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UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 1 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA TREFILAÇÃO Trabalha realizado por alunos de Graduação em Engenharia Industrial Mecânica e Engenharia da Produção, substituindo a nota da primeira prova do segundo semestre de 2013. SANTOS – SP 2013 Trabalho apresentado no Curso Superior das Engenharias Mecânica e Produção da Universidade Santa Cecilia Orientador: Valmir Demarchi UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 2 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Resumo Este trabalho aborda o processo de conformação mecânica por trefilação, desde a obtenção da matéria prima até as aplicações do produto final, incluindo o comportamento da estrutura antes, durante e depois do processo, além de ferramentas utilizadas, tratamentos térmicos e diferentes métodos de obtenção dos mais variados produtos trefilados. A trefilação é um dos processos mais utilizados na indústria atual, por isso se torna importante o estudo do assunto e a busca para a constante melhoria no processo, diminuindo os custos e aumentando a qualidade dos produtos. A análise deste processo é de fundamental importância para compreensão da disciplina “Processos de Fabricação Mecânica” do curso de graduação em Engenharia Industrial Mecânica e Engenharia de Produção. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 3 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Abstract This essay discusses the process of mechanical conformation via drawing, since the obtainment of the raw material to the applications of the final product, including the behavior of the structure before, during and after the procedure, the tools used, heat treatments and different methods for obtaining the most varied drawn products. Drawing is currently one of the most utilized industrial processes, so its continuous study and research becomes relevant, aiming to improve the process, reducing costs and increasing the quality. The analysis of this process is fundamental to comprehend the subject on Mechanical Manufacturing Processes, from the degree in Industrial Mechanical Engineering and Production Engineering. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 4 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Índice de Figuras Figura 1 - Trefilação por arraste manual ............................................................................ 9 Figura 2 - Antiga máquina de trefilação .............................................................................10 Figura 3 - Máquina de trefilar sem deslizamento ...............................................................11 Figura 4 - Máquina de trefilar com deslizamento ...............................................................12 Figura 5 - Detalhe construtivo de uma fieira ......................................................................16 Figura 6 - Esquema de montagem de uma fieira ...............................................................17 Figura 7 - Representação da fieira ....................................................................................18 Figura 8 - Diferentes modelos de matrizes ........................................................................18 Figura 9 - Comparação do comportamento elástico de um aço e do alumínio ..................21 Figura 10 - Detalhe da variação de tensão dentro da fieira ...............................................21 Figura 11 - Diagrama explicativo .......................................................................................23 Figura 12 - Fio-máquina sendo transportado.....................................................................25 Figura 13 - Relação de propriedades mecânicas decorrentes do aumento de deformação plástica, que gera o encruamento .....................................................................................26 Figura 14 - Diagrama tensão x deformação convencional ................................................27 Figura 15 - Alongamento decorrente de um ensaio de tração ...........................................27 Figura 16 - Estricção ocorrida em um corpo de prova .......................................................28 Figura 17 - Efeito do encruamento na resistência à tração de aços-carbono ....................29 Figura 18 - Processo de decapagem .................................................................................31 Figura 19 - Demonstração da zona de atrito .....................................................................36 Figura 20 - Gráfico Tensão/Deformação, variação das propriedades mecânicas de um aço de baixíssimo teor de carbono (0,0070%), adaptado de Dieter 1988 ................................39 Figura 21 - Alteração da estrutura de grão de um material metálico devido à conformação mecânica a frio. .................................................................................................................41 Figura 22 - Tensão residual longitudinal em função da redução de área por trefilação. ...42 Figura 23 - Diferentes tipos de barras trefiladas ................................................................45 Figura 24 - Diferentes modelos de tubos trefilados ...........................................................46 Figura 25 - Sem suporte interno ........................................................................................47 Figura 26 - Mandril passante .............................................................................................47 Figura 27 - Bucha (Plug) fixo .............................................................................................48 Figura 28 - Bucha (Plug) flutuante .....................................................................................48 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 5 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Figura 29 - Diâmetro escalonado ......................................................................................49 Figura 30 - Fratura irregular ...............................................................................................50 Figura 31 - Fratura com risco lateral ao redor da marca de inclusão ................................50 Figura 32 - Fratura com trinca ...........................................................................................50 Figura 33 - Marcas em “V” .................................................................................................50 Figura 34 - Ruptura tipo estricção .....................................................................................51 Figura 35 - Ruptura tipo borra ...........................................................................................51 Figura 36 - Ruptura tipo cone ............................................................................................52 Figura 37 - Ruptura tipo palha ...........................................................................................52 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 6 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Índice de Tabelas Tabela 1 - Catálogo de produtos Votoraço ........................................................................16 Tabela 2 - Ângulocritico para matriz de diamante ............................................................19 Tabela 3 - Módulo de elasticidade (E) para diversos metais .............................................20 Tabela 4 - Comparação de produtos laminados a quente e trefilados a frio .....................22 Tabela 5 - Efeito do encruamento sobre as propriedades de tração de um aço de baixo carbono..............................................................................................................................26 Tabela 6 - Valores de µ para trefilação ..............................................................................36 Tabela 7 - Classificação de produtos trefilados .................................................................44 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 7 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Sumário 1. Introdução .................................................................................................................... 9 2. Origem da Trefilação.................................................................................................... 9 3. Máquinas de Trefilação ...............................................................................................10 3.1.Máquinas de trefilar que exercem diferentes tipos de esforços ............................10 3.1.1.Máquinas de trefilar sem deslizamento .......................................................10 3.1.2.Máquinas de trefilar com deslizamento .......................................................11 3.2.Máquinas de trefilar pelo diâmetro do fio ..............................................................13 3.3.Máquinas de trefilar que exercem diferentes tipos de lubrificação ........................14 4. Tipos de Trefilação......................................................................................................14 4.1.Trefilação a frio .....................................................................................................14 4.2.Trefilação a quente ...............................................................................................15 5. Matéria Prima ..............................................................................................................15 6. Ferramentas (Matrizes) ...............................................................................................16 7. Comportamento Tensão x Deformação ......................................................................20 8. Mecânica de Trefilação ...............................................................................................21 9. Propriedades Mecânicas Após o Processo .................................................................25 10. Tratamentos Químicos e Mecânicos ...........................................................................30 10.1.Rebarbação ........................................................................................................30 10.2.Descarepação .....................................................................................................31 10.3.Decapagem .........................................................................................................31 11. Tratamentos Térmicos ................................................................................................32 11.1.Patenteamento ....................................................................................................32 11.2.Recozimento .......................................................................................................34 12. Atrito ............................................................................................................................35 13. Lubrificação .................................................................................................................36 13.1.Lubrificação úmida ..............................................................................................38 13.2.Lubrificação seca ................................................................................................38 13.3.Lubrificação úmida e eletrolítica ..........................................................................38 13.4.Lubrificação com pastas e graxas .......................................................................38 14. Características da Trefilação ......................................................................................39 15. Vantagens do Processo de Trefilação ........................................................................40 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 8 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 16. Desvantagens do Processo de Trefilação ...................................................................41 17. Produtos Trefilados .....................................................................................................44 17.1.Barras trefiladas ..................................................................................................44 17.2.Arames ou fios ....................................................................................................45 17.3.Tubos trefilados...................................................................................................45 17.4.Método de trefilação de tubos .............................................................................47 18. Defeitos na Trefilação .................................................................................................48 18.1.Defeitos causados na preparação da matéria prima ...........................................48 18.2.Defeitos relacionados à fieira ..............................................................................49 18.3.Defeitos típicos de produtos trefilados ................................................................49 18.4.Rupturas .............................................................................................................51 19. Conclusão ...................................................................................................................53 20. Bibliografia ..................................................................................................................54 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 9 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 1. Introdução Para que se realizem coisas simples do dia-a-dia como, acender a luz, mexer no computador, realizar ligações telefônicas, ligar a televisão ou utilizar qualquer outro eletrodoméstico, é necessário à utilização de fios elétricos, que são obtidos através de um processo de conformação mecânica, chamado trefilação, onde também pode-se obter cabos e arames de diferentes tipos de materiais para diversas aplicações. O objetivo deste trabalho é abordar todo o processo de trefilação, bem como sua aplicação na indústria, seus produtos e suas vantagens. 2. Origem da Trefilação O processo de trefilação foi desenvolvido a partir do momento que se constatou a dificuldade de fabricar fios metálicos com pequenos diâmetros, que eram até então eram realizados de formas planas por simples processo de martelamento manual. Os primeiros fios metálicos foram fabricados na Alemanha e França por arraste manual, no século XIII, utilizando metais como ouro e prata. Mas apenas em 1925 foi industrializado na Pennsylvania nos Estados Unidos. Figura 1 - Trefilação por arraste manual Desde então não houveramgrandes evoluções na forma geométrica das fieiras, porém a área metalúrgica do processo evoluiu, obtendo-se a parte de ações com composições químicas uniforme. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 10 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Figura 2 - Antiga máquina de trefilação Com o crescimento da área de processo de fabricação, também ocorre o crescimento da competitividade, onde é necessário reduzir custos, evitando a perda de matéria prima e energia, e a buscar produtos de melhores qualidades. Produtos obtidos do processo de trefilação têm sido cada vez mais utilizados nos últimos anos. Arames de aços, fios de cobre (utilizados nos setores elétricos) e barras trefiladas (utilizadas na indústria automobilística reduzindo posteriormente etapas de usinagem, gastos e consumo de energia). 3. Máquinas de Trefilação As máquinas de trefilar podem ser definidas de três maneiras diferentes, as que exercem diferentes tipos de esforços, diferentes tipos de lubrificação e diferentes diâmetros do fio trefilado. 3.1. Máquinas de trefilar que exercem diferentes tipos de esforços As máquinas de trefilação que exercem esforços são separadas em dois tipos: máquinas de trefilação sem deslizamento e com deslizamento. 3.1.1. Máquinas de trefilar sem deslizamento Este equipamento é constituído de cinco peças principais, desbobinadeira, anel tirante e acumulador, roldana, fieira e bobinadeira. O fio é tracionado primeiramente pelo anel tirante e acumulador. Com isso a desbobinadeira desenrola o fio que é então guiado por uma roldana. Devido ao esforço UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 11 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA exercido pelo anel tirante o fio passa pelo furo da fieira onde é trefilado. O anel tirante, além de tracionar o fio, também o acumula permitindo seu movimento para uma segunda fieira. Um segundo anel tirante e acumulador traciona o fio trefilado e passa o mesmo para uma nova fieira com um diâmetro menor. Este processo se repete até atingir o diâmetro desejado de formas múltiplas e continuas, com diferentes fieiras no mesmo equipamento. Após atingir a medida desejada o produto final é enrolado por uma bobinadeira. Toda vez que o fio trefilado atravessa uma fieira ele diminui seu diâmetro e aumenta seu comprimento. Devido a isso existe um aumento da velocidade dos anéis tirantes que deve ser controlada, pois nem sempre essas velocidades são exatas. Por isso existe o acúmulo de fio no anel tirante, para trabalhar com uma reserva de fio antes das velocidades serem ajustadas conforme necessário. Se houver um grande acúmulo de fio no anel tirante deve-se reduzir a velocidade do anel ou então aumentar a velocidade do anel seguinte, compensado assim o acúmulo. Para facilitar o controle da velocidade e obtenção de melhores resultados, existem alguns equipamentos que dispõem de controle lógico programado, que identifica se é necessário aumentar ou reduzir a velocidade dos anéis tirantes de forma independente. Figura 3 - Máquina de trefilar sem deslizamento 3.1.2. Máquinas de trefilar com deslizamento As máquinas de trefilar com deslizamento são muito utilizadas para trefilação de fios metálicos de pequenas espessuras. O funcionamento é semelhante ao das máquinas sem deslizamento, seu diferencial é que o anel tirante não acumula o fio. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 12 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA O fio máquina sai de uma desbobinadeira e segue para uma roldana que fica alinhada a primeira fieira. O fio é tracionado pelo anel tirante fazendo o mesmo passar pela fieira, é então enrolado na forma de uma hélice cilíndrica com o passo igual ao diâmetro do fio, sendo que o começo da hélice fica alinhado com a saída da primeira fieira e o final da hélice fica alinhado com a entrada da segunda fieira. Após o fio trefilado passar pela segunda fieira ele é tracionado pelo segundo anel tirante, que esta com uma velocidade maior para compensar o aumento no comprimento exercido pela fieira. E assim segue de forma repetitiva por outras fieiras até atingir o diâmetro desejado. Um problema comum que ocorre com este equipamento é o deslizamento tangencial do fio em relação ao anel tirante, pois com o passar do tempo a fieira se desgasta e com isso o fio trefilado passa a ter um diâmetro maior, além do passo da hélice e a velocidade saírem das especificações ideais. Outro problema é que ao ter fieiras múltiplas o comprimento tende a ser muito grande em relação ao anel tirante e a sua velocidade. Para essa situação são utilizados dois eixos-árvores em eixos paralelos, com anéis de diâmetros crescentes, aumentando assim a velocidade tangencial do anel com diâmetro maior. Os anéis tirantes são fabricados em aço não temperado, porém o seu revestimento é de metal-duro ou metal cerâmico, que são materiais mais resistentes ao desgaste. Mesmo estes materiais, com o tempo de trabalho, estão sujeitos ao desgaste devido ao deslizamento lateral e tangencial do fio em relação ao anel Por isso deve ser realizada retificação dos anéis periodicamente. Neste processo a velocidade de enrolamento da bobina também deve ser controlada em relação à tensão imposta do arame, geralmente esta velocidade é controlada por um dispositivo chamado dancer. Figura 4 - Máquina de trefilar com deslizamento UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 13 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 3.2. Máquinas de trefilar pelo diâmetro do fio As máquinas de trefilar são ainda classificadas segundo o diâmetro do produto (barras, fios grossos, fios médios, fios finos e fios capilares). As máquinas de trefilar barras redondas (diâmetro superior a 5 mm), tubos ou outros formatos são de grande porte e permitem grandes reduções (maior que 70%). Essas máquinas possuem poucas fieiras (normalmente três ou quatro) e geralmente são sem deslizamento. As forças de trefilação atingem o nível de toneladas e as velocidades de trefilação são de ordem de 2 m/s. Este equipamento é classificado como trefiladora de bancada, pois seus produtos não podem ser bobinados. Máquinas que trefilam fios grossos (diâmetro entre 5 a 2 mm) apresentam anéis tirantes individualizados, mas trabalham a velocidades superiores podendo passar por um forno de recozimento continuo após a última etapa de trefilação e antes do bobinamento. Este equipamento é classificado como trefiladora de tambor simples, com apenas um tambor. As máquinas de trefilar fios médios (diâmetros menores de 2 ate 0,5 mm) e fios finos (diâmetros menores de 0,5 a 0,15 mm) são sempre máquinas com deslizamento, dotadas de quatro cones com quatro ou cinco anéis. Cada anel corresponde a uma fieira e o fio passa por ela tanto no sentido da saída como no da entrada do anel. Essas máquinas têm geralmente sistema de lubrificação por imersão, podendo também ser por aspersão. As máquinas de trefilar fios finos têm a velocidade maior que a de trefilar fios médios. O bobinamento dos fios deve a qualidade do fio, devendo tomar cuidado com a tensão aplicada e ao passo dos fios durante a operação de bobinamento, que é enrolado no carretel. Este equipamento é classificado como trefiladora de tambor duplo. As máquinas de trefilar fios capilares (diâmetros inferiores a 0,15 mm) apresentam algumas particularidades em função dos cuidados exigidos por um produto de dimensões reduzidas e manipulação difícil. O acionamentodos anéis e da movimentação dos carretéis deve ter alta precisão e não pode haver vibrações mecânicas. O fio é trefilado em um só percurso, tracionado por um anel de um cone e retornando ao anel do cone paralelo, sem passar por uma fieira. Então deve encaminhar o fio à fieira seguinte. O sistema de lubrificação permite que o lubrificante toque o fio para atender as condições de pequena redução e pequeno atrito entre o fio e a fieira. O fio capilar provoca um grande desgaste nos anéis, sendo assim necessário revestir com material cerâmico. A UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 14 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA velocidade de trabalho pode atingir até 40 m/s. Este equipamento é classificado como trefiladora de tambor continua, possuindo vários tambores. 3.3. Máquinas de trefilar que exercem diferentes tipos de lubrificação As máquinas de trefilação podem ser classificadas também de acordo com o sistema de lubrificação em: • Máquinas com sistema de imersão, em que a fieira e os anéis permanecem imersos no liquido refrigerante e lubrificante. • Máquinas com sistema de aspersão, em que a fieira recebe um jato líquido refrigerante e lubrificante. 4. Tipos de Trefilação A trefilação é um processo de conformação plástica que se realiza pela operação de conduzir um fio através de uma ferramenta denominada fieira, esse processo fabrica arames e barras finas de metal, ele acarreta na redução da seção transversal e respectivo aumento no comprimento do material. Os principais tipos de trefilação são: Trefilação a frio e Trefilação a quente 4.1. Trefilação a frio A trefilação a frio é a mais utilizada para a fabricação dos produtos trefilados, esse processo é geralmente executado abaixo da temperatura de recristalização, o fio sofre o encruamento que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e outras barreiras, como por exemplo, o contorno de grãos. Essa deformação plástica produz um aumento no número das discordâncias, as quais elevam a tensão interna na rede cristalina resultando no aumento da dureza e no decréscimo da ductibilidade. Esse tipo de trefilação é usada para metais de estrutura CFC (Cúbico de Fase Centrado). O fio que passa por esse processo é preso na tarracha da trefila, sendo puxado através da mesma. O volume do objeto permanece constante embora o seu diâmetro diminua e seu comprimento aumente. Geralmente são usadas mais de uma tarracha seguidas umas das outras, reduzindo sucessivamente o diâmetro. A área de UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 15 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA redução da seção transversal de fios finos varia entre 15 e 25 % e fios grossos entre 20 e 45 %. É importante que a tarracha gire deixando o fio deslizar com menos resistência a uma velocidade constante, evitando que ele prenda no equipamento e possivelmente rompa. O fato de esse processo exigir uma maior força para a extração do fio, sem um aquecimento prévio, pode causar uma exaustão antecipada do equipamento e fadigas no metal. Para diminuir esses efeitos é necessário que haja uma lubrificação, pois ela além de permitir uma maior durabilidade das tarrachas, permite um melhor acabamento. 4.2. Trefilação a quente A trefilação a quente requer menos energia para deformar o metal e proporcionar uma maior habilidade para o escoamento plástico sem o surgimento de trincas, além de uma maior homogeneidade da estrutura, devido as rápidas taxas de difusão presentes nas temperaturas do trabalho a quente. Essa trefilação aplica-se a metais de estrutura CCC (Cúbico de Corpo Centrado) e em alguns metais de estrutura HC (Hexagonal Compacto). Por esses materiais serem pouco maleáveis é necessário aquecê-los a uma temperatura adequada para se obter a estrutura CFC, para que possam ser trefilados passando pelos processos anteriormente citados na trefilação a frio. Após esses procedimentos são resfriados, recuperando suas características originais. 5. Matéria Prima A principal matéria prima para realização da trefilação é o fio-máquina, obtido através do processo de laminação a quente. O fio máquina será conformado geralmente a frio e poderá transformar-se em diversos produtos para variadas aplicações. Para padronização e controle de qualidade, o fio-máquina precisa atender padrões nacionais e internacionais estabelecidos por normas, garantido sua confiabilidade. No Brasil as características dimensionais do produto são pré-estabelecidas conforme a ABNT NBR 6354 e os padrões de qualidade superficial atendem a norma ABNT NBR 6330. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 16 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Tabela 1 - Catálogo de produtos Votoraço Outra matéria prima geralmente utilizada na trefilação são os tubos e barras provenientes do processo de extrusão, para obtenção de produtos com um maior comprimento e menores espessuras, além de características particulares do processo de trefilação como, por exemplo, acabamento superficial e resistência mecânica. 6. Ferramentas (Matrizes) Independente do processo ou tipo de máquina, a parte principal da trefilação é a matriz de trefilação, também conhecida como fieira ou trefila. A fieira pode ser dividida em dois componentes fundamentais para o processo como mostrado na figura a seguir. Figura 5 - Detalhe construtivo de uma fieira UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 17 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA O núcleo é geralmente constituído de metal duro contendo um furo no centro por onde passa o material, cujas dimensões vão diminuindo. Assim, seu perfil, apresenta o formato de um funil que, posteriormente, é montado dentro de uma estrutura cilíndrica de aço ou latão (também conhecida como estojo) permitindo a dissipação de calor gerado durante o processo, além de reduzir o custo de fabricação da ferramenta, tornando-as intercambiáveis, ou seja, ao término de sua vida útil, ou devido a alterações no processo, podemos trocar apenas o seu núcleo sem precisar trocar o estojo. Figura 6 - Esquema de montagem de uma fieira Os materiais mais comuns na confecção do núcleo são os metais duros (carboneto de tungstênio) já citados acima, os diamantes ou diamantes industriais monocristalinos. O diamante industrial é usado geralmente nas etapas iniciais de trefilação enquanto que as fieiras feitas de diamante natural são utilizadas nas etapas finais para trefilar fios muito finos ou capilares. O material das fieiras depende das exigências do processo (dimensões, esforços, tipo de lubrificação, etc.) e do material a ser trefilado e devem possuir alta resistência ao desgaste e a fadiga, suportar altas velocidades de produções e elevadas reduções de seções, durabilidade, fornecendo, acima de tudo, um acabamento liso e brilhante. Outros materiais que possuem essas características e também podem ser utilizados na fabricação dos núcleos das fieiras são: • Carbonetos sinterizados (sobretudo WC) – vidia • Aços de alto C revestidos de Cr (cromagemdura) • Aços ligas especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc.) • Ferro fundido branco UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 18 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA • Cerâmicos (pós de óxidos metálicos sinterizados) O núcleo da matriz pode ser dividido em quatro partes para melhor entendimento didático como mostrado na figuraa seguir, cada uma com funções distintas, porém devem trabalhar em perfeita harmonia para obtenção da geometria e propriedades do material desejado. Figura 7 - Representação da fieira • O cone de entrada (a) possui um ângulo geralmente maior que o cone de trabalho (b) facilitando assim a penetração do lubrificante. • O cone de trabalho (b), também chamado de ângulo critico, é o lugar que ocorre à deformação plástica do material através de compressão indireta imposta pela ferramenta. • O cilindro de calibração é o responsável pelo ajuste dimensional, geometria e acabamento superficial do material. • O cone de saída, por sua vez, permite a saída livre do fio. Figura 8 - Diferentes modelos de matrizes UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 19 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA A tabela a seguir indica o grau do ângulo do cone de trabalho de acordo com o material a ser trefilado e os esforços exigidos no processo como, por exemplo, redução de seção e alongamento do comprimento (%) com a utilização de fieira de diamante (industrial ou natural). Redução de seção %: 5 a 8 8 a 16 12 a 16 16 a 25 25 a 35 35 a 45 Alongamento %: 5 a 9 9 a 14 14 a 19 19 a 23 33 a 54 54 a 69 Materiais trefilados Ângulos do cone de redução da fieira conforme redução seção e alongamento acima Aços não ligados C > 0,4% 6º 8º 10º 12º 15º 18º Aços ligados em geral a seco Latão 7º 9º 11º 14º 17º 20º Bronze Aços não ligados C < 0,4% a seco Aços não ligados C < 0,4% 8º 10º 12º 15º 18º 22º Ferro Latão 9º 11º 13º 16º 19º - Bronze Aços não ligados C < 0,4% Aço Inox Trefilação a quente 10º 10º 12º 12º 14º - Tungstênio Ligas de Alumínio duro 10º 12º 14º 17º 20º - Níquel Arames para resist. Elétricas Cobre 12º 14º 16º 19º 22º - Liga de Alumínio Arames Alumínio 14º 16º 18º 21º 24º - Prata Ouro Zinco Chumbo Tabela 2 - Ângulo critico para matriz de diamante UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 20 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 7. Comportamento Tensão x Deformação A grande maioria dos materiais metálicos submetidos a uma tensão de tração relativamente baixa apresenta uma proporcionalidade entre a tensão aplicada e a deformação, conforme relação a seguir: σ=E.ε Equação 1- Relação de proporcionalidade Esta relação de proporcionalidade foi obtida a partir da analogia com a equação da elasticidade de uma mola (F=k.x) que é conhecida por lei de Hooke. A constante de proporcionalidade E, denominada módulo de elasticidade ou módulo de Young, fornece uma indicação da rigidez do material (resistência do material à deformação elástica) e depende fundamentalmente das forças de ligação atômica, ou seja, quanto maior a rigidez do material a ser trefilado, maior será o esforço submetido na matriz. No Sistema Internacional (SI), os valores de E são expressos em gigapascal (GPa). A tabela a seguir apresenta o módulo de elasticidade para alguns metais à temperatura ambiente. Tabela 3 - Módulo de elasticidade (E) para diversos metais UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 21 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA A figura a seguir faz uma comparação do comportamento elástico de um aço e do alumínio através do diagrama de σ x ε (Adaptada de ASKELAND & PHULÉ). Figura 9 - Comparação do comportamento elástico de um aço e do alumínio 8. Mecânica de Trefilação Quando se deseja alongar uma barra cilíndrica, é possível tracioná-la como em um ensaio de tração. No entanto, se a deformação desejada exigir uma aplicação de tensão acima da tensão máxima ou resistência máxima a tração (σtração máx.), a barra sofrerá estricção e o produto obtido não mais será satisfatório. Nestes casos, é possível impor a deformação desejada através da trefilação. É óbvio que a tensão necessária para trefilar o material (σtref.) deve estar abaixo do limite de escoamento da barra que já passou pela fieira, para que esta não seja simplesmente tracionada. Observa-se na figura 10 que a fieira muda o estado de tensões no material em relação à tração pura, pela imposição de tensões de compressão (compressão indireta). A consequência disto é um aumento do cisalhamento máximo (δmáx.) sem necessidade do aumento da tensão de trefilação (σtref.). Figura 10 - Detalhe da variação de tensão dentro da fieira UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 22 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA A deformação plástica ocorrerá com mais facilidade dentro da ferramenta cônica e não haverá perigo de ocorrer estricção e fratura na barra já trefilada, devido a valores excessivos de tensões. Essa deformação também pode ser representada graficamente através do círculo de Mohr, que estuda a variação das tensões em um corpo em diferentes planos de ação. A geometria da fieira tem grande influência sobre a força de trefilação para que a qualquer passe de redução dado no material exista uma geometria de trabalho ideal que produz um esforço de tração mínimo em relação ao limite de escoamento do material. A trefilação realizada na temperatura ambiente (ou próximo disto) aumenta sensivelmente a resistência mecânica por encruamento. Conforme aumenta a resistência mecânica (limite de escoamento e limite máx. de tração) perde-se em ductilidade (capacidade de deformação plástica), além de geração de tensões residuais e distorção interna na estrutura. Muitas vezes, especialmente para materiais mais resistentes, torna-se necessário um tratamento térmico de alivio de tensões. A tabela a seguir faz uma comparação referente às propriedades mecânicas entre produtos laminados a quente e trefilados a frio. Tabela 4 - Comparação de produtos laminados a quente e trefilados a frio UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 23 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Quanto maior for o grau de redução da seção transversal por passe, maior será o grau de encruamento do material trefilado, por isso, devemos distribuir a redução necessária em vários passes e em menores esforços. Porém na medida em que a quantidade de passes aumenta, as componentes de atrito entre o material e a fieira também aumentam fazendo com que haja um carregamento e encruamento heterogêneo localizado na superfície, cujos efeitos devem ser analisados e considerados. À medida que o material é trefilado a frio, este encrua cada vez mais até um máximo, que é quando o limite de escoamento praticamente iguala-se ao valor do limite de resistência atingindo assim a região “X” conforme demonstrado na Figura 11. Figura 11 - Diagrama explicativo Um critério para evitar que o processo de trefilação encrue exageradamente o material seria dimensionar o processo de modo que a tensão de trefilação (σtref.) seja menor do que o limite de escoamento final do material após a matriz (σysFim) de modo que: σtref. ≤ C x σysFim Equação 2 - Tensão de trefilação Onde: C = 80% (Shey em Button, 2002) ou C = 75% (Schaeffer, 1999) UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 24 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Levando em consideração todos os fatores que possam ser de fundamental importância na obtenção das características do produto final (desde dimensões, formas geométricas e propriedades mecânicas), podemos destacar os principaismétodos para determinação de algumas fórmulas: Para determinar o grau do cone trabalho da matriz podemos utilizar a equação 3. Equação 3 - Ângulo crítico da fieira Sendo: α: ângulo ótimo fieira; µ: coeficiente atrito; Ao: área transversal inicial; Af : área transversal final. E para determinar a força ideal do processo podemos utilizar a Equação 4 seguida da Equação 5. Equação 4 - Força ideal de trefilação Onde: Equação 5 - Deformação verdadeira do material UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 25 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Sendo: σe: tensão do escoamento do material; εa: deformação verdadeira; Ao : área transversal inicial; Af : área transversal final. 9. Propriedades Mecânicas Após o Processo Ao realizarmos um passe de trefilação em uma barra, também conhecida por fio- máquina, a barra trefilada sofre alterações dimensionais. São alteradas suas propriedades físicas, mecânicas e estrutura metálica. Inicialmente temos o fio-máquina que é um material dúctil, que permite flexão e dobra sem se romper. Normalmente é desenrolado por uma desbobinadeira antes de passar pela fieira. Figura 12 - Fio-máquina sendo transportado Antes do fio-máquina ser submetido à trefilação, ele deve passar pelo processo de decapagem, que irá remover óxidos e impurezas que porventura estiverem associados à sua superfície externa. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 26 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Após passar pelo 1° passe de trefilação, sua seção transversal reduz e o seu comprimento aumenta e, com isso, o material vai encruando devido o atrito com a fieira. O encruamento é um estado característico muito importante para diversos produtos siderúrgicos como fios, arames, fitas, chapas, que conferem ao material as seguintes propriedades mecânicas: • Aumento da resistência mecânica; • Aumento da dureza; • Diminuição da ductilidade, que diminui o alongamento e estricção do material. Figura 13 - Relação de propriedades mecânicas decorrentes do aumento de deformação plástica, que gera o encruamento A seguir, temos um quadro com valores de aços trefilados de baixo carbono e o diagrama “tensão x deformação convencional”: Tabela 5 - Efeito do encruamento sobre as propriedades de tração de um aço de baixo carbono UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 27 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Figura 14 - Diagrama tensão x deformação convencional Em relação ao quadro anterior, temos: • Limite de proporcionalidade (σp): indica o ponto até onde a deformação é proporcional a carga aplicada, ou seja, até qual ponto é válida a Lei de Hooke; • Limite de escoamento (σe): indica uma grande deformação acompanhada de uma pequena variação na tensão aplicada. É um fenômeno localizado que ocorre no inicio da fase plástica; • Limite de resistência à tração (σu): é o ponto de carga máxima atingida durante o ensaio. Após o escoamento o material vai encruando progressivamente através da quebra de grãos quando o material é deformado a frio e isso vai tornando o material cada vez mais resistente a tração, o que exige uma tensão cada vez maior para deformá- lo; • Alongamento (%): É no alongamento que podemos verificar o quanto um material é dúctil, sendo que quanto maior for a % de alongamento do material, maior será a sua ductilidade. Materiais frágeis possuem alongamento tipicamente menor que 5%; Figura 15 - Alongamento decorrente de um ensaio de tração UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 28 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA • Estricção (%): Ocorre após o limite de resistência à tração, e é caracterizado por uma diminuição da seção nominal do material até a sua ruptura. Normalmente ocorre na região mais estreita do material, exceto quando há um defeito interno no material. Figura 16 - Estricção ocorrida em um corpo de prova Conforme o número de passes for crescendo, o material torna-se progressivamente mais resistente e mais duro, sendo esse encruamento sucessivo e repetido a cada passe, fazendo-se necessário um tratamento térmico posterior, a fim de que sejam alcançadas as propriedades mecânicas almejadas. O material antes de ser trefilado já possui características próprias de dureza e resistência à tração que a cada passe são aumentadas, em detrimento de outras propriedades mecânicas como ductilidade e tenacidade Em relação ao teor de aço-carbono, nós temos a seguinte classificação: • Baixo carbono: Máximo de 0,30% de C; • Médio carbono: 0,30 a 0,60% de C; • Alto carbono: acima de 0,60% de C. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 29 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA A seguir, temos um diagrama “Resistência à tração x Redução da área” no estiramento, que relaciona aços de baixo, médio e alto carbono: Figura 17 - Efeito do encruamento na resistência à tração de aços-carbono Quanto maior for o teor de carbono, maior será a resistência à tração do material trefilado. Nota-se também que com o aumento do Manganês essa resistência é aumentada, além de tornar o limite elástico do arame mais próximo do seu limite de resistência à tração. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 30 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Em aços de alto teor de carbono, é possível alcançar propriedades mecânicas extremamente elevadas através do encruamento sucessivo e tratamento térmico adequado, como resistência a tração superior a 2943 Mpa (340 kgf/mm2). 10. Tratamentos Químicos e Mecânicos Em sua maioria, o fio-máquina é obtido através da laminação a quente. A ação das altas temperaturas no metal que será trefilado causa a formação de camadas de óxido em sua superfície. Esses óxidos, caso não sejam removidos, reduzem a vida útil da fieira e aderem à peça, diminuindo a qualidade do produto final. Portanto, a etapa seguinte consiste na retirada de impurezas e óxidos da superfície do material, que pode ser feita através de tratamento químico (decapagem) ou mecânico (rebarbação e descarepação). A adoção de um ou outro processo depende dos custos envolvidos e da qualidade exigida do fio. A rebarbação, que é essencialmente um processo de usinagem com retirada de cavaco, é mais custosa, mas conduz a obtenção de um produto de qualidade melhor que o obtido com a decapagem. O tratamento mecânico pode ser feito através da rebarbação ou da descarepação, sempre com o objetivo da remoção de uma fina camada superficial de óxidos e impurezas nela presente. 10.1. Rebarbação Consiste na retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente. Na rebarbação, a operação é feita por meio de uma ferramenta de usinagem circular, de gume cortante. O material passa pelo seu interior e, através de um contato cortante, retira uma camada superficial. Neste procedimento não é possível alcançar altas precisões devido ao desgaste da ferramenta, portanto se torna necessário uma calibragem posterior, onde o fio passa por fieiras calibradoras de diâmetro. O fio proveniente desse processo possui diâmetro de cerca de 6 a 5 milímetros.UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 31 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 10.2. Descarepação Os fios ou arames passam por jatos de alta pressão, onde água ou abrasivos são lançados no material. O forte contato do fluido com o material elimina a camada superficial de forma uniforme. Dessa forma os óxidos são removidos por meio do atrito. 10.3. Decapagem O material é submetido a um tratamento químico que tem como objetivo remover camadas de oxidação, impurezas inorgânicas e incrustações artificiais através da imersão da peça em um meio ácido conforme demonstrado na figura a seguir. Normalmente são utilizados: ácido sulfúrico, ácido muriátrico, ácido clorídrico, entre outros. Figura 18 - Processo de decapagem Para a trefilação, o fio-máquina é inicialmente decapado em solução de ácido sulfúrico ou ácido muriátrico, com 5% a 20% de concentração, sendo os banhos normalmente aquecidos a vapor (CHIAVERINI, 1971). O que acontece é que a superfície será atacada pelo ácido e os íons presentes irão agregar-se ao ferro, separando-o do oxigênio e consequentemente desfazendo o óxido. Os resultados dessa reação normalmente são sulfureto de ferro ou cloreto de ferro. Essa combinação do ferro com a solução ácida torna a superfície do material limpa. Logo após a retirada fio-máquina é de suma importância que este passe por uma lavagem imediata com jatos d’água para a limpeza e remoção dos ácidos residuais da UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 32 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA peça. A etapa seguinte submete o material a um capeamento de ferrugem e um banho de cal, e então são colocados numa estufa. O capeamento de ferrugem age com um portador para o lubrificante da trefilação e o capeamento de cal serve para neutralizar o excesso de ácido, que pode fragilizar a peça. 11. Tratamentos Térmicos Assim que o fio-máquina está livre de impurezas e óxidos, busca-se então a obtenção das propriedades mecânicas desejadas para que o processo de trefilação possa ter prosseguimento sem ruptura do fio. Esta é a função dos tratamentos térmicos: deixar o material em condições ideais para que a operação seja bem-sucedida. Estes tratamentos podem ser aplicados antes, durante ou depois da conformação. Os tratamentos térmicos aplicados em metais ou ligas metálicas são definidos como qualquer conjunto de operações de aquecimento e resfriamento, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o intuito de modificar suas propriedades ou conferir-lhes características pré-determinadas. Os dois tratamentos mais usuais ao longo da trefilação, que serão abordados agora, são o patenteamento e o recozimento. Porém outros tratamentos também podem ser aplicados ao fio-máquina, dependendo das propriedades desejadas ao final do processo, como a normalização, têmpera seguida de resfriamento em óleo e coalescimento. 11.1. Patenteamento Este tipo de recozimento é empregado na indústria de arame, quer como um tratamento de acabamento, por meio do qual podem ser obtidas certas propriedades físicas no material, quer como um tratamento prévio para uma posterior trefilação de arame. Este último caso é de particular importância para os aços de médio e alto carbono (C> 0,25 %) onde é necessário que os constituintes estejam em tal forma que tenham a suficiente ductilidade para a deformação. As microestruturas presentes em aços de baixo carbono, normalmente são ferrita (em grandes quantias) e perlita. A ferrita, que é predominante nesses aços, é plástica e UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 33 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA facilmente deformável, portanto resiste ao estiramento sem necessidade de um tratamento prévio. Já os aços com alto teor de carbono possuem em sua formação perlita e cementita, duas microestruturas cuja plasticidade é baixa. A cementita livre resistirá à deformação e a perlita depende do posicionamento das suas lâminas em relação ao eixo da peça. Caso as lâminas acompanhem o eixo, a sua resistência a tração será menor e áreas perlíticas perpendiculares ao eixo aumentam a resistência ao estiramento. Portanto, para este último caso, busca-se a preparação do material para que a estrutura presente seja perlita fina ou bainita, que consegue aliar as propriedades de alta resistência à tração e boa ductilidade. Este é o objetivo do tratamento térmico de patenteamento. A estrutura resultante perlita fina e ferrita ou somente perlita fina ou somente bainita, dependendo da composição do aço e do meio de resfriamento, apresenta excelentes propriedades de tenacidade e possui as melhores características para produzir por trefilação, fios e arames de alta resistência à tração. (CHIAVERINI, 1971) O equipamento para patenteamento compreende: • Desenroladeiras; • Fornos de aquecimento; • Meios de resfriamento; • Enroladeiras. Esta operação consiste no aumento da temperatura do aço acima da linha crítica (região γ), seguindo-se um resfriamento ao ar, ou em banhos de chumbo ou sal mantidos a temperaturas entre 450ºC e 550ºC. No resfriamento ao ar, ocorre a formação de estruturas de perlitas finas. Neste caso deve haver um cuidado especial para fios de diâmetros abaixo de 2.5 mm, pois seções muito pequenas, correm o risco da formação de alguma martensita. No patenteamento em banho de chumbo fundido ou sais fundidos, a estrutura que é obtida é a perlita também muito fina ou bainita. As melhores propriedades de resistência à tração são obtidas com o resfriamento em banho de chumbo ou sais. A melhora da resistência é relacionada com a temperatura de resfriamento, que neste caso, quanto menor a temperatura do banho de chumbo, maiores as resistências. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 34 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 11.2. Recozimento A estrutura do material laminado a quente, conhecido como fio-máquina, o torna inadequado para o trabalho a frio, por apresentar granulação não-homogênea, defeitos internos e superficiais, por esses motivos, recomenda-se a utilização do recozimento para aços de baixo carbono (C < 0,25%) antes da trefilação. Os constituintes, particularmente a quantidade de perlita existente na estrutura são tão pequenas que não se tornam notavelmente prejudiciais às propriedades de trabalho a frio do metal. A ferrita livre, que é predominante nesses aços, é plástica, e facilmente deformável. (TEICHERT, 1962) • Indicação: principalmente para arames de baixo carbono • Tipo: subcrítico, entre 550 a 650°C • Objetivo: remover efeitos do encruamento. Recorre-se também a recozimentos intermediários, pois cada passe de redução da seção transversal o material sofre um encruamento verificado pela elevação da tensão de escoamento do material que, ao atingir certo valor, torna a sequência impraticável. Por outro lado, durante as etapas de recozimento, devido a fatores como temperatura, tempo de recozimento e componentes da atmosfera de recozimento, o aço adquire uma película superficial de óxido que deve ser eliminada anteriormente à trefilação, devido ao maior coeficiente de atrito correspondente quando comparada com a superfície metálica nua. O material é enrolado e posicionado na forma de rolos, que podem variar entre 60 kg e uma tonelada. A partir daí, segue para o forno ou poço que aquecerá até uma temperatura abaixo da crítica. O material é mantido até que toda suaextensão esteja aquecida de maneira uniforme e homogênea. Em seguida é resfriado ao ar ou dentro do próprio forno. O resultado deste tratamento visa deixar o fio-máquina com grãos mais homogêneos, sem alterar de modo significante as microestruturas. Ocorre um deslocamento das discordâncias para posições de menor energia. Há uma pequena redução da dureza e um aumento considerável da ductilidade. Portanto acrescenta ao processo de trefilação vantagens como a redução dos esforços necessários para a conformação, ou seja, diminui o uso de energia além de reduzir a possibilidade de aparecimento de trincas ou fraturas. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 35 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA 12. Atrito O atrito é um mecanismo que desenvolve forças na superfície de dois corpos em contato, que se traduzem em uma resistência ao deslizamento de um corpo sobre o outro. A principal causa das forças de atrito entre superfícies metálicas são as chamadas forças de adesão, existentes entre as pequenas regiões em contato das superfícies deslizantes. O Coeficiente de atrito, geralmente representado pela letra μ, é uma grandeza adimensional que relaciona a força de atrito e a força de compressão entre dois corpos sendo que esse coeficiente depende dos materiais envolvidos. O coeficiente de atrito entre duas superfícies é uma grandeza empírica, ela é determinada a partir de dados experimentais, e por isso representa uma predição aproximada da relação entre a força de atrito e a força de compressão. Na conformação mecânica dos metais, o atrito está presente em todos os processos, sendo considerado geralmente nocivo. Alguns aspectos relevantes da conformação mecânica que estão diretamente ligados ao atrito são: • Alteração, geralmente desfavorável, dos estados de tensão necessários para a deformação; • Produção de fluxos irregulares de metal durante o processo de conformação; • Aparecimento de tensões residuais no produto; • Influência sobre a qualidade superficial dos produtos; • Elevação da temperatura do material a níveis capazes de comprometer-lhe as propriedades mecânicas; • Aumento do desgaste de ferramentas; • Aumento de consumo de energia necessária a deformação. O atrito que ocorre durante a trefilação pode ocasionar rugosidade superficial do produto, desgaste de ferramenta, aumento da força, aumento de energia necessária para a deformação e tensão não uniforme na estrutura. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 36 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Figura 19 - Demonstração da zona de atrito O coeficiente de atrito presente nesse processo específico de conformação é determinado em ensaios que reproduzem as condições reais de trabalho. Na figura a seguir são apresentados alguns valores do coeficiente de atrito mais comumente encontrados no processo de trefilação, nas condições normais de operação. Processo de Trefilação Material Ferramenta Lubrificação µ Aço Carbono Matriz CW Diferentes lubrificantes 0,03 - 0,06 Cobre Matriz CW Lubrif. Forçada de óleo 0,06 Latão Matriz de aço Lubrif. Forçada de óleo 0,10 Cobre e inox Matriz CW Cera 0,07 Cobre e inox Matriz CW Azeites minerais 0,30 Tabela 6 - Valores de µ para trefilação A força necessária para superar o atrito entre o fio e a fieira pode chegar a 70% da energia total de conformação, sendo assim necessário o uso de lubrificantes para a diminuição do atrito e do calor gerado no processo. 13. Lubrificação Lubrificação é a técnica utilizada na aplicação de um lubrificante com a finalidade de reduzir o atrito e o desgaste entre duas superfícies sólidas em movimento relativo, UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 37 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA separando-as parcialmente ou completamente. Além de separar as superfícies, também tem a função de retirar do sistema o calor e detritos gerados entre elas. O lubrificante é qualquer material sólido, líquido ou gasoso de baixa resistência ao cisalhamento entre dois corpos em movimento. O seu objetivo na trefilação é impedir o contato direto do fio e da fieira, evitando assim o cisalhamento e a perda de partes microscópicas dos materiais envolvidos. Na trefilação o atrito é muito presente, devido ao movimento relativo entre o fio e a fieira, porém é necessário um controle para que não haja um aumento elevado dessa grandeza e ocasione algum defeito superficial no fio ou a elevação da temperatura de trabalho. O coeficiente de atrito entre o fio e a fieira depende de natureza das superfícies em contato e das condições de lubrificação. O calor gerado nesse processo deve-se controlado por um agente lubrificante cujo tem a finalidade de reduzir o desgaste da fieira, dar um bom acabamento superficial ao fio e reduzir o esforço de trefilação. Os agentes lubrificantes usados nessa conformação são geralmente compostos de produtos líquidos ou sólidos emulsionáveis em água cuja concentração decresce com a diminuição do diâmetro do fio a trefilar. Geralmente são usados soluções de sabões, de óleos vegetais ou de graxas de animais fracamente aciduladas, com temperaturas de trabalho entre 40°C e 60°C. Em temperaturas menores a viscosidade do fluido se altera a ponto de não acompanhar o fio para dentro da fieira e, em temperaturas maiores, a emulsão perde a ação lubrificante e refrigerante devido à evaporação da água e alteração química da emulsão. É necessário que as velocidades no processo de trefilação permaneçam em níveis mais baixos do que os níveis que são usados geralmente em uma produção por unidade de tempo, pois com elevadas velocidades nesse processo, o fluido lubrificante pode perder a sua eficiência como refrigerante. A seleção do lubrificante a ser utilizado, baseia-se em informações tais como o tipo de máquina de trefilar, a velocidade do procedimento, a intensidade do fluxo e de volume de agente disponível e da qualidade da água de emulsificação empregada. A necessidade de uma formação de película do fluido sobre o metal, exige que o lubrificante tenha algumas características como: capacidade de evitar o engripamento, a resistência à deteriorização ás temperaturas de trefilação; resistência química à ação UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 38 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA desagregadora de eventuais óleos minerais presentes e a capacidade de manter a superfície do fio isenta de resíduos carbônicos proveniente de tratamento térmico de recozimento. A classificação dos métodos de lubrificação pode se dar de acordo com a consistência e aderência do lubrificante em relação ao fio: 13.1. Lubrificação úmida É uma forma de lubrificação na qual o fio de máquina é submerso em um fluido lubrificante especial ou em solução alcalina de sabão com o intuito de trefilar,para dar um melhor acabamento ao fio utilizam-se feiras de diâmetro fino, e por consequência para metragens muito elevadas, se torna vantajoso o uso de fieiras de diamante. Após o término deste processo, e necessário fazer a limpeza do fio que está impregnado de lubrificante. 13.2. Lubrificação seca É uma forma de lubrificação na qual o fio ou barra passa entre um reservatório de lubrificante em pó normalmente a base de cálcio ou sódio que é arrastado pelo fio ou barra para dentro da fieira, promovendo sua lubrificação durante a trefilação. No processo de lubrificação a seco são utilizadosfeiras de videa, que é um material relativamente barato, as bitolas tem o diâmetro de grandes dimensões. 13.3. Lubrificação úmida e eletrolítica Nessa lubrificação utiliza-se como fluido lubrificante uma solução eletrolítica , para que haja a trefilação dos fios de aço. Faz-se uma solução em água de sais de cobre e ácido sulfúrico em um pequeno teor para que ao final do procedimento, o trefilado tenha um aspecto brilhante. 13.4. Lubrificação com pastas e graxas Esse tipo de lubrificação usa lubrificantes com propriedades de redução de atrito e desgaste com consistência graxosa. UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 39 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA A sua aplicação é feita em pontos de lubrificação que não podem ser alimentados com óleos lubrificantes. 14. Características da Trefilação O processo de trefilação atualmente é o mais utilizado para fabricação de fios, barras e tubos. Entre as características do processo, podemos citar: • Aumento da resistência mecânica durante o processo. A figura 20 ilustra a variação nas propriedades mecânicas, trazidas pelas curvas tensão x deformação, ocasionadas pela trefilação de um arame de aço de teor de carbono muito baixo (0,0070% C). Nota-se que o limite de escoamento e de resistência aumenta à medida que aumenta a redução da área percentual por trefilação. Figura 20 - Gráfico Tensão/Deformação, variação das propriedades mecânicas de um aço de baixíssimo teor de carbono (0,0070%), adaptado de Dieter 1988 O grau de encruamento será tanto maior quanto for o grau de redução no passe de trefilação, pois maiores serão as deformações redundantes no material e, conseqüentemente, maior o encruamento. Por isso objetiva-se, ao trefilar um material, que se tenha a consciência de que haverá perda expressiva da ductibilidade do material e consequentemente ganho de propriedades mecânicas (especialmente resistência à fadiga e corrosão) (Moraes, W. A., 2009). • A preparação da matéria prima para a trefilação se dá em operações de trabalho a quente. O aquecimento do metal a trefilar provoca a formação de camadas de UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 40 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA óxidos em sua superfície. Esses óxidos devem ser retirados em um processo denominado decapagem, pois os mesmos reduzem a vida da fieira e ficam inclusos no produto trefilado, prejudicando sua qualidade. Muitas vezes se tem a necessidade de utilização de cal para neutralizar ácidos remanescentes da decapagem e facilitar a aderência do lubrificante (via seca – graxa ou pó de sabão) na trefilação de arames de aço; • Deve-se ter uma lubrificação e refrigeração adequada, pois o aumento de temperatura, em função do atrito, e a alta velocidade de trabalho podem modificar a propriedades mecânicas de forma indesejada do material. As condições de lubrificação alteram o efeito do atrito e esse provoca a concentração das tensões de compressão na entrada da ferramenta enquanto a tensão predominante na saída é de tração. Quanto maior for o coeficiente de atrito, mais acentuada será a tendência da pressão na parede de decrescer à medida que o ponto considerado se aproxima da saída. É possível assim imaginar um ponto onde essa pressão se torne nula, provocando a perda de contato do fio com a ferramenta, o que caracteriza condições de lubrificação insuficiente; • O calor gerado na trefilação, e que é transmitido ao fio, tem origem no efeito de atrito entre o fio e a fieira e entre o fio e o anel tirante (no caso de máquinas do tipo com deslizamento). A estas fontes geradoras de calor associa-se a proveniente da deformação plástica do fio. Se não houver refrigeração suficiente, pode ocorrer o recozimento do fio pelo aquecimento, o que alteraria suas propriedades mecânicas. A intensidade de aquecimento é influenciada pela forma da fieira, pelo número de fieiras para uma mesma redução total e pelas condições de lubrificação e refrigeração. 15. Vantagens do Processo de Trefilação O processo de conformação mecânica por trefilação é muito vantajoso em comparação com outros processos de fabricação mecânica, principalmente porque tem melhor precisão. Entre as principais vantagens, estão: • O material pode ser estirado e reduzido em secção transversal mais do que com qualquer outro processo; • Podem-se aplicar altas velocidades, o que é muito bom para grandes produções, mas para isto necessita-se de fieiras com materiais duros como diamantes, UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 41 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA pois tem maior resistência ao desgaste – essa alta velocidade influencia no limite de escoamento, e consequentemente, no nível de tensão necessária para provocar uma determinada conformação em um material metálico. (Moraes, W. A., 2009); • Durante processo pode-se manipular a propriedade mecânica desejada ao produto final, combinando com um tratamento térmico adequado e obtendo uma gama variada de propriedades com a mesma composição química; • Boa qualidade superficial uniformemente limpa e polida. A trefilação melhora a homogeneidade do material, conduzindo a obtenção de uma estrutura encruada (ou seja, os grãos do material são alongados e com isto sua tensão de ruptura aumenta); Figura 21 - Alteração da estrutura de grão de um material metálico devido à conformação mecânica a frio. • A conjunção do encruamento é mais intenso na superfície do material, o que resulta em melhor acabamento e aumenta sensivelmente a vida útil em relação à fadiga; • Excelente controle dimensional, só sendo inferior à laminação a frio, porém este não se aplica às bitólas comuns de arames, pois são muito pequenas; 16. Desvantagens do Processo de Trefilação Na trefilação podemos ter muitas vantagens em relação a outros processos, porém há desvantagens que não podemos desconsiderar e estas desvantagens são: • Geração de tensões residuais* sendo geralmente necessário um tratamento de alívio de tensões para materiais mais resistentes; *Tensões Residuais são as tensões presentes em um material quando este não está submetido à aplicação de forças externas ou diferente temperaturas. O sistema de UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 42 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA tensões residuais necessita estar em equilíbrio e o somatório das forças resultantes dos momentos será zero. Com relação às tensões residuais, é importante destacar que para pequenas reduções (1%): • As tensões residuais longitudinais são compressivas na superfície e trativas no eixo; • As tensões radiais são trativas no eixo e caem a zero na superfície livre; • As tensões circunferenciais seguem a mesma tendência das tensões residuais longitudinais. Para maiores reduções a distribuição de tensões é inversa do caso anterior; • Tensões longitudinais são trativas na superfície e compressivas no eixo; • As tensões radiais são compressivas no eixo e caem à zero na superfície livre; • As tensões circunferenciais seguem a mesma tendência das tensões residuais longitudinais. A figura a seguir ilustra a variação da tensão residual em função da redução da área por trefilação. Figura 22 - Tensão residual longitudinal em função da redução de área por trefilação. • As velocidades de trefilação tendem a permanecer em níveis mais baixos do que os níveis que originalmente se procuram atingir para uma maior produção por unidade detempo. Isso deve-se ao fato de que mesmo com o uso de lubrificantes especiais (e de alto custo) somente são possíveis pequenas reduções por fieira, o que eleva o número de fieiras necessárias para uma determinada redução (por exemplo: para os fios de alumínio, ou seja, com diâmetros mínimos de 0,02 mm, as velocidades UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 43 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA inicialmente pretendidas eram de 3.500m/min reduzindo-se posteriormente para 2.400m/min). Com elevadas velocidades de trefilação, o fluido lubrificante pode se decompor, devido ao aumento da temperatura, e perder a sua eficiência lubrificante e refrigerante. Além disso, para velocidades elevadas, as condições de operação sob o ponto de vista térmico tendem a ser adiabáticas e, para velocidades mais baixas, aproxima-se da condição isotérmica - tais condições térmicas influem, de maneira acentuada, na natureza e forma do escoamento do material e, consequentemente, nas propriedades mecânicas do fio trefilado. • Na trefilação têm-se dificuldade para se fazer análises experimentais por conta de, principalmente das pequenas secções do produto, no caso de fios finos em que as pequenas dimensões dificultam a observação dos modos de escoamento pelos métodos visuais traçados de em seções longitudinais, como por exemplo, se pode fazer no processo de extrusão. Não são, porém somente as pequenas dimensões que dificultam a aplicação desta técnica de observação, mas também a própria natureza do processo que não ocorre com compressão em um recipiente fechado como na extrusão, que evita a separação de partes cortadas longitudinalmente. As altas velocidades de trefilação também alteram substancialmente o comportamento do material e dificultam a observação durante o processamento. Nesse caso, as técnicas experimentais de aplicação mais imediata são as técnicas convencionais de ensaios mecânicos (com determinação de resistência e ductilidade do fio antes e depois da trefilação), ensaios metalográficos (com exame de microestrutura em secções transversais e longitudinais também antes e depois da trefilação) e verificação metrológica (diâmetros, ovalizações e defeitos). Porém, nos últimos 50 anos o uso de análises numéricas utilizando o método de elementos finitos tem permitido aperfeiçoar o estudo dos diferentes processos de fabricação, de maneira que se evitem erros de projeto que possam acarretar custos elevados na sua correção através de longas etapas de “tryout”. Desta forma, simulações computacionais permitem melhorar o processo antes mesmo da construção de protótipos podendo prever a quantidade de material suficientemente necessária para a realização do processo entre outros benefícios, evitando assim, investimentos desnecessários (Souza T. F., 2011). UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 44 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA Essas análises têm por objetivo encontrar melhores condições de trabalho e melhor qualidade final do produto visando melhorar também: • A velocidade de trefilação para maior produtividade; • Pequenas forças de trefilação para utilização de máquinas menos robustas e poupar energia; Trefilados de qualidade mecânica e metalúrgica adequados aos usos específicos, onde comumente são requeridas uniformidade estrutural e dimensional e ausência de defeitos superficiais. 17. Produtos Trefilados A classificação dos trefilados é realizada primeiramente em função do tipo de produto: barra, tubo e arame ou fio. Produtos mais comuns: Barras Ø >25 mm Arames ou Fios Comuns Grossos 25> Ø > 5 mm Médios 5 > Ø > 1,6 mm Finos 1,6 > Ø > 0,7 mm Especiais Ø < 0,02 mm Tubos Trefilados de diferentes formas Tabela 7 - Classificação de produtos trefilados 17.1. Barras trefiladas As Barras trefiladas são usadas para a fabricação de eixos, de peças para a indústria mecânica em geral, de implementos agrícolas e rodoviários, fixadores, ferramentas, molas helicoidais e hastes para amortecedores, empregada nas indústrias parafuseira, de utilidades domésticas, de bicicleta, de eletroferragem, automobilística e de máquinas e implementos agrícolas. Para melhorar ainda mais o controle dimensional e a qualidade superficial do produto, as barras podem passar ainda pelo processo de retificação que se trata da obtenção da bitola final por ação de rebolos, após uma pré-calibração da barra laminada - UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 45 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA via trefilação ou descascamento - para eliminação de ovalização, evitando-se danos ao material processado e ao equipamento. Figura 23 - Diferentes tipos de barras trefiladas 17.2. Arames ou fios As barras mais finas, em geral com diâmetro menor do que 5 mm, passam a denominar-se arames ou fios. Frequentemente denomina-se o produto como arame quando seu emprego é para fins de construção mecânica e, como fio, no caso de aplicação para fins elétricos (condutor elétrico). Os fios podem, por sua vez, ser classificados em função de seu diâmetro e do tipo de metal que o constitui. No caso dos fios de cobre, é comum a classificação em: • Fios grossos (5 a 2 mm); • Fios médios (2 a 0,5 mm); • Fios finos (0,5 a 0,15 mm) ; • Fios capilares (menor do que 0,15 mm). 17.3. Tubos trefilados Os tubos trefilados são fabricados em tamanhos que variam de 2 a 7 metros de comprimento e podem ser feitos multiplicados, onde vários tubos são fixados paralelamente, podendo deixar, ou não, espaços entre eles, como é o caso de outros tubos diversos. Essa tubulação pode ser confeccionada com ou sem costura, de acordo UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA UNISANTA Faculdade de Engenharia Mecânica / Produção Página: 46 de 54 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA com a necessidade, e, também, apresentarem uma grande variedade de bitolas. Os setores de aplicação são os mais variados: a tubulação é empregada, principalmente, na indústria automobilística, tanto na fabricação de rodas, quanto na confecção de autopeças e do sistema de refrigeração. Os tubos trefilados têm a vantagem de serem muito leves e de fácil montagem, garantindo, ainda, boa condução de eletricidade e calor, sendo eficientes contra a corrosão e, se não bastasse, mais baratos, já que podem ser produzidos a partir de processos de reciclagem. O alumínio é o principal material empregado na fabricação deste tipo de tubulação, o que lhe permite ser utilizada na fabricação de evaporadores, condensadores e linhas de conectores. Por conta da facilidade para serem utilizados em conexões hidráulicas, os tubos trefilados são muito empregados, também, em empresas de extração de petróleo, em hidrelétricas, nas indústrias químicas e navais, nas usinas de álcool e açúcar, nas metalurgias e nas fábricas de celulose e papel. Recentemente, esses tubos passaram a ser empregados para cobrir as fiações das empresas de telecomunicações, bem como na indústria de alimentos. Figura 24 - Diferentes modelos de tubos trefilados Outras aplicações: • Tubos de condução para água, gás, vapor entre outros; • Tubos para caldeiras, trocadores de calor, superaquecedores, resfriadores, pré-aquecedores de ar e de água de alimentação, evaporadores, serpentinas, condensadores; • Tubos de precisão, trefilados a frio, redondos, para construções mecânicas, com aplicação em sua grande maioria na indústria automobilística; • Tubos trefilados estruturais para construções metálicas, etc;
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