Processos de Conformaýýo Mecýnica ý Aula 05

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Processos de Conformação 
Mecânica – Aula 05 
Trefilação 
Prof. Leandro E. Falqueto 
E-mail: leandro.falqueto@hotmail.com 
1. Introdução 
• O processo de trefilação pode ser utilizado para fabricação de 
fio, cabos e arames. 
• Também pode ser utilizado para acabamento superficial ou 
correções dimensionais de tubos, barras ou arames. 
• Os faraós egípcios usavam adornos de ouro em forma de 
arame trabalhado a quase 3000 A.C. 
• Mas a fabricação de arames tal como conhecemos hoje só 
teve início no século XIV, pouco antes do período 
renascentista. 
• A difusão do telégrafo e a consequente demanda por fios 
condutores levou a trefilação a sofrer um grande avanço. 
2. Conceito 
• O processo consiste em tracionar-se o material a ser 
deformado, passando-o através do furo de uma ferramenta. 
 
 
 
 
 
• Uma parte da deformação é produzida pela reação da matriz 
no material e outra parte pela estricção. 
– Quanto mais dúctil for o material, maior será a contribuição da 
estricção. 
 
Vídeo 
3. A ferramenta 
• A ferramenta utilizada é denominada fieira. 
• Ela possui um furo cônico que possibilita a redução do 
diâmetro do fio ou arame com manutenção do volume. 
– Com isso, ocorrerá redução de seção sem a perda de volume de 
material. 
• A fieira é constituída de um núcleo feito de um material 
extremamente duro, alojado numa carcaça de aço carbono. 
• O núcleo da fieira deve ser duro e resistente, podendo ser 
fabricado em aços resistentes ao desgaste, produtos 
cerâmicos (óxidos) sinterizados, dentre outros. 
• Tradicionalmente utiliza-se WC (carbeto de tungstênio), que é 
um material extremamente duro e de fácil fabricação. 
• Quando um furo desgasta, excedendo as dimensões de 
norma, pode-se reabrir para bitolas maiores. 
• No caso da trefilação de materiais mais duros, pode-se utilizar 
núcleos fabricados em diamante sintético. 
• Abaixo está apresentado a geometria do núcleo da fieira. 
• O paralelo define a dimensão final do produto trefilado. 
• α é o ângulo de redução ou aproximação e deve ser 
determinado de modo a maximizar a vida útil da ferramenta 
com menor consumo de energia. 
• β é o ângulo de entrada que serve para auxiliar a lubrificação, 
feita, preferencialmente, com lubrificantes sólidos. 
4. Lubrificação 
• Apesar de óleos e graxas poderem ser utilizado, recomenda-
se o uso de lubrificantes sólidos (sabão) a base de cálcio, 
sódio ou lítio. 
– O sabão é um lubrificante seco na forma de pó que, ao ser colocado 
no porta-ferramenta, cobre completamente o fio e a fieira. 
– A eficácia da lubrificação é garantida quando o fio e a ferramenta 
estão completamente submersos. 
5. Condições de trefilação 
• Todo o processo é realizado a frio, embora calor considerável 
seja produzido devido à própria deformação (atrito interno) e, 
principalmente, devido ao movimento relativo entre o 
material e a ferramenta. 
– Por isso, para refrigerar a fieira, utiliza-se canais para circulação de 
água no seu corpo. 
• A velocidade de trefilação varia com o material que está 
sendo trabalhado. 
– De modo geral, busca-se utilizar uma velocidade que maximize a vida 
útil da ferramenta. 
– Dependendo dos parâmetros, pode-se trefilar fios com velocidades 
entre 10 a 100 m/s. 
• Grandes reduções podem ser feitas através de sucessivos 
passes. 
– Dependendo do estado da matéria prima, é possível produzir-se 
reduções totais de até 85 a 90%, sem utilizar tratamentos térmicos 
intermediários. 
• Quando a matéria-prima apresenta ovalizações ou defeitos 
superficiais, um passe com uma pequena redução (de 2 a 5 %) 
deve ser utilizado para as devidas correções. 
• Deve-se, no entanto, evitar passes sucessivos com pequenas 
ou grandes reduções, pois podem surgir defeitos causados 
pela não homogeneidade da deformação. 
– A homogeneidade da deformação é, portanto, critério para definir o % 
de redução. 
6. Preparação da matéria-prima 
• Como matéria-prima são utilizados arames, barras e tubos 
extrudados. 
– Na indústria de fabricação de fios e arames, a matéria-prima recebe o 
nome de fio máquina. 
• Eles são produzido pelo processo siderúrgico de laminação a 
quente ou extrusão (caso dos tubos), podendo apresentar 
uma fina camada de óxido (carepa). 
• Essa carepa é dura e, caso não seja removida, causa elevado 
desgaste na fieira. 
• Tradicionalmente, a eliminação dessa camada de óxido é 
realizada por decapagem química ou descascamento 
mecânico. 
– Opcionalmente, pode-se fazer uma deposição eletrolítica de um filme 
de cobre ou estanho para aumentar a velocidade de trefilação dos 
arames ou fios de aços. 
 
6.1. Decapagem química 
• Na decapagem química, o material é imerso numa solução 
aquosa de 20 % de H2SO4 ou de HCl. 
• O tempo de permanência no banho depende da espessura da 
carepa, mas, para melhor eficácia, o processo deve ser 
realizado a 40 °C. 
• Após a remoção da carepa, o material deve ser removido e 
imediatamente levado à neutralização. 
– Para isso, ele é imerso num tanque com óxido de cálcio (CaO). 
• Depois de neutralizado, o material pode ser seco numa estufa 
e, posteriormente, encaminhado para a trefilaria. 
• Esse processo gera resíduo que deve ser tratado antes de sua 
eliminação, o que torna o processo mais caro. 
Antes Depois 
6.2. Descascamento mecânico 
• Como já dito, a decapagem química é dispendiosa e gera 
resíduos que pode causar problemas ambientais. 
• Por isso, pode-se recorrer a técnica de descascamento 
mecânico, no qual a carepa é removida por quebra e 
escovamento. 
• O material passa ziguezagueando entre roletes dispostos na 
horizontal e na vertical, causando a quebra da carepa. 
• Posteriormente ele é escovado para finalização da remoção 
da carepa. 
 
7. Equipamento para trefilação 
• O equipamento utilizado na indústria da trefilação é a 
trefiladora. 
• Na sua forma mais simples, é constituída de um 
desbobinador, um cabeçote motorizado com porta 
ferramentas, um carretel cônico (serrilho) e um rebobinador. 
• O fio, ao sair do desbobinador, passa pela fieira para redução 
e é rebobinado na própria trefiladeira, com o auxílio de um 
carretel cônico. 
• A trefiladeira pode ser composta de cabeçote simples ou 
cabeçotes múltiplos. 
 
• Cabeçote simples: 
– É utilizada em pequenas indústrias ou como equipamento 
periférico. 
– Permite apenas uma única redução de espessura. 
• Cabeçote múltiplo 
– Utilizada em grandes trefilarias de siderúrgicas para 
produção em larga escala de fios e arames. 
– Permite várias reduções em sequência. 
Vídeo 
8. Definição do trabalho redundante 
• Para entender e quantificar o trabalho redundante, vamos 
considerar um estiramento realizado numa fieira de baixo 
atrito e compará-lo com outro produzido por tração uniaxial. 
• Para deformar uniaxialmente um fio, seria necessária uma 
tensão σU. E, para obter a mesma deformação pelo processo 
de trefilação, utiliza-se uma tensão σT. 
• Porém, ao aplicar a tensão σT em uma deformação uniaxial, 
seria obtida uma deformação virtual ε*. 
• Assim, o trabalho redundante é encontrado pela diferença 
entre a deformação verdadeira (ε) e a deformação virtual (ε*). 
• Como a área sob a curva tensão x deformação é proporcional 
à energia da deformação, temos que: 
– A energia gasta para obter a deformação uniaxial é o trabalho útil (UP); 
– E a diferença entre as áreas de ε e ε* equivale à energia dissipada pelo 
trabalho redundante (UR). 
Deformação por 
trefilação 
Deformação por 
tração 
9. Influência do ângulo de redução 
• O trabalho plástico ou útil na fieira depende apenas da 
redução que é dada pela diferença de diâmetros de entrada e 
saída do material.• Mas a energia total gasta no processo deve levar em conta, 
ainda, a energia relativa dissipada no processo. 
• A medida que o ângulo da fieira aumenta, essa energia devido 
ao atrito (UA) diminui. 
– Isso ocorre porque a deformação passa a ser feita pela redução, 
reduzindo a componente horizontal da reação com a fieira. 
– Além disso, quando há o incremento da estricção, a área de contato 
entre a fieira e o material diminui, reduzindo ainda mais os efeitos do 
atrito. 
 
• Por outro lado, o trabalho redundante aumenta com o 
aumento do ângulo da fieira. 
– Isso ocorre porque, a medida que o ângulo aumenta, as zonas de fluxo 
restringidos (zona morta ou zona de estagnação) também aumentam. 
– Logo, a energia necessária para a deformação cresce. 
 
• Considerando que o trabalho total é 
dado pela soma das contribuições 
individuais do trabalho plástico (UP), 
trabalho redundante (UR) e trabalho 
devido ao atrito (UA), vemos, no 
diagrama abaixo, que existem um 
ângulo α* (ângulo ótimo de fieira), no 
qual o trabalho total (UT) é mínimo. 
UT = UP + UR + UA 
Ângulo ótimo de fieira (α*) 
implica na menor UT. 
• O ângulo da fieira também influencia nos esforços de 
trefilação. 
– Para valores de α próximos ao ângulo ótimo, o comportamento é 
parabólico, como na energia. 
– Aumentando-se o ângulo, atingi-se αC, que é o ângulo crítico. 
– A partir desse ponto, surgem as zonas mortas, devido ao incremento 
da estricção, e a tensão tem um crescimento atenuado devido a 
redução de contato entre o material e a matriz (diminuição do atrito). 
 
– O aumento atenuado da tensão continua até que nenhum 
escorregamento metal/fieira seja produzido. 
– Nessa condição, o ângulo é chamado de supercrítico (αSC). 
 
– A partir de αSC, a tensão de trefilação volta a diminuir até se estabilizar. 
– Isso ocorre porque, a partir desse ângulo, o material passa a ser 
descascado ao invés de reduzido. 
 
10. Estimativa de esforços na trefilação 
• Considerando φ = ε*/ε como um termo representativo do 
incremento do trabalho redundante, temos: 
 é a tensão de escoamento; 
 é a área de entrada; 
 é a área de saída; 
 é o incremento do atrito. 
11. Efeito dos parâmetros da trefilação sobre a 
microestrutura 
• Quando a redução ocorre de forma correta (17 a 22% por 
passe), a deformação é homogênea e todo agregado 
policristalino alonga-se uniformemente na direção do 
estiramento. 
• Se a redução por passe é pequena (δ<< 10%), a deformação 
não tem profundidade e o alongamento é localizado apenas 
na superfície. 
• Como efeito da situação apresentada, a região alongada 
tende a se contrair e a região que não se alongou, tende a se 
alongar. 
• Desse modo, o trefilado apresentará tensões trativas no 
centro e compressivas na superfície. 
 
• A medida que esse gradiente se intensifica, com o incremento 
de cada passe, a probabilidade de trincamento interno 
aumenta, podendo levar o material à fratura. 
• No caso de redução excessiva (δ>> 22 %), o estiramento tende 
a se localizar na região central do arame. 
• Com isso, o gradiente se inverte, tornando trativo na 
superfície e compressivo na região central. 
• Após sucessivos passes, surgirão trincas externas na forma de 
ponta de flecha, também conhecidas como Chevron. 
12. Tratamentos térmicos intermediários 
• Os materiais trefilados podem ser produzidos com diferentes 
níveis de dureza, dependendo da quantidade de passes que 
este sofrer. 
• Algumas vezes, para dar continuidade ao processo, são 
necessários tratamentos térmicos intermediários para 
reverter o encruamento, reduzindo a tensão de escoamento 
do material. 
• Dependendo da composição química e das características 
microestruturais do material, dois tipos de ciclos térmicos 
podem ser produzidos. 
12.1. Recozimento 
• Aplicado à ligas não ferrosas e aos aços de baixo teor de 
carbono. 
• O tratamento consiste no aquecimento do material 
deformado em um forno com ou sem atmosfera controlada (o 
que depende do material). 
• O material permanece no forno até que as propriedades deste 
sejam reestabelecidas, tomando referência o estado antes da 
deformação. 
Ciclo térmico para o recozimento. 
12.2. Patenteamento 
• Uma das características mecânicas que melhor caracteriza a 
trefilabilidade de um aço alto carbono é a estricção. 
– Quando a estricção atinge valores próximo a 70 %, pode-se obter uma 
redução de até 55-60 % no arame, sem necessidade de tratamentos 
térmicos intermediários. 
• Caso o tratamento térmico anterior (recozimento) fosse 
aplicado a um aço desse tipo, a recristalização seria 
acompanhada de modificações microestruturais, devido a 
difusão do carbono. 
– Por exemplo, a estrutura de perlita passaria por um processo de 
transformação, alterando as propriedades do material. 
• Para evitar esse problema, utiliza-se o tratamento térmico 
conhecido como patenteamento. 
– Nele, o aço é recozido no domínio austenítico e, após o processo de 
recristalização, deve ser resfriado bruscamente até a temperatura de 
formação da perlita fina (temperatura de patenteamento). 
– O material é mantido num meio isotérmico (banho de chumbo) até 
que a austenita metaestável se decomponha em perlita fina. 
• Desse modo, as propriedades de ductilidade e estricção do 
aço de alto teor de carbono são mantidas. 
Ciclo térmico para o patenteamento. 
13. Processo de trefilação de tubos 
• Tubos cilíndricos ocos podem ser fabricados por processos de 
conformação a quente e recebem acabamento pelo processo 
de trefilação. 
– Esse processo é utilizado com a finalidade de se obter tolerâncias 
dimensionais mais acuradas e melhor acabamento superficial. 
– Também é utilizado para produzir tubos com paredes mais finas ou 
diâmetros menores do que aqueles que podem ser obtidos pelos 
outros processos. 
 
Vídeo 
13.1. Trefilação sem plug ou madril 
• Como o interior do tubo não é suportado, a parede se torna 
ligeiramente mais espessa e a superfície interna irregular. 
• Como, nesse caso, na entrada e na saída da fieira, o 
cisalhamento é grande, a deformação redundante é maior e a 
deformação limite menor do que os outros processos. 
13.2. Trefilação com plug estacionário 
• Nesse caso, tanto o diâmetro interno e o externo são 
controlados. 
• O plug pode ser cilíndrico ou cônico e controla o tamanho e a 
forma do diametro interno, resultando num processo com 
precisão dimensional superior ao anterior. 
• O atrito no plug é crescente, por isso a redução de área 
raramente supera os 30 %. 
Plug 
estacionário 
13.3. Trefilação com plug flutuante 
• Um plug é cuidadosamente posicionado flutua na “boca” da 
fieira. 
• Podem proporcionar redução de área de até 45 %. 
• Apresenta menores cargas de trefilação para uma mesma 
redução que no caso do plug estacionário. 
• Permite a trefilação e o bobinamento de tubos longos. 
• A lubrificação e o desenho das ferramentas são um dos 
limitantes dessa técnica. 
Plug 
flutuante 
13.4. Trefilação com mandril passante 
• O mandril consiste numa barra longa e dura que se estende 
por todo o comprimento do tubo, o qual é puxado pela tenaz 
junto com o tubo, através da matriz. 
• A força de trefilação é transmitida ao material, parcialmente 
pela puxada na seção da saída e parcialmente pelas forças de 
atrito que atuam ao longo da interface tubo-mandril. 
• Após a trefilação, o madril é removido do interior do tubo por 
meio de uma retificadora que aumenta ligeiramente o 
diâmetro do tubo, alterando as tolerâncias dimensionais. 
Mandril 
passante Vídeo