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Processos de Conformação - Coggle Diagram
Processos de Conformação
Ensaios
de conformabilidade
Deformação plástica é medida pelo ensaio mecânico de tração
Curva tensão deformação
Buscam avaliar quantitativamente as características dos materiais metálicos sob condições específicas de solicitação
A 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
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
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
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 material ferramentas 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
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
Visão geral
O que é
Conjunto de processos de manufatura que usa a deformação plástica para mudar a forma do material
Material
Propriedades como baixa tensão de escoamento e alta ductilidade
Ferramenta aplica tensões: excedem o limite de escoamento do material
Tensões compressivas, trativas, de dobramento ou de cisalhamento
Processos de conformação de grandes volumes
Significante quantidade de deformações e grandes mudanças de forma
A razão área volume da peça é relativamente pequena
Conformação em chapas
Operações correlatas em chapas, tiras, bobinas
Razão área superficial/volume da peça é alta
Podem ser divididos em dois grupos
Processos mecânicos
Constituídos pelos processos de conformação plástica e pelos processos de conformação por usinagem
Processos metalúrgicos
conformação por solidificação
e conformação por sinterização
Podem ser classificados quanto:
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
A temperatura de trabalho
Trabalho mecânico a frio
Provoca o aparecimento do encruamento (aumento da resistência mecânica com a deformação plástica)
Trabalho mecânico a quente
Trabalho feito numa faixa de temperatura por um tempo em que o encruamento é eliminado pela recristalização do metal
Forma do material trabalhado
Tamanho da região de deformação
Tipo de fluxo de material
Tipo de produto obtido
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
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
Escorregamento
Maclação
Conceito de tensão
Pode-se definir uma tensão σ (vetor) aplicada nas vizinhanças de O (em ΔA) como sendo o limite da relação entre a força resultante aplicada sobre este ponto e o infinitésimo da sua área de atuação
σ = lim (ΔA ->0) P/ΔA
Esta tensão pode ser subdividida em um componente de força normal (perpendicular) à superfície ou tangente a esta
Denomina-se a tensão normal aquela oriunda de uma força perpendicular a esta superfície e quando a força é tangente, denomina-se tensão cisalhante
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 de um material ao longo de um determinado comprimento 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
Conformabilidade
O conceito de conformabilidade plástica está
intimamente relacionado à capacidade de promover-se 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 mantém-se íntegro
Abrange também
a análise da integridade das ferramentas
Equipamentos empregados no processo,
caracterizando o que se denomina de capacidade do processo
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:
relacionadas com o material trabalhado
composição química
tamanho e forma granular
porcentagem, distribuição, morfologia, tamanho e natureza de precipitados e soluções sólidas
relacionadas ao processo de conformação
grau de deformação
taxa de deformação
temperatura
atrito
estado de tensão
Tipos
Extrusão
Visão geral
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
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 da 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
Baixo atrito: presença de fluido
Médio atrito: produz zona neutra de metal que sofre pequena deformação
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
Trefilação
Visão geral
Barra: redução é de 50%; múltiplos passes: redução entre 20 – 25%
Limitação: redução máxima por passe ser limitada a aquela que mantenha as tensões abaixo da tensão de escoamento
Trefilação de arames: estiramento de bobina passando por uma série de matrizes
Carregamento: “compressão indireta”
Deformação plástica ocorre pelas tensões de tração e pelas tensões de compressão oriundas da reação da matriz sobre o metal
Matéria prima é estirada em matriz em forma de canal convergente por meio de força trativa aplicada ao lado de saída da matriz
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 aos sistemas 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
Quanto ao modo 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
Quanto ao diâmetro dos fios trefilados
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
Forjamento
visão geral
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 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
Etapas
Corte do material
Aquecimento
Pré-conformação (forjamento livre)
Forjamento em matriz fechada
Rebarbação
Visão geral
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
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
Conformação de chapas finas
Visão geral
Conformar uma chapa plana à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção
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)
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
exemplo
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)
Laminação
Laminação Convencional
Visão geral
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
Processo proporciona alta produtividade e controle dimensional
Forças de atrito: “puxam” o metal entre os cilindros
Formas: barra, lingote, placa, fio, tira, etc.
Material é submetido a tensões compressivas
elevadas: ação de prensagem dos rolos
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
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
Processo manesmann
Desenvolvido 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 125 mm
Comprimentos até 28 m
Laminação de roscas
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
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
Processos 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
Aspectos importantes
Atrito
Atrito é o mecanismo pelo qual se desenvolvem forças de resistência superficiais ao deslizamento de dois corpos em contato
Alguns processos: 50% da energia é pra vencer o atrito
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 deum processo de “arar” o metal mais duro sobre a superfície do mais macio
porque o atrito é indesejado:
Aumento da demanda de força e potência
Causa tensões residuais e defeitos
Elevação da temperatura
Fluxo do metal é retardado
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
Temperatura
tem grande influência na resistência mecânica (junto com a taxa de deformação)
Aumento da temperatura reduz o limite de
escoamento
Processos de conformação a altas temperaturas tem altas taxas de deformação
Deformação plástica a temperatura ambiente causa encruamento
o que caracteriza um encruamento:
deformação permanente
aumento geral na resistência mecânica
decréscimo da ductilidade
interação das discordâncias entre si com outras barreiras, que diminuem ou restringem o seu movimento através da rede cristalina
Deformação plástica
causa aumento no número de
discordâncias (por cm³)
Taxa de encruamento
quanto a taxa de resistência
mecânica muda com a deformação plástica
Efeitos do encruamento são reversíveis
Propriedades podem voltar aos níveis originais
Recozimento
aquecimento a uma temperatura
específica por um determinado período de tempo
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
Chumbo, estanho, cádmo: em torno da temperatura ambiente
Aço: acima de 900 °C
Fio de tungstênio: 1200 a 1500 °C
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
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)
Trabalho 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
Trabalho a quente
Temperatura > 0,6 Tm
Temperatura acima da temperatura de recristalização
Limite de escoamento diminui, ductilidade aumenta
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
Lubrificantes
Finalidade
Interface peça ferramenta: reduzir o atrito
Atuar como barreira térmica
Minimizar a corrosão
Características
Facilidade de aplicação e remoção
Ausência de toxidade, odor, flamabilidade
Ausência de reatividade com a superfície da peça
Molhabilidade
Fluidez
Custo
Exemplos
Óleos minerais
Saponáceos
Grafite
Vidros fundidos
Serragem