ligas de alumínio
- Peças estruturais, tubos de cobre, esquadrias
Trefilação
Conceito
- Matéria prima é estirada em matriz em forma de canal convergente por meio de força trativa aplicada ao lado de saída da matriz
- Deformação plástica ocorre pelas tensões de tração e pelas tensões de compressão oriundas da reação da matriz sobre o metal
- Carregamento: “compressão indireta”
- Trefilação de arames: estiramento de bobina passando por uma série de matrizes
- Limitação: redução máxima por passe ser limitada a aquela que mantenha as tensões abaixo da tensão de escoamento
- Barra: redução é de 50%; múltiplos passes: redução entre 20 – 25%
- Dependendo do material: tratamento térmico antes da trefilação e/ou entre os vários passes
- Usado para reduzir o diâmetro da parede de tubos sem costura
Máquinas de trefilação
- Classificadas em três critérios:
- Quanto ao modo que exercem o esforço
- Quanto aos sistemas de lubrificação
- Quanto ao diâmetro dos fios trefilados
Modos que exercem o esforço
- Sem deslizamento: Possui sistema de tração do fio, constituído de anel tirante Anel primeiro acumula o fio trefilado, depois permite o movimento para segunda fieira
- Com deslizamento: Fio parte de uma bobina – desbobinadeira - roldana - primeira fieira – tracionado – alinhado com a segunda fieira – segunda fieira – etc.
Sistema de Lubrificação
- Máquinas com sistema de imersão – fieira e anéis permanecem imersos no líquido lubri-refrigerante
- Máquinas com sistema de aspersão – fieira recebe um jato de líquido lubri-refrigerante
ProdutosArames e fios que são empregados em:
- Condução elétrica, equipamentos eletrônicos, cabos, molas, instrumentos musicais, clips de papel, cercas, eletrodos para soldagem, etc.
- Barras redondas: diâmetro superior a 5 mm
Conformação em chapas
Conformação de chapas finasConformar uma chapa plana à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção
- Corte
- Dobramento
- Estampagem
Na operação principal de conformação:
- Alongamento e contração das dimensões de todos os elementos de volume
- Chapa plana adquire uma nova forma geométrica
Prensas:
Mecânicas: energia armazenada num volante e transferida para o cursor móvel no êmbolo da prensa
Hidráulicas: são de ação mais lenta, mas com golpes mais longos e com maior força
Ferramentas:
- Punção: elemento móvel; ferramenta convexa que se acopla com a matriz
- Matriz: elemento fixo, ferramenta côncava
- Necessidade de alinhamento: mantê-las montadas
Corte de chapas
- Pressão exercida por punção ou uma lâmina de corte
- Esforço de compressão converte-se em esforço cisalhante (esforço cortante)
- Separação brusca de uma porção da chapa
- Chapa é levada até a ruptura nas superfícies em contato com as lâminas - Aresta de corte apresenta três regiões
- Uma rugosa (superfície da trinca da fratura)
- Uma lisa (atrito da peça com as paredes da matriz)
- Uma arredondada (deformação plástica inicial)
- Qualidade das arestas cortadas não é a mesma das usinadas
- Planejamento do corte: aproveitamento das chapas
- Projeto de corte: folga entre o punção e a matriz – folga varia em função da espessura (e) Aço doce e/20; aço duro e/14
Dobramento
- Tira metálica é submetida a esforços aplicados em duas direções opostas: provocar flexão e deformação plástica
- Há um raio de dobramento abaixo do qual o metal trinca na superfície externa: raio mínimo de dobramento
- Raio de dobramento 3: indica que o metal pode ser dobrado formando um raio de 3 vezes a espessura da chapa
- Deve-se considerar a recuperação elástica do material (efeito mola) para se obter as dimensões finais
- Recuperação elástica será maior quanto maior for o limite de escoamento, menor o módulo de elasticidade e maior deformação plástica
Estampagem profunda ou embutimento
- Chapa plana (“blank”) adquira a forma de uma matriz imposta pela ação de um punção
- Ex: pára-lamas, panelas, latinhas de alumínio Rendimento do processo: lubrificação (reduzir esforços e desgaste do ferramental)
- Indicados óleos para extrema pressão: óleos minerais com aditivos (Cl, Pb, P, gorduras orgânicas, etc.)
- Pressão no prensa chapas:
- Pequena: rugas nas laterais da peça
- Grande: ruptura da peça
- Deve haver folga suficiente entre a matriz e o punção
- Profundidade de copos muito elevada: utilizar sequência de operações com diâmetros decrescentes (da matriz e do punção)
Processo correlatosRepuxamento: chapa axialmente simétrica é gradualmente conformada sobre um mandril pela ação de uma ferramenta
- Ferramenta aplica pressão bem localizada, no ponto de contato
- Geometrias obtidas: cones, semiesferas, tubos e cilindros, etc.
Conformação por explosão:
- Uma carga explosiva é usada para conformar uma chapa ou uma placa na cavidade da matriz
- A chapa é fixa e selada na matriz, criando-se vácuo no espaço entre as mesmas Chapa e matriz são mergulhados dentro de um tanque com fluído (água) com a carga explosiva a uma certa distância
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