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Universidade Federal do Rio Grande do Sul Cursos de Graduação em Design de Produto, em Engenharia de Produção e em Engenharia de Controle e Automação Conformação Mecânica dos Metais: Forjamento Processos Discretos de Produção Prof. Cíntia Mazzaferro Processo de conformação mecânica no qual o metal é submetido a forças de compressão em matrizes, deformando-se plasticamente e preenchendo suas cavidades. É o mais antigo processo de conformação de metais (1500aC - tribos Hindus trabalhavam ouro, prata e ferro; grandemente utilizado na Idade Média para fabricação de armas e armaduras). Seu desenvolvimento ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. Atualmente, possibilidade de produção de peças de diferentes formas e tamanhos. Forjamento Equipamentos • Martelos: aplicam golpes de impacto rápidos sobre a superfície do metal (forjamento por impacto). A pressão máxima acontece quando o martelo toca o metal, decrescendo rapidamente de intensidade à medida que a energia do golpe é absorvida na deformação do material. O resultado é que o martelamento produz deformação principalmente nas camadas superficiais da peça, o que dá uma deformação irregular nas fibras do material. Martelos Os martelos de forja deformam o material por meio da queda de uma massa que cai livremente ou é impulsionada de certa altura. Equipamentos Fo n te : h tt p :/ /t h el ib ra ry o fm a n u fa ct u ri n g .c o m /f o rg in g _h a m m er s. h tm l •Prensas: submetem o metal a uma força progressiva relativamente lenta (forjamento por pressão). O metal fica sujeito à ação da força de compressão em baixa velocidade e a pressão atinge seu valor máximo pouco antes de ser retirada da ferramenta, de modo que as camadas mais profundas da estrutura do material são atingidas no processo de conformação. A deformação resultante é, então, mais regular do que a produzida pela ação dinâmica do martelamento. As prensas são mais econômicas do que martelos, e com a utilização destes equipamentos obtém-se maior precisão dimensional. Equipamentos Prensas: mecânicas ou hidráulicas. As prensas mecânicas, de curso limitado, são acionadas por eixos excêntricos, enquanto que as prensas hidráulicas podem ter um grande curso e são acionadas por pistões hidráulicos. Equipamentos Prensas Fo n te : h tt p :/ /t h el ib ra ry of m a n u fa ct u ri n g .c o m /p re ss es .h tm l Fluxo de material durante o forjamento Temperaturas empregadas no forjamento • Quente: T > 0,5Tfusão do metal • Morno: 0,3Tfusão < T < 0,5Tfusão • Frio: sem aquecimento • Isotérmico: matriz e peça trabalham na mesma temperatura (menor empenamento, maior precisão do que à quente ou morno) Influência da temperatura na tensão e na deformação durante o forjamento de um aço carbono, usando taxas de deformação de 3 s-1 e de 30 s-1: quanto maior a temperatura, menor é a tensão para a deformação. De acordo com Xinbo et al. (2003). Influência da temperatura Cabeça de um parafuso forjada a frio em duas etapas, a partir de um aço trefilado com 6,5 mm de diâmetro. Como o material já se encontrava encruado, o grau de deformação envolvido na última etapa levou à fratura do material. De acordo com Bariani et al. (2011). Influência da temperatura Processos de forjamento Os processos de forjamento podem ser classificados em: Forjamento em Matriz Aberta (livre): material é conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam. Utilizado para a fabricação de componentes grandes e relativamente simples. Forjamento em Matriz Fechada: material conformado toma a forma de cavidades fechadas, obtendo-se maior precisão dimensional do que com matrizes abertas. Ex. forjamento em matriz aberta Forjamento em Matriz Fechada • Forjamento convencional: a quente ou a morno, utilizado para produzir peças com complexidades geométricas e tolerâncias dimensionais normais dentro do processo de fabricação. • Forjamento de precisão: a morno ou a frio, é utilizado para produzir peças near ou net-shape, com maior precisão dimensional do que a obtida por forjamento convencional. Produção de peças de maior complexidade e maior precisão dimensional Processos de forjamento: classificação Forjamento convencional Produção de chaves de boca Etapas de produção de uma biela Forjamento matriz fechada Forjamento de precisão Objetivo: produzir peças que não necessitem de operações secundárias de acabamento. Comparação entre o forjado normal e o de precisão Exemplos Forjamento matriz fechada As matrizes de forjamento são submetidas a altas tensões de compressão, altas solicitações térmicas e, ainda, a choque mecânicos. Devido a essas condições de trabalho, é necessário que essas matrizes apresentem alta dureza, elevada tenacidade, resistência à fadiga, alta resistência mecânica a quente e alta resistência ao desgaste. Por isso, elas são feitas, em sua maioria, de blocos de aços-liga forjados e tratadas termicamente. Matrizes de forjamento Uma peça forjada acabada geralmente não é conformada em um só golpe, porque tanto a direção quanto a extensão na qual o metal pode escoar são pequenas. Por isso, para a confecção de uma única peça são necessárias várias matrizes com cavidades correspondentes aos formatos intermediários que o produto vai adquirindo durante o processo de fabricação, ou uma matriz com várias cavidades internas. Forjamento matriz fechada Rebarba de forjamento Para garantir o preenchimento total da cavidade pelo metal em matrizes fechadas, no forjamento convencional, normalmente se utiliza uma quantidade um pouco maior de metal do que a necessária para a produção das peças. Na operação final de forjamento, o excesso de metal que escoa para fora da cavidade da peça (para um canal) é conhecido como rebarba de forjamento. Ela possui duas funções: • escape para o sobremetal • aumento da pressão de forjamento , que facilita o preenchimento da matriz Recalque Compressão direta do material entre um par de ferramentas de face plana ou côncava, visando primariamente reduzir a altura da peça e aumentar a sua secção transversal. Estiramento Visa aumentar o comprimento de uma peça às custas da sua espessura. Algumas operações de forjamento Encalcamento Variedade de estiramento em que se reduz a seção de uma porção intermediária da peça, por meio de uma ferramenta ou impressão adequada. Caldeamento Visa produzir a soldagem de duas superfícies metálicas limpas e aquecidas, postas em contato e submetidas à compressão. Algumas operações de forjamento Cunhagem Geralmente realizada a frio, empregando matriz fechada ou aberta, visa produzir uma impressão bem definida na superfície de uma peça, sendo usada para fabricar moedas, medalhas, talheres e outras peças pequenas, bem como para gravar detalhes de diversos tipos em peças maiores. Algumas operações de forjamento Fo n te : h tt p :/ /w w w .s co tf o rg e. co m /s f_ fa ct s_ ro llr in g .h tm Produção da pré-forma Produção do anel Ex. forjamento de anéis Simulação em forjamento Resultados da simulação da distribuição das tensões durante o forjamento após deslocamento vertical da matriz superior de (a) 8 mm e (b) 32 mm. Fo n te : F er n a n des e t a l. (2 0 1 2 ) a b Simulação de forjamento visualizando o preenchimento final da matriz e a formação da rebarba: (a) considerando apenas a peça; (b) considerando interações entre a peça e a matriz. Fo n te : h tt p :/ /w w w .f o rg et ec h n o lo g y. co m /d ie _s im u la ti o n a b Forjamento: Aplicações • Praticamente todos metais e ligas podem ser forjados. São muito utilizados os diversos tipos de aços, ligas de alumínio, de cobre, de magnésio, de níquel e titânio. • O material de partida normalmente é um fundido ou laminado (tarugo ou “blanck”) • Indústria de veículos: maior consumidor - cerca de 50% do total de forjados (destes, 80% são de precisão) • Indústria aeroespacial: cerca de 25% do total de forjados Exemplos de Aplicações Cubos e bielas Divisória de titânio do avião F-22 Peças em geral: uso automóveis, motocicletas Engrenagens aço Dobradiça Al carro esportivo Munhão aço microligado Forjamento: exemplos Biela fraturada aço microligado Virabrequim aço microligado Vantagens do forjamento •Forjados obtidos a partir de pré-formas simples •Pequena perda de material •Grande precisão dimensional (a frio) •Excelentes propriedades mecânicas •Excelente reprodutibilidade •Equipamentos caros •Obtenção de peças limitada a capacidades de máquinas disponíveis •Não há possibilidade de obtenção de peças com cavidades internas •Muitas vezes é necessário usinagem final Limitações do forjamento • Mechanical Metallurgy (SI Metric Edition). George E. Dieter. McGraw-Hill. 2001. • ASM Handbook. 8a ed. Vol. 14 – Forming and Forging. • L. Xinbo, et al. Flow stress of carbon steel 08F in temperature range of warm- forging. Journal of Materials Processing Technology, vol. 139, 2003, p. 543- 546. • Bariani, P.F. et al. Ductile fracture prediction in cold forging process chains. CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 60 , 2011, p. 287-290. • J.L.M. Fernandes et al. Forming tubularhexahedral screws—Process development by means of a combined finite element-boundary element approach. Engineering Analysis with Boundary Elements, vol. 36, 2012, p. 1082-1091. • L. Van Vlack. Princípios de ciências dos materiais. Editora Edgar Blücher. 1981. • W. Callister Jr. Fundamentals of materials science and engineering. • http://pt.wikipedia.org/wiki/Forjamento • http://www.lihsingtw.com/products.html Bibliografia
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