GRA0937 - Processos de confirmação mecânica (Apostila 2)

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16/04/2023, 22:37 Processos de conformação mecânica
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Autoria: Jerry Adriani Capitani Mendelski - Revisão técnica: Danilo Carvalho
Heiderich
Processos de conformação mecânica
UNIDADE 2 - PROCESSOS DE
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
16/04/2023, 22:37 Processos de conformação mecânica
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Caro(a) estudante, você sabe quais as
diferenças entre os processos de laminação, de
forjamento, de extrusão e de trefilação? Nesta
unidade, você terá a oportunidade de responder
a essa pergunta, observando os conceitos
básicos relacionados a cada um desses
processos de conformação mecânica, bem como
conhecendo suas características gerais, seus
mecanismos e seus principais parâmetros operacionais.
Conforme veremos, cada maneira de conformar materiais é diferente, de modo que
aspectos como velocidade, tensão e temperatura também irão variar em relação ao
processo de conformação mecânica escolhido, bem como a depender do objeto que
se deseja produzir. Por exemplo, você sabia que, em determinados procedimentos,
temperaturas mais baixas podem ser mais indicadas que temperaturas muito altas?
Acompanhe a unidade para descobrir mais sobre esse tema e bons estudos!
Introdução
2.1 Processo de
laminação
A laminação é um processo utilizado para a conformação mecânica e que tem como resultado
a produção de chapas, de barras e de perfis. Algumas características básicas relacionadas a
essa produção são a sua elevada velocidade de processamento e a sua capacidade de
absorver altos volumes de demandas por produtos com dimensões específicas e baixas
variações.
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#PraCegoVer: ilustração de produtos conformados pelo processo de laminação, em fundo
branco. À esquerda, temos três tubos e três perfis laminados compridos. No centro, constam
três bobinas de chapas laminadas. Por fim, à direita, há dois conjuntos de chapas planas
laminadas. Todos os produtos têm cor metálica.
Para melhor compreendermos como ocorre o processo de laminação, estudaremos,
primeiramente, as suas características básicas, identificaremos os produtos por ele obtidos e
reconheceremos, ainda, os maquinários relacionados a essa produção. Após isso, para
finalizar, conheceremos os parâmetros necessários para o controle desse processo.
Acompanhe!
2.1.1 Características do processo de laminação
O processo de laminação permite a conformação de uma matéria-prima por meio de uma
compreensão direta sobre ela, alterando a seção transversal inicial dessa peça. Como
resultado, são produzidos objetos variados, como barras, lingotes, placas ou fios.
Conforme observado por Milanez (2006), nesse processo de conformação mecânica, ocorre a
passagem de um corpo sólido por cilindros metálicos que ficam localizados a uma distância
menor que a espessura inicial desse corpo. Tais cilindros giram em sentidos opostos, porém,
mantêm uma velocidade igual e constante, ocasionando, com isso, a redução da seção
transversal dos blocos ou das barras conformadas. Além disso, há também um aumento no
comprimento da peça e as suas propriedades se tornam melhores.
Nesse mesmo sentido, Coda (2006) explica que as conformações mecânicas executadas pelo
processo de laminação causam uma deformação plástica no corpo sólido trabalhado e, desse
modo, geram alterações permanentes tanto em sua forma como em suas propriedades,
mantendo, contudo, a sua massa.
Figura 1 - Produtos conformados pelo processo de laminação
Fonte: hiko_photos, Shutterstock, 2020.
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#PraCegoVer: representação gráfica, em preto e branco, do processo de laminação. Uma
chapa é conformada horizontalmente, da esquerda para a direita, ao passar por entre dois
rolos. A distância entre esses rolos é menor que a espessura inicial da chapa, de modo que
esta tem sua espessura diminuída.
No que concerne ao surgimento do processo de laminação, existem referências que
comprovam que esse não é um processo novo. Estudos apontam que por volta do ano de 1486
já se observava a confecção de materiais para a cunhagem de moedas por meio da aplicação
da laminação (ARAUJO, 1997).
Com o passar do tempo, o processo de laminação foi apresentando ganhos tecnológicos.
Assim, atualmente, temos a laminação moderna, em que as atividades estão voltadas para o
atendimento das demandas de mercado e na qual o nível de produtividade é elevado. Os
custos operacionais, além disso, são menores, enquanto é maior a capacidade de produção de
produtos flexíveis e de qualidade.
Sabendo disso, os seguintes fatores são decisivos para que esse novo cenário de alta
produtividade possa se sustentar:
Figura 2 - Representação gráfica do processo de laminação
Fonte: matsabe, Shutterstock, 2020.
correta identificação e correlação entre a energia necessária para o processo e o ferramental
utilizado;
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No que se refere aos seus aspectos operacionais, o processo de laminação por ser realizado
tanto de forma contínua como pode ser dividido em etapas previamente definidas e calculadas.
Além disso, é também possível a utilização de um ou mais de um cilindro de laminação e, da
mesma forma, o processo tem a capacidade de utilizar, caso necessário, ferramentas
consideradas adicionais.
Já no que diz respeito à linha de produtos que podem ser confeccionados por meio da
laminação, observamos que ela permite a produção de materiais com geometrias planas, como
chapas finas e grossas, bem como produtos com uma geometria mais específica e que não é
considerada plana, a exemplo dos vergalhões, dos tubos e também dos perfis estruturais.
Diante disso, Moraes (2010) explica que os produtos planos confeccionados por esse processo
são laminados por meio de cilindros lisos; por outro lado, os produtos não planos são
produzidos em cilindros que possuem canais.
#PraCegoVer: duas fotografias apresentam processos de laminação. Na primeira fotografia, à
esquerda, ocorre o processo de laminação de uma chapa metálica por dois cilindros lisos
metálicos dispostos horizontalmente. Com isso, é produzida uma chapa também lisa. À direita,
na segunda fotografia, temos duas telhas de metal laminado com geometria não plana
dispostas verticalmente, resultado do processo de laminação por cilindros com canais.
Com relação à laminação de chapas lisas, Barros (2006) apresenta diferentes tipos de
laminadores existentes, conforme exemplifica a figura a seguir.
aplicação do processo de calibração em meio à laminação por canais incorporados nos
cilindros;
controle metalúrgico das peças;
análise e controle dos potenciais defeitos que possam ocorrer;
atenção e análise de questões relacionadas ao preenchimento dos canais e ao controle
dimensional;
análise e avaliação das peças a serem produzidas durante a etapa de planejamento, bem
como o desenvolvimento do projeto das peças.
Figura 3 - Processos de laminação por cilindros lisos e por cilindros com canais
Fonte: Mr.1, Shutterstock, 2020.
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#PraCegoVer: ilustração em preto e branco apresentando seis tipos de laminadores existentes,
utilizados para a confecção de chapas lisas. Na parte superior da imagem, da esquerda para a
direita, são apresentados cinco tipos: (A) laminador duo não reversível, que contém dois
cilindroshorizontais por entre os quais passa uma chapa em uma única direção; (B) laminador
duo reversível, com dois cilindros horizontais que permitem a conformação da chapa nas duas
direções; (C) laminador trio, com três cilindros horizontais, permitindo a passagem de chapas
tanto entre o primeiro e o segundo cilindro quanto entre o segundo e o terceiro cilindro; (D)
laminador quádruo, composto por quatro cilindros, sendo dois de encosto e dois de trabalho;
(E), laminador Sendzimir, composto por doze cilindros. Na parte inferior da imagem, à
esquerda, temos a ilustração do laminador universal (F), que é composto por dois cilindros
horizontais e dois cilindros verticais. Por fim, à direita, constam os nomes de cada um dos
laminadores, de (A) até (F).
Ressalta-se, ainda, um outro tipo de laminação, a saber, a laminação não convencional, que
está ligada diretamente à confecção de roscas por meio de rolos ou então com a utilização de
encostos planos. De acordo com Carvalho (2011), o processo de laminação de rosca com
cilindro permite que o material seja comprimido entre três elementos fixos e também reguláveis,
com zona de saída de curvatura determinando um segmento de rosca que gira e que guia a
peça contra o cilindro de laminação.
Esse tipo de processamento é aplicado, basicamente, na fabricação de grandes lotes de peças,
sendo por isso amplamente utilizado para a confecção de parafusos na indústria de fixação.
Veja na figura a seguir mais detalhes sobre esse processo.
Figura 4 - Tipos de laminadores para a confecção de chapas lisas
Fonte: BARROS, 2006, p. 48.
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#PraCegoVer: ilustração nas cores cinza e laranja contendo dois tipos de maquinários
relacionados à produção de roscas externas. Na primeira ilustração, à esquerda, um parafuso
está posicionado verticalmente e gira devido à atuação de duas placas móveis com encosto
plano fixo, que atuam em sentidos diferentes. À direita, há um laminador de rosca cilíndrico que
permite a entrada de seis parafusos em um espaço existente entre ele e um suporte conhecido
como segmento de roscar.
Além das classificações apresentadas, é também possível categorizar esse processo de
conformação mecânica quanto à sua temperatura de trabalho, dividindo-o em laminação a
quente e laminação a frio. No primeiro caso, a temperatura a ser atingida pelo material
durante o seu processamento está acima da faixa de temperatura de recristalização. Com isso,
a estrutura é refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor tamanho. Por outro lado, a
laminação a frio trabalha em uma faixa de temperatura em que o material não chega à sua
temperatura de recristalização (KIMINAMI; OLIVEIRA; CASTRO, 2013).
Figura 5 - Laminação de roscas com encosto
Fonte: CARVALHO, 2011, p. 28-29.
Em um processo de laminação, obtemos placas, chapas
ou perfis metálicos de um modo bem específico. Para
conhecer um pouco sobre o maquinário responsável por
essa produção e sobre como as operações são
realizadas quase que automaticamente em uma linha
produtiva especializada, assista ao vídeo Incrível
processo de fabricação de lâminas de aço e outros
métodos de produção modernos.
Acesse ( https://www.youtube.com/watch?
v=hWvZJ-gdHok)
Você quer ver?
https://www.youtube.com/watch?v=hWvZJ-gdHok
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Para a condição de laminação a quente, o grau de deformação ocorre na ordem de centenas de
vezes, enquanto o processo de laminação a frio estabelece o grau de deformação em uma faixa
ao menos dez vezes menor. Diante disso, é importante considerar que o grau de deformação
em um processo de laminação está diretamente ligado à relação entre a espessura inicial e a
espessura final do material laminado, que pode ser analisada em cada passo ou considerando
a deformação total.
Para uma maior compreensão do processo de laminação a quente, observe a figura a seguir,
que apresenta o fluxo operacional desse modo de conformação mecânica.
#PraCegoVer: esquema de relação vertical apontando as etapas pertencentes ao processo de
laminação a quente, bem como os equipamentos necessários para isso. Assim, de cima para
baixo, temos a etapa de aquecimento, na qual é utilizado o forno. Depois, temos a etapa de
desbaste, realizada com rolos. Em seguida, temos a fase de acabamento, quando também os
rolos são necessários. Após isso, temos a saída da peça, que necessita de uma mesa com
resfriamento. Por fim, a peça passa pelo bobinador.
Com relação ao processo de laminação a frio, conforme vimos, são aplicadas temperaturas
abaixo da temperatura de recristalização do objeto. Em outras palavras, um processo de
deformação pode ser considerado a frio quando ocorre a temperaturas em que a energia de
deformação é armazenada no material, não ocorrendo processos de recuperação ou de
recristalização (CALLISTER, 2002).
Finalmente, conforme explicam Gardner, Saari e Wang (2010), em seções que passam pelo
processo de laminação a frio, a formação de tensões residuais é amplamente associada à
deformação plástica não uniforme presente durante o processo. Com isso, ao contrário do que
ocorre na laminação a quente, os grãos resultantes do processo de laminação a frio mantêm-se
deformados e achatados, uma vez que não sofrem recuperação e recristalização.
Figura 6 - Processo de laminação a quente
Fonte: Elaborada pelo autor, 2020.
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2.1.2 Parâmetros fundamentais do processo de laminação
Há alguns parâmetros que podem influenciar de forma decisiva na execução do processo de
laminação, bem como no resultado que se espera dele. Assim, destacam-se os seguintes
parâmetros desse processo de conformação mecânica:
Nesse sentido, é imperativo considerar que todos esses parâmetros listados devem ser
primeiramente conhecidos e, depois, de forma sequencial, controlados, a fim de que o processo
como um todo seja executado de modo eficaz. Dessa maneira, espera-se obter os produtos
planejados sem que haja falhas no processo de fabricação como um todo.
Os parâmetros relacionados à especificação do diâmetro dos rolos laminadores e à
resistência à deformação apresentada pelo tipo de material a ser utilizado no processo são
itens a serem verificados e estabelecidos durante a fase de planejamento e, ainda, de
desenvolvimento do produto e do processo de fabricação.
No que tange às tensões de laminação envolvidas no processo, na direção longitudinal, pode
ser observada a atuação de tensões de tração ou de compressão. Por outro lado, na direção
paralela à superfície dos rolos laminadores, podemos observar a atuação de tensões de
compressão. A figura a seguir ilustra essas tensões.
diâmetro do rolo laminador;
resistência à deformação do material a ser trabalhado;
tensões de laminação;
temperatura do processo de laminação;
velocidade de deformação;
taxa de deformação;
atrito existente entre os rolos e o material a ser trabalhado.
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#PraCegoVer: ilustração na cor laranja representando a atuação das tensões de compressão e
de tração por rolos laminadores sobre um material. No centro da imagem, está um cubo não
preenchido, de modo que é possível observar todas as suas arestas. Setas apontam para
dentro do cubo nas faces anterior e posterior e nas faces superior e inferior, representando as
tensões de compressão que incidem sobre o material. Há também setas saindo do cubo nas
faces laterais, à esquerda e à direita, as quais representam as tensões de tração.
Comrelação ao parâmetro velocidade de deformação, ele é responsável por identificar a
quantidade de material a ser conformada considerando uma determinada unidade de tempo.
Nesse caso, percebe-se que a velocidade de deformação tem influência direta sobre a
quantidade de força a ser aplicada na operação e que é necessária para a conformação, de
modo que, observada uma mesma condição de temperatura, quanto maior a velocidade de
deformação utilizada, maior será a força necessária para a efetiva realização do processo.
A velocidade de deformação pode ser expressa pela seguinte equação:
Nela, é a velocidade tangencial do cilindro; é a deformação logarítmica; e é o arco de
contato. Para identificar a velocidade tangencial do cilindro, utiliza-se a equação a seguir:
Logo, a velocidade tangencial do cilindro será dada pelo produto entre , ou seja, o raio do
cilindro, e , isto é, a velocidade angular do cilindro.
Com relação ao parâmetro força, podemos identificá-lo aplicando a seguinte equação:
Figura 7 - Processo de laminação a quente
Fonte: Elaborada pelo autor, 2020.
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Assim, a forma será dada pelo produto entre , que representa a área de contato entre a barra
e o cilindro, e , que diz respeito à tensão média de compressão. Para encontrar a área de
contato entre a barra e o cilindro, aplica-se a equação a seguir, em que diz respeito à largura
média:
Finalmente, para identificar a largura média, utiliza-se a equação:
Assim, por meio da soma da largura inicial ( ) e da largura final ( ) dividida por 2, é possível
identificar a largura média.
Posto isso, na sequência, teremos a oportunidade de nos aprofundar em torno do processo de
forjamento.
Teste seus conhecimentos
(Atividade não pontuada)
2.2 Processo de
forjamento
Segundo Müller (2010), historicamente, os primeiros registros das técnicas de deformação
plástica datam do final da Idade da Pedra, em uma região próximo ao Oriente Médio. Nesse
local, foram encontradas referências que levam a crer que técnicas de fabricação por meio de
martelamento eram aplicadas para a obtenção de objetos forjados em ouro, cobre e prata, os
quais eram utilizados para fins artísticos e em encontros religiosos.
Ainda conforme Müller (2010), à época, esses materiais eram colhidos no mesmo estado em
que podiam ser encontrados na natureza, selecionados e, logo após isso, eram conformados
por meio de golpes, sendo essa técnica então denominada como forjamento.
Sabendo disso, na sequência, conheceremos as características do processo de forjamento e
quais os parâmetros necessários para esse modo de conformar materiais.
2.2.1 Características do processo de forjamento
O forjamento é um processo de conformação mecânica que proporciona a criação de peças
com uma elevada resistência e com integridade e uniformidade estruturais. Ademais, é possível
notar que, por meio dessa técnica, obtém-se uma redução nas quantidades de usinagens
requeridas para produzir objetos, assim como há uma evidente economia de matéria-prima e de
peso do material forjado.
Schaeffer (2001) explica que o forjamento está baseado na implantação de um processo de
fabricação em série que produz peças metálicas direcionadas às mais variadas aplicações.
Além disso, o autor enfatiza que o processo de forjamento pode ser subdividido em três formas
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distintas: forjamento a frio; forjamento a morno; e forjamento a quente. Como é possível
observar, a base dessa distinção está relacionada à temperatura de recristalização dos
materiais, parte atuante do processo de conformação.
Ainda no que se refere à classificação quanto à temperatura, Doege e Bohnsack (2000)
explicam que o processo de forjamento a quente distingue-se do realizado a morno pela faixa
de temperatura em que ocorrem os mecanismos de recuperação e de recristalização. Nesse
sentido, no caso do forjamento a quente realizado para aços, as temperaturas variam de 1100 a
1280 °C.
Além da classificação relacionada à temperatura, Schaeffer (2001) também apresenta uma
outra forma de classificação, ligada à geometria das matrizes empregadas no processo de
forjamento. Quanto a esse aspecto, os forjamentos podem ocorrer com matriz aberta; com
matriz fechada sem rebarba; e com matriz fechada com rebarba.
O forjamento é um dos processos de conformação
mecânica mais tradicionais e utilizados no mundo inteiro.
Suas possibilidades de aplicação e de obtenção de
peças têm um peso muito grande na hora da escolha
dos procedimentos a serem implantados. Contudo, a fim
de alcançar uma condição que traga os melhores
resultados, é fundamental conhecer o processo como
um todo. Nesse sentido, o livro Forjamento: introdução
ao processo, de Schaeffer (2001), apresenta-se como
uma boa base para conhecer mais detalhes sobre esse
modo de conformar metais.
Você quer ler?
Figura 8 - Conformação mecânica por forjamento
Fonte: SvedOliver, Shutterstock, 2020.
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#PraCegoVer: fotografia apresentando em primeiro plano o processo de forjamento a quente
de uma peça em aço. A peça de aço, que possui uma cor alaranjada devido à alta temperatura,
está posicionada sobre a face inferior de uma matriz de forjamento aberta. A face superior
dessa matriz não está em contato direto com a peça no momento da fotografia. Ao fundo da
imagem, de maneira desfocada, há um operador acompanhando o processo.
No que se refere aos equipamentos utilizados no forjamento, destacam-se os martelos, que
realizam a conformação do material em processamento por meio de um impacto, e as prensas,
que aplicam uma ação de compressão sobre o material a ser conformado a uma baixa
velocidade de trabalho quando em comparação à ação dos martelos.
O sistema tribológico atuante nesse modo de conformação mecânica inclui uma peça que,
dependendo da forma de forjamento, será preaquecida, aquecida ou não aquecida; a utilização
de um lubrificante durante o processo; e uma ferramenta de forjamento para a realização da
deformação plástica. A matriz de forjamento está sujeita a repetidas cargas mecânicas e, em
algumas situações, até mesmo térmicas.
Nesse contexto, é importante destacar que, conforme explica Börder (2005), a forjaria do futuro
precisará estar atenta e buscar a eficiência no uso da energia necessária para os processos de
forjamento. Com isso, visa-se proteger o meio ambiente. Além disso, o autor ressalta que a
capacidade operacional dessa forjaria irá depender de uma efetiva integração dos recursos
tecnológicos, ambientais e humanos.
Outro ponto destacado por Börder (2005) é o fato de o forjamento não ser um processo
amigável, de modo que as forjarias devem se estruturar para atrair recursos humanos e manter
sua força de trabalho em um processo de constante atualização e motivação, visando obter
resultados efetivos sobre os investimentos aplicados.
2.2.2 Parâmetros fundamentais do processo de forjamento
De acordo com Kobayashi, Oh e Altan (1989), existem diversas variáveis que são atuantes em
um processo de forjamento, interferindo e impactando o comportamento estrutural do
equipamento em função dos mecanismos de ação e de reação. Nesse sentido, os autores
destacam aspectos como o próprio material a ser conformado, as dimensões das matrizes, as
condições e interações entre metal e matriz, os mecanismos de deformação plástica, as
características do produto final, as condições de transferência de calor entre lingote e ambiente
e, finalmente, o tipo de equipamento usado para o processo.
Na esteira dessas considerações, Schaeffer (2001) apresenta como aspectos importantes para
a definiçãodos parâmetros do processo de forjamento as tensões existentes, as deformações
obtidas, a velocidade de deformação, a temperatura, a curva de escoamento do material e o
coeficiente de atrito, entre outros. Assim, de forma resumida, observamos que os parâmetros do
forjamento se ligam aos fenômenos físicos que interagem durante todas as etapas desse
processo de conformação mecânica.
No quadro a seguir, são listados os parâmetros do forjamento relacionados a cada componente
desse processo.
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#PraCegoVer: quadro composto por duas colunas relacionando seis componentes do processo
de forjamento aos seus respectivos parâmetros. Os seis componentes do processo de
forjamento apresentados na primeira coluna, à esquerda, são a matéria-prima, os
equipamentos, a matriz, o material, a lubrificação e as peças acabadas. Na segunda coluna, à
direita, são apresentados os parâmetros de cada um desses componentes.
Considerando, então, os parâmetros relacionados ao processo de forjamento, cumpre ressaltar
que quando um corpo é submetido a um carregamento externo, devido à atuação de forças, dá-
se origem a tensões na parte interna desse corpo e, também, junto às ferramentas. Dessa
forma, a tensão ( ) pode ser definida pela divisão entre força ( ) e área da seção ( , de
acordo com a seguinte expressão matemática:
Além disso, nos processos de conformação mecânica por forjamento, a deformação localizada
é calculada por meio da deformação verdadeira ( ) (ou de engenharia), e não pela deformação
relativa ( ). Assim, as diferentes deformações podem ser calculadas por meio das expressões
matemáticas a seguir:
Quadro 1 - Principais parâmetros do processo de forjamento
Fonte: Elaborado pelo autor, baseado em SCHAEFFER, 2016.
deformação em altura: ;
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Assim como no processo de laminação, no forjamento, a velocidade de deformação pode ser
definida como uma variação da deformação ocasionada pelo processo em função do tempo.
Logo, a velocidade de deformação pode ser expressa pela seguinte equação matemática, em
que a velocidade da ferramenta ( ) é dividida pela altura final ( ):
No que concerne ao comportamento específico do material, é possível observar a sua curva de
escoamento ou curva de tensão de deformação, a qual demonstra a tensão necessária para a
deformação plástica do material. Essa tensão, denominada tensão de escoamento ( ), pode
ser expressa conforme apresentado na seguinte equação, em que representa a deformação
verdadeira:
Desse modo, a tensão de escoamento ( ) é obtida por meio da multiplicação de uma constante
proporcional ( ) pelas deformações ( ) elevadas a um coeficiente de sensibilidade à taxa de
deformação ( ).
Para o forjamento de peças a altas temperaturas, podemos perceber a grande importância da
expressão da tensão de escoamento, assim como a importância das variáveis temperatura e
velocidade de deformação. Assim, temos a seguinte equação:
Dessa forma, para obtermos a tensão de escoamento ( ), devemos realizar a multiplicação da
tensão de escoamento inicial ( ) pela constante matemática e pelo exponencial , que é
elevado pela constante multiplicada pela temperatura ( ). Após isso, o valor é multiplicado
pela constante matemática e pela deformação ( ), que é elevada, por sua vez, à constante
matemática multiplicada pelo exponencial da divisão da constante matemática pela
deformação ( ).
Finalmente, o valor é então multiplicado pela constante matemática e pela velocidade de
deformação ( ), que é elevada à constante matemática . Assim, como é possível observar,
, , , , , , e são constantes matemáticas utilizadas para adaptar a
expressão matemática às curvas adquiridas experimentalmente.
Outro parâmetro que precisa ser observado no que concerne ao processo de conformação
mecânica por meio do forjamento é o atrito. Para compreendê-lo, normalmente recorremos à
lei de Coulomb, segundo a qual o coeficiente de atrito ( ) pode ser estabelecido utilizando-se
a seguinte equação:
Assim, o coeficiente de atrito ( ) é obtido por meio da divisão entre a tensão cilhalhante ( ) e
a tensão normal ( ) , sendo essa divisão igual à divisão entre a força cisalhante ( ) e a força
normal ( .
deformação em profundidade: ;
deformação em largura: .
Você o conhece?
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Já Brito (2006) apresenta outra forma possível para descrever o atrito. Para isso, ele se utiliza
da lei de Prandtl, que calcula o fator de atrito interfacial conforme a equação matemática a
seguir:
Nesse caso, é o fator de atrito; é a tensão de cisalhamento na interface
material/ferramenta; e é a tensão limite de elasticidade em cisalhamento puro. Os valores
limite para o fator de atrito são 0 quando não existe atrito e 1 para condições de aderência. Brito
(2006) ainda aponta a lei de Prandtl como uma forma de poder determinar a tensão de
cisalhamento.
Ainda em relação aos parâmetros de forjamento, cabe salientar o cálculo necessário para obter
o valor da energia/trabalho representativo da conformação, que pode ser obtido com a
seguinte equação:
Para essa equação, diz respeito à energia/trabalho; representa a tensão de escoamento
no início do processo; é o volume da peça forjada; é a altura da geratriz e é a altura
média da peça após o forjamento.
Uma vez claros esses cálculos e conceitos, na sequência, teremos acesso a informações
importantes a respeito de outro processo de conformação mecânica muito conhecido: a
extrusão.
Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), físico e inventor
nascido em Angolema, na França, atuou diretamente na
resolução de problemas relacionados à mecânica. Por meio
de suas experiências, estabeleceu a lei de Coulomb, que
demonstra a relação de atração e de repulsão das cargas
elétricas e que é semelhante à lei da gravitação universal
proposta por Isaac Newton.
Teste seus conhecimentos
(Atividade não pontuada)
2.3 Processo de
extrusão
A extrusão é um processo integrado (termomecânico) que contempla vários outros processos
de forma unitária, tais como a homogeneização; o aquecimento à temperatura de trabalho; a
extrusão; o alongamento; o tratamento da solução; e o envelhecimento. O grau de importância
das características microestruturais da liga utilizada pode ser determinado considerando os
seguintes aspectos:
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Em resumo, o processo de extrusão tem como resultado a obtenção de barras em formato
cilíndrico ou então de tubos. Porém, em condições específicas, como por meio da utilização de
matéria-prima caracterizada pela facilidade de extrusão, pode-se obter também seções
consideradas irregulares.
Sabendo disso, ao longo deste tópico, teremos a oportunidade de nos aprofundar mais sobre
esse processo de conformação mecânica.
2.3.1 Características do processo de extrusão
Segundo Quelho (2018), o processo de extrusão teve início em meados de 1797,
aproximadamente, mas sua utilização teve um crescimento exponencial no decorrer da
Segunda Guerra Mundial, em meados dos anos 1900. Naquele contexto, já apresentava
vantagens específicas, como a produção de peças livres de trincas; um controle dimensional
elevado; a produção de volumes variados; e a produção de peças com diferentes designs.
Atualmente, o processo de extrusão está comumente atrelado ao uso de temperatura, condição
estabelecida em função das grandes solicitações de esforços para a efetivação da deformação.
Porém, as evoluções tecnológicastêm, cada vez mais, aberto espaço para a efetivação desse
processo sem o uso da temperatura, ou seja, ele pode também ser realizado a frio.
De acordo com Yang (2018), a extrusão se caracteriza por ser um processo semicontínuo
voltado para a produção de peças, no qual, de forma geral, os materiais passam por três zonas
específicas. Clique nos ícones a seguir para descobrir quais são essas zonas!
a coerência e a distribuição de precipitados de fortalecimento;
o grau de recristalização;
o tamanho e a forma do grão e/ou do subgrão;
a textura cristalográfica;
o tamanho e a distribuição de partículas intermetálicas, incluindo os dispersoides e as fases
constituintes (que resultam de impurezas de ferro e de silício).
Zona de alimentação.
Zona de compressão.
Zona de dosagem.
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Assim, os materiais transitam por essas zonas até que sejam efetivamente forçados por meio
de uma matriz, adquirindo, com isso, uma forma predeterminada. Choe et al. (2014) explicam
esse processo de maneira mais detalhada, apontando que os materiais termoplásticos são
introduzidos em uma extrusora por meio de um funil, caindo por ação da gravidade em uma
rosca contida em um cilindro aquecido a uma temperatura perto da temperatura de fusão do
polímero. Na sequência, o material é comprimido e sofre plastificação, sendo transportado até a
etapa seguinte, que garante a homogeneização e a vazão da mistura para a matriz, por meio da
pressão gerada.
No que se refere à sua classificação, a extrusão se divide em duas categorias básicas: a
extrusão direta e a extrusão indireta. A extrusão indireta apresenta uma menor exigência de
esforços para a efetivação da deformação. Com isso, é possível obter um produto mais
homogêneo, sem a existência de defeitos que são comumente observados no processo de
extrusão direta.
Apesar das vantagens da extrusão indireta, a extrusão direta é a mais escolhida nos
processos produtivos implantados, uma vez que apresenta maior simplicidade em relação ao
seu equipamento. Na prática, ela ocorre por meio da ação de um pistão sobre um tarugo, que
tem a sua passagem forçada por uma ferramenta específica posicionada de forma oposta aos
recipientes. Nessa operação, é possível observar a ação de atrito entre o tarugo e o recipiente.
Veja na figura a seguir quais as diferenças entre esses modos de extrusão.
Atualmente, vários materiais são extrudados, entre eles o
acrilonitrila butadieno estireno, isto é, o ABS, que é um
termoplástico com grande aplicabilidade em vários setores da
indústria, principalmente automotiva, sendo utilizado para a
produção de painéis ou como filamento em impressoras 3D,
por exemplo (ROCHA et al., 2014).
Você sabia?
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#PraCegoVer: duas ilustrações em preto e branco apresentam os mecanismos de extrusão
direta e de extrusão indireta. Acima, evidencia-se o processo de extrusão direta, composto por
uma câmara superior e uma câmara inferior por entre as quais será produzida uma barra
extrudada. Para isso, um êmbolo, com uma placa de pressão acoplada a ele, age no sentido da
direita para a esquerda e atua diretamente sobre o bloco a ser conformado. Do lado oposto ao
êmbolo, está a matriz em contato direto com o bloco, que a pressiona e resulta na produção do
material. Abaixo, é representado o processo de extrusão indireta. Nesse caso, existe uma
movimentação da câmara montada com o bloco em direção à matriz, produzindo uma barra
extrudada.
No processo de extrusão indireta, o pistão está necessariamente acoplado à ferramenta e
ambos estão posicionados na extremidade da extrusora, de modo que o recipiente com o
tarugo tem um movimento de avanço. Nesse caso, inexiste o atrito específico entre o tarugo e o
recipiente.
Finalmente, cumpre ressaltar que, quando comparada à laminação, a extrusão pode apresentar
algumas desvantagens, como maiores custos atrelados aos equipamentos; limitação de
comprimento do perfil; menor velocidade de trabalho; e maior possibilidade de falta de
uniformidade na deformação ao final do processo.
Figura 9 - Extrusão direta e indireta
Fonte: CHIAVERINI, 1986, p. 125.
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2.3.2 Parâmetros fundamentais do processo de extrusão
De acordo com Costa et al. (2006), no processo de extrusão, há algumas variáveis que são
responsáveis diretas pelo resultado final das peças obtidas, afetando, portanto, a qualidade do
produto. Entre essas variáveis apresentadas pelos autores, destacam-se a temperatura, a
velocidade, a pressão de extrusão, a geometria da matriz, a razão da extrusão e o tipo de
lubrificante.
A temperatura de trabalho está relacionada à capacidade de conformação plástica do
material, não devendo ser muita alta, visto que isso pode provocar um desgaste prematuro da
ferramenta. Logo, esse processo necessita de uma temperatura mínima que proporcione a
condição de plasticidade sem a presença de falhas.
Já o parâmetro velocidade de extrusão tem uma ação importante em relação ao calor a ser
gerado pelo processo como um todo, sendo a temperatura um fator decisivo para evitar
qualquer alteração microestrutural na liga. Nas condições em que o processo atinge o ponto de
fusão, há potencialização da ocorrência de fissuras no metal extrudido.
Outro parâmetro do processo de extrusão a ser considerado é a razão da extrusão, que mede
a deformação da seção transversal inicial com a seção transversal final. Esse índice é definido
pela seguinte expressão matemática:
Nesse caso, é, então, a razão de extrusão, é a área da seção transversal da bucha do
recipiente e é a área da seção transversal da bucha do material extrudado.
As deformações que ocorrem na extrusão, por sua vez, podem ser estabelecidas
considerando-se tanto o processo de extrusão direta quanto o processo de extrusão indireta.
No primeiro caso, aplica-se a seguinte fórmula:
Já para a extrusão indireta, temos a seguinte fórmula:
Nessas equações, é a seção do corpo na qual existe atuação da força para a deformação;
 é a seção após a deformação; é a altura da geratriz; e é a altura da espessura do
material abaixo da pulsão após a deformação.
Com relação aos parâmetros associados à força e ao trabalho, tanto para a extrusão direta
quanto para a extrusão indireta, podemos utilizar a fórmula a seguir, na qual diz respeito à
força; é a seção antes da deformação; é a tensão de escoamento média; é a
deformação; e é o rendimento.
Da mesma forma, podemos também obter o valor representativo do trabalho utilizando a
seguinte fórmula:
Nesse caso, refere-se ao trabalho, ao passo que é o curso da pulsão. Por fim, para
descobrir qual o , aplica-se a fórmula:
Assim, o curso da pulsão ( ) é obtido com a subtração entre a altura inicial ( ) e a altura final
( ).
Agora que já conhecemos como ocorre o processo de conformação de metais por extrusão e
quais os parâmetros aplicados nessa atividade, veremos em que consiste o processo de
trefilação.
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2.4 Processo de
trefilação
O processo de trefilação pode ser considerado novo, tendo obtido uma maior
representatividade nos últimos 50 anos. Em seus estudos, Santos (2008) identifica que esse
processo é utilizado sobretudo para a confecção de arames e de barras cilíndricas ou tubulares,
objetos aplicados nos mais diversos contextos.
Considerando esse cenário, ao longo deste tópico, conheceremos as características da
trefilação e quais os seus parâmetros mais representativos.2.4.1 Características do processo de trefilação
Para Button (2007), independentemente do tipo de objeto obtido, a trefilação caracteriza-se
sempre pelo tracionamento do produto trefilado por meio de uma matriz que lhe confere a
geometria e as dimensões especificadas. Basicamente, esse processo é executado em quatro
etapas. Clique nos ícones a seguir para descobrir quais são elas!
Desse modo, de acordo com Dieter, Howard e Semiatin (2003), a trefilação pode ser definida
como um processo de manufatura por deformação plástica em que o fio-máquina é tracionado
passando por meio de uma ferramenta cônica. Com isso, ocorre uma redução da área de sua
seção transversal e seu comprimento total aumenta. Logo em seguida, é realizado o corte do
Desbobinamento do fio-máquina.
Pré-endireitamento horizontal.
Pré-endireitamento vertical.
Jateamento.
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material em barras de 6 metros, que seguem, então, para o processo de polimento e de
endireitamento por rolos cruzados côncavos e convexos (processo PERC), etapa que
proporciona o acabamento das barras.
A figura a seguir ilustra de modo mais detalhado como ocorre a trefilação, apresentando sete
fases.
#PraCegoVer: ilustração em preto e branco apresentando as etapas do processo de trefilação.
Da direita para a esquerda, temos uma bobina cujo fio-máquina que está enrolado nela é
desbobinado. Depois, temos a etapa de pré-endireitamento horizontal, na qual constam sete
rolos horizontais intercalados, por entre os quais passa o fio-máquina. Em seguida, ocorre a
etapa de pré-endireitamento vertical, quando o fio-máquina passa por entre sete rolos verticais.
Na sequência, tem-se a fase de jateamento, representada na figura por dois triângulos, um
superior e um inferior, que incidem sobre o fio-máquina. A próxima etapa é a de trefilação,
quando um bloco trefila o fio-máquina. Depois, na próxima fase, duas placas estreitas
representam o corte do produto e, por fim, na última etapa, há o polimento e o endireitamento
do fio.
Segundo Nunes (2012), no decorrer desse processo, é possível encontrar vários fatores que
podem gerar distorções de forma após o tratamento térmico, como a distribuição das tensões
residuais e o desalinhamento na distribuição da zona de segregação. No mesmo sentido, Simsir
e Gür (2008) explicam que as segregações são geradas durante a etapa de solidificação do
material, podendo ser alteradas e redistribuídas ao longo do processo de fabricação.
Com relação aos parâmetros do processo de trefilação, destacam-se as seguintes
deformações:
Figura 10 - Etapas do processo de trefilação
Fonte: NUNES, 2012, p. 5.
deformação radial, calculada por meio da seguinte fórmula: , ou seja, a
deformação radial ( ) é obtida pelo logaritmo natural da divisão entre o raio final ( ) e o raio
inicial ( );
deformação tangencial, calculada por: . Isso significa dizer que a
deformação tangencial ( ) é obtida pelo logaritmo natural ( ) da divisão entre o
comprimento final ( ) e o comprimento inicial ( ), que é igual ao logaritmo natural da divisão
entre duas vezes o raio final ( ) multiplicado por e duas vezes o raio inicial ( ) multiplicado
por . Isso, por sua vez, pode ser igual ao logaritmo natural da divisão entre o raio final ( ) e o
raio inicial ( ). Logo, podemos afirmar que a deformação radial ( ) é igual à deformação
tangencial ( );
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Diante disso, a deformação da área será dada por:
Assim, a deformação da área ( ) é obtida pelo logaritmo natural da divisão entre a área inicial
( ) e a área final ( ).
Outro parâmetro muito importante é a velocidade de deformação, estabelecida por:
Nesse caso, é a velocidade de deformação; é a velocidade da barra antes de sua entrada
na fieira; é o raio inicial; é o raio final.
Nesse caso, o raio ( ) é calculado por:
Isso significa dizer que o raio ( ) é o resultado da multiplicação do valor negativo da tangente do
ângulo da trefila ( ) pelo comprimento ( ) somado ao raio inicial ( ).
Com relação à força de trefilação, podemos obtê-la por meio da seguinte equação, na qual 
é a força de trefilação; é a tensão de escoamento média; é a área de saída após a
passagem pela fieira; é a deformação da área; é o coeficiente de atrito; e é o meio
ângulo da fieira:
Por fim, para obtermos o valor representativo do trabalho de trefilação, devemos utilizar a
equação:
Nesse caso, é o trabalho; é a tensão de escoamento média; é o volume; é o
coeficiente de atrito; é o meio ângulo da fieira; e é a deformação da área.
deformação longitudinal, obtida com: , ou seja, a deformação longitudinal ( ) é
obtida por meio do logaritmo natural da divisão entre a largura final ( ) e a largura inicial ( ).
Para um passe de laminação, calcule a velocidade
de deformação média. Para isso, considere a
seguinte equação:
Além disso, considere que que representa a
deformação logarítmica, é de 603; , que diz
respeito à velocidade tangencial do cilindro, é de 2
m/s; e , isto é, o arco de contato, é de 54,94 mm.
Com esses valores em mãos, podemos utilizar a
fórmula anteriormente apresentada. Assim, trocando
os valores, teremos:
Dessa forma, o valor da deformação de altura é
igual a 21,95 s-1.
Vamos Praticar!
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Ao longo desta unidade, conhecemos quatro processos
específicos de conformação mecânica, a saber, a laminação, o
forjamento, a extrusão e a trefilação. Como pudemos observar,
cada um desses processos tem suas próprias características e
parâmetros, bem como permite conformações específicas para a
obtenção de objetos variados.
Nesta unidade, você teve a oportunidade de:
Conclusão
conhecer o processo de laminação, observando como são
obtidos objetos por meio desse processo e os seus respectivos
parâmetros;
compreender as características e definições relacionadas ao
processo de forjamento, bem como seus principais parâmetros;
inteirar-se acerca das definições e das classificações
relacionadas aos processos de trefilação e de extrusão;
calcular parâmetros importantes relacionados aos diferentes
processos de conformação mecânica.
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