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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. Vídeo • 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. • 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. 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. Vídeo • 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. • 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. 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 confinado 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. Vídeo • 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. • 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. • 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. 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. Vídeo 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 compressivos gradativamente 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. 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 prensamecânica 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. 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. • 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 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. • 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. • 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. • 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. 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. 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. 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. 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. 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 podem causar 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. • 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 • 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 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 escoamentocom 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. Vídeo
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