Conformação Mecânica

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DESCRIÇÃO
Os processos de fabricação por Conformação Mecânica para a produção de peças metálicas e o estudo
das principais operações: estampagem, corte de chapas e dobramento, extrusão, trefilação, laminação e
forjamento.
PROPÓSITO
Compreender as aplicações dos processos de fabricação por Conformação Mecânica, os tipos de
componentes mecânicos que podem ser fabricados por meio deles e suas características, possibilitando
a escolha do melhor processo de fabricação para uma aplicação específica no desenvolvimento de um
produto.
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos uma calculadora científica para o
desenvolvimento de cálculos.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Identificar as características dos processos de Conformação Mecânica, a frio e a quente, e condições de
cortes
MÓDULO 2
Reconhecer as características dos Processos de Conformação Mecânica por extrusão e trefilação
MÓDULO 3
Reconhecer as características dos processos de Conformação Mecânica por laminação
MÓDULO 4
Reconhecer as características dos processos de Conformação Mecânica por forjamento
O PAPEL DA CONFORMAÇÃO MECÂNICA NA
INDÚSTRIA
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MÓDULO 1
 Identificar as características dos processos de Conformação Mecânica, a frio e a quente, e
condições de cortes
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DA
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
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INTRODUÇÃO
Os processos de fabricação por Conformação Mecânica para a produção de peças metálicas abrangem
muitos processos que, em função dos tipos de esforços aplicados, podem ser classificados em apenas
algumas categorias, a saber:
Processo de compressão direta
Processo de compressão indireta
Processo de tração
Processo de dobramento
Processo de cisalhamento
O processo de fabricação por Conformação Mecânica consiste em conferir à matéria-prima a forma
desejada por meio de aplicação de esforços de diversos tipos. A principal característica da Conformação
Mecânica é a fabricação de peças por deformação permanente por conta da deformação plástica do
metal.
Como característica secundária, a Conformação Mecânica é o único processo de fabricação que permite
a obtenção de melhoria nas propriedades mecânicas do material em função da deformação plástica que
causa o encruamento do material deformado, aumentando sua resistência mecânica.
Os principais processos de fabricação por Conformação Mecânica são:
Estampagem
Corte de chapas
Dobramento
Extrusão
Trefilação
Laminação
Forjamento
EFEITOS DA TEMPERATURA NA
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material por meio de esforços
aplicados por ferramentas específicas dos mais diversos tamanhos e tipos. Em função da temperatura
de trabalho do material e do material utilizado, o processo de conformação mecânica pode ser
classificado como trabalho a frio, a morno e a quente.
Com relação à temperatura, cada um desses tipos de trabalho produz características especiais ao
material deformado e à peça fabricada. Essas características referem-se à matéria-prima utilizada como
composição química e estrutura metalúrgica (natureza, tamanho, forma e distribuição das fases
presentes) e às condições impostas pelo processo, tais como o tipo e o grau de deformação, a
velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado.
Para se estimar o tipo de trabalho que está sendo realizado em relação à temperatura, utiliza-se a
escala homóloga:
A escala homóloga vai de 0 a 1, na qual 0 é o zero absoluto (0 K) e 1 corresponde à temperatura de
fusão,Tf, em Kelvin, do material considerado. Entre 0 e 0,3 da escala homóloga, o material realiza
trabalho a frio (TF); entre 0,3 e 0,5, o material realiza trabalho a morno (TM); e entre 0,5 e 1, é realizado
trabalho a quente (TQ) pelo material.
Como a escala homóloga depende da temperatura de fusão, dois materiais diferentes conformados à
mesma temperatura podem apresentar características diferentes. O chumbo (temperatura de fusão de
aproximadamente 330 ⁰C), por exemplo, quando conformado à temperatura ambiente, realiza trabalho a
quente. Já o tungstênio, que possui temperatura de fusão de mais de 3.400⁰C, mesmo sendo aquecido e
deformado a 700⁰C, realiza trabalho a frio.
TRABALHO A FRIO
O trabalho a frio pode ser definido como a faixa de temperatura em que, quando o material é deformado,
ocorre o encruamento.
ENCRUAMENTO
Encruamento é o aumento de dureza (e resistência mecânica) do material por conta da deformação
plástica.
TRABALHO A MORNO
Durante a conformação do material na região de trabalho a morno, ocorre o processo de recuperação
do material.
PROCESSO DE RECUPERAÇÃO
O processo de recuperação consiste no alívio de tensões semelhante ao fenômeno que ocorre no
recozimento.
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javascript:void(0)
TRABALHO A QUENTE
No trabalho a quente, o processo de recristalização torna-se efetivo durante a conformação mecânica
do material.
Apesar de a escala homóloga ser bem definida em termos de limites entre trabalho a frio, a morno e a
quente, observa-se, na prática, uma variação gradual de cada um dos efeitos existentes.
PROCESSO DE RECRISTALIZAÇÃO
O processo de recristalização é o fenômeno de renovação microestrutural do metal, ou seja, a formação
de novos grãos.
ESTAMPAGEM
Os processos de estampagem são caraterizados por trabalhar com matéria-prima de espessura fina
como chapas, perfis ou tubos de parede fina. Os primeiros produtos de chapa foram produzidos na
Mesopotâmia e no Egito em 4000 a. C.. Eram copos de ouro e prata que foram produzidos por meio do
processo de embutimento manual usando-se martelos de pedra como ferramentas.
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1
Martelos de embutir feitos de ferro e equipados com cabos foram desenvolvidos e usados somente a
partir de 900 a. C.
O desenvolvimento do processo de laminação e a fabricação das primeiras chapas finas de aço no
século XVI possibilitaram uma produção em série de peças de chapa.
2
3
A construção das primeiras prensas e ferramentas de corte e embutimento profundo no fim do século
XIX deu início à fabricação em série de produtos estampados.
O crescimento rápido da indústria automobilística nos anos 1920 impulsionou de forma significativa o
desenvolvimento e o aperfeiçoamento de máquinas e ferramentas para os processos de estampagem.
4
Atualmente, a grande maioria de produtos estampados, tais como autopeças, eletrodomésticos,
talheres, embalagens etc., é produzida por chapas de aço. (SCHAEFFER, 2005)
Tendo em vista a variedade de produtos e a aplicabilidade da estampagem na indústria, pode-se
observar que a importância econômica dos processos de estampagem é bastante grande. A
estampagem é um processo de conformação mecânica, realizada na maioria das vezes a frio,
compreendendo diversas operações, por intermédio das quais uma chapa plana é submetida a
transformações de modo a adquirir uma nova forma geométrica, plana ou oca.
A deformação plástica é levada a efeito com o emprego de prensas de estampagem, com o auxílio de
dispositivos especiais chamados estampos ou matrizes.
A deformação plástica é levada a efeito com o emprego de prensas de estampagem, com o auxílio de
dispositivos especiais chamados estampos ou matrizes.
ESTAMPAGEM RASA X ESTAMPAGEM PROFUNDA
O termo “estampagem rasa” muitas vezes é chamado apenas de “estampagem” e, para diferenciá-lo do
termo “estampagem profunda”, este segundo termo é denominado embutimento. A grande diferença
entre estampagem e embutimento está na profundidade que a peça possui no embutimento, sendo
destacada essa dimensão na peça produzida.
ESTAMPAGEM

EMBUTIMENTO
CORTE DE CHAPAS
O processo corresponde à obtenção de formas geométricas determinadas a partir de chapas
submetidas à ação de uma ferramenta ou punção de corte aplicada por intermédio de uma prensa que
exerce pressão sobre a chapa apoiada em uma matriz. No instante em que o punção penetra na matriz,
o esforço de compressão converte-se em esforço de cisalhamento e ocorre o desprendimentobrusco de
um pedaço de chapa.
O processo de corte por cisalhamento é um processo de separação, que geralmente é tratado com os
processos de estampagem por ter muito em comum com eles. Os dois são efetuados por ferramentas
que são acionadas por prensas. Inclusive, existem muitas dessas ferramentas que combinam processos
de estampagem com processos de corte. Para o corte por cisalhamento geralmente são usadas prensas
mecânicas.
O corte é efetuado por dois cantos afiados, que passam um em frente ao outro com determinada folga
entre eles, estabelecida pelo material e pela espessura da chapa cortada.
FORÇA DE CORTE
A força de corte, Fc , necessária para provocar a separação da chapa é dada pela expressão:
Fc = p ⋅ e ⋅ σc
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que:
p é o perímetro da forma a ser cortada.
e é a espessura da chapa.
σc é a tensão de cisalhamento (normalmente, duas vezes o limite de resistência, σt, do material).
Supondo-se que se deseje confeccionar um furo comum com uma punção em uma chapa como
indicado a seguir. Caso o furo tenha um diâmetro D, o perímetro será πD. Portanto, a força necessária
para aplicar na punção é .
 Chapa com furo.
DOBRAMENTO
Os dois fatores mais importantes no dobramento são o raio de curvatura e a elasticidade do material. É
sempre indicado evitar cantos vivos, de modo que devem ser fixados raios de curvatura com valores
entre uma a duas vezes a espessura da chapa para materiais dúcteis (macios) e de três a quatro vezes
a espessura para materiais frágeis (duros).
Fc = π ⋅ D ⋅ e ⋅ 2 ⋅ σt
No caso de materiais mais duros, devido às características de elasticidade dos metais, é comum, após
realizado o esforço de dobramento, que a chapa tenda a voltar à sua forma primitiva, de modo que é
aconselhável construir as matrizes com ângulos de dobramento mais acentuados, além de realizar a
operação em várias etapas, com uma única ou com várias matrizes.
LINHA NEUTRA
No dobramento, a chapa metálica a ser dobrada é submetida a esforços aplicados em duas direções
opostas que provocam a flexão e a deformação plástica, mudando a forma que inicialmente era uma
superfície plana, para duas superfícies concorrentes, em ângulo, com raio de concordância em sua
junção.
A tira planificada possui comprimento c e, quando dobrada, apresenta duas regiões lineares (a e b) e um
raio de concordância, r.
A linha neutra é uma região da chapa em que não há tensões trativas nem compressivas, tanto na
chapa planificada quanto na chapa dobrada. Dessa forma, o comprimento da chapa planificada, c, é
igual ao comprimento da linha neutra na chapa dobrada, representada pela linha pontilhada na figura a
seguir, que está posicionada a uma distância y da face interna da chapa de espessura e.
Para o exemplo mostrado na figura, igualando o comprimento da linha neutra da chapa dobrada ao
comprimento da planificada, temos:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Colocando o posicionamento da linha neutra em evidência:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
c = a + b + ⋅ (r + y)π
2
y =  (c − a − b) − r2
π
Observamos que a espessura da chapa não é levada em consideração na formulação para o cálculo do
posicionamento da linha neutra. Além disso, vemos, acima dessa linha na parte externa do raio de
dobramento, que as tensões na chapa são trativas. Já na parte interna do raio de dobramento, abaixo da
linha neutra, as tensões existentes na chapa são compressivas.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 2
 Reconhecer as características dos processos de Conformação Mecânica por extrusão e
trefilação
EXTRUSÃO E TREFILAÇÃO: DIFERENÇAS E
CARACTERÍSTICAS
EXTRUSÃO
A extrusão é o processo de conformação mecânica em que a matéria-prima é forçada contra a matriz,
sendo obtida a redução e/ou a mudança na forma da seção transversal. A parte anterior à matriz fica
contida em um recipiente ou cilindro e a peça extrutada pode ser um perfil, barra ou tubo.
No processo de extrusão básico, denominado extrusão direta, um tarugo cilíndrico é colocado em uma
câmara e empurrado através de uma abertura na matriz por meio de um pistão hidráulico. Essa abertura
da matriz pode ser desde geometrias simples, como circunferências, até outros formatos mais
complexos.
CLASSIFICAÇÕES DOS PROCESSOS DE EXTRUSÃO
Além do processo de extrusão direta, existem também outros tipos de classificações, como extrusão
indireta, extrusão lateral, extrusão por impacto ou extrusão hidrostática:
EXTRUSÃO INDIRETA
Também chamada de extrusão reversa ou extrusão invertida, a matriz desloca-se na direção do tarugo.
EXTRUSÃO LATERAL
O material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara. Nesse caso, os eixos do punção e
da peça formam um ângulo de 90º entre si.
EXTRUSÃO POR IMPACTO
A punção desloca-se rapidamente sobre o tarugo, que é extrudado para trás, de maneira semelhante à
extrusão indireta.
EXTRUSÃO HIDROSTÁTICA
Nesse caso, o diâmetro do tarugo é menor do que o da câmara e o espaço entre a câmara e o tarugo é
preenchido por um fluido. O esforço é transmitido ao fluido por um pistão e o fluido transmite a força ao
tarugo. Como não há contato direto entre o tarugo e a câmara, não há atrito nas paredes dela.
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javascript:void(0)
javascript:void(0)
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Basicamente, qualquer forma de seção transversal cheia ou vazada pode ser fabricada por extrusão.
Como a geometria da matriz é constante, as peças extrudadas têm seção transversal também
constante.
Basicamente, qualquer forma de seção transversal cheia ou vazada pode ser fabricada por extrusão.
Como a geometria da matriz é constante, as peças extrudadas têm seção transversal também
constante.
DEFEITO DA EXTRUSÃO
Existe um defeito específico do processo de conformação por extrusão que ocorre no centro do material,
na parte que está em contato com a superfície do pistão que empurra o material. Como a região do
núcleo do material extrudado desloca-se pela matriz mais rapidamente do que a região da periferia, no
momento da etapa final da extrusão, inicia-se a formação de uma cavidade na região central da
superfície do material em contato com o pistão.
O crescimento do diâmetro e da profundidade dessa cavidade é gradual, transformando a barra em
tubo, semelhante ao formato existente no fundo das garrafas de vinho. Esse é um defeito característico
da extrusão e essa região deve ser descartada (SCHAEFFER, 2005).
TREFILAÇÃO
O processo de trefilação consiste na redução da seção transversal de um tubo, fio ou barra, forçando o
material a passar pela ferramenta por meio de uma força trativa. A ferramenta possui um canal de forma
convergente e é chamada de fieira ou trefila.
FIO
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FIEIRA OU TREFILA
As trefiladoras de tambor podem ser classificadas em três grupos:
Trefiladora simples
Com um tambor e utilizada para arames grossos.
Trefiladora dupla
Utilizada para arames médios.
Trefiladora múltipla
Também chamada de trefiladora contínua empregada para arames médios a finos.
ÂNGULO DE ABORDAGEM
O ângulo de abordagem, α, da fieira é um parâmetro bastante importante para a trefilação, pois, em
função desse ângulo, a energia necessária para a trefilação muda, bem como os limites de conformação
são definidos.
Compõem a energia total de trefilação, Et, as seguintes parcelas:
ENERGIA DE ATRITO, EA
Resultante do atrito entre o material e a fieira, que diminui com o aumento do ângulo de abordagem.
ENERGIA REDUNDANTE, ER
Parcela de energia que é traduzida como as deformações cisalhantes sofrida pelo material por conta da
mudança de direção nas proximidades da fieira, além da energia necessária para a deformação
homogênea, mas que não contribui para a mudança dimensional da peça trefilada. Essa parcela de
energia aumenta com o aumento do ângulo de abordagem.
ENERGIA DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA, EPL
Referente ao trabalhointerno de deformação do material, que é independente do ângulo de abordagem.
Graficamente, podemos analisar todas as parcelas da energia de trefilação conforme a seguir:
Como observado na figura, a curva da energia total de trefilação, Et, possui um valor mínimo que
corresponde à energia mínima necessária para a trefilação. Associada a esse valor mínimo da energia
total de trefilação, temos um ângulo de abordagem ótimo, α*, em radianos. Esse ângulo pode ser
estimado como:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que:
α∗ = √ ⋅ μ ⋅ ln( )3
2
Di
Df
μ é o coeficiente de atrito entre o material e a fieira.
Di é o diâmetro inicial da barra.
Df é o diâmetro final da barra.
Uma vez que o ângulo de abordagem aumenta, além da energia de trefilação (que também aumenta),
observamos que, a partir de determinado ângulo crítico, αcr1, ocorre a formação de uma zona morta na
matriz. Essa zona morta caracteriza-se por uma região do material que permanece estagnado na parede
da fieira formando uma falsa matriz. Podemos estimar o ângulo crítico, αcr1, como:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Aumentando ainda mais o ângulo de abordagem, acima do ângulo crítico responsável pela ocorrência
da falsa matriz, observamos um novo ângulo crítico a partir do qual ocorre um descascamento do
material e o núcleo do material é separado da parte externa.
Nesse caso o diâmetro final, Df, não sofre qualquer deformação e o processo não é de conformação
mecânica. Esse ângulo crítico a partir do qual observamos o descascamento, αcr2, pode ser estimado
por:
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VERIFICANDO O APRENDIZADO
αcr1 = √ ⋅ ln( )3
2
Di
Df
αcr2 = Di
Df
MÓDULO 3
 Reconhecer as características dos processos de Conformação Mecânica por laminação.
O PROCESSO DE LAMINAÇÃO
LAMINAÇÃO
O processo de laminação consiste na passagem de uma peça entre dois cilindros que giram, de forma a
reduzir a área de uma seção transversal.
É semelhante à fabricação de massas, mas em vez de passar uma massa entre os rolos, são os aços
que têm sua espessura reduzida.
FABRICAÇÃO DE MASSAS
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Durante a laminação, raramente passa-se o material somente uma vez entre os cilindros de laminação,
pois a redução da área almejada normalmente não pode ser alcançada em um só passe. Assim, o
equipamento de laminação deve ser capaz de submeter o material a uma sequência de passes.
Quando esse equipamento consiste em somente um conjunto cilindros, isso pode ser atingido de duas
formas: variando a distância entre os cilindros de trabalho (laminadores reguláveis durante a operação)
ou mantendo essa distância fixa (laminadores fixos durante a operação) e modificando o diâmetro do
cilindro ao longo de seu comprimento, o que equivale a variar a abertura entre esses cilindros
(CHIAVERINI, 1986).
O grau de redução da espessura obtida por laminação a frio geralmente varia de 50 a 90%. Quando se
define o quanto deseja-se reduzir em cada passe ou em cada trem de laminação, busca-se uma
distribuição tão uniforme quanto possível em cada um dos passes, sem que haja uma redução
acentuada em relação à redução máxima de cada passe.
Normalmente, o último passe possui a menor porcentagem de redução para permitir melhor controle
dimensional e melhor acabamento superficial.
As etapas de laminação de chapas geralmente se resumem a uma barra (a)
que é aquecida (b),
ocorrendo as primeiras reduções de espessura a quente (c) para que o grau de deformação seja maior,
já que a ductilidade do material a quente é maior e, nessa etapa inicial, não há necessidade de
tolerâncias dimensionais apertadas.
As últimas etapas da laminação ocorrem a frio, com um grau de redução menor. Dessa forma, é possível
obter um grau de precisão maior no produto final, cuja laminação são bobinas (d) que servem de
matéria-prima para diversos ramos da indústria.
RELAÇÕES GEOMÉTRICAS NA LAMINAÇÃO
COMPRIMENTO DO ARCO DE CONTATO
Considere uma chapa que possui a altura inicial ho e tem sua espessura reduzida até h1 por dois
cilindros cujo raio é R. A figura a seguir ilustra o processo.
A redução de altura é dada por:
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O arco de contato, ld , definido pelo ângulo α, gera a região de contato entre a barra e os cilindros e
pode ser calculado pela relação de triângulos:
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Considerando desprezível, o arco de contato, ld, pode ser calculado por:
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ÂNGULO DE CONTATO
Δh = h0 − h1
ld
2 = R2 − (R  −   )
2
= R ⋅ Δh − ( )
2
  ≈  R ⋅ ΔhΔh
2
Δh
2
( )
2
Δh
2
ld = √R ⋅ Δh
O ângulo de contato, α, é o ângulo delimitado pela região do cilindro que está em contato com o material
laminado. Geometricamente, podemos observar na figura anterior, que:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Ou seja,
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Para ângulos pequenos, podemos admitir sen α ≈ α. Logo:
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CONDIÇÕES DE MORDIDA E ARRASTAMENTO DA CHAPA PELOS CILINDROS
No momento que a chapa entra em contato com os cilindros, duas forças de reação atuam sobre ela: a
força normal, N, que é normal à superfície do cilindro e a força de atrito, T, que é tangencial ao cilindro,
conforme figura:
sen α = =ld
R
√R⋅Δh
R
sen α = √ Δh
R
α = √ Δh
R
Notamos que, a força resultante da força normal e da força de atrito é a força F. A condição necessária
para que a chapa seja arrastada para os cilindros, que é chamado processo de mordida, é que a
componente da força resultante, F, na direção x, Fx, seja maior do que zero (Fx>0), ou seja:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Admite-se que o processo de atrito que ocorre é a partir da formulação de Coulomb, ou seja, T = μN,
em que μ é o coeficiente de atrito entre o cilindro e a chapa. Dessa modo, a equação anterior pode ser
escrita como Coulomb.
COULOMB
T cos  α − Nsen α > 0
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Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) foi um físico francês que publicou sete tratados sobre
eletricidade e magnetismo, e outros sobre torção e atrito entre sólidos. Em sua homenagem, deu-se seu
nome à unidade de carga elétrica, o coulomb.
Fonte: Wikipedia
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Como há o contato entre a chapa e o cilindro, N é sempre positivo, logo:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Portanto, chega-se à condição para que a mordida ocorra:
μN cos  α − Nsen α > 0
N(μ cos  α − sen α) > 0
(μ cos  α − sen α) > 0
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
À medida que os graus de reduções da chapa aumentam, é necessário aumentar o atrito (ou recorrer a
forças auxiliares) para permitir a entrada da chapa nos cilindros.
O caso limite para que ocorra a mordida (tg α=μ) permite calcular a redução máxima possível de ser
obtida. Podemos considerar para pequenos ângulos que:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Aplicando a condição limite, obtém-se:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Finalmente, a redução máxima é:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Vale ressaltar que, uma vez que a chapa é arrastada para o cilindro, o processo de laminação pode
continuar com ângulos de contato tal que tg α > μ. Logo que a chapa se encontre entre os cilindros, a
força resultante aplicada pelo cilindro sobre a chapa não está mais no ponto de entrada e sim em algum
ponto entre a entrada e a saída.tg α < μ
sen α ≈ tg α = √ Δhmax
R
√ = μ
Δhmax
R
Δhmax = μ2R
ANISOTROPIA NA LAMINAÇÃO
Na laminação a frio, devido à orientação dos grãos serem preferenciais em uma direção, o material
apresenta propriedades diferentes em cada direção. A essa característica dá-se o nome de anisotropia.
GRÃOS
Em metalurgia, cristal é um sólido no qual os constituintes básicos (átomos, moléculas ou íons) estão
organizados em um padrão tridimensional bem definido, que se repete no espaço, formando uma
estrutura com uma geometria específica. Quando esse cristal é isolado tem-se o grão.
Quando o material é laminado a quente, como qualquer conformação a quente, ocorre a formação de
novos grãos equiaxiais. Portanto, o material não apresenta características diferentes ao longo das
direções e denomina-se de isotrópico.
Outra maneira de reduzir os efeitos da anisotropia do material é aplicar um tratamento térmico, como
recozimento.
RECOZIMENTO
O recozimento é um tratamento térmico que tem por objetivo reduzir a dureza de uma peça que sofreu
um tratamento térmico de têmpera ou normalizar materiais com tensões internas resultantes dos
processos de conformação mecânica.
TIPOS DE LAMINADORES
Os laminadores podem ser classificados em diversos tipos, dependendo da disposição dos cilindros de
trabalho. Os mais conhecidos são laminadores duos, trios, quádruos, universal e Sendzimir
(CHIAVERINI, 1986).
LAMINADOR DUO
Esse equipamento é chamado de laminador duo e pode ser reversível ou não. Nos duos não reversíveis,
o sentido do giro dos cilindros não pode ser invertido e o material só pode ser laminado em um sentido.
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LAMINADOR TRIO
Três cilindros são dispostos um sobre o outro e a peça é introduzida no laminador, passando entre o
cilindro inferior e o médio e retornando entre o cilindro superior e o médio. Os modernos laminadores trio
são dotados de mesas elevatórias ou basculantes para passar as peças de um conjunto de cilindros a
outro.
LAMINADOR QUÁDRUO
Compreende quatro cilindros, montados uns sobre os outros. Dois desses cilindros são denominados
trabalho (os de menor diâmetro) e dois cilindros são denominados suporte ou apoio (os de maior
diâmetro).
LAMINADOR UNIVERSAL
Esse laminador é composto por uma combinação de cilindros horizontais e verticais. Os cilindros
verticais estão dispostos no mesmo plano vertical que os cilindros horizontais, entretanto não são
acionados. Servem apenas para garantir a uniformidade da seção do perfil laminado.
LAMINADOR SENDZIMIR
Nesse laminador, os cilindros de trabalhoso são suportados, cada um deles, por dois cilindros de apoio.
Este sistema permite grandes reduções de espessura em cada passagem a partir dos cilindros de
trabalho.
Existem outros tipos de laminadores mais especializados, como o planetário, “passo peregrino”,
Mannesmann etc.
 SAIBA MAIS
Tadeusz Sendzimir (1894-1989) foi um engenheiro polonês e inventor de renome internacional com 120
patentes em mineração e metalurgia.
LAMINAÇÃO DE PERFIS
Diversos perfis estruturais como vigas em “I”, “T” e “U” são laminados. O processo é semelhante à
laminação de chapas, entretanto os cilindros possuem ranhuras que permitem a confecção desses
perfis.
A laminação de perfis é realizada sempre a quente por conta do alto grau de deformação do material.
Para esse tipo de laminação utilizam-se tanto cilindros ranhurados quanto laminadores universais.
CÁLCULO DA CARGA NA LAMINAÇÃO DE CHAPAS A
FRIO
A partir da hipótese de uma deformação homogênea (HELMAN; CETLIN, 2005) pode ser feita uma
estimativa para a carga de laminação de chapas a frio, considerando o processo de laminação como um
processo de compressão homogênea entre placas bem lubrificadas.
As placas possuem um comprimento L igual ao comprimento do arco de contato projetado na direção de
laminação. Na direção transversal, o comprimento de contato será a largura w da chapa. Assim, a área
de contato é:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Admite-se que não há deformação lateral (hi ≪ w). Então, a carga de laminação é:
A = L ⋅ w = √R ⋅ Δh ⋅ w
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que é a tensão média de escoamento para o estado plano de deformação (
). Logo, a forma por unidade de largura é dada por:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Com essa equação é obtido o limite inferior para a carga de laminação, uma vez que não é considerado
o atrito na formulação. Orowan (1943) sugere 20% de acréscimo na carga para incluir o efeito do atrito.
Sendo assim, chega-se finalmente a:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Essa não é uma equação precisa, porém é uma rápida estimativa da carga de laminação.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
MÓDULO 4
 Reconhecer as características dos processos de Conformação Mecânica por forjamento
P = ¯̄̄S̄  ⋅ A = ¯̄̄S̄ √R ⋅ Δh ⋅ w
¯̄̄S
Y  ( S   = 1, 15 ∙ Y )
= ¯̄̄S̄   ⋅  √R ⋅ ΔhP
w
= 1, 2  ⋅  ̄ ¯̄̄S   ⋅ √R ⋅ ΔhP
w
FORJAMENTO DE MATRIZ ABERTA VS.
FORJAMENTO DE MATRIZ FECHADA
FORJAMENTO
Forjamento é o nome dado às operações de conformação mecânica em que os esforços sobre um
material dúctil são compressivos, então o material tende a assumir o contorno da ferramenta de
trabalho.
O forjamento é um dos processos de conformação mais antigos, tendo sua origem no trabalho dos
ferreiros muitos séculos antes de Cristo. A substituição do esforço aplicado pelo ferreiro ocorreu nas
primeiras etapas da Revolução Industrial.
Atualmente, existem diversos tipos de maquinários utilizados no forjamento que são capazes de produzir
peças das mais variadas formas e tamanhos, desde alfinetes, parafusos, porcas e pregos até asas e
rotores de turbinas de avião. O ferramental empregado na maioria das operações de forjamento é
constituído por um par de ferramentas de superfície plana ou côncava.
CLASSIFICAÇÃO DAS OPERAÇÕES DE
FORJAMENTO
O forjamento pode ser dividido em dois grandes grupos de operações: forjamento em matriz aberta ou
forjamento livre e forjamento em matriz fechada.
FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA OU
FORJAMENTO LIVRE
No forjamento em matriz aberta, também chamado de forjamento livre, a matéria-prima é conformada
entre matrizes planas ou de forma simples, que geralmente não se tocam.
Esse tipo de forjamento é usado para fabricar peças grandes e com formas relativamente simples, como
alavancas, eixos de turbinas e de navios, correntes, âncoras etc; ou então para realizar operações de
pré-conformação em peças que serão submetidas posteriormente a operações de forjamento mais
complexas.
No forjamento de matriz aberta, normalmente o processo ocorre a quente por conta da dimensão da
peça e do grau de deformação aplicado, exigindo ductilidade do material. Caso fosse realizado
forjamento a frio, o material não resistiria e apresentaria não conformidades, como trincas.
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
No forjamento em matriz fechada, a matéria-prima é conformada entre duas metades de matriz em que
cada uma possui impressões com o formato que se deseja fornecer à peça gravada em baixo-relevo na
superfície que entra em contato com o material. Como a deformação ocorre sob alta pressão em uma
cavidade fechada (ou semifechada), é possível obter peças com tolerâncias dimensionais menores do
que no forjamento livre.
Diversos tipos de peças são fabricadas por forjamento em matriz fechada, desde peças pequenas como
moedas , que são confeccionadas por cunhagem — que é um tipo de forjamento de matriz fechada —,
além de ganchos, chaves, alicates, martelos, bielas, até peças maiores como pás de turbinas.
Diversos tipos de peças são fabricadas por forjamento em matriz fechada, desde peças pequenas como
moedas , que são confeccionadas por cunhagem — que é um tipo de forjamento de matriz fechada —,
além de ganchos, chaves, alicates, martelos, bielas, até peças maiores como pás de turbinas.Diversos tipos de peças são fabricadas por forjamento em matriz fechada, desde peças pequenas como
moedas , que são confeccionadas por cunhagem — que é um tipo de forjamento de matriz fechada —,
além de ganchos, chaves, alicates, martelos, bielas, até peças maiores como pás de turbinas.
Diversos tipos de peças são fabricadas por forjamento em matriz fechada, desde peças pequenas como
moedas , que são confeccionadas por cunhagem — que é um tipo de forjamento de matriz fechada —,
além de ganchos, chaves, alicates, martelos, bielas, até peças maiores como pás de turbinas.
Diversos tipos de peças são fabricadas por forjamento em matriz fechada, desde peças pequenas como
moedas , que são confeccionadas por cunhagem — que é um tipo de forjamento de matriz fechada —,
além de ganchos, chaves, alicates, martelos, bielas, até peças maiores como pás de turbinas.
Diversos tipos de peças são fabricadas por forjamento em matriz fechada, desde peças pequenas como
moedas , que são confeccionadas por cunhagem — que é um tipo de forjamento de matriz fechada —,
além de ganchos, chaves, alicates, martelos, bielas, até peças maiores como pás de turbinas.
Diversos tipos de peças são fabricadas por forjamento em matriz fechada, desde peças pequenas como
moedas , que são confeccionadas por cunhagem — que é um tipo de forjamento de matriz fechada —,
além de ganchos, chaves, alicates, martelos, bielas, até peças maiores como pás de turbinas.
Nos casos em que a deformação do material ocorre dentro de uma cavidade sem zona de escape, é
fundamental a precisão na quantidade de material, pois sendo insuficiente resulta na falta de
preenchimento da cavidade e consequente falha no volume da peça. Já o excesso de material causa
sobrecarga e possível dano ao maquinário e ao ferramental.
Como existe dificuldade de dimensionar a quantidade precisa de material, normalmente emprega-se um
pequeno excesso. Por conta disso, as matrizes possuem uma zona oca especialmente destinada para
recolher o material excedente após a cavidade principal ser totalmente preenchida.
Esse material excedente forma uma faixa estreita em torno da peça forjada, na região de interseção
entre as duas matrizes. A esse material excedente denomina-se rebarba e, por conta dessa formação, é
necessária uma operação posterior de corte para remoção, chamada rebarbação.
Portanto, as funções da rebarba são:
Funcionar como uma válvula de segurança para escoar o excesso de material da cavidade das
matrizes.
Controlar o escape de metal, aumentando a resistência ao escoamento do material para que a
pressão aplicada no material aumente e, portanto, seja assegurado que o metal preencherá todos
os espaços da cavidade da matriz.
Uma geometria complexa geralmente não pode ser obtida em uma única etapa de conformação de
forjamento, exigindo uma ou mais etapas de pré-forjamento. Essas etapas anteriores ao forjamento
principal podem ser realizadas por meio de superfícies especificamente usinadas no próprio bloco das
matrizes, em dispositivos separados ou mesmo por meio de outros processos de conformação
mecânica.
O objetivo do pré-forjamento é fazer a distribuição do metal para regiões mais adequadas ao forjamento
subsequente. A pré-forma a ser obtida é conformada para uma configuração mais próxima da forma final
em uma matriz chamada de matriz de esboço, que garante uma distribuição adequada de metal, mas
ainda não a forma final, reduzindo o esforço de forjamento de cada etapa.
Essa distribuição é fundamental para que as máquinas (prensas) sejam capazes de conformar peças
muito complexas, visto que, se fossem forjadas em uma única etapa, duas dificuldades seriam
observadas:
A máquina precisaria de um dimensionamento que talvez fosse inviável.
O material poderia não resistir a uma deformação tão severa e apresentaria trincas e falhas.
ESFORÇO NO FORJAMENTO
Para se estimar o esforço durante o forjamento, é preciso levar em consideração dois tipos de aplicação
da força: por ação de prensa e por ação de martelo.
ESFORÇO POR AÇÃO DE PRENSA
Na aplicação do esforço por ação de prensa, é considerado um esforço lento e progressivo da força
sobre o bloco a ser deformado.
Considere um bloco em formato de paralelepípedo e uma força constante, P, sendo aplicada sobre o
bloco, representando a matriz superior que se desloca comprimindo o material.
A altura inicial do bloco é h0 e a altura final do bloco é h1. Em um instante qualquer entre as alturas
inicial e final, considera-se uma altura h. O referencial está situado no solo e o sentido para cima é
positivo.
O objetivo para desenvolver essa modelagem é igualar o trabalho realizado pela força externa, P, pelo
trabalho de deformação realizado pelo bloco. Supondo que a força P cause uma deformação
infinitesimal dh, o trabalho de deformação infinitesimal dT é dado por:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
O sinal negativo é devido à força P estar no sentido contrário ao definido como sentido positivo.
Aplicando o operador integral em ambos os lados, temos:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
dT = −Pdh
∫  dT = ∫ −Pdh
Os limites de integração são de 0 a T e de h0 a h1. Logo:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Invertendo-se os limites de integração do lado direito da equação, multiplica-se este lado por (-1):
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Define-se o parâmetro Resistência à Deformação, Rd, que é uma pressão característica do material,
dada por:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que S é a área sobre a qual a força P é aplicada. Como o volume, V, do material é constante, temos
para um instante qualquer:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Portanto, a força P é escrita como:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
∫ T
0 dT = ∫ h1
h0 −Pdh
T = ∫ h0
h1 Pdh
Rd = P
S
S = V
h
P = Rd. V
h
Substituindo a equação da força na equação do trabalho, chega-se a:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Para um dado grau de deformação, a Resistência à Deformação, Rd, é constante, bem como o volume.
Dessa forma, ambos os parâmetros podem ser retirados da integral:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Resolvendo a integral:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
O trabalho realizado pela força P ao percorrer a distância de h0 a h1 é:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Igualando os dois trabalhos, finalmente, chega-se à força necessária para deformar o bloco de volume V
da altura de h0 para a altura h1 é:
T = ∫
h0
h1 Rd. dhV
h
T = Rd.V ∫ h0
h1 dh1
h
T = Rd .  V  .   ln
h0
h1
T = P(h0 − h1)
P =
Rd . V  . ln ( )
h0
h1
(h0−h1)
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ESFORÇO POR AÇÃO DE MARTELO
No forjamento por ação de martelo considera-se um bloco de peso Q sendo solto a partir do repouso de
uma altura H, conforme a figura:
Da mesma forma que foi feito o desenvolvimento do esforço por ação de prensa, para o cálculo do
esforço por ação de martelo também é realizado um balanço de energia. A energia potencial, Ep, do
bloco que está a uma altura H é convertida em energia cinética, Ec.
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que m é a massa do bloco, v é a velocidade e g é a aceleração da gravidade.
Ao impactar o bloco, parte da energia cinética é perdida por calor, atrito etc., sendo computada por uma
eficiência, η, do processo. Essa energia é então convertida na energia de deformação plástica do bloco.
Ec = Ep
mv2 = mgH1
2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontalComo a energia potência é igual à energia cinética:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
O peso do bloco é dado por:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Logo:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A energia de deformação é semelhante ao que foi feito durante o desenvolvimento do esforço por ação
de prensa:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Igualando as duas energias, temos:
T = mv2 .  η1
2
T = mgHη
Q = mg
T = QHη
T = Rd.  V  .  ln ( )h0
h1
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
De onde extrai-se a altura H necessária para soltar o peso Q e deformar o bloco de volume V de uma
altura h0 até uma altura h1:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Nesse caso, a resistência à deformação, Rd, tem o mesmo significado, tanto para o esforço por ação de
prensa quanto por ação de martelo. Entretanto, os valores para cada aplicação são diferentes e podem
ser obtidos a partir da tabela a seguir:
Deformação (%)
Rd (kgf/mm2)
Por ação do martelo Por ação da prensa
0 a 10 10 – 15 4 – 6
10 a 20 10 – 20 6 – 12
20 a 40 20 – 30 12 – 22
40 a 60 30 – 36 22 – 28
Acima de 60 36 – 50 28 – 38
VERIFICANDO O APRENDIZADO
QHη = Rd.  V  .  ln ( )h0
h1
H =
Rd. V  .  ln  ( )
h0
h1
Qη
CONCLUSÃO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Apresentamos os conceitos dos processos de fabricação por Conformação Mecânica e as principais
operações existentes: estampagem, corte de chapas e dobramento, extrusão e trefilação, laminação e
forjamento, bem como suas características.
Como vimos, a principal característica da Conformação Mecânica é a deformação plástica do material
que muda a forma da matéria-prima e, assim, a geometria da peça é definida. Além disso, observamos
que a temperatura que o material possui ao sofrer deformação implica características do produto final,
podendo, em certos casos, provocar aumento da resistência mecânica da peça, o chamado
endurecimento por encruamento.
 PODCAST
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
ALTAN, T. Conformação de Metais - Fundamentos e Aplicações. São Carlos: EESC-USP, 1999.
CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica. Processos de Fabricação e Tratamento. Vol. II. São Paulo:
McGraw-Hill, 1986.
HELMAN, H; CETLIN, P.R. Fundamentos da Conformação Mecânica dos Metais. São Paulo: Artliber,
2005.
OROWAN, E. The calculation of roll pressure in hot and cold flat rolling. Proceedings of the
Institution of Mechanical Engineers. Sage Journals. June 1, 1943.
SCHAEFFER, Lírio - Conformação Mecânica dos Metais. Porto Alegre: Imprensa Livre, 2005.
EXPLORE+
Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, pesquise:
Os rumos da Estampagem de Aços Automotivos. Industrial Heating.
CONTEUDISTA
Gustavo Simão Rodrigues
 CURRÍCULO LATTES
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