04 FORJAMENTO TP1 PROF. DECIO

Prévia do material em texto

Faculdade Tecnologia de Sorocaba
Tecnologia de Produção I
Forjamento
Parte 1 – Forjamento a Quente
Parte 2 – Forjamento a Frio
Profº. Msc. Décio Cardoso da Silva
Ano 2015
Parte 1 – FORJAMENTO A QUENTE
O forjamento a quente é uma operação que pode ser realizada em lingotes previamente aquecidos, acima da temperatura de recristalização, para obtenção de peças semi-acabadas, necessitando de operações mecânicas posteriores ou ainda forjamento a quente realizado em blanques provenientes do corte de barras laminadas. Esses blanques são previamente aquecidos, forjados, tratados termicamente por recozimento ou normalização e usinados.
1° Caso - Forjamento de Lingotes
Os lingotes de aço são previamente aquecidos a uma temperatura acima da temperatura de recristalização (± 1250° C em geral). Estes lingotes são movimentados com auxilio de pontes rolantes ou ''manipuladores'' fixos ou móveis. Estes manipuladores são veículos á semelhança de um trator possuindo na sua frente ''garras'' móveis para apanhar os lingotes no interior dos fornos e colocá-los sobre a matriz inferior da prensa de forjar.
As prensas de forjar lingotes são verticais e possuem 3 ou 4 colunas. Existem prensas de 600 a 10000 toneladas de força de forjamento. Após o forjamento as peças são retiradas de sobre a matriz inferior e colocadas em fornos ou fossas de resfriamento. Muitas peças são realizadas a dois calores, em virtude do grau de deformação necessário e o tempo de operação. Isto é, forja-se o lingote, obtêm-se o Billet. Este billet após resfriamento em forno ou ''fossa'' é inspecionado (superficialmente, por ultra-som e Macrografia) e após reaquecido para obtenção da peça final. As prensas de forjar lingotes são hidráulicas e os sistemas de comando de movimentos é eletro-eletrônico, instalado ao lado da prensa e que permite ao operador observar todos os movimentos da operação.
As peças obtidas por forjamento de lingotes, possuem um elevado sobremetal (devido a imprecisão do processo) e que é removido por usinagem posterior. O forjamento a quente dos lingotes produz também barras e blocos forjados sem formato definido. O material das matrizes é em geral aço para trabalho a quente como H13, que é um aço que tem elevada resistência ao calor. As matrizes para o forjamento de lingotes se chamam: matrizes abertas
2° Caso - Forjamento de peças
Para o forjamento de peças a quente, partimos de uma barra laminada a quente, ou excepcionalmente de uma barra forjada a quente.
Esta barra laminada a quente é primeiramente cortada a frio em guilhotina, obtendo-se assim um tarugo cujas medidas dependem da peça a ser fabricada. Esse tarugo se chama blanque e deve possuir um volume tal que:
tenhamos certeza do enchimento da matriz;
permita a existência de rebarba para evitar contato direto matriz / matriz.
Neste tipo de forjamento utilizam-se matrizes ''fechadas'' onde o material ficará confinado.
Os equipamentos utilizados são originalmente martelos ou prensas. O material é aquecido em fornos a óleo ou por indução ou gás.
Temos atualmente martelos de forjar a vapor ou ar comprimido para elevar o punção, deixando-o cair livremente.
Atualmente, o forjamento a quente vem se desenvolvendo sensivelmente, obtendo-se peça com tolerâncias estreitas empregando máquinas denominadas conformadoras a quente. Estas máquinas são horizontais, utilizando matriz fechada e contendo ainda no mesmo equipamento: alimentação, corte e forjamento. As barras são aquecidas por indução a ± 1250° C e conduzidas por rolos alimentadores. Estes rolos possuem canais internos para refrigeração. O corte do tarugo é feito após o aquecimento na mesa de alimentação. Após o corte, uma unidade transportadora se movimenta no sentido horizontal levando a peça de uma matriz à outra onde são feitas as diversas operações. As matrizes são montadas em blocos fixos e horizontalmente e cada uma tem o seu mecanismo de expulsão acionada quando se termina a operação. A peça responsável pela expulsão da peça forjada de dentro da matriz se chama extrator. Há peças que são formadas dentro do punção. A refrigeração é feita a água, que retira calor do ferramental e da máquina. A refrigeração externa é dirigida para os punções, para a garra do cortador e para as guias e outra refrigeração circulante através de canais internos é dirigida para as matrizes e rolos alimentadores. O consumo é de cerca de 136.000 litros / hora de água. Todas as operações são sincronizadas. Peças com até 3,2 Kg podem ser produzidas partindo de barras com 600 mm de diâmetro e 140 mm de comprimento produzindo cerca de 70 peças / minuto.
Diâmetro da peça (mm)
Parte 2 - FORJAMENTO A FRIO
Conformação mecânica dos metais se define como sendo a obtenção da forma de um corpo sólido mediante a transformação plástica do material.
A conformação pode ser: a quente ou a frio.
Na conformação a quente o material é aquecido acima de sua temperatura de recristalização. 
Na conformação a frio o material não é aquecido e o processo é realizado á temperatura ambiente, neste caso os esforços aplicados no material, estão abaixo do limite de resistência e acima do limite de escoamento do material utilizado.
Características:
Conformação a Quente: - As deformações são acentuadas;
			 - Os esforços são reduzidos;
			 - Há pouca precisão dimensional nas peças fabricadas.
Conformação a Frio: - As deformações são limitadas;
			 - Os esforços são limitados;
			 - Elevado grau de precisão dimensional.
Atualmente esta surgindo um novo processo de conformação, onde o metal é aquecido a temperaturas compreendidas numa zona próxima e abaixo da recristalização, objetivando:
Menor potência das prensas;
Menor desgaste do ferramental;
Tolerâncias mais rigorosas nas peças;
Menos sobremetal.
Conformação: mudança para uma forma de peça, previamente estudada e desejada;
Deformação: mudança para uma forma não definitiva.
Tecnologia da Conformação
Consiste na compressão de um corpo rígido, que é forçado a assumir uma forma desejada pelo deslocamento do material sólido.
Forjamento a frio
O forjamento a frio se aplica a metais dúcteis. Esses metais são capazes de serem conformados plasticamente em vários graus, dependendo do ferramental apropriado (matriz) e do valor do esforço de compressão. Este valor é limitado superiormente pelo L.R. e inferiormente pelo LE.
Se for abaixo do LE, o material se deforma elasticamente e cessado o esforço, cessa a deformação. Se for acima do LR, o metal se rompe.
Operações
Obtendo o Blanque (ou Tarugo):
Blanque é uma peça obtida pelo corte de uma barra produzida por laminação a quente. Os blanques são obtidos por corte dessas barras em guilhotinas (prensas verticais ou horizontais) ou em serras circulares. Para a operação de corte, é desejável uma dureza média e para a operação de conformação é desejada baixa dureza ou maior plasticidade.
Tratamento Térmico:
Para se obter maior deformabilidade o blanque deve passar pelo tratamento térmico de recozimento denominado esferoidização ou coalescimento. A estrutura obtida neste tratamento é uma estrutura esferoidizada, isto é, de ferrita + cementita esferoidizada.
A temperatura para este tratamento depende do aço a ser tratado. Em geral, existem duas técnicas para se obter estruturas esferoidizadas:
aquecer o material a uma temperatura ligeiramente a temperatura crítica inferior, mantendo por longo tempo, esfriando a seguir no forno;
alternar o aquecimento até uma temperatura ligeiramente superior e resfriar até uma temperatura ligeiramente inferior a temperatura crítica do aço. Reaquecer novamente, repetindo este ciclo varias vezes, por fim, resfriar lentamente no forno.
Remoção de carepas ou Decapagem:
Este processo pode ser mecânico ou químico. A finalidade é eliminar acarepa, para diminuir o atrito do blanque com as matrizes, evitando diminuição da vida útil das mesmas.
Lubrificação:
O metal sob forjamento a frio, esta sob altos esforços, em contato com a matriz. Este fato provoca atritos elevados entre as superfícies metálicas (blanque/matriz). Estes atritos são reduzidos com a lubrificação dos blanques. Com o tempo as matrizes se desgastam. Existem valores limites para este desgaste.
A performance do processo vai depender:
da matéria-prima;
da matriz / punção / extrator.
Uma matriz de aço terá uma variação dimensional de 0,01 mm para 10.000 peças produzidas.
Forjamento:
A definição de qual operação de forjamento será aplicada ao blanque dependendo do projeto de forjamento da peça:
Recalque:
Nesta operação, o blanque sofre um aumento da secção transversal e uma diminuição do comprimento. O recalque pode ser feito com o blanque sendo inteiramente forjado dentro da matriz, ou no martelo. O recalque em um caso particular é chamado de encabeçamento. (Fig. 5 e 6)
5.2 Extrusão:
Nesta operação, o blanque sofre uma diminuição na secção transversal e aumento no comprimento. Pode ser extrusão à frente: o metal se desloca no mesmo sentido do movimento do martelo; extrusão à retaguarda: o metal se desloca em sentido contrario ao do movimento do martelo. (Fig. 7, 8 e 9)
Na extrusão à retaguarda o metal é forçado a deslocar-se em direção oposta ao movimento do martelo.
O metal pode ser também, forçado a deslocar-se para dentro do recesso do punção, conforme mostrado abaixo. (fig. 10)
Estas duas operações podem ser combinadas (simultâneas). (Fig. 11)
5.3 Recorte:
Corte da parte externa do blanque para obter a forma final. (Fig. 12)
5.4 Perfuração:
Para obtenção de furos passantes. (Fig. 13)
5.5 Cunhagem:
É uma operação de preparação para outras operações: apenas altera a espessura ou forma do blanque. (Fig. 16)
Formatos recomendados:
Processo se aplica para fabricação de peças simétricas;
Condições desfavoráveis;
Peças em formatos fortemente assimétricos;
Peças com cantos vivos; 
Peças com rebaixos internos ou externos;
Peças com mudanças bruscas nas dimensões;
Peças com diâmetros < 10 mm.
Alterações nas propriedades mecânicas
Com o forjamento a frio, temos:
aumento do LR;
aumento do LE;
aumento da dureza;
diminuição do alongamento;
diminuição da estricção;
estrutura interna, isto é, os cristais ficam orientados na direção do trabalho (esforço) aplicado.
Exemplo:
	Antes do forjamento:
	Aço
	Rb
	LR (psi)
	LE (psi)
	Al.
	Est.
	1020
	57
	5800
	40250
	38%
	62%
	Após forjamento 40% de redução de área:
	Aço
	Rb
	LR (psi)
	LE (psi)
	Al.
	Est.
	1020
	92
	104800
	101166
	9%
	36%
Aplicações
Aplicação da tecnologia de forjamento a frio esta voltada para uma área específica da produção industrial: quando se deseja obter peças metálicas em alto volume; peças simétricas, que vão operar em severas condições. É preciso ao um processo de fabricação, analisar o aspecto técnico, isto é, o que se pretende com a peça, suas propriedades mecânicas, condições de superfície e aspecto econômico. As primeiras produções em massa estiveram voltadas para produção de parafusos, porcas, rebites, peças para as quais o processo de usinagem é antieconômico. É de grande uso na fabricação de componentes bélicos: ogivas, capas de granadas, devido a menor utilização de material.
	Diâmetro
externo
nominal
D(mm)
	Desvios
em torno
de D(mm)
	Desvios para
diâmetro
interno
	Espessura da Parede
	Espessura do Fundo
	
	
	
	
	
	
	
	
	Dimensão
Nominal 
t¹
	Dimensão
Nominal 
t² 
	Dimensão
Nominal 
t²
	Desvio
de t²
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	-13
	± 0,08
	± 0,10
	-0,6
	± 0,05 - ± 0,11
	-0,5
	± 0,17
	13 - 25
	± 0,13
	± 0,10 - ± 0,25
	0,8 - 0,1
	± 0,08 - ± 0,11
	0,5 - 1,0
	± 0,20 - ± 0,30
	25 - 50
	± 0,20
	± 0,15 - ± 0,30
	0,1 - 0,2
	± 0,11 - ± 0,17
	1,0 - 1,5
	± 0,20 - ± 0,35
	50 - 75
	± 0,25
	± 0,20 - ± 0,35
	0,2 - 0,4
	± 0,14 - ± 0,17
	1,5 - 2,5
	± 0,30 - ± 0,40
	75 - 100
	± 0,35
	± 0,25 - ± 0,45
	0,4 - 0,6
	± 0,17 - ± 0,20
	2,5 - 4,0
	± 0,35 - ± 0,50
	100 - 120
	± 0,40
	± 0,30 - ± 0,50
	0,6 - 1,0
	± 0,17
	4,0 - 5,0
	± 0,40 - ± 0,50
	120 - 140
	± 0,45
	± 0,40 - ± 0,55
	1,0 - 1,5
	± 0,20
	5,0 - 7,0
	± 0,45 - ± 0,60
Tolerâncias dimensionais em peças tubulares de aço, forjadas a frio.(fig. 20 / Tabela 1)
	DIÂMETRO DA CABEÇA (mm)
	DESVIO NO 
DIÂMETRO
	COMPRIMENTO
DA HASTE
	DESVIO DE
RETILIDADE
	
	
	
	
	
	
	
	
	12,5 - 25,0
	0,13
	 < que 10
	0,02 - 0,17
	
	
	
	
	25,0 - 50,0
	0,16
	< que 20
	0,05 - 0,25
	
	
	
	
	50,0 - 75,0
	0,19
	< que 50
	0,10 - 0,50
	
	
	
	
	75,0 - 100,0
	0,22
	< que 75
	0,20 - 1,50
	
	
	
	
	 
	 
	< que 125
	0,50 - 2,00
	
	
	
	
Tolerâncias dimensionais para componentes encabeçados (Feldmann 1961) [53}(fig. 21 / Tabela 2)
Tolerâncias dimensionais e tolerâncias de forma e posição acham-se já normalizados e claramente apresentados no documento nº 1/1978, ICFG [53]
Exemplo: 
Peça da fig. 22 mostra
 um quadro comparativo,
 realizado por uma 
empresa japonesa.
	Forjamento a Frio
	Usinagem
	
	
	Material necessário:
	 
	
	
	1. Dimensões: Ø 25,9 x 13,0 mm
	1. : 28,0 x 25,0 mm
	
	
	2. Peso: 53 gr.
	2. : 115 gr.
	
	
	Tempo de processamento:
	Fixação: 1 min.
	
	
	Recozimento e Lubrificação: 5 seg.
	Furação: 5 min. 40 seg.
	
	
	Corte do "slug" (blanque): 15 seg.
	Acabamento do Ø ext: 1 min. 20 seg.
	
	
	Forjamento a Frio: 5 seg.
	Usinagem Cônica: 1 min. 20 seg.
	
	
	 
	Corte e Faceamento: 2 min 30 seg.
	
	
	Total: 25 seg.
	Total: 710 seg.
	
	
	Custos de Fabricação:
	 
	
	
	1. Custos de Material: $ 0,70
	1. $ 1,50
	
	
	2. Custos de Proces.: $ 0,80
	2. $ 19,50
	
	
	3. Custos de Prep.: $ 0,30
	3. $ 0
	
	
	Total: $ 1,70
	Total: $ 21,10
	
	
Comparativo com outros processos 
Usinagem
O processo de usinagem leva vantagem nos seguintes casos:
peças pequenas obtidas em torno automático / torno revolver que necessitem de muitas operações e tratamentos se forjados a frio ou que não apresentem significativas econômias de material.
Peças em pequenos lotes, com produção intermitente ou esporádica.
Peças de forma complexa, sem simetria.
Peças de porte médio e grande.
O processo de forjamento leva vantagem quando se trata de lotes de peças simétricas de tamanho pequeno a médio, em elevadas quantidades com produção contínua e que necessitem de tolerâncias restritas ou apertadas, acabamento superficial de retificação / polimento e propriedades mecânicas elevadas ( que necessitem de têmpera, o que tornaria caro se fossem usinadas). O processo de forjamento a frio, permite ainda a utilização de aços de baixo carbono em lugar de médio carbono ou aço liga devido as melhorias nas propriedades mecânicas. Além disso, a estrutura interna do materialforjado a frio, fica orientada no sentido do esforço, sem interrupção (Fig. 25) ao passo que , no material usinado a estrutura é cortada. Finalmente o processo de forjamento a frio permite maior economia de material.
Fundição Convencional e fundição Especial(sob pressão/Microfusão)
Grande precisão dimensional, excelente acabamento superficial a maior resistência mecânica que os processos de fundição, porem é um processo restrito (tamanho, quantidade e forma das peças). Se as propriedades mecânicas possíveis de serem obtidas no processo de forjamento a frio, não forem necessárias, o processo de fundição é mais vantajoso.
Forjamento a quente
A utilização do calor, para facilitar a deformação dos materiais, implica em operações adicionais de normalização, limpeza por jateamento e um controle na descarbonetação, além disso, aumenta o custo: 
Pelo consumo de energia para o aquecimento;
Pela maior manutenção de equipamentos;
Maior quantidade de material a ser removido posteriormente;
Tratamento térmico posterior;
Usinagem posterior.
Lembramos que o forjamento a frio esta limitado a forma e tamanho das peças, definindo capacidade das prensas.
Sinterização (Metalurgia do pó)
É um processo que parte de uma mistura de pós metálicos puros que são compactados em uma matriz e após são tratados termicamente para que ocorra a difusão atômica. Este processo tem uma variável diferente que visa obter materiais novos sem a fusão dos seus elementos. Algumas aplicações dos materiais sinterizados são especificas. Não há como competir. Pode-se dizer que há possibilidade de comparação quando existe alto volume de produção, resistência mecânica não é um parâmetro restritivo ou que pode ser alcançada com um ou outro processo e com materiais equivalentes.
Atualmente já são utilizados os dois processos como complementares, isto é, obtêm se a pré-forma pela sinterização (metalurgia do pó) a após o forjamento a frio pode se obter maior resistência mecânica. 
Figura(25): À esquerda, uma peça forjada a frio com as linhas estruturais contínuas, orientadas sem interrupção, acompanhando o contorno, de modo a oferecer maior resistência nas áreas de concentração de tensões.
À direita, uma peça usinada, com as linhas estruturais interrompidas.
Foto ao lado - para produzir o eixo de	
 um amortecedor, um torno automático
 necessita de 195 gramas de aço.
Foto ao lado - A prensa a frio Boltmatic 
se contenta com 76 gramas, isto é, 	
menos do que a metade.
Figura (26): No primeiro caso 122 gramas transformam-se em cavaco. No segundo caso, apenas 3,5 gramas. Ref, [54] e [63].
Questionário
O que são matrizes abertas e fechadas?
Qual seqüência operacional para se o obter uma barra forjada a quente de um aço ferramenta, partindo-se de um lingote?
Qual tratamento térmico necessário para se obter as condições necessárias para forjar a frio um blanque de aço ao carbono de média liga?
Qual estrutura ideal do blanque para forjamento a quente?
Especificar entre que limites deve estar a tensão de trabalho para ocorrer um forjamento a frio com sucesso?
Calcular o peso de um lingote necessário para obter um eixo forjado usinado de 5 toneladas.
Qual a seqüência de operações necessárias para obter essa peça da pergunta 5.
O que é o tratamento térmico imunização e para que serve este tratamento?
Esquematizar a seqüência de operações para se obter um forjamento a frio um parafuso qualquer?
 Qual a relação mínima entre as áreas transversais de um lingote e de uma peça obtida por forjamento a quente? Justificar a resposta.
 Por que a peça forjada a quente tem maior resistência do que um lingote?
 Em que fase do processo de forjamento a quente é cortado um massalote e porque ele é eliminado?
 No caso de forjamento a frio, por que se utiliza como matéria prima o fio máquina ou material trefilado?
No caso de forjamento a quente, por que aquecer o material em alta temperatura?
 Por que no caso do forjamento a quente o material lingote não pode permanecer no forno de aquecimento durante longo tempo?
 O que é perda ao fogo?
Quais as operações complementares no processo de forjamento a frio?
 O que são peças esboçadas?
 Num forjamento a quente de lingotes, como transformar um perfil quadrado em um perfil redondo?
 Como se processa o aquecimento por indução dos blanques no processo de forjamento a quente?
Cementita esferoidizada no fundo de Ferrita
�