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CONFORMAÇÃO MECÂNICA E SOLDAGEM André Shataloff Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio Objetivos de aprendizagem Ao final deste capítulo, você deverá apresentar os seguintes aprendizados: Descrever sobre os efeitos da temperatura nos diferentes processos de forjamento a quente, a morno e a frio. Expressar a utilização das ferramentas e maquinários usados no pro- cesso de forjamento. Identi� car a qualidade e aplicação dos produtos forjados. Introdução Os metais são produzidos e disponibilizados pela indústria metalúrgica em diversos formatos, tais como: blocos, tarugos, vigas, chapas, placas (grossas, médias e finas), lingotes etc. Na conformação mecânica, os produtos primários podem ser conformados em vários processos, dentre eles o processo de forjamento por impacto, que utiliza força de choque, ou forjamento em prensa, que aplica força progressiva de compressão. Neste texto, você irá estudar os conceitos gerais do processo de forjamento a quente, a morno e a frio, a utilização das ferramentas e maquinários de forjamento, bem como a qualidade e aplicação dos produtos forjados. Forjamento Segundo Smith e Hashemi (2012) e Moro e Auras (2006), o processo de forjamento é um dos métodos de conformação mecânica no qual o metal é martelado ou prensado na forma desejada. O material é na maioria dos casos forjado a quente, mas também é trabalhado a morno e a frio. No forjamento, são usados, principalmente, os seguintes métodos: a) golpes rápidos e repetidos com um martelo, aplicando força de choque sobre o metal; b) prensas, submetendo o material-base à compressão progressiva. De acordo com Moro e Auras (2006), a matriz de forjamento pode moldar vários produtos, tais como moedas, pregos, parafusos, âncoras, peças de cone- xão hidráulicas, virabrequins, entre outros. Altan, Oh e Gegel (2012) reforçam que, devido a características mecânicas, os produtos forjados são usados em automóveis, caminhões, tratores, equipamentos ferroviários, aeronáuticos etc. Categorias de forjamento Segundo Bresciani e Silva (2011), o forjamento se divide em duas categorias: forjamento livre, denominado matriz aberta (Figura 1a); e forjamento em matriz fechada (Figura 1b1), que pode ser trabalhado com produção de rebarba ou forjamento sem rebarba (Figura 1b2). No forjamento livre, a deformação ocorre entre ferramentas planas ou de geometrias simples, como mostra a Figura 2, e o material escoa mais livre e com menor atrito, permitindo produzir peças maiores. O processo pode ser fase anterior do forjamento em matriz fechada para que a peça atinja sua forma final, mais cheia de detalhes. Outra aplicação é quando a quantidade de peças não justifica a construção de matrizes e opta-se pela redução de custos. O forjamento em matriz fechada permite o trabalho de peças com menores tolerâncias dimensionais e grande volume produtivo, pois as ferramentas têm custo elevado. De acordo com Bresciani e Silva (2011), o grande problema da matriz fechada é determinar com precisão o volume de material a ser posto na matriz, e para trabalhar esse problema, a solução é preencher a cavidade para que o excesso vá para a bacia da calha da rebarba. A rebarba pode ser eliminada manualmente, após a utilização da matriz fechada, ou via dispo- sitivo feito para rebarbagem em matriz aberta, que muitas vezes aproveita o material ainda quente. Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio2 Em geral, a deformação do material na conformação mecânica de forjamento confere a melhoria das propriedades mecânicas do metal, alterando as formas dos grãos do produto. Por essa razão, é relevante identificar qual temperatura de trabalho atende melhor as especificações e aumenta a produtividade. Figura 1. Operações de forjamento: (a) Forjamento em matriz aberta. (b1) Forjamento em matriz fechada. (b2) Forjamento em matriz fechada sem rebarba. Fonte: Adaptada de Groover (2014). 3Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio Figura 2. Formas básicas de forjamento em matriz aberta. Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 155). Efeitos da temperatura nos diferentes processos de forjamento De acordo com Moro e Auras (2006), a classifi cação quanto à temperatura de trabalho na conformação mecânica é defi nida em três tipos: 1. trabalho a quente (TQ), que permite trabalhar a temperaturas que se adequem ao tipo de material usado e, assim, recristalizar os grãos – estruturas cristalinas deformadas em conformações –, formando novos grãos e reduzindo as tensões internas; 2. trabalho a frio (TF), que não permite a recristalização – processo que dá forma a novos grãos – e não reduz tensões internas, que podem ser tratadas após o forjamento, se necessário; 3. trabalho a morno (TM), que também não recristaliza o material, mas permite o ajuste dos defeitos das estruturas cristalinas, melhorando a ductilidade do material e gerando um efeito chamado de recuperação. Processos de forjamento a quente Segundo Altan, Oh e Gegel (2012), a temperatura do material em processo é maior em relação à matriz, ao contrário do fl uxo do material na cavidade, que é determinado pelos seguintes fatores: a) fl uidez do material em função da resistência ao escoamento plástico; b) atrito e perda de calor material/matriz; c) geometria da peça. Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio4 Ao observar a forjabilidade na maioria dos metais, notou-se que esta au- menta em função da temperatura, porém isso implica no aumento do tamanho do grão, e em determinadas ligas esse maior tamanho diminui a forjabilidade. Segundo Moro e Auras (2006), o trabalho a quente não só necessita de menor energia mecânica de conformação como também alivia as heteroge- neidades da estrutura dos lingotes fundidos. Uma vez ocorrendo variações de temperatura devido à deformação do produto na cavidade, as diversas velocidades de resfriamento em regiões mais espessas e mais finas torna irregular a estrutura do metal. As velocidades diferenciadas de resfriamento resultam na diferenciação dos tamanhos dos grãos, permitindo, no núcleo da peça, grãos maiores. Observe na Tabela 1 as vantagens e desvantagens comparadas ao processo de forjamento a quente quando comparado com a conformação a frio e a morno. Fonte: Moro e Auras (2006). TQ TF TM Força e energia < > ~ Elimina defeitos da fundição > < ~ Recristalização sim não não Recuperação não não sim Surgimento de discordâncias < > ~ Tolerância e acabamento < > ~ Uniformidade da microestrutura < > ~ Legenda: < maior ; < menor; ~ intermediário Tabela 1. Comparação de fatores. 5Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio De acordo com Bresciani e Silva (2011), a perda de temperatura ocorre em virtude da transmissão de calor à ferramenta, sendo mais significativa a perda por radiação. Essa diferença de temperaturas afetará a velocidade de resfriamento. O ideal seria, na condição dos aços, aquecer as ferramentas previamente perto de 300º C. No caso dos não ferrosos, o correto seria nivelar as temperaturas de forjamento e ferramenta. Para se ter uma boa qualidade, cada aço precisa ter uma temperatura de processo. Quando está entre 700 e 900º C, corre-se o risco de encrua- mento e aparecimento de fissuras que não poderão ser eliminadas através do recozimento. De acordo com Ferreira (2010), a variação de temperaturas na peça pode levar à contração de um segmento ao esfriamento rápido e ser, ao mesmo tempo, freada em outra área ainda quente. A variação dessas tensões na solidificação acaba induzindo fortes tensões nas partes finas do produto, promovendo trincas nessas áreas. Outra vantagem de se trabalhar a quente é a possibilidade de evitar trincas circunsferenciais, ou seja, a tendência ao abarrilamento, quando o material fica fino nas pontas e rechonchudo no meio. Essa condição provoca tensões que podemser aliviadas através da recristalização. Essas tensões se tornam um problema quando trabalhadas abaixo da temperatura de recristalização, seja a morno ou a frio. Processos de forjamento a frio Segundo Altan, Oh e Gegel (2012), no processo de forjamento a frio o material é forçado a fl uir plasticamente através de forças compressivas, assumindo uma nova geometria conforme o projeto. O trabalho a frio é vantajoso em pelo menos cinco aspectos: a) alta produtividade; b) excelente controle dimensional do produto acabado devido ao fato de ter maior controle dimensional, uma vez que não sofre bruscas dilatações térmicas no processo; c) alto detalhamento e efi ciência quando comparados aos processos de usinagem; d) alta resistência ao escoamento e à tração, fruto do encruamento dos grãos; e) resistência mecânica elevada devido à não alteração de fl uxo de grãos pela variação de velocidade de resfriamento da peça. Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio6 O volume produzido deve ser alto, pois o investimento nas matrizes de forjamento a frio é alto. Quanto menor é a peça, menor seu valor comercial, assim, peças com menos de 20 gramas ficam restritas ao lote econômico de 10.000 peças, em condições padrão e para situações especiais; peças complexas podem chegar a 500.000 unidades, segundo Altan, Oh e Gegel (2012). Os melhores materiais para o forjamento a frio são aqueles cuja boa ductili- dade se mantém à temperatura ambiente, como é o caso das ligas de alumínio, ligas de cobre, estanho, aço entre outros. Processos de forjamento a morno Segundo Altan, Oh e Gegel (2012), o processo de forjamento a morno é traba- lhado abaixo da temperatura de recristalização, entre 700 e 800º C, ganhando fl uidez ao diminuir a tensão de escoamento se comparado ao processo a frio. Moro e Auras (2006) afirmam que existem informações controversas quanto ao consenso da faixa de trabalho na conformação a morno dos aços e chamam a atenção para o limite mínimo de 500º C, que evita a fragilidade ao trabalhar em baixas temperaturas. Entre 200 e 400º C, átomos intersticiais difundem-se, dando ao metal um aspeto azulado, fruto da formação de óxidos, o que serve como sinal de alerta aos serviços nessas temperaturas. Maquinários e ferramentas aplicados no forjamento Segundo Bresciani e Silva (2011), através da conformação mecânica processos de forjamento é possível trabalhar dois efeitos no produto fi nal: a) atribuir geometria e dimensional desejado; b) melhorar propriedades mecânicas ao mexer na estrutura cristalina, modifi cando e refi nando os grãos. O material-base que alimenta o forjamento é de blank fundido, que possui menor homogeneidade na estrutura do metal, e o material laminado, que é mais indicado graças ao seu melhor acabamento e estrutura homogênea. De acordo com Groover (2014), os equipamentos aplicados no forjamento são: máquinas de forjamento, ferramentas a exemplo das matrizes, aquece- dores de peças, dispositivos de alimentação e descarga e, quando necessário, estações de retirada das rebarbas. 7Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio Mecanismos de forjamento De acordo com Altan, Oh e Gegel (2012), as pressões de forjamento dependem da geometria da peça, do produto e do material utilizado, e na prática variam entre 30 e 110 kgf/mm2. Na Figura 3a, temos um esquema de matriz fechada que nos permite observar os detalhes da peça e as rebarbas formadas. Isso ajuda a analisar a Figura 3b e a verificar a variação da curva de tensão durante a conformação de forjamento. Percebemos que o maior pico de tensão na cavidade (σc) é localizado ao centro, no local de maior reação à força da matriz ao fluxo de metal, segue em direção à calha e diminui mais rapidamente a tensão na faixa do estrangulamento de fluxo (σe) para formar a rebarba, na faixa da tensão final (σf), resultando na perda de carga e esfriamento do metal. Na Figura 4 há o esquema do movimento de fechamento e formação da curva (Figura 4d). Vamos estudar o passo a passo: 1º) para entender o processo, deve-se admitir o blank suficiente de metal para preencher a cavidade e também a condição de estrangulamento e perda de carga do material ao passar no canal e na calha da rebarba; 2º) as cargas são mais baixas até o material atingir o canal da rebarba, isto é, o ponto P1, que é o ponto de recalque devido à restrição ao fluxo; 3º) a carga aumenta a taxa elevada até o enchimento da peça, atingindo o ponto P2; 4º) a carga final assegura a finalização da peça, atingido o ponto P3. Podemos observar que os pontos P1, P2 e P3 são três estágios distintos de deslocamento da matriz superior ou punção. A formação da rebarba está diretamente relacionada à quantidade de material extra da peça. Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio8 Figura 3. Esquema de um estampo fechado simples: (a) Detalhamento. (b) Distribuição de pressões de forjamento. 9Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio Figura 4. Fluxo de metal e curva deslocamento-carga. Máquinas de forjamento Segundo Bresciani e Silva (2011), os equipamentos de forjamento conforme o princípio de trabalho podem ser divididos em dois grupos: a) martelos de forjamento; b) prensas de forjamento. Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio10 Na Figura 5, temos um ferreiro trabalhando em sua prensa, moldando o aço incandescente. Na Figura 6a, é apresentado o martelo de forjar, que funciona por intermédio do princípio da deformação resultante da energia cinética do martelo, liberada através da repetição de pancadas. São divididos em três tipos: a) martelo de queda livre, limitado em função da altura e peso do martelo; b) martelo de dupla-ação, no qual existe a associação a equipamento hidráulico ou pneumático, tornando a força até 20 vezes o peso do martelo (Figura 6c); c) martelo de contragolpe, que utiliza duas massas que se chocam, proporcionando menos vibração à peça e ao solo. A prensa de forjar (Figura 6b) é destinada ao forjamento e se divide em três tipos: a) prensa hidráulica, à qual se aplica velocidades e pressões uniformes; b) prensa mecânica excêntrica, que possui baixo custo de operação e está limitada a peças médias e pequenas; c) prensa de fricção, que possui uma rosca sem fim por intermédio da qual a descida da massa giratória produz energia cinética, pressionando um prato ao outro, sendo, por isso, indicada para cunhar medalhas, moedas etc. Figura 5. Trabalho em martelo de forja. Fonte: Studio 72/Shutterstock.com. 11Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio Figura 6. Principais equipamentos de forjamento: (a) Prensa mecâ- nica ou martelo de forjar. (b) Prensa hidráulica. (c) Martelo de forjar. Fonte: Ferreira (2010, p. 132) e Prabhjit S. Kalsi/Shutterstock.com. É preciso utilizar lubrificação no forjamento? Segundo Altan, Oh e Gegel (2012), para realizar a lubrificação no forjamento são necessárias algumas características e o desempenho de algumas funções, tais como: reduzir atrito do material na cavidade, reduzindo a pressão requerida ao enchimento; inibir a soldagem do material à matriz, evitando danos; minimizar a perda de calor no contato do blank com a superfície da matriz; recobrir toda a matriz como um filme; não ser abrasivo, prevenindo a erosão da matriz; não gerar resíduos que possam acumular em cantos da ferramenta; desenvolver uma característica de fácil desmoldagem do produto; não haver produtos tóxicos produtores de fumaça durante aplicação. Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio12 Ferramentas de forjamento De acordo com Groover (2014), a boa execução do forjamento depende de um bom projeto da ferramenta e da matriz. Na Figura 1 foi demonstrada a diferenciação das matrizes abertas, fechadas e fechadas sem rebarba. O projeto de ferramentasabertas é mais simples (como mostrado na Figura 2) devido à forma simples, ao contrário das ferramentas e das matrizes fechadas. Segundo Bresciani e Silva (2011), os principais materiais utilizados na confecção das ferramentas são os aços-ligas. Na conformação do aço, utiliza-se aços enriquecidos com tungstênio para melhorar a performance a altas tempe- raturas. Em materiais não ferrosos, costuma-se aplicar, devido à tenacidade, os aços cromo-níquel e cromo-molibinênio. Forjamento em matriz aberta Na Figura 7, observamos as principais operações em forjamento livre, segundo Bresciani e Silva (2011), dentre as quais podemos citar: deformação simples (Figura 7a); recalque, estiramento, alargamento (Figura 7b); rebaixamento, dobramento, fendilhamento (Figura 7c); expansão (Figura 7d); e corte rebar- bação etc. (Figura 7e). De acordo com Ferreira (2010), o forjamento livre ou forjamento em matriz aberta não significa a construção da ferramenta plana, e sim a liberdade do escoamento e a ausência de restrição lateral. O objetivo é a redução gradativa da secção da peça, podendo essa etapa ser inicial para depois seguir em matriz fechada ou mesmo etapas de usinagens. A característica simplificada é a redução da altura e um abarrilamento, isto é, uma deformação à semelhança de um barril, quando o material fica fino nas pontas e rechonchudo no meio, como mostra a Figura 7a. A Figura 8 mostra a operação de recalque, utilizada para confecção de pregos e parafusos de diversos tipos. Geralmente classificada em operação de matriz aberta, pode assumir configurações fechadas, a exemplo do caso apresentado nas imagens, cujo material não tem saída livre da matriz, sendo uma exceção. O sistema de funcionamento consiste em mordentes (Figura 8a) que seguram o batente – material a ser conformado –; depois, a peça é cortada e se inicia o recalque (Figura 8b). Por último, é feita a conformação completa da cabeça de acordo com a geometria da ferramenta (Figuras 8c, 8d e 8e). 13Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio De acordo com Machado (2008), pode-se sintetizar o forjamento livre das seguintes maneiras: a) formas mais simples e regulares; b) peças de peque- nas a grandes dimensões; c) baixa produtividade; d) utilizando o martelo de forjamento. Figura 7. Esquema de matrizes abertas simples. (a) Deformação em matriz aberta. (b) Recalque, estiramento e alargamento. (c) Fendilhamento. (d) Expansão. (e) Corte. Fonte: Adaptada de Bresciani e Silva (2011, p. 134). Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio14 Figura 8. Operações de forjamento por recalque. (a) Mordentes apertam o batente e o excesso é cortado. (b) O punção inicia o recalque; (c) Conformação alternativa de cabeça sextavada. (d) Finaliza-se o recalque conformando a cabeça. (e) Conformação alternativa de cabeça de parafuso com fenda. Fonte: Adaptada de Groover (2014). Forjamento em matriz fechada Bresciani e Silva (2011) observam que no forjamento em matriz fechada o material sofre conformação por compressão e é pressionado em direções conforme a ferramenta. De acordo com Ferreira (2010), a dificuldade de escoamento no forjamento em matriz fechada inviabiliza a conformação numa única vez, devendo ser dividida em etapas, iniciando, inclusive, na matriz aberta. A dificuldade em fluir o material na cavidade leva à necessidade de forçar o material a passar através de canais de escape e formar rebarba, evitando quebras da ferramenta. Quando há necessidade de acabamento (por exemplo, a usinagem), deve-se observar a formação de sobremetal, prevendo essas operações. Na Figura 9 observamos o exemplo de matriz fechada para produção de bielas. Analise que na própria ferramenta foram confeccionadas cavidades formando o produto em quatro etapas. Na Figura 10 temos em a e b dois produtos diferentes, sendo necessário nas fases iniciais a utilização do forjamento em matriz aberta. 15Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio Figura 9. Conjunto de matrizes para forjamento em matriz fechada para produção de bielas. 3° 4° 1° 2° Figura 10. Sequência de forjamento. (a) Na fase I temos o blank; na II, o entalhamento, feito em matriz aberta; na III, a moldagem em matriz aberta; na IV, a ocorrência de uma ou mais etapas em matriz fechada até formal final. (b) Etapas do forjamento de uma virabrequim. Fonte: Ferreira (2010, p. 65) e Machado (2008, p. 50). (I) (I) (II) (II) (III) (III) (IV) (IV) (a) (b) Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio16 Acesse o material no link a seguir e aprofunde seus conhecimentos em forjamento. https://goo.gl/4DZ7ev Veja no link a seguir, um vídeo de como são fabricados parafusos e porcas. https://goo.gl/GUJDSp Veja também a produção de mola e forjamento a frio. Observe o comportamento do material durante a execução dos trabalhos. https://goo.gl/BsFgqR Qualidade e aplicação em forjamento Propriedade dos forjados Segundo Bresciani e Silva (2011), há uma diferença signifi cativa nas caracte- rísticas de resistência à tração e a ductilidade entre peças feitas a frio, a morno e a quente. As propriedades dos forjados a frio são de elevada resistência mecânica devido ao encruamento ocasionado no trabalho. Às vezes, trabalhando em processos de forjamento a quente, a substituição planejada de materiais com composições químicas melhores, a exemplo do aço-liga, podem ser substituídos em composições simples de menor custo e for- jamento a frio que, devido às propriedades mecânicas, acabam se equiparando. A diferenciação entre forjados a frio e a quente aumenta conforme se trabalha com peças maiores, devido à variação da estrutura dos materiais próximos à superfície e aqueles próximos ao núcleo da peça. Outro ponto diferencial é a rugosidade superficial ser melhor nos forjados a frio. Na Figura 11, é possível observar o detalhamento do efeito do uso do martelo, no efeito do impacto da deformação, e a homogeneização da estrutura do material somatório da tensão gerada e da transformação termodinâmica ocorrida no material fruto do recalque, transformando grãos grosseiros, efeito do chamado refino termodinâmico, em grãos equiaxiais. 17Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio https://goo.gl/4DZ7ev https://goo.gl/GUJDSp https://goo.gl/BsFgqR Figura 11. Demonstração esquemática da modificação microestrutural de- corrente do forjamento, do impscto σ + transformação termodinâmica (TT). Qualidade dos forjados Segundo Altan, Oh e Gegel (2012), os produtos forjados oferecem alta resis- tência mecânica, ductilidade e resistência ao impacto capazes de conformar componente de alta qualidade a custos competitivos. Segundo Moro e Auras (2006), forjados podem apresentar os seguintes defeitos: trincas superficiais, devido ao excesso de trabalho na superfície sem temperatura adequada; trincas nas rebarbas, podendo se propagar na peça, devido à impurezas; trincas internas, fruto de grandes deformações; gotas frias, oriundas de fluxos anormais na cavidade; incrustações de óxidos, formadas durante aquecimento; descarbonetação, perda de carbono na superfície devido aquecimento excessivo. Veja o vídeo disponível no link a seguir para aprofundar seus conhecimentos na linha de conformação mostrando o forjamento de roda de aço. https://goo.gl/K2VfDx Conformação mecânica: processo de forjamento a quente, a morno e a frio18 https://goo.gl/K2VfDx ALTAN, T.; OH, S.; GEGEL, H. Processos de conformação dos materiais: introdução aos processos de conformação: parte II. São Carlos: Escola de Engenharia de São Carlos, USP, 2012. BRESCIANI, F. E.; SILVA, I. B. Conformação plástica dos metais. 2. ed. São Paulo: EPUSP, 2011. FERREIRA, R. A. S. Conformação plástica: fundamentos metalúrgicos e mecânicos. 2. ed. Recife: UFPE, 2010. GROOVER, M. P. Introdução aos processos de fabricação. Rio de Janeiro: LTD,2014. MACHADO, L. P. M. Conformação dos metais: fundamentos e aplicação. Vitoria: IFES, 2008. MORO, N.; AURAS, A. P. Processos de fabricação: conformação mecânica II: extrusão, trefilação e conformação de chapas. Florianópolis: CEFET-SC, 2006. Curso Técnico de Mecânica Industrial. SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. Leituras recomendadas ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e engenharia dos materiais. São Paulo: Cengage Learning, 2014. CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Fundamentos da ciência e engenharia dos materiais: uma abordagem integrada. Rio de Janeiro: LTC, 2014. CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica. 2. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. OLÍVIO, N. Introdução à engenharia de fabricação mecânica. 2. ed. 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