Processos de Conformaýýo Mecýnica ý Aula 03

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Processos de Conformação 
Mecânica – Aula 03 
Forjamento 
Prof. Leandro Entringer Falqueto 
E-mail: leandro.falqueto@hotmail.com 
1 – Introdução 
• O forjamento é o processo de conformação plástica de metais 
e ligas mais antigo. 
• Foram encontrados artefatos produzidos por martelamento 
datados de épocas pré-históricas (8000 A.C.). 
• A partir do séc. XIII surgiram os primeiros martelos mecânicos 
movidos à tração animal ou por roda d’água. 
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• A demanda de produtos metálicos durante a revolução 
industrial, no final do séc. XVIII, gerou um grande 
desenvolvimento da forjaria. 
– Os martelos mecânicos foram desenvolvidos e surgiu o martelo a vapor. 
– Essas concepções serviram de base para os equipamentos de hoje, o 
martelo de forjar (eletromecânico) e a prensa de forjar (hidráulica). 
 
2. Conceito 
• Forjamento é um processo de conformação no qual modifica-
se a geometria e as propriedades mecânicas de um corpo 
metálico pela ação de tensões compressivas diretas. 
• A ação das matrizes se dá mediante a aplicação de golpes 
rápidos e repetidos (martelos de queda livre ou acionados) ou 
pela aplicação lenta de intenso esforço compressivo (prensas 
hidráulicas e de parafuso). 
3. Modos de forjamento 
• Dependendo da geometria e do nível de pressão requerida 
pela peça, o forjamento pode ser realizado de duas formas: 
– Em matriz aberta (forjamento livre): 
 
 
 
 
 
– Em matriz fechada: 
 
 
• Podem existir projetos nos quais é necessário realizar o 
forjamento nas duas formas, sendo que a etapa em matriz 
aberta serve como processo preliminar para o forjamento em 
matriz fechada. 
• Em ambos os casos, o trabalho tende a ser a quente, para 
garantir a manutenção da tensão de escoamento abaixo de 
valores críticos. 
– Após cada etapa, o material deve ser aquecido novamente para atingir 
a temperatura acima da temperatura de recristalização (TR). 
• A deformação abaixo da TR deve ser evitada para não causar 
danos às ferramentas e trincas na peça forjada. 
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• Independente do modo de forjamento, o uso de lubrificante 
ou desmoldante se faz necessário a cada passo do processo. 
• Tradicionalmente utiliza-se uma solução aquosa de grafite em 
suspensão. 
– Sua pulverização sobre a matriz e o punção, além de refrigerar, impede 
o caldeamento (soldagem) do material com as superfícies internas das 
ferramentas. 
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3.1. Forjamento em matriz aberta 
• Nesse modo se realiza o forjamento por esforços 
compressivos entre as superfícies, não necessariamente 
planas nem paralelas, da matriz e do martelo sem restrições 
laterais. 
• A ausência de restrição lateral que caracteriza esse modo faz 
com que o material escoe livremente entre as superfícies 
compressivas. 
• Um dos objetivos desse processo é a redução gradativa da 
seção de uma peça, que pode servir, também, como pré-
forma, a qual sofrerá operações complementares para obter o 
produto final. 
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• No forjamento em matriz aberta, apenas o atrito na interface 
material/ferramenta opõe-se ao escoamento lateral, 
limitando o fluxo de deformação à região central da peça. 
– Em função disso, é gerado um abarrilamento lateral no forjado. 
• As regiões próximas à interface são denominadas regiões de 
fluxos restringido ou batentes. 
• Essas áreas de fluxo restringido limitam a redução de altura. 
– Quando elas se tocam, atuam como falsas matrizes (batentes). Ou 
seja, a carga pode ser elevada sem que nenhuma deformação 
adicional ocorra. 
 
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• Do ponto de vista microestrutural, o forjamento livre serve 
para adequação da granulometria do material (refino 
termodinâmico) para etapas posteriores. 
– Pode, ainda, servir para transformar estruturas grosseiras em 
estruturas mais finas, de grãos equiaxiais. 
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3.2. Forjamento em matriz fechada 
• No forjamento em matriz fechada, as ferramentas, matriz e 
punção, são fabricadas a partir de um bloco bipartido que, 
quando fechado, forma um bloco único no qual o material fica 
confiando em sua cavidade. 
– Essa cavidade deve ser cuidadosamente projetada e usinada para 
garantir as tolerâncias geométricas da peça forjada. 
• O forjamento de peças com geometria complexas é realizado 
em matriz fechada. 
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• A deformação em matriz fechada depende de estudos 
reológicos (sobre o escoamento do material) para garantir 
total preenchimento do molde, sem desperdícios de material 
e com menor esforço possível. 
• Pode-se, ainda, dividir o processo em várias etapas até a 
forma final, sendo que as etapas intermediárias podem 
ocorrer em matriz aberta. 
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• Quando o processo é realizado por inteiro em matriz fechada, 
as etapas iniciais podem ser mais complexas do que as etapas 
finais. 
• Isso se deve ao fato de haver risco de dobramento do metal 
sobre si mesmo, sem que as superfícies em contato se 
fundam por caldeamento, gerando gota fria. 
– Isso pode ocorrer em matrizes com arestas muito agudas, atrito 
elevado ou ainda resfriamento excessivo na região onde a gota fria foi 
produzida. 
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• A dificuldade em prever o volume necessário para 
preenchimento da matriz faz com que se recorra ao uso de 
canais de rebarba, para o escoamento do material extra. 
– Para garantir o preenchimento total da matriz, faz-se um 
superdimensionamento do material e o excesso é forçado para o canal 
localizado estrategicamente. Desse modo, evita-se a quebra do 
ferramental. 
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4. Equipamentos de forjamento 
• Os equipamentos podem ser subdivididos em dois grupos 
principais: 
Martelo de forjar Prensa de forjar 
4.1. Martelos de forjar 
• Basicamente é um prensa mecânica que aplica golpes rápidos 
sobre a superfície de um metal, promovendo seu 
escoamento. 
• A variação na taxa de deformação está condicionada às 
variações de velocidade do motor de acionamento e a 
deformação se dá nas camadas superficiais. 
• Alguns exemplos de martelos são: 
– Martelo em queda livre; 
– Martelo de dupla-ação; 
– Martelo de contragolpe. 
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4.1.1. Martelo em queda livre 
• Consiste de uma base que suporta 
colunas, nas quais são inseridas as 
guias do suporte da ferramenta, e 
um sistema para elevação da massa 
até a altura desejada. 
• O mecanismo de elevação é, 
geralmente, acionado por um pedal, 
de maneira a deixar as mãos do 
operador livres para manipulação da 
peça. 
 
4.1.2. Martelo de dupla-ação 
• Diferenciam-se do modelo 
anterior pelo sistema de 
levantamento e queda da massa 
cadente. 
• Estes são preferidos com relação 
ao modelo de queda livre quando 
se trata do forjamento em matriz. 
• Neste equipamento, a massa 
cadente é conectada a um pistão 
contido em cilindro no topo do 
martelo, que é acionado por vapor 
ou ar comprimido. 
• Válvulas no cilindro fazem o 
controle da massa cadente. 
4.1.3. Martelo de contragolpe 
• Caracteriza-se por duas massas que 
se chocam no meio do percurso com 
a mesma velocidade. 
• A massa superior é acionada por um 
sistema de pistão e a massa inferior 
é acoplada à superior, geralmente, 
por meio de cabos. 
• Apresenta a vantagem de maior 
rendimento e maior velocidade de 
acionamento. 
• Como desvantagem, apresenta um 
maior desalinhamento entre as 
partes inferior e superior da matriz, 
não permite a manipulação da peça 
durante o movimento. 
4.2. Prensa de forjar 
• A prensa hidráulica aplica esforços compressivosgradativamente sobre a superfície do material, promovendo 
seu escoamento. 
• A pressão máxima é atingida pouco antes da carga ser 
retirada. 
• Ao contrário do martelo, a deformação atinge as regiões 
centrais da peça e a variação da taxa de deformação pode ser 
feita de forma contínua. 
• Como exemplos de prensas de forjar, temos: 
– Prensas hidráulicas verticais; 
– Prensas mecânicas excêntricas; 
– Prensas de parafuso. 
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Exemplo de prensa hidráulica para forjamento. 
(a) Circuito hidráulico; (b) Exemplo de prensa. 
À esquerda, esquema da prensa mecânica excêntrica. À direita, 
um modelo real deste tipo de prensa. 
Esquema de funcionamento da prensa mecânica excêntrica. 
À esquerda, o esquema da prensa de parafuso. À direita, 
exemplo de um parafuso utilizado neste tipo de prensa. 
4.3. Matrizes de forjamento 
• Podem ser fabricadas em aços ligados ou metal duro. 
• São submetidas à altas tensões de compressão (podendo 
chegar até 2000 MPa), à altas temperaturas e, ainda, ao 
choque térmico. 
• Com isso, necessitam de algumas características: 
– Resistência à alta temperatura; 
– Elevada tenacidade; 
– Alto limite de escoamento; 
– Alta resistência ao desgaste. 
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5. Taxa de deformação 
• A taxa de deformação é um dos parâmetros mais importantes 
dos processos de conformação plástica. 
• A velocidade com que o material se deforma, implica 
diretamente no estado metalúrgico do mesmo, ou seja, 
quanto mais rápido ocorre a deformação, mais restringimos o 
escoamento devido ao maior encruamento produzido. 
• No forjamento, a velocidade de deformação é dada em 
função da velocidade vertical com que o bloco se deforma. 
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• Desse modo, a taxa de deformação, segundo a figura acima, 
será dada por: 
6. Estimativa de esforços no forjamento 
• A estimativa de esforços no forjamento é um cálculo 
complexo que depende de propriedades reológicas do 
material. 
• Desse modo, a indústria costuma determinar a carga de 
forjamento a partir de informações relativas a outras peças já 
forjadas com o mesmo material, numa geometria semelhante. 
• Outra forma de determinar essa carga é conhecendo o 
esforço necessário para forjar uma pré-forma. 
– O valor da carga de forjamento para uma das outras peças derivadas 
pode ser estimado empiricamente, considerando-se o grau de 
dificuldade para produzi-la. 
• Separando os forjados de acordo com o grau de dificuldade 
para fabricação, a carga de forjamento pode ser estipulada 
com a seguinte equação: 
 
 
– AT = Área transversal na linha divisória da peça, considerando a 
direção de escoamento. 
– σ = Tensão de escoamento média do material na temperatura 
de trabalho. 
– K = Fator restrição que depende da complexidade reológica do 
processo. 
 
 
 
 
 
 
• No valor de K estão embutidos os efeitos do atrito e do 
trabalho redundante, por isso ele aumenta com a 
complexidade. 
• O produto σAT representa o trabalho útil. 
7. Tensões induzidas no forjamento 
• As tensões cisalhantes provocadas pelo atrito da interface 
ferramenta/material dificultam a deformação. 
• Essa restrição, como já mencionado, gera regiões de fluxo 
restringido, que tem um papel importante no forjamento 
livre: elas confinam o fluxo de material na região central da 
peça. 
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• Com isso, fica fácil observar que o forjamento de um bloco 
cilíndrico depende da sua geometria, particularmente da 
relação D/h. 
• Deve-se evitar situações extremas dessa relação, pois: 
– Se D>>h, as regiões de fluxo restringido podem se tocar rapidamente, 
após pouca deformação (Δh), aumentando a carga de forjamento. 
– Caso, se h>>D, pode ocorrer flambagem do cilindro. 
• A condição recomendável é utilizar a relação D/h próxima de 
0,5 e reduzir ao máximo os efeitos do atrito na interface 
matriz/material. 
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• Quando D>h, as regiões de fluxo restringido terão uma 
profundidade relativa e com grande influência na 
deformação. 
• A deformação será intensa na região central da peça. 
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• Quando D<h, as regiões de fluxo restringido terão uma 
profundidade relativa pequena e sem influência na 
deformação da região central da peça. 
• Outra influência da geometria está na % de redução 
apresentada pela peça. 
• Imaginando uma situação em que o valor de D seja fixo, 
quanto menor o valor de h, maior será o valor da relação D/h. 
Consequentemente, menor será a deformação até que as 
regiões de fluxo restringido se toquem. 
• Por outro lado, quanto maior h, maior será a deformação 
possível até que essas mesmas zonas se encontrem. 
• Contudo, deve-se tomar cuidado para não elevar muito o 
valor de h e provocar a flambagem do cilindro. 
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Quanto menor h, para um mesmo D, menor o Δh. 
Para uma mesmo D, quanto maior h, maior o Δh. 
• Quando D>h, durante o forjamento as tensões de compressão 
se propagam até o centro do bloco, promovendo o 
escoamento. 
• Ao final, surgem tensões residuais como resposta do material 
à não homogeneidade da deformação. 
– Nas regiões próximas às interfaces, que não se deformaram, tendem a 
se estender por ação de forças trativas. 
– A região central, que muito se deformou, tende a contrair com tensões 
compressivas, diminuindo o abarrilamento. 
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Durante o 
forjamento 
Tensões residuais após o 
forjamento e a retirada da 
carga compressiva. 
• Quando D<h, as tensões compressivas não atingem o centro 
do cilindro, pois h é relativamente grande. 
• Com isso, do ponto de vista dinâmico, as regiões adjacentes à 
região central funcionam como dois cilindros sobrepostos, 
como no caso anterior. 
• Entretanto, devido à não homogeneidade da deformação, 
após a retirada das cargas compressivas, surgem tensões 
trativas na região central que, quando intensas, podem 
nuclear trincas internas e levar à falha do material. 
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Durante o 
forjamento 
Tensões residuais após o 
forjamento e a retirada da 
carga compressiva. 
• Outro efeito a se considerar é com relação ao acabamento 
superficial da peça a ser forjada. 
• Quanto melhor o acabamento superficial, melhor será a 
lubrificação e, consequentemente, menor o atrito entre a 
peça e a ferramenta. 
• Desse modo, as zonas de fluxo restringidos, que surgem 
devido às tensões de atrito, também serão menores, 
permitindo maior redução da altura do cilindro a ser forjado. 
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Melhor 
acabamento 
Melhor 
lubrificação 
Menor zona de 
fluxo restringido 
Maior Δh 
8. Tensões residuais de origem térmica 
• As tensões residuais dos forjados geralmente são muito 
pequenas, visto que o processo é realizado quase sempre a 
quente. 
– Nesse caso, o efeito do encruamento é eliminado pela recristalização 
que ocorre após cada etapa de deformação. 
• Contudo, cuidados especiais dever ser tomados durante o 
resfriamento de peças grandes e complexas. 
– Nesses casos, podem surgir tensões de origem térmica que podem 
causar empenos ou até mesmo trincas devido a assimetria do 
resfriamento. 
– Uma zona que se resfria rapidamente pode ser freada por uma outra 
zona adjacente que ainda permanece quente por mais tempo. 
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8. Defeitos no forjamento 
• Os principais defeitos observados são ocasionados por 
parâmetros mal ajustados. 
• No forjamento de matriz fechada, por exemplo, o pouco 
conhecimento das propriedades reológicas no interior da 
matriz podemcausar defeitos graves. 
• Além da má formação do forjado, pode ocorrer gota fria, que 
são descontinuidades (vazios) formadas pela dobra de uma 
superfície sobre a outra sem que haja a união (soldagem) das 
mesmas. 
 
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• Deve-se tomar cuidado, também, com a temperatura de 
trabalho. 
• Quando se trabalha com temperaturas muito próximas da 
temperatura de recristalização (TR), pode-se atingir valores de 
temperatura superficial abaixo desta, devido a perda de calor 
natural da peça. 
• Desse modo, durante um forjamento livre, por exemplo, as 
tensões trativas circunferenciais podem atingir valores 
superiores ao limite de ruptura, produzindo trincas 
longitudinais. 
Trincas 
longitudinais 
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• Outro problema está ligado ao atrito elevado causado pela 
falha da lubrificação. 
• Nesse caso, as regiões de fluxo restringidos serão maiores, 
restringindo ainda mais o escoamento. 
• Após o forjamento em temperaturas próximas da TR, essas 
áreas que não estiraram tendem a fazê-lo radialmente, como 
já citado. 
• Caso essas tensões induzidas superem a tensão de ruptura do 
material, trincas circunferenciais podem surgir. 
Trincas 
circunferenciais 
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Trincas 
circunferenciais 
• As mesmas trincas podem surgir se as ferramentas (matriz e 
martelo) não forem pré-aquecidas no caso do forjamento 
livre. 
• As superfícies em contato com o martelo e a matriz terão uma 
tensão de escoamento com valores superiores ao valor da 
região central da peça (devido ao fluxo de calor e 
consequente resfriamento) e, devido à isto, deformarão 
menos radialmente. 
• Após o forjamento, essas superfícies de contato do tarugo 
apresentarão as mesmas trincas do caso anterior. 
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