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36 4. Forjamento 4.1. Introdução O forjamento antecedeu no tempo a todos os processos de transformação por deformação plástica, sendo certamente conhecido desde 1500 A.C. Trata-se de um processo de deformação plástica de um metal, geralmente a quente, com o auxílio de ferramentas agindo por choque ou por pressão, de maneira a se obter uma peça de formato determinado. O forjamento, assim como qualquer outro processo de trabalho mecânico, está associado com uma variação na macroestrutura do metal, o que conduz a um rearranjo das fibras e altera o tamanho do grão. A figura abaixo mostra o fibramento de um metal de um flange produzido por usinagem (a) e forjamento (b). O fibramento no caso (b) é muito mais favorável, promovendo uma maior resistência à flexão no caso do flange ter de suportar alta pressão. Os forjados constituem-se como primeira opção, onde se demande combinações do tipo: elevada resistência mecânica com boa ductilidade e tenacidade. Por outro lado às peças forjadas, temperadas e revenidas, normalmente empregadas em componentes sujeitos a altas tensões e deformações, não podem ser superadas em desempenho, confiabilidade, resistência à fadiga e a cargas súbitas. O forjamento basicamente divide-se em dois tipos: Forjamento com matrizes abertas ou planas. Neste caso, o metal deforma-se entre as matrizes abertas, podendo fluir para os lados sobre a superfície da matriz. Forjamento com matrizes fechadas ou estampos. Neste caso, o metal é obrigado a deformar-se de maneira a ocupar o contorno do molde formado por um par de matrizes. Os metais normalmente usados para o forjamento são o aço, ligas de cobre, o alumínio e o magnésio. 4.2 Pré-aquecimento A B 37 Cada metal ou liga possui um determinado campo de temperatura dentro do qual o forjamento pode ser feito da melhor maneira. Deve ser uma temperatura que associe boa plasticidade e mínima resistência à deformação. Antes de proceder-se à deformação, o tarugo deve ser uniformemente aquecido, sem que haja um superaquecimento ou queima do metal. Abaixo, damos os intervalos de temperatura de forjamento dos aços e das ligas não ferrosas. Material Temperatura.máxima Temperatura mínima Aço carbono 1200-1000 800-850 Aço liga 1150-1100 825-900 Bronze (Cu+Sn) 850 700 Latão (Cu+Zn) 750 600 Ligas de AL 490-470 300-350 Ligas de Mg 430-370 350-400 4.3. O forjamento em matrizes abertas Os forjados são feitos por este processo quando: O forjado é muito grande para ser feito em matrizes fechadas. A quantidade é muito pequena para compensar a usinagem de matrizes fechadas. O formato da peça é muito simples. O tamanho dos forjados que podem ser produzidos em matrizes abertas só é limitado pela capacidade dos equipamentos de aquecimento, forjamento e manuseio. Contudo, cerca de 80% dos forjados em matrizes abertas, pesam entre 15 e 500 Kgf. Com operadores habilidosos e com a ajuda de várias ferramentas auxiliares, pode-se produzir formatos relativamente complexos em matrizes abertas. Entretanto, como estas operações levariam muito tempo, elas se tornariam muito caras. Portanto, forjados complexos só são obtidos em matrizes abertas em circunstâncias especiais. A maioria dos forjados em matrizes abertas tem os seguintes formatos: seções redondas, quadradas, retangulares, hexagonais e octogonais, forjadas a partir de um tarugo. 4.3.1 Principais operações de forjamento com matrizes abertas Operações principais do forjamento com matriz aberta: 1 - achatamento; 2 - recalcamento; 3 - alongamento; 4 - puncionado; 5 - dobragem; 6 - corte; 7 - solda; 4.4. O forjamento com matrizes fechadas 38 No forjamento em matrizes fechadas, o fluxo do metal é contido pelas paredes das matrizes, que formam uma cavidade com o formato da peça. Este tipo de forjamento é economicamente empregado para produção de peças em grande quantidade com peso de até 350 Kgf. As matrizes são feitas geralmente em aços liga e tem um custo relativamente elevado, principalmente devido ao trabalho de usinagem das cavidades. A peça obtida, exige pouco trabalho de usinagem para obtenção do produto acabado. Como o fluxo do metal que está sendo deformado é restringido pelas cavidades das matrizes, a pressão será distribuída em toda massa do metal e não somente na superfície, fazendo com que o alinhamento das fibras seja mais propício aumentando, portanto, as propriedades do forjado. Durante o forjamento de uma peça em matrizes fechadas, temos geralmente duas operações: o forjamento e a rebarbação. Peças simples podem ser forjadas de uma só vez em matrizes com uma única cavidade e depois rebarbadas. Na cavidade da matriz inferior coloca-se o produto inicial, previamente aquecido e, através da pressão exercida pela matriz superior, o metal irá preencher toda a cavidade do estampo, com o excesso de metal (rebarba) sendo comprimido em uma cavidade especial. As rebarbas representam 15 a 20% do peso do forjamento e constituem a garantia de não faltar metal para o preenchimento de toda matriz e obtenção de uma peça sã. As cavidades do estampo devem ter paredes inclinadas formando ângulos de 5 graus a 8 graus, de maneira a facilitar a extração da peça. Deve-se também evitar cantos vivos, que podem causar acúmulo de tensões e, conseqüentemente, trincas. No projeto da matriz não se deve esquecer que a peça ao ser formada esta acima da temperatura de recristalização do metal e, portanto, o metal irá se contrair até atingir a temperatura ambiente. Assim, a matriz deve ser construída maior para que a peça, ao se resfriar, fique nas dimensões projetadas. Depois da obtenção da peça na matriz fechada, o forjado é levado a uma prensa para o corte da rebarba em uma matriz especial, após o que pode ser usinado para obtenção das dimensões finais. Peças mais complicadas são forjadas em várias matrizes ou em uma matriz com várias cavidades, onde a peça é obtida por etapas progressivas. 4.5. Máquinas para forjamento Inicialmente o forjamento era executado pelo homem com o malho e a bigorna. Com a entrada da era industrial apareceram os primeiros martelos forjadores mecânicos. Posteriormente, devido a crescente necessidade de produtos mais precisos, e da produção em grande série, surgiram as prensas, que deformam os metais sem choque, somente por pressão. Atualmente, dos equipamentos utilizados em forjarias, podemos distinguir os seguintes: marteletes, martelos, prensas mecânicas e prensas hidráulicas. 4.5.1 Forjamento em marteletes matriz fechada corte da rebarba 39 São usados para peças de tamanho pequeno e caracterizam-se pelo peso das massas que dão o golpe sobre a peça que está sendo forjada (até 1t). Os marteletes são postos em movimento por um comando elétrico. Martelete de mola Na figura acima, temos um esquema simplificado de um martelete de mola. Ao acionarmos o mesmo, é posto em movimento um virabrequim que aciona a biela 1 que está ligada articuladamente com a mola 2 que pode girar no ponto de apoio 3. Na outra extremidade da mola está ligada a massa 4 que pode deslizar através de guias. Ao girar o girabrequim, ocorre a elevação e descida da massa e o estampo 5 dá golpes sobre a peça que se encontra sobre o bigorna 6. O número de marteladas por minuto varia de 120 a 300, sendo o peso da massa de golpe de 30 a 250 Kgf. Este tipo de máquina, pela sua rapidez, é utilizada para forjamento de peças delgadas, que se esfriam com rapidez, tais como as lâminas de facas. Martelete pneumático A figura acima mostra um martelete pneumático de dupla ação. Este martelete consta de dois cilindros: O de trabalho 1 e o de compressão 2. Pelo cilindro de trabalho corre o êmbolo - massa 3 40 com o estampo 4 preso a ele. O êmbolo do cilindro de compressão 5 que é posto em movimento pelo mecanismo de virabrequim e biela 6, comprime o ar que é bombeado alternadamente para os orifícios superior e inferior do cilindro de trabalho, provocando assim o movimento do êmbolo e o conseqüente martelamento. A admissão e o escapamento de ar no cilindro de trabalho efetua-se por meio das válvulas 8 que são comandadas por alavancas ou pedais. As válvulas permitem realizar golpes individuais ou trabalhar automaticamente e parar a massa na posição superior. O peso das peças de golpe varia de 50 a 1000 Kgf dando até 190 golpes por minuto. Este martelete é usado para forjamento de peças de até 20 Kgf. Martelete de fricção Abaixo, o esquema de um martelete de fricção com prancha, usado inclusive para forjamento com matriz fechada. Esta máquina de alto rendimento funciona da seguinte maneira: Os roletes de aço 1 são postos em movimento pelo comando elétrico no sentido indicado para elevar a prancha de madeira 2 e a massa a ela presa, até uma posição superior onde é travada pelo freio 3, ao mesmo tempo em que os roletes deixam livre a prancha. Ao apertar o pedal 4, o freio solta a prancha e se dá o golpe. O peso da peça de golpe alcança 3t e a altura de elevação é geralmente de até 2m. O problema deste martelete é a manutenção constante devido ao desgaste da prancha de madeira. 4.5.2 Forjamento em martelo - pilão Os forjados de peso médio são obtidos em martelos - pilões de ação simples ou dupla, a vapor. Na figura a seguir está esquematizado um martelo pilão a vapor, de dupla ação, com dois apoios. Na parte superior da armação 1 está preso o cilindro de trabalho 2 pelo qual corre o êmbolo com o braço 3. O extremo inferior do braço está ligado à massa 4, com a matriz intercambiável 5, que martela o metal que se acha sobre a matriz inferior 6. Esta vai colocada sobre a bigorna 7 que é uma peça moldada maciça. Por meio da alavanca 8 é manejado o mecanismo de distribuição, que pode também ser manobrado automaticamente. Nos martelos - pilões a vapor com um único apoio, o peso das peças de golpe (êmbolo, braço, massa e matriz) tem que ser inferior a 2 toneladas. Os martelos de peso maior (até 5t) possuem uma armação de dois apoios e guias para a massa, o que exclui a possibilidade do desvio do braço durante o trabalho. Os martelos - pilões são de fácil manejo, podem dar golpes com forças diferentes, manter suspensa a massa e dar golpes seguidos. Estes martelos são utilizados para os mais diversos trabalhos de forja, partindo de tarugos de até 1 tonelada. 41 4.5.3 Forjamento em prensas mecânicas A estampagem a quente em matrizes fechadas pode ser realizada em martelos e marteletes mas, preferencialmente, é feita em prensas. As vibrações que se produzem no funcionamento dos martelos mecânicos e a violência dos choques não permitem adaptar aos mesmos matrizes progressivas para efetuar diversas operações numa única vez. Outra vantagem das prensas é que elas permitem uma regulagem mais fácil e por conseguinte, produzem um trabalho mais preciso. Finalmente, uma única pancada de uma prensa produz tanto trabalho quanto várias pancadas de martelos - pilões, eliminando a necessidade de reaquecimento da peça. Prensa excêntrica ou tipo manivela Instalações modernas de forjamento em matriz fechada são equipadas com prensas tipo manivela de 500 a 18.000 t, com velocidades de recalcamento entre 0,5 a 0,8 m/s. Praticamente não há carga de impacto não sendo, portanto, necessárias fundações pesadas para sua instalação. A deformação penetra mais profundamente, o que melhora a qualidade do forjado. Considerando que a deformação é executada com um simples golpe do cabeçote, que as posições extremas do cabeçote são precisamente localizadas e que o número de cursos por minuto pode ser tão alto quanto o do martelo, teremos para a prensa uma maior capacidade produtiva e uma maior precisão do forjado (tolerância entre 0,2 e 0,5 mm). Além disso, os ângulos de saída da matriz podem ser reduzidos a 2 ou 3 graus, considerando-se a possibilidade da aplicação de extratores nas matrizes. Prensas tipo manivela permitem ampla mecanização e mesmo automatização. A seguir apresentamos o esquema básico de uma prensa excêntrica: 42 O motor elétrico 1 transmite o movimento à polia 2 montada no eixo 3, a cuja extremidade está presa a engrenagem 4 que faz girar a engrenagem maior 5. Esta engrenagem pode girar louca na árvore de manivelas 6 sempre que a embreagem de comando pneumático 7 estiver desacoplada Quando esta estiver atuando, a engrenagem transmitirá movimento à árvore de manivelas que, através da biela 8, faz com que a massa desloque-se para cima e para baixo. Para parar a prensa desacopla-se a embreagem e aciona-se o freio 10. Prensa de fricção Para fabricação em grande escala, de pequenas peças, é muito usada a prensa de fricção como a do esquema acima. Ela é constituída pela bancada 1 onde, na parte superior, é montado o eixo 2 com as rodas de fricção 3 e 4, feitas de ferro fundido. Através da alavanca 5 pode-se deslocar o eixo de modo que as rodas possam tocar alternadamente o volante 6 coberto com couro. Conforme a roda giratória que for acoplada ao volante 6, este girará em um sentido e fará com que o parafuso 7 desça ou suba através da porca 8, levando consigo a matriz acoplada em 9. Essas prensas tem capacidade entre 80 e 400 t. 4.5.4 Forjamento em prensas hidráulicas São empregadas prensas hidráulicas para forjamento pesados em lingotes com peso entre 1 e 250 t. Diferentemente dos martelos - pilões as prensas deformam o metal sem dar golpes, aplicando uma carga estática. As prensas hidráulicas usadas para forjamento com matriz aberta, podem produzir uma pressão entre 500 e 15000 t e as usadas para matriz fechada até 50000 t. 43 A figura abaixo dá o esquema de uma prensa hidráulica. A armadura da prensa é constituída por quatro colunas 1, que estão presas na base metálica 2 e no travessão superior 3. Neste travessão, estão montados o cilindro de trabalho 4 e o cilindro de elevação 5. As colunas da prensas servem de guias para o travessão móvel 6 aonde é presa a matriz superior 7. A matriz inferior 8 é presa na base metálica. O travessão móvel está unido com o pistão 9 do cilindro de trabalho e preso por meio das varetas 10 ao balancim 11 do cilindro de elevação. Para o funcionamento da prensa, a pressão da água não deve ser menor que 200 atm. Esta alta pressão é originada pelo sistema bomba - acumulador. A água utilizada chega ao depósito de admissão 13 e deste é enviada através da bomba 14 ao acumulador 15, do qual, através do distribuidor 16 chega no cilindro de trabalho ou no de elevação. O acumulador serve para acumular a água à alta pressão durante os intervalos de trabalho, mantendo a pressão constante no sistema. 4.6. Relações entre os parâmetros que atuam na deformação por forjamento 4.6.1. Cálculo da força de forjamento Considerando-se uma força de deformação P atuando sobre a superfície de um corpo metálico, comoo da figura acima, podemos dizer que, quando a mesma executar uma deformação elementar dh, neste corpo teremos a realização de um trabalho elementar dT, onde: dT = Pdh Sabemos que o corpo oporá uma resistência à sua deformação, que dependerá basicamente do material, da temperatura, da velocidade da deformação e das condições de vinculação desse corpo P S0 So S SfSf ho ho hf hhf dh peça inicial peça final 44 ao molde (matriz aberta ou fechada). Chamaremos esta resistência de rd, onde: rd P S , sendo S a área da superfície que está sendo deformada, ou seja, o produto das dimensões a x b (comprimento x largura). Assim teremos: dT = rd.S.dh Por outro lado sabemos que durante a deformação o volume do corpo permanecerá constante, pois não haverá alteração em sua densidade, alterando-se apenas, proporcionalmente, suas dimensões, assim: Vo = V = V1 = cte. (V = abh) Portanto, multiplicando e dividindo por h, teremos: dT rd V dh h . . Para determinarmos o trabalho para a realização da deformação total, devemos integrar dT. Assim teremos: T = h hf rd V dh h0 . . rd V ho hf . .ln Por outro lado, se chamarmos a deformação total ho - hf = e, teremos T = P.e Portanto, igualando em T, teremos: P rd V ho hf e . .ln rd é uma resistência ideal à deformação. Na prática teremos uma resistência real Rd = rd , onde é o rendimento. Assim a força necessária para a deformação do material será: P Rd V ho hf e . . ln Rd é tabelado por material. Como exemplo damos a seguir o valor de Rd para a deformação à quente de aço, em matrizes abertas. Nos casos de matrizes fechadas Rd, aumenta entre 30% a 60%, dependendo do formato da cavidade. Percentual de deformação Rd (Kgf/mm2) Martelo Rd (Kgf/mm2) Prensa 0 a 10 10 a 15 4 a 6 10 a 20 15 a 20 6 a 12 20 a 40 20 a 30 12 a 22 40 a 60 30 a 36 22 a 28 Acima de 60 36 a 50 28 a 38 4.6.1 Dimensionamento de um martelo para execução de determinada deformação. Martelo em queda livre So Sf ho hf e Q C 45 Se considerarmos um martelo de massa Q executando uma determinada deformação e em um certo corpo podemos dizer que: T m v . . 2 2 , onde: v = velocidade final da massa de peso Q m = Q/g, onde g é a aceleração da gravidade = rendimento, pois parte da energia do choque é absorvida pela máquina. Por outro lado: v g C 2. . , onde C = curso livre do martelo (altura da queda de Q) Assim: v2 = 2gC, portanto podemos dizer que: T Q g C g . . . . 2 2 T Q C. . Como: T P e . , podemos igualar em T: P Q C e . . Como : P V Rd ho hf e . . ln , igualando-se em P , finalmente, vem: Q V Rd ho hf C . . ln . Martelo de Dupla ação Em um martelo de dupla ação teremos: T Q C p A C . . . . . Onde: p = pressão de ar ou vapor no pistão do martelo (usualmente de 7 a 9 Kgf/cm2). A = área da cabeça do pistão. A d . 2 4 C = curso livre do martelo (altura de queda) Q = peso da massa do martelo Com o mesmo raciocínio feito para o martelo de simples ação, podemos deduzir que: Q V Rd ho hf p A C C . . ln . . . . So Sf ho hf e Q C p A
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