Extrusão e Forjamento: Processos de Fabricação

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Extrusão e Forjamento
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de 
fabricação
Dr. Ronnie Rego
Dr. Alfredo R. de Faria
2
Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
3
Processos de Fabricação: Estrutura do Curso
Plasticidade Fundamentos da Conformação
Tecnologias de 
Conformação
Processos 
Não-Convencionais
 Comportamento 
mecânico
 Tipos de Falhas
 Análise de tensão 
e deformação
 Relações plásticas
 Escoamento 
plástico
 Classificação
 Modelos 
preditivos
 Influências: atrito, 
temperatura; taxa 
de deformação e 
anisotropia.
 Ensaios de 
conformabilidade
 Trefilação
 Laminação
 Forjamento
 Extrusão 
 Estampagem
 Estiramento
 Repuxamento
 Soldagem a Ponto
 Metalurgia do Pó
F
dx
4
 Conceituação dos processos de conformação de extrusão e forjamento
 Objetivos Específicos (para cada processo):
1. Prover definições fundamentais sobre o processo e cadeia, suas variantes 
tecnológicas e suas aplicações 
2. Apontar as influências principais sobre o processo
Objetivo da aula
5
Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
6
 Processo de conformação plástica 
em que bloco de metal é forçado a 
passar através de orifício de matriz 
por ação de compressão
 Pressões elevadas aplicadas por 
pistão acionado hidráulica ou 
pneumaticamente
 Produção de barras, tubos e perfis 
de geometria complexa, a partir de 
material fundido ou laminado
 Comumente conduzido a 
temperaturas elevadas (acima da 
recristalização)
– Sem processo de encruamento
Extrusão
7
 Processo de conformação plástica em que bloco de metal é forçado a 
passar através de orifício de matriz por ação de compressão
Extrusão
Curso do Pistão
Pr
es
sã
o 
de
 E
xt
ru
sã
o
1
2
3
4
1- Compressão Inicial
2- Breakthrough pressure (Pmax)
3- Escoamento do material extrudado
4- Efeito da redução do comprimento (↓escoamento)
8
 Extrusão Direta x Extrusão Indireta
Extrusão
 Extrusão Direta
– Pistão age sobre o tarugo 
forçando-o contra a ferramenta
 Extrusão Indireta (Inversa)
– Pistão se mantém fixo, com a 
ferramenta em sua extremidade
– Recipiente com o tarugo avançam 
na direção do pistão:
• Atrito inexistente
9
Curso do Pistão
Pr
es
sã
o 
de
 E
xt
ru
sã
o
 Extrusão Direta x Extrusão Indireta
Extrusão
DIRETA
INDIRETA
 Extrusão Direta
– Ferramental barato
– Necessita lubrificação
– Aparecimento de defeitos
 Extrusão Indireta (Inversa)
– Pistão oco: caro e pode 
flambar
– Exige menos esforço 
(atrito inexistente)
– Produto mais homogêneo
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 Variantes do processo de 
extrusão: Extrusão por Impacto
 Pistão desce rapidamente 
sobre o tarugo, que é 
conformado na direção 
contrária à de movimentação 
do pistão (similar à extrusão 
indireta)
 Processo usualmente 
conduzido a frio
 Geometria: folga entre pistão e 
matriz
Extrusão
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 Ferramental: Matriz de extrusão 
 Deve suportar altas pressões, choque térmico e oxidação
Extrusão: Equipamento
12
 Ferramental:
1. Material Extrudado
2. Suporte da Matriz
3. Matriz
4. Tarugo
5. Falso Pistão
6. Pistão Acionador
7. Recipiente: Bucha 
Interna (camisa)
8. Recipiente: Cilindro de 
Extrusão
Extrusão: Equipamento
13
 Barras, tubos e perfis de geometria complexa 
 A partir de material fundido ou laminado 
Extrusão: Produtos Extrudados / Aplicações
14
1. Diâmetro inicial
2. Intensidade da deformação da seção transversal (redução projetada)
3. Geometria da ferramenta
4. Força de compressão
5. Lubrificação (atrito entre material e recipiente)
6. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)
7. Temperatura de trabalho
8. Velocidade do processo
Extrusão: Fatores de Influência
Quantificação por 
relações geométricas 
e de deformação
15
 Relações geométricas e de deformação na extrusão
Extrusão: Fatores de Influência
Matriz
Recipiente
Ai, Di
Af, Df
 Razão de Extrusão (r) [%]
 Deformação principal (φP) [%]
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 Geometria da matriz
 FGES: Força total
 FRS: Força de atrito com a matriz 
(parte cônica)
 FSch: Força de cisalhamento 
(trabalho redundante)
 FId: Força ideal de deformação 
(sem atrito e cisalhamento)
 FRW: Força de atrito com o 
recipiente (parte cilíndrica)
Extrusão: Fatores de Influência
Ângulo 
ótimo
17
 Condição de Lubrificação
1. Deformação homogênea
– Baixo atrito, extrusão hidrostática, boa 
lubrificação
2. Atrito aumentado
– Início do trabalho redundante 
(cisalhamento não resultante em redução)
3. Atrito severo
– Escoamento da parte central e formação de 
casca na parede do recipiente
4. Extrusão indireta
– Atrito inexistente
Extrusão: Fatores de Influência
1 2
3 4
Zona 
Morta
18
 Cálculo da Carga e Pressão de Extrusão
 “Métodos Analíticos”
 Força total de extrusão (Pe) é dada pela soma da força na matriz (Pd) mais 
força de atrito (Pf): Pe = Pd + Pf 
 Assumindo tensão de atrito constante (i) a pressão no tarugo (pf) pode ser 
obtida pela equação de equilíbrio de força pfD2/4 = DiL
 A pressão total de extrusão é então pe = pd + pf = pd + 4iL/D
 Se pe e pd forem medidas acha-sei
 Usando teoria de campo (slip-line) pd = 0(a + b lnR), onde a e b são 
parâmetros dependentes da geometria
Extrusão: Fatores de Influência
19
Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
20
 Trabalho de um material para um 
formato útil por meio de 
martelamento ou prensagem
 Conformação é resultado de 
esforço de impacto ou de pressão
 Em geral conduzidos a quente
 Matriz pode ser aberta ou fechada
 Processo aplicado a produções de 
larga escala (amortizar custo do 
ferramental)
Forjamento
21
 Trabalho de um material para um 
formato útil por meio de 
martelamento ou prensagem
 Primeiro dos processo de 
conformação: fabricação de 
espadas (ferreiro)
 Avanço: equipamentos 
mecanizados com a I Revolução 
Industrial
Forjamento
22
 Forjamento a Quente
 Com aquecimento prévio
– Permite altas deformações
– Demanda baixa carga de 
conformação
– Menor precisão dimensional
 Forjamento a Frio
– Maior precisão dimensional
– Deformações limitadas
– Demanda alta carga de 
conformação
Forjamento: Classificações
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Forjamento: Classificações
 Forjamento com Matriz Aberta
 Geometria simples da matriz 
(em geral, plana)
 Componentes de grande volume e 
geometria simples
 Baixa escala de produção
 Preparação para processo de matriz 
fechada
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Forjamento: Classificações
 Forjamento com Matriz Fechada
 Alta pressão em cavidade fechada
 Melhor tolerância dimensional
 Alta escala de produção
25
 Processo conduzido em sequencia de etapas
Forjamento
26
 Classificação (por Kienzle)
1. Limitado pela Energia
– Martelos
2. Limitado pelo Curso
– Prensa mecânica
3. Limitado pela Carga
– Prensa hidráulica
Forjamento: Equipamento
1
2
3
27
 Limitado pela Energia
 Por Impacto: Martelo
 Efeito da gravidade: restrição 
da energia potencial (massa 
e altura do pistão)
 Alternativa: Acionamento 
auxiliado por ar comprimido: 
energia potencial e cinética
 Rápido: pouco tempo de 
contato (< 10 ms)
 Baixo custo do equipamento
 Restrito a baixas cargas de 
conformação (600 ton)
 Sem controle de carga e 
velocidade
Forjamento: Equipamento
Auxílio da pressão do ar: 
parcela adicional de 
energia cinética
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 Limitado pelo Curso
 Por Prensagem: Prensa Mecânica
 Conversão de movimento rotativo em 
alternativo
 Curso limitado pela excentricidade 
dos eixos
 Mais lento: esmagamento, não 
impacto
 Alto custo do 
equipamento
 Maior vida útil 
da ferramenta
 Permite altas cargas 
(12.000 ton)
Forjamento: Equipamento
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 Limitado pela Carga
 Por Prensagem: Prensa Hidráulica
 Pressão hidráulica acumulada 
movimenta pistão em um cilindro
 Em qualquer ponto do curso: carga 
máxima disponível(controlável)
 Controle da velocidade → controle 
da taxa de deformação
 Maior precisão dimensional
 Permite altas cargas de 
conformação (50.000 ton)
 O mais lento: conformação por 
esmagamento, não por impacto
 O mais alto custo de equipamento
Forjamento: Equipamento
30
 Ferramental: Matriz e Punção
 Altas tensões de compressão (~ 2000 MPa)
 Altas temperaturas (forjamento a quente)
 Choque mecânico (martelamento)
Forjamento: Equipamento
Matriz plana Matriz redondaMatriz em “V”
Diferentes geometrias de matriz para forjamento de matriz aberta
• Alta dureza
• Elevada Tenacidade
• Resistência à Fadiga
• Resistência mecânica a Quente
• Resistência ao Desgaste
31
 Geometria de ferramenta para eliminação de defeitos
Forjamento: Equipamento
32
 Geometria de ferramenta para eliminação de defeitos
Forjamento: Equipamento
plate dished swage
33
 Relação entre deformação efetiva e defeito
Forjamento: Equipamento
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
Ingot Height (mm)
Ef
fe
ct
iv
e 
St
ra
in
UPPER VOID WITHOUT VOID
VOID POSITION
EFFECTIVE STRAIN
0.617
34
 Distribuição de deformação efetiva
Forjamento: Equipamento
plate dished swage
840 mm 790 mm 820 mm
Deslocamento da matriz superior no instante da eliminação do defeito
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 Conclusões:
• Matriz “Dished” é mais eficiente na eliminação de defeitos no centro dos lingote 
pois apresentou o menor deslocamento final (790 mm);
• Matriz “Dished” requer mais força para o recalque;
• Matriz “Swage” obteve resultados intermediários;
• Pode-se relacionar eliminação de defeitos com deformação efetiva;
• A matriz mais eficiente para a eliminação de defeitos depende da posição dos 
defeitos.
Forjamento: Equipamento
36
1. Dimensões iniciais e dimensões finais planejadas
2. Geometria da ferramenta
3. Força de compressão
4. Atrito entre matriz e componente
5. Propriedades mecânicas acumuladas
6. Temperatura de trabalho
7. Velocidade do processo
Forjamento: Fatores de Influência
Quantificação por 
relações geométricas 
e de deformação
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 Relações geométricas e de deformação no forjamento (recalque)
Forjamento: Fatores de Influência
hi
hf
 Deformação Convencional (e)
 Deformação Verdadeira (ε). Sendo 
 Redução (r) [%]
 Relação de Prensagem (S)
di
38
 Cálculo da Carga e Pressão de Forjamento
 “Métodos Analíticos”
Forjamento: Fatores de Influência
x
x + dx
dx
xz
xz
p
p
h
aa
x
xh  (x + dx)h 2xzdx = 0  dx/dx = 2xz/h
Critério de escoamento de von Mises: 1  3 = 0´ = p  x
Uma vez que 0´ não varia com x, dp/dx = dx/dx
Atrito está relacionado à força normal  xz =p
Logo, dp/p = 2dx/h  ln p = 2x/h + ln C
Na lateral (x = a) a tensão x é nula  p = 0´  ln C = ln 0´ + 2a/h
39
 Cálculo da Carga e Pressão de Forjamento
 “Métodos Analíticos”
Forjamento: Fatores de Influência
p = 0´exp[2(a  x)/h]
Pressão média de forjamento: pmedia = 0´[exp(2a/h)  1]/(2a/h)
40
 Atrito entre matriz e 
componente
 Tensões de cisalhamento 
criadas na superfície de 
contato
 Efeito: abaulamento do 
perfil forjado
 Anéis: perfil de 
abaulamento influenciado 
pela intensidade do atrito
Forjamento: Fatores de Influência
Elevado atritoBaixo atrito
SEM atrito COM atrito
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 Velocidade do processo
a. Baixa velocidade: prensa hidráulica
– Maior tempo de contato entre 
matriz e componente, 
facilitando a refrigeração
– Menores temperaturas
b. Elevada velocidade: prensa 
mecânica/excêntrica
– Menor tempo de contato, 
dificultando refrigeração
– Menores gradientes de 
temperatura 
– Deformação mais uniforme, 
menor abaulamento
Forjamento: Fatores de Influência
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Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
43
Objetivos Específicos
Definições 
Fundamentais
1
Influências 
Principais
2 MatrizRecipiente
Ai, Di
Af, Df
hf