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

Processos Mecânicos

Constituídos pelos processos de conformação plástica e pelos processos de conformação por usinagem

Processos Metalúrgicos

Conformação por solidificação e conformação por sinterização

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)

Estrutura cristalina

Os 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 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

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

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 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

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

• Recuperação: tensões nas regiões deformadas são aliviadas
• Recristalização: formação de grãos axiais livres substituindo os grãos originais deformados
• Temperatura de recristalização: temperatura em que a recristalização completa ocorre em aproximadamente uma hora
• Crescimento de grão: temperatura continuar a aumentar os grãos recristalizados começam a crescer, excedendo os tamanhos dos originais
• Decréscimo da dureza e aumento da ductilidade

Conformação ou trabalho a frio

• Temperatura < 0,3 Tm (temperatura de fusão em Kelvin)
• Temperatura ambiente
• Alta potência e forças
• Necessário (em alguns casos) recozimento
• Boa precisão dimensional (inexistência da contração de resfriamento)
• Bom acabamento (inexistência de oxidação)

A morno

• Temperatura 0,3 a 0,6 Tm
• Material aquecido abaixo da temperatura de recristalização
• Ocorre a recuperação dinâmica (tensões são aliviadas nos grãos)
• Combinar vantagens da conformação a frio e a quente
• Precisão dimensional e acabamento
• Formas complexas sem oxidação excessiva

Benefícios

• Menores força e potência
• Metais que fraturam a frio podem ser trabalhados
• Peça é isotrópica em relação às propriedades mecânicas
• Altas temperaturas eliminam ou reduzem as heterogeneidades químicas
• Defeitos, como poros, são reduzidos ou eliminados

Limitações

• Precisão dimensional pobre
• Oxidação ou descarbonetação (aços)
• Alto consumo de energia
• Vida útil dos equipamentos e ferramentas de conformação diminuídas

Temperatura de recristalização

• Chumbo, estanho, cádmo: em torno da temperatura ambiente
• Aço: acima de 900 °C
• Fio de tungstênio: 1200 a 1500 °C
  

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

Exemplos de lubrificantes

• Óleos Minerais
• Saponáceos
• Grafite
• Vidros Fundidos
• Serragem

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

• 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

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

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 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

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

Operação de recalque:

• Uma parte cilíndrica da peça é aumentada em diâmetro e reduzida em comprimento
• Matriz aberta ou fechada Frio, morno ou a quente
• Equipamento: recalcadora ou máquinas de forjamento por compressão

Forjamento rotativo:

• Operação que visa a redução do diâmetro de um tubo ou cilindro sólido
• Empregada geralmente em extremidades de peças para criar seção cônica ou afunilada

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

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

Equipamentos

Prensas 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

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

Produtos

Arames 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

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 correlatos

Repuxamento: 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

Apresentação do produto

• Recipiente fechado
• Cozimento rápido de alimentos através da imposição de altas temperaturas
• Sob condições normais de pressão (1 atm) a água ferve a 100°C ; com o aumento da pressão a temperatura de ebulição aumenta
• Aumento de 1 atm a temperatura de ebulição aumenta em cerca de 20 graus
• Temperatura maior de ebulição
• Cozinhar alimentos em temperatura mais alta Mais rapidamente
• Panela de pressão inventada pelo físico Denis Papin em 1861
• Princípio empregado em autoclaves para esterilização de material hospitalar, vasos de pressão, etc.
• Possui válvula superior: sob ação da gravidade bloqueia a passagem de vapor por um orifício
• Equilíbrio dinâmico entre a pressão interna e o peso da válvula
• Dois modelos: travamento interno e travamento externo
• Dimensões típicas: volume 4,5 litros, pressão interna 0,2 Mpa (2 atm), espessura de parede 3 mm, diâmetro de 20 cm, peso de 1,5 kg

Características e propriedades exigidas

• Resistência a pressão interna
• Produto deve ser leve
• Maior densidade do material, mais pesado será o componente fabricado
• Maior resistência do material mecânica: mais fina pode ser a parede e diminuição do peso final
• Relação resistência mecânica (σe) x densidade (ρ)
• Razão σe/ρ chamada de resistência mecânica específica
• Deve resistir a impactos (manuseio): alta resistência mecânica e alta tenacidade
• Boa Condutividade térmica
• Utensílio doméstico: boa aparência e acabamento
• Superfície lisa (limpeza)
• Inércia química: não pode reagir com alimentos em seu interior
• Superfície lisa (limpeza)
• Inércia química: não pode reagir com alimentos em seu interior
  

Material deve apresentar

• Resistência mecânica e tenacidade
• Baixa densidade
• Boa condutividade térmica
• Bom acabamento
• Boa resistência a corrosão

Aço INOX

• Condutividade térmica menor que do alumínio (Al = 155 W/m.K e aço inox = 17 W/m.k)
• Possui alta temperatura de fusão e resistência mecânica: torna processos de fabricação caros
• Dureza é maior que ligas de alumínio
• Processamento do aço inox encarece a fabricação
  

Ligas de alumínio

• Atendem bem os requisitos listados anteriormente
• Algumas ligas são bastante dúcteis, facilitando a conformação plástica a frio
• Atendem bem os requisitos listados anteriormente
• Algumas ligas são bastante dúcteis, facilitando a conformação plástica a frio

Processo de fabricação

• Conformação plástica a frio: boa precisão no encaixe da tampa; eliminando usinagem posterior
• Chapas com 3 mm de espessura
• Cortadas com punção na forma de discos
• Revestimento antiaderente: Teflon
• Tratamento de cura do filme: aquecimento em forno à 380 °C e 400 °C
• Discos são lubrificados e passam para o processo de estampagem profunda
• Peça tem a borda superior dobrada
• Prende-se o corpo em um mecanismo giratório e durante o giro, a peça é dobrada
• Borda superior é cortada em forma oval (encaixe da tampa)
• Pode ser usinada para correção de erros de planicidade no fundo
• Encaixe de cabos, válvulas e furos pode ser feitos por usinagem ou puncionamento

As tensões e o estado de tensões de um corpo podem variar ponto-a-ponto, de acordo como as forças são aplicadas

Na 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