Processos de Fabricação - Aula 4

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<p>CONFORMAÇÃO</p><p>MECÂNICA E</p><p>SOLDAGEM</p><p>André Shataloff</p><p>Conformação mecânica:</p><p>processos de extrusão</p><p>e trefilação</p><p>Objetivos de aprendizagem</p><p>Ao final deste capítulo, você deverá apresentar os seguintes aprendizados:</p><p>� Descrever o processo, a mecânica, as ferramentas utilizadas na extrusão</p><p>e as principais propriedades dos produtos extrudados.</p><p>� Descrever o processo, a mecânica, as ferramentas usadas na trefilação</p><p>e as principais propriedades dos produtos trefilados.</p><p>� Reconhecer a qualidade dos produtos extrudados e trefilados.</p><p>Introdução</p><p>Os metais são produzidos e disponibilizados pela indústria metalúrgica</p><p>em diversos formatos, tais como: blocos, tarugos, redondos, vigas, placas</p><p>(grossas, médias e finas), lingotes etc. Na conformação mecânica, os</p><p>produtos primários podem ser feitos conformados em vários processos,</p><p>dentre os quais o processo de extrusão, sendo moldado por pressão,</p><p>ou o processo de trefilação, cuja transformação ocorre via estiramento</p><p>ou tracionamento.</p><p>Neste texto, você irá estudar os conceitos gerais da extrusão (a quente</p><p>e a frio) e da trefilação (com escorregamento e sem escorregamento),</p><p>bem como as propriedades e qualidades dos produtos extrudados e</p><p>laminados.</p><p>Extrusão</p><p>De acordo com Altan, Oh e Gegel (2012), o processo de extrusão consiste em</p><p>pressionar um tarugo ou lingote pré-aquecido ou não, a fluir através de uma</p><p>matriz de perfil desejado. Eles são utilizados para produzir produtos semiaca-</p><p>bados com seção transversal constante e compridos, tais como barras sólidas,</p><p>seções ocas e tubos. Cada tarugo, material de base cilíndrica, é, geralmente,</p><p>aquecido e extrudado individualmente, sendo classificado como um processo</p><p>descontínuo de produção.</p><p>Mecanismos de extrusão</p><p>Segundo Moro e Auras (2006), os parâmetros de extrusão se dividem em</p><p>características geométricas e físicas.</p><p>Quanto aos fatores geométricos, se destacam: a) o ângulo de afunilamento</p><p>da matriz (observe o ângulo α na Figura 1); b) a força de extrusão; c) a tem-</p><p>peratura inicial do lingote; d) o tipo de lubrificante utilizado.</p><p>Pressão de extrusão</p><p>A pressão de extrusão pode ser calculada por meio da análise da técnica de</p><p>deformação homogênea que é determinada por: σE = σ0 . ln Re, onde σE é a</p><p>tensão de escoamento, σ0 é a tensão inicial e Re = A0 / Af →, a relação entre</p><p>a área inicial e área final.</p><p>Figura 1. Principais tipos de extrusão. (a) Ilustração da extrusão direita; (b) ilustração da</p><p>extrusão inversa; (c) ilustração da extrusão hidrostática.</p><p>Fonte: Adaptada de Moro e Auras (2006, p. 4, 5).</p><p>Principais tipos de extrusão</p><p>Tarugo</p><p>Per</p><p>l extrudado</p><p>ArAoPressão</p><p>Câmara Matriz</p><p>(a)</p><p>(b)</p><p>Pistão</p><p>Matriz</p><p>Fluído</p><p>(c)</p><p>Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação2</p><p>Ferramentas de extrusão e equipamentos</p><p>De acordo com Moro e Auras (2006), a classificação quanto aos principais</p><p>tipos de processo de extrusão se restringem em três categorias: a) extrusão</p><p>direta, representada na Figura 1a; b) extrusão indireta, representada na Figura</p><p>1b; c) extrusão hidrostática, representada na Figura 1c.</p><p>Na extrusão direta, um lingote cilíndrico é posicionado na câmara na qual</p><p>o êmbolo hidráulico pressiona o calço — colocado entre o lingote e o êmbolo</p><p>—, conferindo pressão e forçando fluir através da matriz de perfil estipulado.</p><p>Ao atingir o fim de curso do êmbolo, a parte final do tarugo junto ao calço é</p><p>cortada, e a partir desse momento o processo é reiniciado. O lingote se destaca</p><p>na concessão quanto a força aplicada na direção do sentido do movimento,</p><p>gerando um pico maior de força e decaindo rapidamente (Figura 2).</p><p>Na extrusão indireta, chamada de invertida, a matriz é empurrada contra</p><p>o lingote, no sentido oposto da produção do extrudado. A força de ação exer-</p><p>cida ao tarugo é mais homogênea. De acordo com Altan, Oh e Gegel (2012),</p><p>utilizar uma haste oca para empurrar a matriz em direção ao tarugo contra a</p><p>câmara impede que haja atrito nessa interface tarugo/câmara, diminuindo a</p><p>temperatura de deformação proveniente do atrito. A grande vantagem desse</p><p>sistema é a redução de 25 a 30% da carga do trabalho na extrusão direta.</p><p>A extrusão hidroestática diferencia-se dos demais tipos pelo fato de haver</p><p>um lubrificante entre a peça e a câmara, sendo esta preenchida com fluido</p><p>hidráulico que permite trabalhar a temperatura ambiente e elevada. É o método</p><p>com melhor curva de aplicação de forças durante a deformação do lingote, o</p><p>que confere excelente continuidade das propriedades mecânicas no decorrer</p><p>do percurso da conformação das barras.</p><p>Extrusão a quente e a frio</p><p>Segundo Moro e Auras (2006), a elevação da temperatura do lingote antes do</p><p>processo de fabricação é necessária por causa dos materiais de baixa ductili-</p><p>dade, como elementos de liga, e outros fatores relevantes, tais como a geometria</p><p>e os detalhes do perfil, que exigem a alteração de parâmetros de extrusão.</p><p>As temperaturas elevadas podem trazer alguns problemas ao equipamento,</p><p>a saber: a) maior desgaste da matriz; b) perda de temperatura na câmara da</p><p>extrusora, que pode alterar o fluxo do material e gerar alterações na formação</p><p>da barra; c) oxidação do tarugo na superfície, que gera descontinuidade no</p><p>material.</p><p>3Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação</p><p>Segundo Bresciani e Silva (2011), um equipamento complementar ao pro-</p><p>cesso de extrusão é o forno de aquecimento dos lingotes. A configuração e os</p><p>tipos de fontes de calor podem variar de elétricos a utilização de combustíveis.</p><p>O melhor forno é o elétrico à indução magnética, que apresenta uniformidade</p><p>no aquecimento e maior controle na temperatura. O uso de atmosfera controlada</p><p>durante o aquecimento evita a oxidação dos tarugos.</p><p>A utilização do calço ou disco metálico entre o pistão e o êmbolo do cilindro</p><p>evita a fusão do lingote ao pistão devido às altas temperaturas — na extrusão</p><p>a quente — e à pressão exercida durante o processo.</p><p>Figura 2. Ciclo do processo de extrusão.</p><p>Fonte: Adaptada de Bresciani e Silva (2011, p. 48).</p><p>Ciclo do processo de extrusão direta</p><p>Alimentação</p><p>da prensa</p><p>Início da extrusão com</p><p>avanço do pistão</p><p>Fim da extrusão</p><p>I</p><p>II</p><p>III</p><p>Retirada da ferramenta</p><p>e do extrudado com o</p><p>resíduo do tarugo</p><p>Recuo do pistão</p><p>e corte do</p><p>resíduo do tarugo</p><p>Retirada da casca do</p><p>tarugo com avanço do</p><p>função usando o disco</p><p>de raspagem</p><p>IV</p><p>V</p><p>VI</p><p>Matrizes para extrusão</p><p>Segundo Altan, Oh e Gegel (2012), quando se trabalha em matrizes de peças</p><p>ocas, são necessárias matrizes de múltiplos furos ao qual o material irá soldar-se</p><p>através de temperatura e pressão. Na Figura 3, temos três exemplos de peças</p><p>cabeçotes e matrizes de peças ocas.</p><p>O material é separado, cisalhado para fluir a cada orifício e se solda perfei-</p><p>tamente depois, conferindo complexidade à geometria. Trata-se de um processo</p><p>limitado a determinados materiais de baixa resistência ao cisalhamento, pois</p><p>a conformação é feita em material no estado sólido. O principal material</p><p>aplicado a essas configurações é o alumínio.</p><p>Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação4</p><p>Figura 3. Matrizes com múltiplos furos usados para extrusão.</p><p>Fonte: Adaptada de Altan, Oh e Gegel (2012, p. 44).</p><p>As matrizes de múltiplos furos para extrusão</p><p>Matriz</p><p>Câmara de soldagem</p><p>Matriz Matriz</p><p>PonteAranha</p><p>Portas de entrada</p><p>Propriedade dos extrudados</p><p>As propriedades dos extrudados são determinadas em projeto, pois através da</p><p>escolha do material e dos tratamentos térmicos pode-se obter uma variedade de</p><p>condições. Para se obter um extrudado atendendo às características planejadas,</p><p>deve-se, segundo Bresciani e Silva (2011), cuidar do material-base fazendo aná-</p><p>lises quanto às propriedades mecânicas — ensaios de tração e compressão — e</p><p>análises químicas —composição e impurezas —, observando os tratamentos</p><p>térmicos necessários, avaliando e prevenindo a oxidação durante o processo.</p><p>De acordo com Rocha (2012), as reduções reais no processo de extrusão</p><p>podem ocorrer na ordem de 10 a 60 para 1, resultando em grandes transfor-</p><p>mações na geometria original</p><p>durante o trabalho.</p><p>5Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação</p><p>Procure ter acesso ao material de um fabricante obser-</p><p>vando características de fabricação:</p><p>Explore as tolerâncias na seção transversal do perfil, os</p><p>diâmetros e a espessura de parede dos tubos extrudados.</p><p>A matriz extrusão está disponível no link:</p><p>https://goo.gl/bKF8HX</p><p>O processo de extrusão está disponível no link:</p><p>https://goo.gl/YyciHS</p><p>Trefilação</p><p>De acordo com Rocha (2012), a trefilação é um processo de conformação</p><p>conduzindo um fio, barra ou tubo, deformando e descrevendo sua geometria ao</p><p>passar através da ferramenta denominada fieira. Em outras palavras, trata-se</p><p>da compressão nas paredes da ferramenta.</p><p>O produto-base sofre redução de seção, encrua e altera as propriedades</p><p>mecânicas, reduzindo a ductilidade e aumentando a resistência mecânica. Às</p><p>vezes é necessário a inclusão de tratamentos térmicos no decorrer do processo</p><p>para garantir a continuidade das deformações e estiramento até que se alcance</p><p>as dimensões especificadas.</p><p>Aplicada em materiais ferrosos e não ferrosos, são utilizados em muitos</p><p>materiais, tais como o aço, o alumínio, o cobre e suas ligas.</p><p>A origem do material confere a forma inicial de trabalho: arame, barra ou</p><p>tubo, e se passaram nos processos de conformação de laminação ou extrusão.</p><p>Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação6</p><p>https://goo.gl/bKF8HX</p><p>https://goo.gl/YyciHS</p><p>Mecanismos de trefilação</p><p>Observando a Figura 4a, identifica-se o semiângulo de trefilação α em que o</p><p>material é tracionado ao passar através da fieira e forçado a estirar na direção</p><p>do movimento e se conformar no diâmetro Df.</p><p>Isso resulta na aplicação da tensão de trefilação (σTR). Por meio da análise</p><p>do fenômeno utilizando a técnica de deformação homogênea, determina-se:</p><p>σTR = σ0. ln(Ai/Af), onde σTR é a tensão de trefilação, σ0 é a tensão inicial, Ai</p><p>é a área inicial e Af, a área final.</p><p>Na Figura 4b, observa-se o fenômeno da tensão de tração (σT) do mate-</p><p>rial trefilado, que gera tensões de compressão (σC) e apresenta uma zona de</p><p>deformação plástica.</p><p>Condição de redução máxima</p><p>Segundo Rocha (2012), desconsiderando o atrito, pode-se deduzir: σT = σ0.</p><p>ln(Ai/Af).</p><p>O máximo valor para R é 63%. Dessa forma, ao reduzir e necessitar de</p><p>redução maior que 63%, o material é dividido em diversas fases de redução.</p><p>De acordo com as propriedades do material, serão necessários processos</p><p>gradativos, passando em diversas fieiras, e utilizar tratamento térmico inter-</p><p>mediário de recristalização para continuar a redução até o ponto desejado.</p><p>Figura 4. Mecanismo de trefilação. Em (a), passagem do fio pela fieira com redução do</p><p>diâmetro; em (b), esforços atuantes de tração e compressão.</p><p>Fonte: Adaptada de Bresciani e Silva (2011, p. 49).</p><p>Esforços atuantes na �eira</p><p>α FIEIRA</p><p>Di = DIÂMETRO INICIAL</p><p>Df = DIÂMETRO FINAL</p><p>(a)</p><p>ZONA DE</p><p>DEFORMAÇÃO</p><p>PLÁSTICA MOVIMENTO</p><p>DO FIO</p><p>Ot = TENSÃO DE TRAÇÃO</p><p>Oc = TENSÃO DE</p><p>COMPRESSÃO</p><p>FIO</p><p>(b)</p><p>7Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação</p><p>Ferramenta de trefilação</p><p>De acordo com Moro e Auras (2006), a fieira é o dispositivo básico da trefilação.</p><p>Ao observar a Figura 5a, temos: em (a), o cone de entrada; em (b), o cone de</p><p>trabalho; em (c), o cilindro de calibração; e em (d), o cone de saída. Na Figura</p><p>5b, temos: β = semiângulo de entrada; α = semiângulo de trabalho; Hc = altura</p><p>de calibração; Dc = diâmetro de calibração; γ = semiângulo de saída.</p><p>Quanto à utilização dos materiais na fieira, os principais são: metal duro,</p><p>aços revestidos de cromo, aços especiais e materiais cerâmicos.</p><p>Segundo Moro e Auras (2006), a trefilação pode ser dividida em dois</p><p>grupos: a) trefiladora de bancada, utilizada na conformação de barras e tubos</p><p>(Figura 6c); b) trefiladora de tambor com escorregamento (Figura 6a) e sem</p><p>escorregamento (Figura 6b).</p><p>Figura 5. Ferramenta de trefilação. (a) Representação das regiões da fieira: a — cone de</p><p>entrada; b — cone de trabalho; c — cilindro de calibração; d — cone de saída. (b) Repre-</p><p>sentação dos semiângulos dos cones e da altura e diâmetro do cilindro de calibração.</p><p>Fonte: Adaptada de Bresciani e Silva (2011, p. 54).</p><p>Esquema de tre�lar com deslizamento</p><p>α = semiângulo do cone de trabalho</p><p>(ou semiângulo da �eira)</p><p>β = semiângulo de entrada</p><p>γ = semiângulo de saída</p><p>Hc = altura do cilindro de calibração</p><p>Dc = diâmetro do cilindro de calibração(a) (b)</p><p>Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação8</p><p>Figura 6. Esquema da máquina de trefilar com duas fieiras: (a) sem deslizamento; (b) com</p><p>duas fieiras, e esquema de trefilação de bancada (c).</p><p>Fonte: Bresciani e Silva (2011) e Moro e Auras (2006).</p><p>Tre�ladoras de tambor</p><p>Roldana</p><p>Roldana</p><p>Roldana</p><p>Roldana1ª �eira 2ª �eira</p><p>1º anel tirante</p><p>e acumulador</p><p>2º anel tirante</p><p>e acumulador Bobinadeira</p><p>(a) sem deslizamentoDesbobinadeira</p><p>Desbobinadeira</p><p>Bobinadeira1ª �eira</p><p>2ª �eira</p><p>Roldana</p><p>1º anel</p><p>tirante com</p><p>�o deslizante</p><p>2º anel</p><p>tirante com</p><p>�o deslizante</p><p>(b) com deslizamento</p><p>Fieira Mordaça Gancho Corrente</p><p>(c)</p><p>Tre�ladora de bancada</p><p>Lubrificação na trefilação</p><p>Segundo Bresciani e Silva (2011), o atrito é importante na trefilação, pois está</p><p>ligado ao desgaste de ferramenta, defeitos no fio e aumento de temperatura.</p><p>O controle do atrito é feito através do lubrificante, mantendo a temperatura</p><p>constante ao fazê-la se comportar em uma ação refrigerante.</p><p>A ação do lubrificante também será necessária para garantir o bom aca-</p><p>bamento superficial do fio e reduzir os esforços.</p><p>Propriedade dos trefilados</p><p>Moro e Auras (2006) consideram o material trefilado com propriedades equi-</p><p>paradas a outros métodos, como a trefilação, por exemplo. Quando o assunto</p><p>é barras e tubos, no entanto, a precisão dimensional é maior na condição de</p><p>arames e fios superfinos e o trefilado possui acabamento polido e uniforme.</p><p>9Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação</p><p>A capacidade de alongamento e redução de seção é alta, permitindo, assim,</p><p>fios chamados capilares com diâmetro menor que 0,15 mm. A resistência à</p><p>tração no produto final também é excelente.</p><p>As propriedades dos produtos dependem da matéria-prima e dos fatores</p><p>de processo.</p><p>Acesse o material apresentado no link a seguir e aprofunde</p><p>seus conhecimentos em trefilação.</p><p>O processo de trefilação está disponível em:</p><p>https://goo.gl/2ot5iA</p><p>Aprofunde seus conhecimentos assistindo o vídeo “Linha</p><p>de trefilação para arames” e veja a lubrificação do material</p><p>sendo feita para auxiliar no acabamento do material e o</p><p>processo de embobinamento.</p><p>https://goo.gl/UwgQA7</p><p>Veja também a trefilação de arames sem escorrega-</p><p>mento e acompanhe a produção.</p><p>https://goo.gl/P2Ag2Y</p><p>Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação10</p><p>https://goo.gl/2ot5iA</p><p>https://goo.gl/UwgQA7</p><p>https://goo.gl/P2Ag2Y</p><p>Qualidades dos produtos extrudados e</p><p>trefilados</p><p>De acordo com Bresciani e Silva (2011), a qualidade final dos produtos extruda-</p><p>dos e trefilados começa na escolha da matéria-prima, no controle metalográfico</p><p>ao observar a composição química e nas propriedades mecânicas, valorizando</p><p>ensaios a exemplo da tração e da compressão.</p><p>Produtos extrudados podem apresentar alguns defeitos, tais como: a) va-</p><p>zios internos decorrentes ao escoamento; b) trinca perpendicular ao fluxo</p><p>devido às altas temperaturas de processo; c) escamas superficiais; d) riscos</p><p>decorrentes de oxidações metálicas; e) inclusão de materiais estranhos; f)</p><p>bolhas superficiais resultantes de gases da fundição; g) marcas transversais,</p><p>manchas e perda de cor.</p><p>Produtos trefilados podem apresentar alguns defeitos, tais como: a) anéis</p><p>de trefilação devido ao desgaste no cone de trabalho; b) marcas transversais</p><p>e longitudinais; c) trincas no núcleo da fieira devido à redução excessiva; d)</p><p>rugosidade por falta de lubrificação; e) riscos de erro no polimento.</p><p>De acordo com Rocha (2012), algumas considerações devem ser feitas a respeito da</p><p>qualidade dos perfis na extrusão:</p><p>� caraterísticas do metal a ser conformado a extrusão;</p><p>� tolerâncias</p><p>especificadas em projeto;</p><p>� tensões conforme a geometria do produto, observando arredondamentos para</p><p>alívio e prevenção de problemas;</p><p>� contração térmica no produto final;</p><p>� qualidade do fluxo do material ao passar na matriz.</p><p>Quanto à trefilação, Rocha (2012) valoriza em projeto a qualidade da fieira em:</p><p>� favorecer a produção de grande produção de fios;</p><p>� trabalhar a altas velocidades;</p><p>� reduzir reduções elevadas;</p><p>� manter constante o diâmetro do fio;</p><p>� longa vida útil;</p><p>� obter superfície lisa e brilhante.</p><p>11Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação</p><p>ALTAN, T.; OH, S.; GEGEL, H. Processos de conformação dos materiais: introdução aos</p><p>processos de conformação: parte II. São Carlos: USP, Escola de Engenharia de São</p><p>Carlos, 2012.</p><p>BRESCIANI, F. E.; SILVA, I. B. Conformação plástica dos metais. 2. ed. São Paulo: EPUSP, 2011.</p><p>MORO, N.; AURAS, A. P. Processos de fabricação: conformação mecânica II: extrusão,</p><p>trefilação e conformação de chapas. Florianópolis: CEFET-SC, 2006. Curso Técnico</p><p>de Mecânica Industrial.</p><p>ROCHA, O. F. L. da. Conformação mecânica. Belém: IFPA, 2012.</p><p>Leituras recomendadas</p><p>ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e engenharia dos materiais. São Paulo: Cengage</p><p>Learning, 2014.</p><p>CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Fundamentos da ciência e engenharia dos materiais:</p><p>uma abordagem integrada. Rio de Janeiro: LTC, 2014.</p><p>CHIAVENINI, V. Tecnologia mecânica. 2. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.</p><p>MACHADO, L. P. M. Conformação dos metais: fundamentos e aplicação. Vitoria: IFES,</p><p>2008.</p><p>OLÍVIO, N. Introdução à engenharia de fabricação mecânica. 2. ed. São Paulo: Edgard</p><p>Blücher, 2013.</p><p>SCHAEFFER, L. Conformação mecânica. Porto Alegre: Imprensa Livre, 2009.</p><p>SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed.</p><p>Porto Alegre: AMGH, 2012.</p><p>VLACK, V.; HALL, L. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. Rio de Janeiro:</p><p>Elsevier, 1984.</p><p>WEISS, A. Processos de fabricação mecânica. Curitiba: Livro Técnico, 2012.</p><p>Conformação mecânica: processos de extrusão e trefilação12</p><p>Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para</p><p>esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual</p><p>da Instituição, você encontra a obra na íntegra.</p>