Conformação Mecânica

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CONFORMAÇÃO 
MECÂNICA E 
SOLDAGEM
André Shataloff
 
Conformação mecânica: 
processo de laminação
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste capítulo, você deverá apresentar os seguintes aprendizados:
 � Descrever os conceitos gerais da mecânica do processo de laminação 
(a quente e a frio), bem como as propriedades de produtos laminados.
 � Relacionar os equipamentos e máquinas para execução do processo 
de laminação.
 � Categorizar os equipamentos e máquinas para execução do processo 
de laminação, bem como suas aplicações.
Introdução
Os metais são produzidos e disponibilizados pela indústria metalúrgica 
ou siderúrgica em diversos formatos, tais como: blocos, tarugos, redon-
dos, vigas, placas grossas, médias e finas, lingotes etc. A simples entrega 
desses formatos já supõe ser necessária a conformação mecânica, mesmo 
inicialmente. A conformação primária em um fluxograma de processo 
rotineiro para conversão de matérias-primas em produtos acabados 
passa pela laminação. 
Neste texto, você irá estudar os conceitos gerais da mecânica do 
processo de laminação (a quente e a frio), as propriedades de produtos 
laminados e também aprenderá a relacionar e a aplicar os equipamentos 
e máquinas usados para a execução do processo de laminação.
Processo de laminação e propriedades de 
produtos
De acordo com Smith e Hashemi (2012), no início dos processos siderúrgicos 
— produção de aço ou metalúrgico — para a produção de metais e ligas me-
tálicas, o material segue um de dois fluxos: a) direciona-se para a máquina de 
lingotamento contínuo, alimentando laminadores, produzindo e solidificando 
blocos, tarugos e placas; b) direciona-se para os moldes de lingotamento, 
solidificando em lingotes, esfriando e sendo novamente aquecidos em uma 
segunda etapa para que possam passar por processos primários aos quais se 
destacam a laminação, a extrusão, a trefilação, o forjamento e a estampagem.
O processo de laminação tem uma função importante no setor primário 
ao produzir produtos iniciais e atuar em produtos finais, ou seja, produtos no 
setor secundário, atendendo o consumidor final.
Conceitos gerais
Segundo Bresciani e Silva (2011), a essência do processo de conformação 
mecânica denominado laminação consiste na passagem de um corpo sólido 
metálico – a peça – entre dois cilindros, atuando na condição de ferramentas em 
movimento sincrônico, porém em sentidos opostos, promovendo deformação 
plástica e reduzindo a espessura inicial (hi) ao tamanho da espessura final (hf), 
como se observa na Figura 1.
Figura 1. Ilustração genérica de laminação.
Fonte: Adaptada de Rocha (2012, p. 33).
Espessura
inicial
hi
Espessura
�nal
R
L
hf
Conformação mecânica: processo de laminação2
Para alcançar o objetivo final de redução da espessura da peça, não é 
possível, na maioria dos casos, fazê-lo em uma única passagem nos cilindros, 
sendo necessário, portanto, submetê-la a uma série e a sucessivos passes. A 
força de atrito é a responsável em atuar nas superfícies de contato em ambos 
os cilindros e a peça.
Observe na Figura 2 o esquema sequencial de operações de redução do 
lingote em placa nos laminadores reversíveis tipos duo, sendo necessários 
cinco passos para alcançar o objetivo de redução.
Segundo Smith e Hashemi (2012), a laminação a quente e a frio são muito 
usadas no processamento dos metais e ligas metálicas. Chapas finas ou grossas 
de grandes comprimentos podem ser obtidas através desse método. A Figura 2 
mostra o esquema de laminação a quente, refletindo a grande redução possível 
entre um passo e outro.
Bresciani e Silva (2011) classificam o laminador duo reversível como ideal 
para se trabalhar peças pesadas e longas a exemplo de blocos, chapas grossas, 
tarugos, vergalhões. Isso se deve à alternância de movimento, horário e anti-
-horário, ao qual não giram somente para um determinado lado. Analisando os 
casos do laminador duo, sem ser reversível, girando somente em determinada 
direção, há limitação do movimento e a peça é obrigada a voltar por cima, 
não seguindo o mesmo plano.
Figura 2. Operações sequenciais de laminação a quente, transformando um lingote em 
placa, via laminadores reversíveis tipo duo.
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 152).
Passo nº 1 Passo nº2 Passo nº 3
Passo nº 5Passo nº 4
3Conformação mecânica: processo de laminação
Mecânica do processo de laminação
De acordo com Bresciani e Silva (2011), a classificação quanto ao tipo de 
esforços predominante se divide em cinco casos: a) compressão direta; b) 
compressão indireta; c) tração; d) cisalhamento; e) flexão. O caso da laminação 
é de compressão direta.
Ao examinar a Figura 3, observamos o espalhamento do material nas 
direções lateral e longitudinal, que ocorre em razão do volume na deformação 
plástica. Na Figura 3a, verifica-se um arco na projeção em perfil do cilindro 
e da peça. Pelo fato de a velocidade periférica ser constante, ocorre, em um 
ponto desse arco, a equiparação da velocidade da peça ao cilindro. Nesse 
ponto, a pressão aplicada pelos cilindros é máxima. É chamado de ângulo 
de laminação o ângulo formado do arco entre os pontos de contato A e B ao 
vértice O na projeção das retas em direção ao centro do cilindro.
Segundo Bresciani e Silva (2011), a carga de laminação tende a aumentar 
até um ponto neutro no arco e, a partir dele, passa a diminuir. A superfície da 
peça gera uma força contrária a reação do cilindro e é denominada de força 
de separação. A tensão de laminação é a pressão exercida pelos cilindros 
dividida sobre peça e distribuída na área de contato. 
Ao analisar a Figura 4, observamos cilindros maiores dando apoio aos 
menores que trabalham diretamente sobre a peça; essa configuração é 
chamada de cilindros de apoio ou encosto. Todo cilindro deforma durante 
o trabalho junto ao material trabalhado. Na mesma aplicação de forças, 
verificou-se um efeito de maiores deformações elásticas em cilindros 
menores. Esses cilindros requerem uma carga de separação menor e dois 
fatos embasam essa condição: a) diâmetro menor, área de aplicação menor 
e força menor para o mesmo trabalho; b) área de contato menor e forças 
de atrito de intensidade menor.
Conformação mecânica: processo de laminação4
Figura 3. a) Representação esquemática da laminação. b) Configura a deformação e o sistema 
de reticulado utilizado para análise da deformação e aumento de área das chapas laminadas.
Fonte: Adaptada de Altan, Oh e Gegel (2012, p. 72).
Cilindro de
apoio
Cilindro de
trabalho
raio
A F
F
Bp
p
p p
c
vista lateral esq.
Zo
na
 d
e 
de
fo
rm
aç
ão vista lateral esq.
Secção laminadaSecção inicial
Secção inicial Secção laminada
vista superior
Laminação a quente
De acordo com Smith e Hashemi (2012), o aquecimento do material aumenta 
as reduções de espessura a cada passo, não sendo necessárias muitas etapas 
para se chegar ao resultado desejado. Uma opção ideal seria a redução dos 
lingotes a quente logo após a fundição, a fim de evitar o reaquecimento do 
material e, assim, aproveitar a energia. Quanto se necessita reaquecer os fornos 
tipo poço, deve-se trabalhar na condição do aço, perto de 1.200 ºC. 
A temperatura de trabalho é acima da faixa de recristalização da peça, 
diminuindo a deformação plástica e permitindo a recuperação da estrutura 
cristalina do metal. 
Na Figura 4 é possível observar a linha em sequência típica, sendo: a) 
chapas grossas provenientes de placas quentes; b) quebra-carepa (retirada de 
óxido de ferro); c) redutor de chapas grossas, redutor de bloco; d) laminador 
de desbaste, para redução alta de espessura; e) cortador de extremidades; f) 
laminador de tiras a quente com seis gaiolas quadruo, o trem de acabamento, 
reduzindo mais no primeiro passo, saindo de 2,8 cm para 1,4 (metade) e 
reduzindo paulatinamente até o sexto passo; g) rebobinadores.
Entende-se por “trem” um grupo de laminadores — gaiolas — trabalhando 
em conjunto, podendo ser de laminação de desbaste ou acabamento.
5Conformação mecânica: processo de laminaçãoFigura 4. Visão panorâmica do processo de laminação e valores típicos de trabalho para 
redução de espessura.
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 152).
Entra no trem de acabamento
com 2,8 cm de espessura
Sai do 1º passo de
acabamento com 1,4 cm
de espessura (50% de redução)
Sai do 2º passo de
acabamento com 8,4 mm de
espessura (40% de redução)
Sai do 3º passo de
acabamento com 5,1 mm de
espessura (40% de redução)
Sai do 4º passo de
acabamento com 3,3 mm de
espessura (35% de redução)
Sai do 5º passo de
acabamento com 2,8 mm de
espessura (15% de redução)
Sai do 6º passo de
acabamento com 2,5 mm de
espessura (10% de redução)
Para os 
rebobinados
Laminador
de desbaste
nº 4
Laminador
de desbaste
nº 3
Laminador
de desbaste
nº 2
Redutor
de bloco
Trem de
laminadores
quádruplo
nº 1
Forno de 
reaquecimento
Quebra-
-carepa
Corte 
a quente
da placa
Cortador
de
pontas
Quebra- 
-carepa
Para os
rebobi-
nadores
Passos de acabamento
nº nº nº nº nº nº 
10 9 8 7 6 5 
Movimento 
placa de aço
Laminação a frio
Bresciani e Silva (2011) iniciam praticamente quase toda a chapa de aço carbono 
laminada a frio com o processo de conformação a quente. A qualidade a frio 
é melhor a exemplo da rugosidade e as propriedades mecânicas do material, 
pois sofre o encruamento. Quando não se deseja o encruamento, utilizam-se 
os tratamentos térmicos a exemplo da normalização ou recozimento.
Aplicando os laminadores quadruo e uma sequência entre 3 e 6 gaiolas, o 
material passa a ser reduzido até a especificação. As velocidades são sincro-
nizadas a fim de garantir o tensionamento da chapa e, quando finalizado, o 
material é rebobinado.
A ausência de cobertura de óxidos é uma vantagem, apesar das pressões 
de trabalho subirem. Na medida em que se aumenta o encruamento, nas 
passagens mais difíceis para se trabalhar, as últimas passadas a redução é 
pequena. A temperatura de trabalho para materiais ferrosos varia entre 65° e 
120°C. Quando o objetivo é refrigerar, se aplica óleo solúvel.
A Figura 5 mostra a configuração de um só trem e o agrupamento de trens 
em série trabalhando sincronizados.
Conformação mecânica: processo de laminação6
Figura 5. Esquema desmontando movimento da chapa metálica em trem de laminadores 
tipo quádruplo, em (a) um trem e em (b) dois trens.
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 153).
(a) (b)
Segundo Rocha (2012), a literatura faz algumas considerações ao projeto de um cilindro 
de laminação eficiente:
a) O custo de fabricação será maior quanto maior for o número de passes da peça 
através dos cilindros.
b) O desgaste dos cilindros diminui na medida em que é trabalhado em temperaturas 
maiores.
c) Cilindros maiores têm menor risco de trincas, e, quando há aumento da deformação 
pelo aumento da redução entre passos, utiliza maior área de contato. O cilindro 
maior tem a necessidade de maior potência, promovendo entretanto maior espa-
lhamento diminuindo deformação na direção de laminação.
Equipamentos e máquinas de laminação
Na Figura 6 podemos observar o tamanho e a robustez da laminadora a frio 
e, de acordo com Bresciani e Silva (2011), quando se aponta a importância do 
controle de qualidade no processo de laminação são destacados os seguintes 
fatores relacionados a laminação a frio:
7Conformação mecânica: processo de laminação
 � controle do posicionamento dos cilindros face a espessura da chapa, 
sem a necessidade de contato direto a superfície da chapa, por vias de 
ensaios radiativos não destrutivos. A periculosidade é no fato de se 
trabalhar a altas velocidades e ser automatizado, necessitando serem 
tomadas ações preventivas;
 � controle de qualidade da matéria-prima via ensaios dimensionais, me-
talográficos, químicos e mecânicos.
Figura 6. Maquinário de laminação a frio destinado a placas de aço, estanho e metais 
não ferrosos.
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 153).
Segundo Bresciani e Silva (2011), a configuração dos laminadores formado 
por única gaiola pode possuir os seguintes arranjos de cilindros: a) duo; b) 
duo reversível; c) trio; d) quádruo. Ao trabalharem juntos, podem apresentar 
diversos tipos:
Conformação mecânica: processo de laminação8
 � Laminador de guias: possuem guias para passagem em suas ranhuras.
 � Laminador de voltear: conjunto dispostos paralelamente objetivando 
formar uma volta em arco.
 � Laminador zigue-zague: adapta à necessidade da peça que não forma 
uma volta em arco.
 � Laminador contínuo: composto por diversas gaiolas a velocidades 
crescentes evitando o acúmulo de material entre elas.
 � Laminador semicontínuo: possui gaiola reversível processando antes 
de entrar na contínua.
 � Laminador universal: formado por um conjunto de cilindros horizon-
tais e verticais para produção de bordas laminadas.
 � Laminador contínuo de tarugos: série de gaiolas horizontais com ve-
locidades crescentes, utilizando o trem Garret utilizado em vergalhões.
 � Laminador planetário Sendzimir: conjunto de cilindros apoiados 
uns nos outros, feito para trabalhar a um único passe.
 � Laminador de tubos com costura: laminador-mandrilador, utilizado 
para tubos com costura conformada em rolos.
Laminação a quente 
Nas Figuras 7 e 8, observamos o aspecto térmico do processo de laminação a 
quente e a relevância das verificações dos parâmetros de qualidade e segurança 
nas etapas de processamento. Segundo Bresciani e Silva (2011), quando se 
aponta a importância do controle de qualidade no processo de laminação são 
destacados os seguintes fatores relacionados a laminação a quente:
 � Controle da matéria-prima e produtos utilizados no processo. Em des-
taque, a análise dos materiais, a composição química, os ensaios em 
macro e micrografia, os ensaios mecânicos e o desenvolvimento de 
amostragens.
 � Controle do aquecimento do lingote antes de dispô-lo no forno-poço 
evitando choque térmico.
 � Controle nos parâmetros de processo, tais como: integridade dos cilin-
dros, posicionamento dos cilindros e taxa de redução, pressão exercida 
de laminação e torque de laminação.
9Conformação mecânica: processo de laminação 9
Figura 7. Maquinário de laminação a quente.
Fonte: OVKNHR/Shutterstock.com.
Figura 8. Maquinário de laminação a quente de tira de aço. Consiste em laminadores 
desbastadores ao fundo e seis trens de acabamento, refrigerado sequencialmente a água.
Fonte: Smith e Hashemi (2012, p. 264).
Conformação mecânica: processo de laminação10
Saiba mais sobre conformação mecânica acessando o 
arquivo disponível no link abaixo: 
https://goo.gl/DsXC9m
Aplicação dos equipamentos e máquinas de 
laminação
A evolução da engenharia favorece a ramificação da laminação em especiali-
zações desse processo de conformação. Para adentrar essa realidade, iremos 
mostrar três processos: 
É importante conhecer mais sobre a perfiladeira e avaliar 
as variações de processo da laminação a frio. Para isso, 
assista o vídeo Máquina perfiladeira de perfil U estrutural 
com guilhotina corte voador, disponível no link: 
https://goo.gl/KrXBnv
Laminação de telhas metálicas
Uma aplicação em expansão é a laminação de telhas metálicas, chapas finas 
para estruturas de drywall. A especialização de máquinas de conformação 
para atender esse perfil de chapas finas vem sendo denominada de perfiladeira. 
Contudo, o processo utiliza principalmente bobinas de aço galvanizado e con-
forma por pressão de cilindros, utilizando guilhotinas, a laminação (Figura 9).
11Conformação mecânica: processo de laminação
https://goo.gl/DsXC9m
https://goo.gl/KrXBnv
Outros produtos correlacionados quanto ao uso do mesmo método são os 
steel frame – estruturas em aço para casas em construção civil.
Figura 9. (a) Visão panorâmica de laminadora de telhas metálicas. (b) Visão aproximada 
da laminação a frio.
Fonte: Pavel L Photo and Video/Shutterstock.com e PHONDON/Shutterstock.com.
Uma das aplicações mais usadas de laminados são as tubulações com 
costura devido ao baixo preço se comparados aos tubossem costura (Figura 
10). A maior dificuldade desse produto é a menor resistência mecânica, por 
causa da solda.
Figura 10. (a) Visão panorâmica de laminadora e dobradora de tubos com costura. (b) 
Visão aproximada de tubos laminados com costura.
Fonte: Leonid Shtishevskiy/Shutterstock.com e DJ Srki/Shutterstock.com.
Conformação mecânica: processo de laminação12
O alumínio é um material cada vez mais presente; é possível encontrá-
-lo em aviões, barcos e automóveis. Para termos uma folha de alumínio na 
nossa cozinha, precisamos da laminação. Os metais têm a característica de 
bloquear a radiação infravermelha, o que favorece, por exemplo, na hora de 
levar alimentos ao forno. Na Figura 11 temos uma máquina disposta ao final 
do processo de laminação, esticando e afinando a folha metálica apreciada 
na cozinha.
Figura 11. (a) Visão panorâmica de máquina extensora de folhas de alumínio. (b) Rolo de 
papel alumínio.
Fonte: Pavel L Photo and Video/Shutterstock.com e guy42/Shutterstock.com.
Para corrigir o excesso de dureza e o aumento da fragilidade do material, 
são utilizados tratamentos térmicos.
Para corrigir os efeitos que ocorrem durante e depois da conformação dos metais, 
devemos nos inteirar dos tratamentos térmicos.
Lembre-se: Os tratamentos específicos podem funcionar para um determinado 
material, cristal ou estruturas policristalinas e não ter o menor efeito em um segundo 
caso. Observe as características de cada material!
13Conformação mecânica: processo de laminação
Segundo Smith e Hashemi (2012), temos uma grande variedade de produtos laminados. 
A Figura 12 traz um fluxograma iniciando na máquina de lingotamento contínuo e 
alimentando diretamente as laminadoras fornecendo blocos, tarugos e placas que 
seguem o processo até a finalização de perfiz, cabos, pregos e chapas. Outra via é o 
aquecimento de lingotes alimentando os laminadores primários.
Máquina de
lingotamento
contínuo
Aço
sólido
Blocos
Fornos de
aquecimento
Tarugos
Fornos de
aquecimento
Placas
Laminadoras
primários
(laminadores
de per�s,
laminadoras
de placas,
laminadoras
de tarugos)
Fornos de 
aquecimento
Laminação
de estruturas
Laminação
de trilhos
Laminadores
de per�s
em barra
Laminadores
de 
vergalhões
Laminadores
de tubos
sem costura
e de canos
Laminadores
de tiras
Laminadores
de placas
Laminadores
de tiras
a quente Laminação a
quente de
bobinas
Laminadores de
redução a frio Chapas e lâminas
laminadas a frio
(incluindo chapa preta)
Chapa �na
Nota: Outros produtos tubulares incluem solda
elétrica, tubos de grande diâmetro, feitos com
placas, solda por resistência elétrica (ERW), tubulação
feita com tiras laminadas a quente e a frio.
Tecido de fIoCabo metálico PregosFio
Tubos 
e canos
Fio e produtos 
a�ns
Soldagem
de topoTiras
Chapa grossa
Chapas e tiras laminadas a quente
Barras
de
seção
circular
Barras
Trilhos e barras
de articulação
Formas
estruturais
Algumas formas do produto (não a mesma escala)
Vigas Ângulos T Z Canais Empilhamento
Trilhos Standard Trilhos Crane Barras de articulação
Laminadores
de �o
Redonda Quadrada Hexagonal Octagonal Plana Triangular Meia-volta
Bobina
Figura 12. Exemplo de fluxograma de laminação convertendo em produtos.
Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012, p. 265).
ALTAN, T.; OH, S.; GEGEL, H. Processos de conformação dos materiais: introdução aos 
processos de conformação: parte II. São Carlos: USP, Escola de Engenharia de São 
Carlos, 2012.
BRESCIANI, F. E.; SILVA, I. B. Conformação plástica dos metais. 2. ed. São Paulo: EPUSP, 2011.
ROCHA, O. F. L. da. Conformação mecânica. Belém: IFPA, 2012.
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. 
Porto Alegre: AMGH, 2012. 
Conformação mecânica: processo de laminação14
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. 
CHIAVENINI, V. Tecnologia mecânica. 2. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.
INFOMET. Biblioteca: artigos técnicos. [S.l.]: Infomet, c2018. Disponível em: <http://
www.infomet.com.br/site/artigos-tecnicos-categorias.php>. Acesso em: 24 nov. 2017.
INFOMET. Processos de fabricação: fundição, extrusão, laminação e soldagem. [S.l.]: 
Infomet, c2018. Disponível em: <http://www.infomet.com.br/site/metais-e-ligas-
-conteudo-ler.php?codAssunto=60>. Acesso em: 24 nov. 2017.
FERNANDES, R. C. O. Efeito da temperatura de encharque no recozimento contínuo e 
das deformações na laminação de encruamento sobre as propriedades mecânicas de 
um aço microligado laminado a frio. 2007. 93 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia 
Metalúrgica e de Minas) – Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas, 
Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2007. Disponível em: < http://
www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/handle/1843/MAPO-7QPRNK >. Acesso em: 
01 dez. 2017.
OLÍVIO, N. Introdução à engenharia de fabricação mecânica. 2. ed. São Paulo: Edgard 
Blücher, 2013.
OUBA, A. K. O.; YAMASHIRO, C. K. Estudo da recristalização de um aço SAE 1006 laminado a 
frio. 2013. 36 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Materiais) 
–Setor de Ciências Agrárias e de Tecnologia, Departamento de Engenharia de Materiais, 
Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2013. Disponível em: <http://
www.academia.edu/10627482/ESTUDO_DA_RECRISTALIZA%C3%87%C3%83O_
DE_UM_A%C3%87O_SAE_1006_LAMINADO_A_FRIO>. Acesso em: 01 dez. 2017.
VLACK, V.; HALL; L. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. Rio de Janeiro: 
Elsevier, 1984. 
WEISS, A. Processos de fabricação mecânica. Curitiba: Livro Técnico, 2012.
15Conformação mecânica: processo de laminação
http://www.infomet.com.br/site/artigos-tecnicos-categorias.php
http://www.infomet.com.br/site/metais-e-ligas-
http://www.bibliotecadigital.ufmg.br/dspace/handle/1843/MAPO-7QPRNK
http://www.academia.edu/10627482/ESTUDO_DA_RECRISTALIZA%C3%87%C3%83O_
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