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Conformação Mecânica Lista de Ilustrações Figura 01 – Recristalização no TQ (há crescimento dos grãos pós-recristalização).................12 Figura 02 – Encruamento de um material na laminação...........................................................13 Figura 03 – Ilustração de um processo de laminação...............................................................15 Figura 04 – forjamento por prensagem.....................................................................................16 Figura 05 – Processo de trefilação............................................................................................16 Figura 06 – Processo de extrusão..............................................................................................16 Figura 07 – Processo de estampagem (profunda).....................................................................17 Figura 08 – Conformação por dobramento...............................................................................17 Figura 09 – Conformação com calandra de 4 rolos..................................................................18 Figura 10 – Processo de conformação por corte.......................................................................18 Figura 11 – Chapas...................................................................................................................20 Figura 12 – Tarugo....................................................................................................................20 Figura 13 – Componentes de um cilindro.................................................................................21 Figura 14 – Com cilindro regulável durante a operação...........................................................21 Figura 15 – Vista lateral de quadros fechados e abertos...........................................................22 Figura 16 – Imagem a (Laminador Duo), e b (Laminador Duo Reversível)............................22 Figura 17 – Imagem c (Laminador Trio), e d (Laminador Quádruo).......................................23 Figura 18 – Imagem d (esquema de um laminador quádruo)...................................................23 2 Figura 19 – Imagem Sendzimer................................................................................................24 Figura 20 – Imagem f(Laminador Universal)...........................................................................24 Figura 21 – Laminador ranhurados para perfis.........................................................................24 Figura 22 – Laminador tipo Gray para perfis estruturais tipo H...............................................25 Figura 23 – Puncionador...........................................................................................................26 Figura 24 – Forma excêntrica de um laminador passo de peregrino........................................26 Figura 25 – Seqüência da laminação com o passo de peregrino...............................................26 Figura 26 – Processo Mannesmann para tubos sem costura.....................................................27 Figura 27 – Trem continuo de laminação.................................................................................28 Figura 28 – Trem contínuo de laminação de perfis H (esquerda) e chapas (direita)................28 Figura 29 – Laminação a quente...............................................................................................29 Figura 30 – Um exemplo de laminação a quente......................................................................29 Figura 31 – Desenho esquemático de laminação a frio............................................................30 Figura 32 – Zonas de divisão da fieira......................................................................................33 Figura 33 – Detalhe construtivo de uma fieira com núcleo de metal duro...............................34 Figura 34 – Bancada de trefilação.............................................................................................34 Figura 35 – Maquina simples de trefilação com tambor vertical..............................................35 Figura 36 – Maquina dupla de trefilar......................................................................................35 Figura 37 – Maquina de trefilar continua do tipo acumulativo.................................................35 Figura 38 – Métodos de trefilação de tubos: Sem suporte interno (rebaixamento) (a); com mandril passante (b); com bucha (plug) fixo (c); com bucha flutuante (d)..............................36 Figura 39 – Maquina de trefilar tubos.......................................................................................36 Figura 40 – Exemplo de tubo trefilado.....................................................................................36 Figura 41 – etapas do processo da produção de arames de aço................................................37 Figura 42 – Exemplos de maquias de trefilar para produção de arames de aço.......................37 Figura 43 – Exemplo de arame trefilado...................................................................................38 Figura 44 – Esquema de formação de trincas centrais..............................................................39 Figura 45 – Calandras de 3 rolos: Médio porte (a); pequeno porte (b).....................................41 Figura 46 – Calandra de 4 rolos................................................................................................41 Figura 47 – Exemplos de produtos obtidos através do processo de Extrusão..........................43 Figura 48 – Ilustração da Extrusão Direta................................................................................44 Figura 49 – Ilustração da Extrusão Inversa...............................................................................44 Figura 50 – Ilustração da Extrusão Hidrostática.......................................................................45 Figura 51 – Ilustração da Extrusão Lateral...............................................................................45 3 Figura 52 - Ilustração dos Parâmetros Geométricos.................................................................46 Figura 53 – Tipos de Fluxo de Metal na Extrusão com Matrizes Quadradas...........................48 Figura 54 – Exemplos de Configurações Típicas de Matrizes..................................................48 Figura 55 – Seção Transversal para Extrusão - Características a Observar para um bom Projeto.......................................................................................................................................48 Figura 56 – Ilustração da Extrusão a Frio.................................................................................50 Figura 57 – Ilustração da Extrusão por Impacto.......................................................................51 Figura 58 – Exemplos de peças Fabricadas por Extrusão de Impacto......................................51 Figura 59 – Fraturas Centrais – Chevrons................................................................................53 Figura 60 – Exemplo de Prensa de Extrusão Vertical..............................................................53 Figura 61 – Peças Fabricadas por Extrusão a Frio....................................................................54 Figura 62 – Extrusora de Borracha...........................................................................................54 Figura 63– Peças Fabricada por Extrusão a Quente.................................................................55 Figura 64 – Extrusora de Tubos................................................................................................55Figura 65 – Peças Fabricadas por Extrusão por Impacto..........................................................56 Figura 66 – Extrusora de alumínio...........................................................................................56 Figura 67 - Prensa mecânica e moldes utilizados na prensa.....................................................58 Figura 68 - Prensa mecânica cidade do Porto, Portugal 500 toneladas....................................58 Figura 69 - Prensa hidráulica com capacidade de 1000 toneladas...........................................59 Figura 70 - Prensa hidráulica com capacidade de 750 toneladas..............................................59 Figura 71 - Esquema da operação de corte/cisalhamento.........................................................60 Figura 72 - Corte simples e puncionamento.............................................................................62 Figura 73 - Corte parcial e recorte............................................................................................62 Figura 74 - Matriz para corte....................................................................................................62 Figura 75 - Rebarbação e corte com punção de ângulo vivo....................................................63 Figura 76 - Dobramento de chapas...........................................................................................64 Figura 77 - Exemplo de operações para dobramento de uma peça...........................................64 Figura 78 - Esforços e linha neutra em peça submetida a dobramento.....................................65 Figura 79 - Representação da estampagem...............................................................................66 Figura 80 - Diagrama tensão x deformação.............................................................................66 Figura 81 - Diagrama tensão x deformação..............................................................................67 Figura 82 - Máquina de estampagem (a) mecânica e (b) hidráulica.........................................68 Figura 83 - Fases de fabricação de um lubrificador..................................................................68 Figura 84 - Fases de fabricação de um lubrificador..................................................................68 4 Figura 85 - Fases de fabricação por embutimento de um cartucho..........................................69 Figura 86 - Esriramento de chapa.............................................................................................70 Figura 87 – Estiramento............................................................................................................71 5 Lista de Tabelas Tabela 01 – Produtos mais comuns oriundos de trefilação.......................................................32 Tabela 02 – Principais tratamentos utilizados nos arames........................................................38 Tabela 03 – Temperaturas de Extrusão para Vários Metais.....................................................50 Tabela 04 – Vantagens e Desvantagens da Extrusão a Frio.....................................................51 Tabela 05 - Vantagens e desvantagens na estampagem............................................................70 6 Lista de Gráficos Gráfico 01 – Constante de Extrusão para metais em Relação a Temperatura..........................47 Gráfico 02 - Espessura X folga para metais..............................................................................63 7 Índice 1-Introdução..............................................................................................................................10 2-Características relacionadas nas conformações mecânicas...................................................11 2.1-Temperatura na Conformação.................................................................................11 2.1.1-Trabalho a Quente....................................................................................11 2.1.2-Trabalho a Frio.........................................................................................12 2.1.3-Trabalho a Morno.....................................................................................13 2.2-Classificação quanto aos esforços predominantes..................................................13 3-Descrição dos Principais Processos de Conformação Mecânica...........................................15 3.1-Laminação...............................................................................................................15 3.2-Forjamento..............................................................................................................15 3.3-Trefilação................................................................................................................16 3.4-Extrusão..................................................................................................................16 3.5-Estampagem (Profunda)..........................................................................................17 3.6-Dobramento.............................................................................................................17 3.7-Calandragem...........................................................................................................17 3.8-Corte........................................................................................................................18 4-Laminação..............................................................................................................................19 4.1-Laminadores............................................................................................................20 4.2-Processos de Laminação.........................................................................................22 4.2.1-Laminação a Quente.................................................................................27 4.2.2-Laminação a Frio......................................................................................22 4.3-Processamento Termomecânico..............................................................................30 4.4-Defeitos nos Produtos Laminados..........................................................................31 5-Trefilação...............................................................................................................................32 5.1-Finalidade................................................................................................................32 5.2-Fieira.......................................................................................................................33 5.2.1-Material....................................................................................................33 8 5.3-Equipamentos..........................................................................................................34 5.3.1-Bancadas de Trefilação...........................................................................34 5.3.2-Trefiladoras de Tambor............................................................................34 5.4-Modos de trefilação para tubos...............................................................................35 5.5-Trefilação dos arames de aço..................................................................................36 5.5.1-Etapas do processo...................................................................................36 5.5.2-Tratamentos térmicos dos arames............................................................38 5.6-Defeitos em trefilados.............................................................................................386-Calandragem..........................................................................................................................40 6.1-Descrição do processo......................................................................... ....................40 6.2-Tipos de Calandras..................................................................................................40 6.2.1-Calandras de três rolos.............................................................................40 6.2.2-Calandras de quatro rolos.........................................................................41 6.3-Tipos de calandragem.............................................................................................42 6.3.1-Calandragem a frio e a quente..................................................................42 6.4-Defeitos...................................................................................................................42 7-Introdução de Extrusão..........................................................................................................43 7.1-Tipos de Extrusão...................................................................................................44 7.1.1-Direta........................................................................................................44 7.1.2-Indireta.....................................................................................................44 7.1.3-Hidrostática..............................................................................................45 7.1.4-Extrusão Lateral.......................................................................................45 7.2-Parâmetros de Extrusão...........................................................................................46 7.3-Fluxo do metal........................................................................................................48 7.4-Tipos de Extrusão com Relação a Ductilidade do material....................................49 7.4.1-Extrusão a Quente....................................................................................49 7.4.1.1-Características...........................................................................49 7.4.2-Extrusão a Frio.........................................................................................50 7.4.3-Extrusão por Impacto...............................................................................51 7.5-Defeitos na Extrusão...............................................................................................53 7.6-Equipamentos utilizados na Extrusão.....................................................................54 7.7-Aplicações dos Processos de Extrusão no Dia- a- Dia...........................................55 9 7.7.1-Extrusão a Frio.........................................................................................55 7.7.2-Extrusão a Quente....................................................................................56 7.7.3-Extrusão por Impacto...............................................................................56 8 - Conformação de chapas.......................................................................................................57 8.1 - Classificação dos Processos..................................................................................57 8.2 - Ferramentas utilizadas em prensas .......................................................................60 8.3 - Corte .....................................................................................................................60 8.3.1 - Tipos de Corte .......................................................................................61 8.3.2 - Matriz para Corte...................................................................................62 8.4 - Dobramento .........................................................................................................64 8.4.1 - Raio de Dobramento .............................................................................65 8.4.2 - Efeito mola ........................................................................................................65 8.5 - Estampagem profunda ou embutimento ..............................................................66 8.5.1 - Operações de estampagem.....................................................................68 8.5.2 – Aplicações.............................................................................................68 8.5.3 – Defeitos..................................................................................................69 8.6 - Estiramento ..........................................................................................................70 8.6.1 - A Estricção no Estiramento....................................................................71 9 – Conclusão............................................................................................................................72 10 – Agradecimentos................................................................................................................73 11 – Bibliografia.......................................................................................................................74 10 1-Introdução Os processos de conformação mecânica são aqueles que alteram a geometria do material (forma) por deformação plástica, através de forças aplicadas por ferramentas adequadas, que podem variar desde pequenas matrizes até grandes cilindros. As vantagens com este processo são muitas: bom aproveitamento da matéria; rapidez na execução; possibilidade de controle das propriedades mecânicas; e possibilidade de grande precisão e tolerância dimensional. É importante observar, entretanto, que o ferramental e os equipamentos possuem um custo muito elevado, exigindo grandes produções para justificar o processo economicamente. Existem algumas centenas de processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas. Mas é possível classificá-los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço, deformação do material, variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação e o propósito da deformação. 11 2-Características relacionadas nas conformações mecânicas 2.1-Temperatura na Conformação Em função da temperatura e do material utilizado, a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. O trabalho a quente (TQ) é usado para reduzir os esforços de conformação e/ou permitir a recristalização. Geralmente, a temperatura mais elevada de trabalho a quente é limitada bem abaixo do ponto de fusão, devido à possibilidade de fragilização à quente (existência de compostos dentro do material com menor ponto de fusão). Basta uma pequena quantidade de constituinte com baixo ponto de fusão nos contornos de grão para fazer um material desagregar-se quando deformado. De outra forma, o trabalho a frio (TF) é a deformação realizada sob condições em que não ocorre a recristalização do material. Já no trabalho a morno, ocorre uma recuperação do material, sem recristalização. É importante entender que a distinção básica entre TQ e TF não está na temperatura em si, mas na temperatura de recristalização do material. Porque, dependendo da liga, podemos ter TQ com conformações à temperatura ambiente, como no caso de Pb e Sn. Por outro lado, a conformação a 1100°C é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior, embora tal temperatura seja TQ para o aço. 2.1.1-Trabalho a Quente Etapa inicial na maioria dos metaise ligas. Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal, como proporciona o surgimento de menos discordâncias micro estruturais e também ajuda a diminuir as heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido às rápidas taxas de difusão presentes às temperaturas de trabalho a quente. Além disso, variações micro estruturais proporcionam um aumento na ductilidade e na tenacidade, comparado ao estado fundido. Como desvantagem, geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que as superfícies externas, pode ocorrer 12 crescimento de grão no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho. A maioria das operações de TQ é executada em múltiplos passes; geralmente, nos passes intermediários a temperatura é mantida bem acima do limite inferior de recristalização do metal para se tirar vantagem da redução na tensão de escoamento, embora com o risco de um crescimento de grão. As figura 01 mostra o comportamento dos grãos na conformação com TQ. Figura 01 - Recristalização no TQ (há crescimento dos grãos pós-recristalização) 2.1.2-Trabalho a Frio O trabalho a frio é acompanhado do encruamento do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras (contornos de grão) que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina. Um metal cristalino contém em média entre 1 e 100 milhões de cm de discordâncias por cm³, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 100 bilhões de cm de discordâncias por cm³. A estrutura característica do estado encruado (figura 02) examinada ao microscópio eletrônico, apresenta dentro de cada grão, regiões pobres em discordâncias, cercadas por um emaranhado altamente denso de discordâncias nos planos de deslizamento. Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de escoamento e do limite de resistência, bem como no decréscimo do alongamento total (alongamento na fratura). 13 Figura 02 - Encruamento de um material na laminação 2.1.3-Trabalho a Morno Os processos de deformação a morno objetivam aliar as vantagens das conformações a quente e a frio. Dos processos de conformação a morno um dos mais difundidos e com maiores aplicações industriais é o forjamento. O trabalho a morno consiste na conformação de peças numa faixa de temperatura onde ocorre o processo de recuperação do material, não ocorrendo entre tanto, a recristalização. Com relação ao trabalho a quente, o processo morno apresenta melhor acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da dilatação. Assim, podem-se ter menores ângulos de saída e maior carga para a retirada da peça das matrizes sem deformar o produto. A maior desvantagem é o aumento do limite de escoamento, sendo necessário o emprego de prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes. Em relação ao trabalho a frio, o processo a morno apresenta redução dos esforços de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno melhora ainda a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem muita energia e tempo. Existe alguma controvérsia sobre a faixa de temperatura empregada na conformação a morno dos aços, mas, certamente se torna importante entre 500 e 800°C. A temperatura inferior de conformação é limitada em aproximadamente 500°C devido à possibilidade de ocorrência da "fragilidade azul" em temperaturas mais baixas. 2.2-Classificação quanto aos esforços predominantes Os processos de conformação mecânica podem ser classificados segundo o tipo de esforço em que são submetidos para se realizar o processo que se deseja. Dividem-se basicamente em: 14 Compressão direta: predomina a solicitação externa por compressão sobre a peça de trabalho. Nesse grupo podem ser classificados os processos de forjamento (livre e em matriz) e laminação (plana e de perfis). Compressão indireta: as forças externas aplicadas sobre a peça podem ser tanto de tração quanto de compressão, mas as que efetivamente provocam a conformação plástica do metal são de compressão indireta, desenvolvidas pela reação da matriz sobre a peça. Exemplos: (trefílação e extrusão de tubos e fios, e a estampagem profunda embutimento) de chapas. Estiramento: onde a peça toma a forma da matriz através da aplicação de forças de tração em suas extremidades, é o principal exemplo é o estiramento de chapas finas. Cisalhamento: onde ocorrem forças cisalhantes suficientes ou não para romper o metal no seu plano de cisalhamento. Os melhores exemplos deste tipo de processo são a torção de barras e o corte de chapas. Flexão: as modificações de forma são obtidas mediante a aplicação de um momento fletor. Esse princípio é utilizado para dobrar chapas, barras e outros produtos. Por exemplo, processos de dobramento livre, dobramento de borda, dobramento de matriz e calandragem. 15 3-Descrição dos Principais Processos de Conformação Mecânica Existem algumas centenas de processos unitários de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas. Mas é possível classificá- los num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço, deformação do material, variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação e o propósito da deformação. Basicamente, se dividem em: 3.1-Laminação Conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram (tipo massa de pastel) (figura 03), reduzindo a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos. Figura 03 – Ilustração de um processo de laminação 3.2-Forjamento Conformação por esforços compressivos fazendo o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. Moedas, parafusos, âncoras e virabrequins estão entre os produtos do forjamento. Pode ser: Por martela mento (usados martelos de forja que aplicam golpes rápidos e sucessivos ao metal por meio de uma massa que varia conforme a necessidade). Por prensagem: (o metal recebe uma força de compressão em baixa velocidade, atingindo seu grau máximo antes de ser retirada (figura 04), assim as camadas mais profundas da estrutura do material são atingidas, conformando-se mais homogeneamente e melhorando 16 ainda as características metalúrgicas. São usadas prensas hidráulicas para realizar esta função, onde as forças aplicadas podem ser absurdamente elevadas). Figura 04 – forjamento por prensagem 3.3-Trefilação Redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira ou trefila) em forma de “funil”. É o processo comum para obtenção de fios de todo tipo (figura05). Figura 05 – Processo de trefilação 3.4-Extrusão Processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora (figura 06), com redução da sua seção transversal, como ocorre numa máquina de formar macarrão. O produto pode ser uma barra, perfil (esquadrias de alumínio, etc.) ou tubo. Figura 06 – Processo de extrusão 17 3.5-Estampagem (Profunda) Uma chapa, inicialmente plana, é transformada em um corpo oco sem que haja aparecimento de rugas e trincas (figura 07). Compreende operações com chapas, com produtos como arruelas, panelas, enlatados, etc. Figura 07 – Processo de estampagem (profunda) 3.6-Dobramento A chapa sofre uma deformação por flexão em prensas que fornecem a energia e os movimentos necessários para realizar a operação (figura 08). A forma é conferida mediante o emprego de punção e matriz específicas até atingir a formadesejada Figura 08 – Conformação por dobramento 3.7-Calandragem A chapa a ser calandrada é introduzida na calandra (figura 09), um sistema de cilindros que pode ser constituído de 3 ou 4 cilindros, paralelos uns aos outros, formando um triangulo (ou um losango no caso de 4 cilindros). 18 Figura 09 – Conformação com calandra de 4 rolos 3.8-Corte O corte é a operação de cisalhamento de um material na qual uma ferrame nta ou punção de corte é forçada contra uma matriz por intermédio da pressão exercida por uma prensa (figura 10). Figura 10 – Processo de conformação por corte 19 4-Laminação Laminação é o processo de conformação mecânica que consiste em modificar a seção transversal de um material passando-o entre dois cilindros que giram em sentido contrário. Os produtos podem ser planos (chapas) ou não planos (perfis mais ou menos complexos). Na laminação o material é submetido a tensões compressivas elevadas, resultantes da ação de prensagem dos rolos e a tensões cisalhantes superficiais, resultantes do atrito entre os rolos e o material. As forças de atrito são também responsáveis pelo ato de "puxar" o metal para dentro dos cilindros. É o processo de transformação mecânico mais utilizado na fabricação de chapas e perfis, pois apresenta alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso, além de uma grande variedade de produtos. A redução ou desbaste inicial dos lingotes (produtos padronizados da fundição, ver figura 11) em blocos, tarugos ou placas é realizado normalmente por laminação a quente. Depois dessa fase, segue-se uma nova etapa de laminação à quente para transformar o produto em chapas grossas, tiras a quente, vergalhões, barras, tubos, trilhos ou perfis estruturais. Muitos ainda passam pela laminação a frio, que produz excelente acabamento superficial, com boas propriedades mecânicas e controle dimensional rigoroso do produto final. 20 Figura 11 - Chapas Figura 12 - Tarugo 4.1-Laminadores Um laminador consiste basicamente de cilindros (ou rolos), mancais, uma carcaça chamada de gaiola ou quadro para fixar estas partes, e um motor para fornecer potência aos cilindros e controlar a velocidade de rotação. As forças envolvidas na laminação podem facilmente atingir milhares de toneladas, portanto é necessária uma construção bastante rígida, além de motores muito potentes para fornecer a potência necessária. Dessa forma, o custo de uma moderna instalação de laminação é da ordem de milhões de dólares e são consumidas muitas horas de projetos, uma vez que esses requisitos são multiplicados para as sucessivas cadeiras de laminação contínua (chamado de “tandem mill”). Os cilindros de laminação são de aço fundido ou forjado. Compoem-se de três partes (figura 13): a mesa, onde se realiza a laminação, e pode ser lisa ou com canais; os pescoços, onde se encaixam os mancais; e os trevos ou garfos de acionamento. Os cilindros são aquecidos pelo material laminado a quente e é de grande importância um resfriamento adequado deles, usualmente através de jatos de água. 21 Figura 13 - Componentes de um cilindro Os mancais dos cilindros servem de apoio a estes cilindros; eventuais deformações destas peças provocariam variações dimensionais nos produtos, o que é altamente indesejável. Três tipos de mancais são usados em laminadores: mancais de fricção, onde o pescoço gira sobre casquilhos de bronze, madeira, etc., devidamente lubrificados; mancais de rolamento; e mancais a filme de óleo sob pressão. Utilizam-se variadas disposições de cilindros na laminação, o mais simples é constituído por dois cilindros de eixos horizontais, colocados verticalmente um sobre o outro, chamado duo. A figura 14mostra uma vista esquemática de um laminador duo, constituído por um quadro, dois cilindros de trabalho, e os mancais nos quais giram os cilindros. Neste laminador, o cilindro inferior é fixo e o cilindro superior pode mover-se, durante a operação, através de um sistema de parafusos. Este movimento também pode ter acionamento hidráulico. Figura 14 - Com cilindro regulável durante a operação 22 Figura 15 - Vista lateral de quadros fechados e abertos 4.2-Processos de Laminação O processo mais simples é através do laminador duo, que pode ser reversível ou não. Nos duos não reversíveis, (figura 16a), o sentido de giro dos cilindros não pode ser invertido, e o material só pode ser laminado em um sentido. Nos reversíveis, (figura 16b), a inversão da rotação dos cilindros permite que a laminação ocorra nos dois sentidos de passagem entre os rolos. No laminador trio, figura 17c, os cilindros sempre giram no mesmo sentido. Porém, o material pode ser laminado nos dois sentidos, passando-o alternadamente entre o cilindro superior e o intermediário e entre o intermediário e o inferior. À medida que se laminam materiais cada vez mais finos, há interesse em utilizar cilindros de trabalho de pequeno diâmetro(Apesar de o custo ser mais elevado, pode-se ter maior precisão dimensional). Estes cilindros podem fletir, e devem ser apoiados em cilindros de encosto, figura 17d. Este tipo de laminador denomina-se quádruo, podendo ser reversível ou não. Figura 16 - Imagem a (Laminador Duo), e b (Laminador Duo Reversível) 23 Figura 17 - Imagem c (Laminador Trio), e d (Laminador Quádruo) Figura 18 - Imagem d (esquema de um laminador quádruo) Quando os cilindros de trabalho são muito finos, podem fletir tanto na direção vertical quanto na horizontal e devem ser apoiados em ambas direções; um laminador que permite estes apoios é o Sendzimer, figura 19. Um outro laminador muito utilizado é o universal, que dispõe de dois pares de cilindros de trabalho, com eixos verticais e horizontais, figura 20. 24 Figura 19 – Imagem Sendzimer Figura 20 – Imagem F(Laminador Universal) Barras de seção circular e hexagonal, e perfis estruturais (como vigas em I, calhas e trilhos) são produzidos em grande quantidade por laminação a quente com cilindros ranhurados, conforme mostrado abaixo. Figura 21 – Laminador ranhurados para perfis 25 A laminação de barras e perfis difere da laminação de planos, po is a seção transversal do metal é reduzida em duas direções (figura 22). Entretanto, em cada passe o metal é normalmente comprimido somente em uma direção. No passe subseqüente o material é girado em 90°. Uma vez que o metal se expande muito mais na laminação a quente de barras do que na laminação a frio de folhas, o cálculo da tolerância necessária para a expansão é um problema importante no planejamentodos passes para barras e perfis. Um método típico para reduzir um tarugo quadrado numa barra é alternando-se passes através de ranhuras ovais e quadradas. O planejamento dos passes para perfis estruturais é muito mais complexo e requer bastante experiência. A maioria dos laminadores de barras é equipada com guias para conduzir o tarugo para as ranhuras e repetidores para inverter a direção da barra e conduzi- la para o próximo passe. Os laminadores desse tipo podem ser normalmente duos ou trios. A instalação comum para a produção de barras consiste em uma cadeira de desbaste, uma cadeira formadora e uma cadeira de acabamento. Figura 22 - Laminador tipo Gray para perfis estruturais tipo H A laminação de tubos sem costura se dá comumente pelo processo Mannesmann. A partir de uma barra de seção circular obtém-se um tubo sem costura, utilizando os seguintes laminadores: a) Puncionador: Realiza o puncionamento do tarugo, obtendo tubos curtos com paredes grossas. 26 Figura 23 - Puncionador b) Passo de peregrino: O tubo curto obtido na etapa anterior é submetido a este laminador com o objetivo de reduzir a espessura da parede e aumentar o comprimento. É necessário posterior acabamento, para desempenar e melhorar tolerância e acabamento superficial. Figura 24 - Forma excêntrica de um laminador passo de peregrino Figura 25 - Seqüência da laminação com o passo de peregrino 27 Figura 26 - Processo Mannesmann para tubos sem costura Existem ainda outros tipos de processos de laminação mais especializados, como o planetário, de bolas, etc. 4.2.1-Laminação a Quente Quando a matéria prima é o lingote ( Produto bruto resultante da fundição em molde metálico, geralmente destinado a posterior conformação plástica.), a primeira operação de laminação ocorre em um laminador desbastador, que é usualmente um duo reversível cuja distância entre os rolos pode ser variada durante a operação. Na operação de desbaste utilizam-se também laminadores universais, o que permite um melhor esquadrinha mento do produto. Os produtos desta etapa são blocos (“Tarugo quadrado com seção geralmente superior a 6x6”, normalmente usado para a fabricação de vigas.) (“blooms”, seção quadrada) ou placas(material com mais de 4,775 mm de espessura e largura superior a 304,8 mm.) (“slab”, seção retangular). As placas são laminadas até chapas (espessura inferior a 4,775 mm) ou tiras a quente (espessura inferior a 0,3 mm). Na laminação de chapas, utilizam se laminadores duos ou quádruos reversíveis, sendo este último o mais utilizado. Na laminação de tiras, comumente utilizam laminadores duos ou quádruos reversíveis numa etapa preparadora, e posteriormente um trem contínuo de laminadores quádruos. A figura 27 mostra esquematicamente um trem contínuo de laminação. O material, após a laminação, é decapado (Carepa: Película de óxido de ferro que se forma na superfície do aço laminado a quente, é removida com sprays de água em alta pressão ou outros métodos.), recebe spray de óleo (forma um fino filme no material decapado, evitando nova formação de óxido.), e é bobinado à quente, indo a seguir para o mercado ou para a laminação a frio. 28 Figura 27 - Trem continuo de laminação Deve-se observar que, com o lingotamento contínuo (Ao invés de criar lingotes para posterior laminação, o aço líquido é vazado continuamente num molde que sai direto para o trem de laminação. Assim, o tarugo não precisa ser aquecido, e já substituiu em muitas usinas siderúrgicas o convencional.), produzem-se placas e tarugos diretamente da máquina de lingotar, evitando-se uma série de operações de laminação, em especial a laminação desbasta Dora. Figura 28 - Trem contínuo de laminação de perfis H (esquerda) e chapas (direita) 29 As indústrias de transformação de não ferrosos operam com uma diversidade muito grande de produtos, portanto, os equipamentos utilizados na laminação a quente desses materiais são muito menos especializados do que os empregados na laminação a quente de aços. Os lingotes de materiais não ferrosos são menores e as tensões de escoamento são normalmente mais baixas do que as dos materiais ferrosos, o que permite o uso de laminadores de pequeno porte. Laminadores duos ou trios são normalmente usados para a maioria dos metais não ferrosos na laminação a quente, entretanto, laminadores quádruos contínuos são usados para as ligas de alumínio. Figura 29 - Laminação a quente Figura 30 - Um exemplo de laminação a quente 4.2.2-Laminação a Frio A laminação a frio é empregada para produzir tiras e folhas (a tira difere da folha pelo melhor controle dimensional) com acabamento superficial e tolerâncias dimensionais superiores, quando comparadas com as tiras produzidas por laminação a quente. Além disso, 30 o encruamento resultante da redução a frio pode ser aproveitado para dar maior resistência ao produto final. Os materiais de partida para a produção de tiras de aço laminadas a frio são as bobinas a quente decapadas, resultantes dos trens contínuos de laminação. A laminação a frio de metais não ferrosos pode ser realizada a partir de tiras a quente ou, como no caso de certas ligas de cobre, diretamente de peças fundidas. Trens de laminadores quádruos de alta velocidade com três a cinco cadeiras (laminadores) são utilizados para a laminação a frio do aço, alumínio e ligas de cobre. A laminação contínua tem alta capacidade de produção, o que resulta num custo de produção baixo. A redução total atingida por laminação a frio geralmente varia de 50 a 90%. Quando se estabelece o grau de redução em cada passe ou em cada cadeira de laminação, deseja-se uma distribuição tão uniforme quanto possível nos diversos passes sem haver uma queda acentuada em relação à redução máxima em cada passe. Normalmente, a porcentagem de redução menor é feita no último passe para permitir um melhor controle do aplainamento, bitola e acabamento superficial. Figura 31 - Desenho esquemático de laminação a frio 4.3-Processamento Termomecânico Na indústria de fabricação do aço as dimensões externas de muitos produtos comerciais são resultados da conformação a quente, como na laminação, enquanto que, as propriedades mecânicas são obtidas pela adição de elementos de ligas e por tratamento térmico após laminação a quente. A tendência atual, para produtos que necessitam propriedades específicas, é a união da laminação com processos de tratamento térmico, chamado de processamento termomecânico. Foi desenvolvida para melhorar as propriedades mecânicas dos materiais já na laminação, através do controle do processo de deformação à quente. Laminação controlada, resfriamento acelerado e têmpera direta, são exemplos típicos de processamentos 31 termomecânicos. Dessa forma, minimiza-se ou até elimina-se o tratamento térmico após a laminação à quente. Tal processo geralmente ocasiona uma mudança no projeto de composição química do aço e redução na produtividade da laminação à quente, mas tornam possíveis reduções na quantidade total de elementos de liga, melhoram a soldabilidade, aumentam a tenacidade e algumas vezes produzem novas e benéficas características no aço. 4.4-Defeitos nos Produtos Laminados Os produtos laminados podem apresentar defeitos que geralmente são originados na fabricação do próprio lingote. Os defeitos mais comuns dos produtos laminados são: A) Vazios - Podem ter origem de rechupes ou gases retidos durante a solidificação do lingote. Eles causam tanto defeito na superfície quanto enfraquecido da resistênciamecânica do produto; B) Gotas frias - São respingos de metal que se solidificam nas paredes da lingoteiras durante o vazamento. Posteriormente, eles se agregam ao lingote e permanecem no material até o produto acabado na forma de defeitos na superfície; C) Trincas - Aparecem no próprio lingote ou durante as operações de redução que acontecem em temperaturas inadequadas; D) Dobras - São provenientes de reduções excessivas no qual um excesso de massa metálica ultrapassa os limites do canal e sofre recalque no passe seguinte; E) Inclusões - São partículas resultantes da combinação de elementos presentes na composição química do lingote, ou do desgaste de refratários e cuja presença pode tanto fragilizar o material durante a laminação quanto causar defeitos na superfície; F) Segregações - Acontecem pela concentração de alguns elementos nas partes mais quentes do lingote, as últimas a se solidificarem. Elas podem acarretar heterogeneidades nas propriedades, além de fragilização e enfraquecimento de seções dos produtos laminados. Além disso, o produto pode ficar empenado, retorcido, ou fora de seção, em conseqüência de deficiências no equipamento, e nas condições de temperatura sem uniformidade ao longo do processo. 32 5-Trefilação Trefilação é uma operação em que a matéria-prima é estirada através de uma matriz em forma de canal convergente (FIEIRA ou TREFILA) por meio de uma força trativa aplicada do lado de saída da matriz. O escoamento plástico é produzido principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação da matriz sobre o material. A simetria circular é muito comum em peças trefiladas, mas não obrigatória. A trefilação ocorre pelo racionamento de uma barra, fio ou tubo através de uma matriz com perfil semelhante. Desde que a seção transversal da matriz seja sempre menor que a peça trabalhada, o processo de trefilação ocasionara uma redução em área e um aumento no comprimento. Além disso a trefilação é normalmente realizada a frio 5.1-Finalidade : Por este processo é possível obter produtos de grande comprimento contínuo, seções pequenas, boa qualidade de superfície e excelente controle dimensional. A tabela 01 mostra os produtos mais comuns obtidos com o processo de trefilação, e seus respectivos diâmetros para os arames. Tabela 01 – Produtos mais comuns oriundos de trefilação O material pode ser estirado e reduzido em secção transversal mais do que com qualquer outro processo; A precisão dimensional obtida é maior do que em qualquer outro processo exceto a laminação a frio, que não é aplicável às bitolas comuns de arames; A superfície produzida é uniformemente limpa e polida; O processo influi nas propriedades mecânicas do material, permitindo, em combinação com um tratamento térmico adequado, a obtenção de uma gama variada de propriedades com a mesma composição química. 33 5.2-Fieira A fieira (figura 32) é o dispositivo básico da trefilação e compõe todos os equipamentos trefiladores. Geometria da fieira: é dividida em quatro zonas (figura 32) (1) de entrada (2) de redução (a = ângulo de abordagem) (3) (guia) de calibração-zona cilíndrica (acabamento é crítico) (4) de saída Figura 32– zonas de divisão da fieira 5.2.1-Material Os materiais dependem das exigências do processo (dimensões, esforços) e do material a ser trefilado. Os mais utilizados são: - Carbonetos sinterizados (sobretudo WC) – widia, - Metal duro, etc. (figura 33) - Aços de alto C revestidos de Cr (cromagem dura) - Aços especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc.) - Ferro fundido branco - Cerâmicos (pós de óxidos metálicos sinterizados) - Diamante (p/ fios finos ou de ligas duras) 34 Figura 33 – Detalhe construtivo de uma fieira com núcleo de metal duro 5.3-Equipamentos Pode-se classificar os equipamentos para trefilação em dois grupos básicos: Bancadas de trefilação – utilizadas para produção de componentes não bobináveis como barras e tubos Trefiladoras de tambor – utilizada para produção de componentes bobináveis, ou seja, arames 5.3.1-Bancadas de Trefilação Na figura 34 pode-se observar o aspecto esquemático de uma bancada de trefilação, com os respectivos componentes. Figura 34 - Bancada de trefilação 5.3.2-Trefiladoras de Tambor As trefiladoras de tambor podem ser classificadas em três grandes grupos, a saber: Simples (1 só tambor):- para arames grossos (figura 35) Duplas: para arames médios (figura 36) Múltiplas (contínuas): para arames médios a finos (figura 37) As figuras 35, 36 e 37 são exemplos de modelos de maquinas de trefilar a tambor. 35 Figura 35 - Maquina simples de trefilação com tambor vertical Figura 36 - Maquina dupla de trefilar Figura 37 - Maquina de trefilar continua do tipo acumulativo 5.4-Modos de trefilação para tubos Os Tubos (figura 40) podem ser trefilados dos seguintes modos: - sem apoio interno (REBAIXAMENTO ou AFUNDAMENTO) (figura 38a) - com mandril passante (figura 38b) - com plug (bucha) interno (figura 38c) - com bucha flutuante (figura 38d) 36 (a) (b) (c) (d) Figura 38 – Métodos de trefilação de tubos: Sem suporte interno (rebaixamento) (a); com mandril passante (b); com bucha (plug) fixo (c); com bucha flutuante (d). Figura 39 – Maquina de trefilar tubos Figura 40 – Exemplo de tubo trefilado 5.5-Trefilação dos arames de aço Um dos usos mais corriqueiros da trefilação é a produção de arames de aço (figura 43). 5.5.1-Etapas do processo Os passos a percorrer são discriminados no esquema abaixo (figura 41). Observa-se que a trefilação (figura 42) propriamente dita é precedida por várias etapas preparatórias que 37 eliminam todas as impurezas superficiais, por meios físicos e químicos. Figura 41 – etapas do processo da produção de arames de aço Pode-se descrever o processo basicamente em: Matéria-prima: fio-máquina (vergalhão laminado a quente) Descarepação: - Mecânica (descascamento): dobramento e escovamento. Química (decalagem): com HCl ou H2S04 diluídos. Lavagem: em água corrente Recobrimento: comumente por imersão em leite de cal Ca(OH)2 a 100°C a fim de neutralizar resíduos de ácido, proteger a superfície do arame, e servir de suporte para o lubrificante de trefilação. Secagem (em estufa): Também remove H2 dissolvido na superfície do material. Trefilação: Primeiros passes a seco.Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e trefilação a úmido. Figura 42 – Exemplos de maquias de trefilar para produção de arames de aço 38 Figura 43 – Exemplo de arame trefilado 5.5.2-Tratamentos térmicos dos arames Depois da trefilação os arames são submetidos a tratamentos térmicos para alívio de tensões e/ou obtenção de propriedades mecânicas desejadas. Os principais tratamentos utilizados estão representados na tabela 02. Tabela 02 – Principais tratamentos utilizados nos arames 5.6-Defeitos em trefilados Defeitos em trefilação podem resultar de. Defeitos na matéria -prima (fissuras,lascas, vazios, inclusões); Processo de deformação: Trincas internas em ponta de flecha ("chevrons"), figura 44. Quando a redução é pequena e o ângulo de trefilação é relativamente grande (tipicamente, quando D/L > 2) a ação compressiva da fieira não penetra até o centro da peça. Durante a trefilação as camadas mais internas da peça não recebem compressãoradial, mas são arrastadas e forçadas a se estirar pelo material vizinho das camadas superficiais, que sofrem a ação direta da fieira. Tal situação (deformação heterogênea) gera tensões secundárias trativas no núcleo da peça, que pode vir a sofrer um trincamento característico, em ponta de flecha. 39 A melhor solução é diminuir a relação D/L, o que pode ser feito empregando-se uma fieira de menor ângulo, ou então se aumentando a redução no passe (em outra fieira com saída mais estreita). Figura 44 - Esquema de formação de trincas centrais 40 6-Calandragem Processo que consiste na introdução de um material (principalmente chapas), em um equipamento (calandra) (figura 45), que faz a curvatura do mesmo em angulações que podem variar de acordo com as aplicações. A chapa a ser calandrada é introduzida na calandra, um sistema de cilindros que pode ser constituído de 3 ou 4 cilindros, paralelos uns aos outros, formando um triangulo (ou um losango no caso de 4 cilindros). 6.1-Descrição do processo O rolo superior, geralmente, com um diâmetro maior que o diâmetro dos rolos inferiores, é convenientemente posicionado para se obter o raio de curvatura exterior (Re) requerido para a virola Admitindo que as reações nos rolos inferiores são verticais (aproximação), pode considerar-se que a distribuição de momento fletor é triangular, com o valor máximo na zona média do entre – eixo. 6.2-Tipos de Calandras 6.2.1-Calandras de três rolos Apresentam as seguintes características: - Rolos inferiores, fixos, com igual diâmetro, mas menores (10 a 50%) que o superior. - Calandras de maior capacidade: Rolos de maior diâmetro e maior entre-eixo nos rolos inferiores e menor força de flexão - Utilização de rolos inferiores de suporte para reduzir a deformação em calandras de comprimento elevado (geralmente > 3m) - O ajuste do rolo superior, livre, define o diâmetro da calandragem. - Força de calandragem suficiente para arrastar por atrito o rolo superior. Difícil para chapa fina de grande diâmetro (Rolo superior motorizado) - Os extremos da chapa (abas) permanecem direitos 41 (a) (b) Figura 45 – Calandras de 3 rolos: Médio porte (a); pequeno porte (b). As calandras da figura 45 são constituídas de três rolos, usadas para conformar chapas, sendo elas para chapas de médio porte (firura 45a), e pequeno porte (figura 45b) 6.2.2-Calandras de quatro rolos As calandras de 4 rolos (figura 46) apresentam basicamente as seguintes vantagens nas conformações de chapas: - O posicionamento apertado da chapa entre os rolos motores facilita bastante a operação, designadamente o manuseamento da chapa que, em muitos casos, pode ser feito por um único operador. - A dobragem das abas efetua-se sem necessidade de voltar a chapa. - A calandragem das superfícies cônicas pode efetuar-se continuamente. - A calibragem das virolas, por exemplo após soldadura das extremidades, é facilitada pela existência dos dois rolos livres, os quais devem estar ambos atuados neste tipo de operações. Figura 46 – Calandra de 4 rolos 42 6.3-Tipos de calandragem 6.3.1-Calandragem a frio e a quente A calandragem a frio é preferível à calandragem a quente (menos dispendiosa e problemática), para calandragens a frio, e em especial para passos múltiplos, deve ter-se em atenção a deformação máxima que a chapa sofre. É usual o tratamento a frio quando: - emax > 5% para aços de baixa liga - emax > 3% para aços ferríticos temperados e revenidos A capacidade de calandragem da máquina for ultrapassada em resultado do encruamento do material A calandragem a quente deverá ser usada quando: - A capacidade de calandragem for insuficiente para realizar o trabalho a frio - Não se conseguir produzir peças com o diâmetro desejado sem que ocorra fissuração - Os tratamentos térmicos necessários à calandragem a frio to rnam a calandragem a quente mais econômica. 6.4-Defeitos Por ser um processo de conformação mecânica a peça é submetida a esforços, e esses esforços podem causar trincas se a conformação não for aplicada, já que a calandragem faz com que a peça sofra compressão em alguns pontos, e tensão em outros. 43 7-Introdução de Extrusão Extrusão é um processo de conformação mecânica que consiste na compressão de um cilindro sólido, por exemplo, de metal alumínio, chamado de Tarugo ou Billet, de encontro a um orifício existente em uma matriz (molde ou ferramenta), com o intuito de fazer o material fluir por esse orifício e formar um perfil extrusado, sob o efeito de altas pressões e elevadas temperaturas de trabalho.Como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados têm seção transversal constante. Dependo da ductilidade do material a extrudar, o processo pode ser feito a frio ou a quente. Cada tarugo é extrudado individualmente, caracterizando a extrusão como um processo semicontínuo. O produto é essencialmente uma peça semi-acabada. A extrusão pode ser combinada com operações de forjamento, sendo neste caso denominada extrusão fria. Os produtos mais comuns são: quadros de janelas e portas, trilhos para portas deslizantes, tubos de várias seções transversais e formas arquitetônicas. Os produtos extrudados podem ser cortados nos tamanhos desejados para gerarem peças, como maçanetas, trancas e engrenagens, como mostrado na figura 47. Em operação combinada com forjamento, pode-se gerar componentes para automóveis, bicicletas, motocicletas, maquinário pesado e equipamento de transporte. Os materiais mais usados na extrusão são: alumínio, cobre, aço de baixo carbono, magnésio e chumbo. Figura 47 – Exemplos de produtos obtidos através do processo de Extrusão 44 OBS: Tarugo é um bloco de metal (perfilado) obtido pela laminação de um lingote. O lingote é um bloco de metal produzido por fundição. 7.1-Tipos de Extrusão São basicamente dois tipos de extrusão, a direta e a indireta. Mas há ainda duas variações: a lateral e a hidrostática. 7.1.1-Direta: Este é o processo básico, denominado direto. Um tarugo cilíndrico é colocado numa câmara e forçado por um atuador hidráulico através de uma matriz. A abertura da matriz pode ser circular ou de outro formato. Para proteger o pistão da alta temperatura e abrasão resultantes do processo, emprega-se um bloco de aço chamado falso pistão entre o material e o êmbolo. Utiliza-se ainda um pedaço de grafite entre o falso pistão e o material, para garantir que todo material passe pela matriz, não deixando nenhuma sobra. Figura 48 – Ilustração da Extrusão Direta 7.1.2-Indireta: Também conhecida por reversa ou invertida, a matriz se desloca na direção do tarugo. Como não há movimento relativo entre o tarugo e as paredes da câmara, as forças de atrito e pressões necessárias são menores do que na extrusão direta. Por outro lado, como o êmbolo é furado, as cargas a serem utilizadas são limitadas e não é possível obter perfis com formatos complexos. Figura 49 – Ilustração da Extrusão Inversa 45 7.1.3-Hidrostática: O diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da câmara, que é preenchida por um fluído hidráulico. A pressão (da ordem de 1400 MPa) é transmitida ao tarugo através de um pistão. Não há fricção nas paredes da câmara. O método foi desenvolvido nos anos50 e evoluiu para o uso de uma segunda câmara pressurizada mantida a uma pressão mais baixa. É a chamada extrusão fluido a fluido, que reduz os defeitos do produto que acabou de ser extrudado (oxidação, etc). Essa extrusão aumenta a ductilidade do material, portanto materiais frágeis podem se beneficiar desta forma de extrusão. Entretanto as vantagens essenciais do método são: baixa fricção; pequenos ângulos de matriz; altas relações de extrusão. A extrusão hidrostática é realizada usualmente a temperatura ambiente, em geral usando óleo vegetal como meio, combinando as qualidades de viscosidade e lubrificação. Pode-se também trabalhar em alta temperatura. Neste caso ceras, polímeros ou vidro são usados como fluido, que também tem a função de manter o isolamento térmico do tarugo durante o procedimento de extrusão. Podem ser extrudados por este método uma grande variedade de metais e polímeros, formas sólidas, tubos e outras formas vazadas como favo de abelha e perfis. Figura 50 – Ilustração da Extrusão Hidrostática 7.1.4-Extrusão Lateral: o material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara. Os eixos do punção e da peça tem diferentes direções (ângulo reto). Figura 51 – Ilustração da Extrusão Lateral 46 7.2-Parâmetros de Extrusão Os parâmetros de extrusão se dividem em geométricos e físicos. A) Os parâmetros geométricos da extrusão são: O ângulo α da matriz; A relação de extrusão: é o quociente entre as áreas das seções transversais do tarugo Ao (área inicial) e do produto extrudado Af (área final); O fator de forma: é a relação entre o perímetro da seção do produto extrudado e a área da seção transversal. Quanto maior for o valor, mais complexa será a extrusão. Figura 52 - Ilustração dos Parâmetros Geométricos B) Os parâmetros físicos da extrusão são: Velocidade de deslocamento do pistão; Força de extrusão; Temperatura do tarugo; Tipo de lubrificante. As velocidades do pistão podem chegar até 0,5m/s. Geralmente, velocidades menores são recomendadas para o alumínio, magnésio e cobre, e velocidades mais altas para aços, titânio e ligas refratárias. As tolerâncias na extrusão estão na faixa de 0,25 - 2,5 mm e aumentam com as dimensões da seção transversal. A força requerida para o processo depende da resistência do material, da relação de extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis como a temperatura e a velocidade de extrusão. Pode ser estimada pela seguinte fórmula: 47 Onde, Ao = Área transversal inicial do tarugo; k = Constante de extrusão; In = Valor dado por variáveis (velocidade, etc); Af = Área transversal final do produto extrudado. O valor de k (constante de extrusão) é obtido através do gráfico 01, dependendo do material e temperatura. Gráfico 01 – Constante de Extrusão para metais em Relação a Temperatura 7.3-Fluxo do metal O fluxo do metal determina a qualidade e as propriedades mecânicas do produto final. O mesmo é comparável ao escoamento de um fluido num canal. Os grãos tendem a alongar-se formando uma estrutura com orientação preferencial. O fluxo inadequado pode causar inúmeros defeitos. A técnica de observação do fluxo consiste em seccionar o tarugo ao longo de seu comprimento e marcar uma das faces com um quadriculado. As duas metades são então colocadas juntas na câmara e extrudadas. Após a extrusão as partes são novamente separadas para exame. Na figura 53 pode ser observado o resultado desta técnica, para três situações típicas da extrusão direta para matriz quadrada (ângulo da matriz de 90°). 48 Figura 53 – Tipos de Fluxo de Metal na Extrusão com Matrizes Quadradas Observe as zonas mortas nas figuras “b” e “c” , onde o metal fica praticamente estacionário nos cantos. A situação é similar ao escoamento de fluido num canal com cantos vivos e curvas. Por isso, o projeto de matrizes requer experiência considerável. Dois exemplos de configurações são mostrados na figura 54. Figura 54 – Exemplos de Configurações Típicas de Matrizes Os diferentes tipos de matrizes têm suas características similares, procurando simetria da seção transversal, evitar cantos vivos e mudanças extremas nas dimensões dentro da seção transversal. Abaixo temos ilustrando na figura 55 o que devemos evitar e o que devemos ter em uma matriz, para que haja um bom fluxo do material. Figura 55 – Seção Transversal para Extrusão - Características a Observar para um bom Projeto 49 Para metais com tendência a aderir à parede da matriz, pode-se usar um revestimento fino de metal macio e de baixa resistência, como cobre ou aço doce. O procedimento é denominado “jaquetamento” ou “enlatamento”. Além de formar uma superfície de baixa fricção o tarugo fica protegido contra contaminação do ambiente, e vice-versa no caso de material tóxico ou radioativo. 7.4-Tipos de Extrusão com Relação a Ductilidade do material 7.4.1-Extrusão a Quente É feita em temperatura elevada para ligas que não tenham suficiente ductilidade a temperatura ambiente, de forma a reduzir as forças necessárias. 7.4.1.1-Características A extrusão a quente apresenta alguns problemas como todo o processo de alta temperatura: O desgaste da matriz é excessivo. O esfriamento do tarugo na câmara pode gerar deformações não-uniformes. O tarugo aquecido é coberto por filme de óxido (exceto quando aquecido em atmosfera inerte) que afeta o comportamento do fluxo do metal por suas características de fricção e pode gerar um produto de pobre acabamento superficial. Algumas medidas preventivas podem sanar ou minorar o efeito dos problemas mencionados acima: 1. Para reduzir o efeito de esfriamento e prolongar a vida da ferramenta, a matriz pode ser pré-aquecida. 2. Para melhorar o acabamento superficial, a camada de óxido é removida através do uso de uma placa, com diâmetro inferior ao da câmara, posicionada sobre o pistão. Ao extrudar o tarugo, uma casca cilíndrica contendo a camada de óxido permanece "colada" à parede da câmara. Com isto elimina-se a presença de óxidos no produto. A casca é posteriormente removida da câmara. Veja o campo de temperaturas para extrusão de vários metais, na tabela 03 abaixo: 50 Tabela 03 – Temperaturas de Extrusão para Vários Metais 7.4.2-Extrusão a Frio Desenvolvida nos anos 40 é o processo que combina operações de extrusão direta, indireta e forjamento. O processo foi aceito na indústria particularmente para ferramentas e componentes de automóveis, motocicletas, bicicletas, acessórios e equipamento agrícola. O processo usa tarugos cortados de barras laminadas, fios ou chapas. Os tarugos menores que 40 mm de diâmetro são cisalhados e tem suas bordas ajustadas por retificação. Diâmetros maiores são usinados a partir de barras, com comprimentos específicos. Embora componentes extrudados a frio sejam em geral mais leves, fabricam-se componentes de até 45 kg e com comprimentos de até 2m. Figura 56 – Ilustração da Extrusão a Frio 51 Vantagens e desvantagens da extrusão a frio em relação à extrusão a quente Tabela 04 – Vantagens e Desvantagens da Extrusão a Frio 7.4.3-Extrusão por Impacto É similar a extrusão indireta e freqüentemente incluída na categoria da extrusão a frio. O punção desce rapidamente sobre o tarugo que é extrudado para trás. A espessura da seção extrudada é função da folga entre o punção e a cavidade da matriz. Figura 57 – Ilustraçãoda Extrusão por Impacto Produtos típicos são mostrados na figura 58: Figura 58– Exemplos de peças Fabricadas por Extrusão de Impacto 52 Incluem os tubos de pastas e assemelhados que são peças descartáveis. Podem-se obter diâmetros de até 150 mm . A maioria dos metais não ferrosos podem ser extrudados por impacto, usando-se prensas verticais e taxas de produção de até duas peças por segundo. O processo permite produzir seções tubulares de paredes muito finas ( relações de diâmetro/ espessura da ordem de 0,005) Por esta razão a simetria da peça e concentricidade do punção são fatores importantes. 7.5-Defeitos na Extrusão Dependendo das condições e do material extrudado podem ocorrer vários tipos de defeitos, que afetam a resistência e qualidade do produto final. Os principais defeitos são: Trinca superficial: ocorre quanto a temperatura ou a velocidade é muito alta. Estas causam um aumento significativo da temperatura da superfície, causando trincas e rasgos. Os defeitos são intergranulares. Ocorrem especialmente em ligas de alumínio, magnésio e zinco, embora possam ocorrer em ligas de alta temperatura. Estes defeitos podem ser evitados reduzindo-se a velocidade de extrusão e diminuindo a temperatura do tarugo. Cachimbo: o tipo de padrão de fluxo mostrado na figura anteriormente tende a arrastar óxidos e impurezas superficiais para o centro do tarugo, como num funil. Este defeito é conhecido como defeito cachimbo (ou rabo de peixe). O defeito pode se estender até um terço do comprimento da parte extrudada e deve ser eliminado por corte. O de feito pode ser minimizado alterando-se o padrão de fluxo para um comportamento mais uniforme., controlando a fricção e minimizando os gradientes de temperatura. Alternativamente o tarugo pode ser usinado ou tratado quimicamente antes da extrusão, removendo-se as impurezas superficiais. Trinca interna: o centro do tarugo pode desenvolver fissuras que são conhecidas como trincas centrais, fratura tipo ponta de flecha ou chevron. O defeito é atribuído à tensão hidrostática de tração na linha central , similar à situação da região de estricção em um corpo em ensaio de tração. A tendência à formação de fissuras centrais aumenta com o crescimento da fricção e da relação de extrusão . Este tipo de defeito também aparece na extrusão de tubos. 53 Figura 59 – Fraturas Centrais - Chevrons 7.6-Equipamentos utilizados na Extrusão O equipamento básico de extrusão é uma prensa hidráulica. É possível controlar a velocidade de operação e o curso. A força pode ser mantida constante para um longo curso, tornando possível a extrusão de peças longas, e aumentando a taxa de produção. Figura 60 – Exemplo de Prensa de Extrusão Vertical Prensas hidráulicas verticais são geralmente usadas para extrusão a frio. Elas tem usualmente menor capacidade daquelas usadas para extrusão a quente, mas ocupam menos espaço horizontal. Prensas excêntricas são também usadas para extrusão a frio e por impacto, e são indicadas para produção em série de pequenos componentes. Operações de múltiplos estágios, onde a área da seção transversal é progressivamente reduzida, são efetuadas em prensas especiais. 54 7.7-Aplicações dos Processos de Extrusão no Dia- a- Dia 7.7.1-Extrusão a Frio Figura 61 – Peças Fabricadas por Extrusão a Frio Figura 62 - Extrusora de Borracha Dados da Extrusora Extrusora para borracha aloja rosca de ø 30 até 300 mm. Desenvolvida para acompanhar a versatilidade das operações com borracha, ou seja, alimentação a frio ou a quente, é robusta, compacta, de funcionamento silencioso e sem vibrações. Apresenta-se em seis modelos MK/f, para alimentação a frio, que alojam rosca com diâmetro de 30 a 150 mm, relação L/D de 12/14/16 e rotação de 60-80 a 32-40 (1/min), possibilitando a produção de 10- 15 a 800-1.200 kg/h. Para alimentação a quente, encontra-se também em seis modelos MK/q, mas com rosca de 90 até 300 mm de diâmetro, relação L/D de 6/8 e rotação de 65-90 a 24-30 (1/min), viabilizando a produção de 450-600 a 4.200-6.000 kg/h. Possui estrutura de ferro fundido nodular e aço, equipando-se com fusos e camisas de aço DIN 1.8550, nitretados com dureza de 1.000 Vickers. Empresa: Makintec Ind. e Com. de Máquinas Ltda. Localização:São José do Rio Preto, SP 55 7.7.2-Extrusão a Quente Figura 63 - Peças Fabricada por Extrusão a Quente Figura 64 - Extrusora de Tubos Dados da Extrusora: Fabrica tubos técnicos de PP-R, PEAD e PEBD para água quente e fria. Apresentada nos tamanhos 90 L/D32, 75 L/D 32 e 60 L/D 32, respectivamente com potências de 175, 90 e 70 kW, RED. 1:10, produz de 350 a 450, 300 a 350 e 200 a 250 kg/h. Dispõe de redutor refrigerado a óleo, banheira a vácuo spray com sistema de dosagem de água na entrada do calibrador, suportando tubos de ø 20 a 160 mm; e sistema de bucha com ranhuras na alimentação com dissipador e câmara de refrigeração forçada. Empresa: Perfilpolimer Ind. e Com. Ltda. Localização: Joinville, SC 56 7.7.3-Extrusão por Impacto Figura 65 - Peças Fabricadas por Extrusão por Impacto Figura 66 - Extrusora de alumínio Dados da Extrusora: Prensa Hidráulica Horizontal de Quatro Colunas para extrusão de alumínio com Platem Móvel e Periféricos nas seguintes capacidades: 600, 800, 1200, 2000 Ton. 57 8 - Conformação de chapas A Conformação de chapas é o processo de transformação mecânica que compreende operações de: Corte; Dobramento; Estampagem profunda ou Embutimento; Estiramento; O processo de conformação de chapas consiste em conformar um disco plano ("blank") à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção. Na operação ocorrem alongamentos e contração das dimensões de todos os elementos de volume, em três dimensões. A chapa originalmente plana, adquire uma nova forma geométrica. 8.1 - Classificação dos Processos A conformação de chapas metálicas finas pode ser classificada através do tipo de operação empregada . Assim pode-se ter : estampagem profunda, corte em prensa, estiramento, etc. A maior parte da produção seriada de partes conformadas a partir de chapas finas é realizada em prensas mecânicas ou hidráulicas. Nas prensas mecânicas a energia é geralmente armazenada em um volante e transferida para o cursor móvel no êmbolo da prensa. As prensas mecânicas são quase sempre de ação rápida e aplicam golpes de curta duração, enquanto que as prensas hidráulicas são de ação mais lenta, mas podem aplicar golpes mais longos. As prensas podem ser de efeito simples ou de duplo efeito. Algumas vezes pode ser utilizado o martelo de queda na conformação de chapas finas. O martelo não permite que a força seja tão bem controlada como nas prensas, por isso não é adequado para operações mais severas de conformação. A seguir temos imagens de prensas mecânicas e hidráulicas. 58 Figura 67 - Prensa mecânica e moldes utilizados na prensa Figura 68 - Prensa mecânica cidade do Porto, Portugal 500 toneladas 59 Figura 69 - Prensa hidráulica com capacidade de 1000 toneladas A prensa hidráulica acima é do fabricante SHEYARS, tem capacidade para 1.000 toneladas, mesa de 2.000 mm x 3700 mm, área do martelo de 2.000 mm x 3.700 mm. A distância máxima entre mesa e martelo 1.850 mm, mínima de 1.180 mm, distância entre os furos da mesa 150 mm, área da almofada 750 mm x 1650 mm, pressão do martelo 5 a 210 kg/cm² - 725.000 kg, pressão da almofada 175kg/cm²- 231.000 kg, (0800842/04).
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