TRABALHO FORJAMENTO G2

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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
DISCIPLINA DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA I
FORJAMENTO
Canoas, Junho de 2018.
	
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SUMÁRIO
SUMÁRIO	2
Introdução.	3
1. Descrição de Forjamento.	4
2. Temperaturas de forjamento.	4
2.1. Forjamento a Frio.	4
2.2. Forjamento a Morno.	6
2.3. Forjamento a Quente.	7
3. Forjamento em Matriz Aberta	9
4. Forjamento em Matriz Livre	9
5. Forjamento por Prensagem	10
6. Operações Unitárias	11
7. aplicação Prática.	12
8. Conclusão.	16
INTRODUÇÃO
Os métodos de conformação mecânica, apresentados ao longo da história, obviamente modificaram a indústria metalúrgica.
Eles estão presentes (intrínsecos) na variedade de itens que vemos ou utilizamos todos os dias e a crescente progresso destes procedimentos tende a confirmar evoluções ainda melhores, auxiliando para a formação de novos artigos e modernas inteligências.
Com o propósito de obtivermos maior entendimento em um dos vários métodos de conformação mecânica, apresentados em sala de aula, colocaremos a pesquisa a seguir focada para o método de FORJAMENTO.
1. FORJAMENTO
Método parecido à conformação, diferente pelo acontecimento de que este ocorre por impacto. A matéria-prima é inserida na parte inferior do molde, então a parte superior desce em alta velocidade e atinge a matéria-prima.
A rápida deformação plástica do material favorece as propriedades mecânicas da peça, criando encruamento superficial.
Forjamento é o nome genérico de execuções de conformação mecânica realizadas com esforço de compressão sobre um material dúctil, de tal modo que ele tende a atribuir-se o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho.
Conforme a classe do método usado no forjamento, é capaz criar pequena perda de material e boa precisão dimensional. Várias técnicas produtivas são usada para se obter forjar peças e aprimorar as qualidades metalúrgicas, umas dessas técnicas são milenares, com baixo grau tecnológico, caros e demorados e outras técnicas são de ultima geração. Nestas técnicas mais avançadas é normal o uso de software computacionais complexos, que possibilitam ganho de tempo e diminuição de perda de energia e material, conhecidos como CAD/CAM. A perda de material na conformação é cerca de 6% quando na usinagem são 74%.Quando as peças são forjadas procura-se modificar basicamente a elasticidade e a plasticidade dos metais.
Ferramentas: Na maior parte das operações de forjamento estabelece um ferramental formado por um par de ferramentas de superfície plana ou côncava, nomeadas matrizes ou estampas. 
Usos: A maioria das execuções de forjamento é realizada a quente; apesar disso, uma boa parte de diversidade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões são desenvolvidas por forjamento a frio.
2. TEMPERATURAS DE FORJAMENTO
O forjamento pode ser realizado em três faixas de temperatura conhecidos como: 
 Quente, morno e a frio.
2.1. FORJAMENTO A FRIO
Forjamento a frio, é uma alteração plástica de metais, sem aquecimento, onde o material é submetido por compressão, a fluir entre uma matriz e um macho, resultando na obtenção de peças com forma e tolerâncias de precisão.
É um processo empregado para mover, sem remover o metal. Esta técnica já afirmou ser bastante econômica. Suas funções estão evoluindo depressa e seu potencial e avanço para peças com formas geométricas mais detalhadas, produzidas com matérias-primas que concedem melhor grau de deformação. 
O trabalho a frio é auxiliado do encruamento do metal, que é originado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras, tais como contornos de grão que interdita o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica gera também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, acabam num alto estado de tensão interna na rede cristalina. Tudo isto consequência macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. 
Por encontrar-se em baixas temperaturas, a tensão de deformação do material é alta e, por isso requer altas pressões por parte das máquinas e, assim sendo, exige forjas de grande ou médio porte. O beneficio que se depara sobre o forjamento à quente é que após o método a peça situa-se já em suas dimensões acabadas, pois não sofreu dilatações por causa do aumento de temperatura. 
 Todos os materiais que apresentam uma ductilidade à temperatura ambiente podem ser deformados a frio, Basicamente o método a frio passa a ter proveitos econômicos, conforme do volume do material e de quanto à peça forjada se alcança em geometrias da peça pronta. 
VANTAGENS
• Mínima quantidade de matéria-prima solicitada (a peça pode ser alcançada em sua geometria final sem nenhum desvio de material ou com pequena quantidade de sobre metal para usinagem ou ainda precisando apenas operações de furação ou rebarbagem); 
• Melhoramento das propriedades mecânicas da peça devido ao trabalho de conformação efetuado no material (geralmente amplia o limite de ruptura, o limite de escoamento e a dureza, além de se conseguir uma estrutura granular orientada na direção do trabalho mecânico aplicado);
• probabilidade de aplicação de matéria-prima mais barata; 
• Alcance de formas especiais (é possível obter peças que não seriam produzidas economicamente por nenhum outro método); 
• Alta produtividade; 
• Precisão dimensional; 
• Melhor acabamento superficial; 
• A proteção contra a corrosão é desenvolvida devido à operação de fosforização; 
• Proporciona a troca de um material de custo maior (alta liga) forjado a quente, por outro de custo menor (aço carbono) forjado a frio, alcançando assim peças forjadas com propriedades mecânicas equivalentes. 
DESVANTAGENS
• Necessidade de prensas de capacidade superior; 
• Pressões elevadas nas ferramentas, precisando assim de materiais diferentes e normalmente de alto custo; 
• Necessidade de recozimentos intermediários para obterem-se maiores deformações; 
• Viável economicamente exclusivamente para lotes grandes de peças; 
• Etapas de preparação de máquinas e regulagem do ferramental maior. 
2.2. FORJAMENTO A MORNO
O forjamento a morno resume-se na conformação de peças num intervalo de temperaturas onde sucede o método de regeneração, por isso, o grau de endurecimento por deformação é enormemente menor do que no trabalho a frio. Encontra-se qualquer conflito sobre a faixa de temperaturas empregada na conformação a morno dos aços, mas de certeza se torna importante entre 500 e 800° C. A temperatura inferior de conformação é restringida em cerca de 500°C devido a capacidade de fato da "fragilidade azul" em temperaturas menores. Esta fragilização amplia a tensão de escoamento e minimiza a ductilidade. Ela acontece em temperaturas em torno de 200 a 400°C onde, átomos intersticiais difundem-se no decorrer da deformação formando atmosferas em torno das discordâncias geradas, ancorando-as. 
O nome azul refere-se a coloração do óxido criado na superfície do aço nesta faixa de temperaturas. Com relação ao trabalho a quente o método a morno mostra acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da dilatação - contração do material e da matriz. Estas particularidades permitem-se ter menores ângulos de saída (podem-se empregar maiores cargas para a saída da peça das matrizes sem deformar o produto). A maior desigualdade da conformação a morno com relação ao método a quente é o aumento do limite de escoamento que acontece com o abaixamento da temperatura de deformação. 
O aumento da carga de conformação provocara na necessidade de se empregar prensas mais fortes e ferramentas mais vigorosas. Os tarugos para a conformação, por sua vez, podem demandar decapagem para remoção de carepa e aplicação de lubrificantes no decorrer do processo. Em ligação ao trabalho a frio o método a morno mostra diminuição dos esforços de deformação, o que deixa a conformação mais fácil de peças com formas complexas, basicamente em materiais com alta resistência. A conformaçãoa morno melhora ainda a ductilidade do material e elimina a falta de recozimentos intermediários que gastam muita energia e tempo.
2.3. FORJAMENTO A QUENTE
O trabalho a quente altera a micro estrutura do material havendo um aumento na tenacidade e ductilidade, se comparado ao estado fundido. Normalmente, a estrutura dos metais trabalhados a quente, quando analisados e comparados em secções retas com metais trabalhados a frio e recozidos apresentam um estado de dissemelhança em função de a camada superficial receber um índice maior de deformação. O metal possuirá grãos recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do artefato estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior, durante o resfriamento do que a superfície externa pode ocorrer crescimento de grão no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho. 
Grande parte das operações de trabalho a quente executadas hoje em dia é realizada em múltiplos passes ou estágios, em geral, os passes intermediários são realizados com temperatura constante superior ao limite inferior do trabalho a quente, para que haja redução na tensão de escoamento, deve-se considerar a ameaça de crescimento de grão. Como ao fim do processo deseja-se um artefato com tamanho de grão pequeno, a temperatura dos últimos passes (temperatura de acabamento) é próxima do limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande. Uma peça com a sua micro estrutura composta de grãos pequenos apresentam melhor tenacidade e resistência mecânica.
Para se garantir a obtenção de peças forjadas de boa qualidade, o processo precisa ser completado a uma temperatura controlada e definida de acordo com cada tipo de material. 
Um forjamento realizado a temperaturas abaixo das pré-definidas, conforme tabela 01, pode-se visivelmente identificar as anomalias, pois o material encruado esta sujeito a fissuramento. O encruamento pode ser corrigido através de um recozimento, mas as fissuras não. 
Uma queda de temperatura pode ser decorrente de algumas peculiaridades, por exemplo, o contato da peça com a atmosfera sem controle, transferência de calor da peça em contato com ferramenta fria. Sendo os fatores que influem na transmissão do calor o tempo de contato peça-ferramenta e a área de contato da superfície da peça. 
No decorrer do processo de conformação a quente, também há um ganho de energia calorifica proveniente da deformação do material, porem esta energia é de um potencial muito inferior às perdas anteriormente citadas. Salvo, os casos onde se conforma aços de alta liga, submetido à elevada conformação, onde há uma possibilidade que este aquecimento sobreponha ao esfriamento. 
VANTAGENS
· Menor dimensionamento de equipamento, pois a energia requerida para conformar o material a quente é inferior quando comparado a conformação a frio, sendo a tensão de escoamento decrescente com o aumento da temperatura; 
· Aumento da ductilidade do material (capacidade do material realizar deformações plásticas sem se romper);
· Homogeneização química das estruturas brutas de fusão em virtude da rápida difusão atômica interna; 
· Extinção de bolhas e poros por caldeamento; 
· Eliminação ou refino da granulação grosseira e colunar do material fundido, proporcionando a obtenção de grãos menores, recristalizados e equiaxiais; 
· Amplificação de tenacidade e ductilidade do material trabalhado em comparação ao bruto de fusão. 
DESVANTAGENS
· Gasto de energia no aquecimento das peças; 
· Necessidade de equipamentos específicos (fornos, manipuladores).
· Possível reação do metal com a atmosfera do forno (oxidação), outros problemas também relacionados no caso dos aços, ocorre também descarbonetação superficial; metais reativos como o titânio fica severamente fragilizado pelo oxigênio, o ideal é que este seja trabalhado em atmosfera inerte ou protegido do ar atmosférico por uma barreira adequada; 
· Formação de óxidos, prejudiciais para o acabamento superficial; 
· O desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação mais complexa; 
· Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais em função da expansão e contração térmica; 
· As propriedades micro estruturais do produto resultante apresentam menor uniformidade do que em caso de trabalho a frio seguido de recozimento, pois a deformação é sempre maior nas camadas superficiais, produzindo nas mesmas uma granulação recristalizada mais fina, enquanto que as camadas centrais, menos deformadas e sujeitas a um resfriamento mais lento, apresentam crescimento de grãos. 
3. FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
Neste tipo de forjamento material é conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam. Este processo é mais utilizado geralmente para fabricar peças grandes, com forma relativamente simples como, por exemplo: eixos de navios e de turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, excêntricos, ferramentas agrícolas. Também é utiizado para pré-conformar peças que serão submetidas posteriormente a operações de forjamento mais complexas. O forjamento livre se divide em operações unitárias e operações unitárias mais comuns.
4. FORJAMENTO EM MATRIZ LIVRE
O forjamento em matriz livre é uma operação geralmente definida como preliminar onde, a partir de blocos ou tarugos, procura-se esboçar uma forma que, com posteriores deformações por forjamento em matriz ou outro processo qualquer, possa atingir uma forma mais complexa. Esse tipo de forjamento, apesar de envolver ferramentas simples, deve ser realizado por um operador experiente, e permite uma série de operações de natureza pouco complexa, conforme ilustra a figura abaixo, que mostra quatro operações de forjamento livre. Na figura (a) tem-se uma operação de esmagamento de um disco metálico; em (b) apresenta-se a conformação de um flange; em (c) é mostrado o dobramento de uma barra e em (d) o dobramento de uma chapa metálica.
Figura 1 – Processo de forjamento em matriz livre
5. FORJAMENTO POR PRENSAGEM
O processo de prensagem é usado para a deformação inicial de grandes lingotes, que resultam em produtos que serão posteriormente forjados ou, então, pode-se usar esse processo para forjar lingotes de grandes eixos (usados em navios, por exemplo), ou para forjar peças de formas simétricas com secção circular ou cônica. A figura abaixo mostra um esquema da prensa usada para o processo de forjamento. Essas prensas são muito grandes, podendo atingir 50000 toneladas e são acionadas hidraulicamente.
Figura 2 – Foto de uma matriz de forjamento por prensagem
Deve-se observar no forjamento o fenômeno de contração do metal. O metal aquecido à temperatura de forjamento dilata, logo, ao resfriar-se ele se contrai. Isso deve ser levado em conta quando se projeta uma matriz para forjamento, sendo que esta deverá ser construída um pouco maior, porque se isso não ocorrer, a peça resultante apresentará dimensões menores do que projetada. Na prática, podem-se considerar os seguintes valores para a contração, mostrados na tabela seguinte.
	Material
	Contração
	Aço
	1% (de 1020 a 20°C)
	Cobre e bronze
	0,8% (de 520 a 20°C)
	Latão
	0,9% (de 520 a 20°C)
	Ligas leves
	0,9% (de 420 a 20°C)
Tabela 1 – Valores para contração
6. OPERAÇÕES UNITÁRIAS
São operações relativamente simples de conformação por forjamento, empregando matrizes abertas ou ferramentas especiais, podendo ter as finalidades de: - Produzir peças acabadas de feitio simples - Redistribuir a massa de uma peça bruta para facilitar a obtenção de uma peça de geometria complexa por posterior forjamento em matriz.
a) Recalque ou recalcamento: Compressão direta do material entre um par de ferramentas de face plana ou côncava, visando primariamente reduzir a altura da peça e aumentar a sua secção transversal.
b) Estiramento: Visa aumentar o comprimento de uma peça à custa da sua espessura.
c) Encalcamento: Variedade de estiramento em que se reduz a secção de uma porção intermediária da peça, por meio de uma ferramenta ou impressãoadequada.
d) Rolamento: Operação de distribuição de massa ao longo do comprimento da peça, mantendo-se a secção transversal redonda enquanto a peça é girada em torno do seu próprio eixo.
e) Caldeamento: Visa produzir a soldagem de duas superfícies metálicas limpas, postas em contato, aquecidas e submetidas a compressão. Como por exemplo, a confecção de elos de corrente.
f) Alargamento Aumenta a largura de uma peça reduzindo sua espessura.
g) Furação:
Abertura de um furo em uma peça, geralmente por meio de um punção de formato apropriado.
Figura 3 – Exemplo de punção
7. APLICAÇÃO PRÁTICA
Para o projeto, consideramos a elaboração de um clips forjado, que tem a aplicação voltada para a fixação de um tipo de guia utilizado em elevadores de passageiros.
Durante o movimento vertical do elevador, sendo este intermitentemente, tende a chocar-se contra as paredes das guias de corrida, resultando em carregamentos de cargas estáticas e dinâmicas. Desta forma, o clips que fixa a guia precisa ser constiuído de um material dúctil para absorção de energia e ao mesmo tempo com considerável resistência mecânica (tenacidade), afim de resistir às solicitações mecânicas.
Por estes motivos o material escolhido para a fabricação do clips foi o aço forjado AISI 1015, com tensão limite de escoamento de 325 Mpa, que possui propriedades mecânicas condizentes com as necessidades já informadas.
 As especificações dimensionais da peça a ser produzida estão apontadas conforme figura 4.
Figura 4 – Especificação dimensional da peça
Para uma melhor visualização das proporções geométricas do clips e aplicação da peça na estrutura do elevador, segue abaixo as ilustrações das figuras 5, 6 e 7.
 Figura 5 – Clip montado no trilho guia Figura 6 – Posição e tipo de fixação
Figura 7 – Vista isométrica da peça modelada
Devido à exigência geométrica do clips, consideramos a utilização de uma matriz fechada, uma prensa hidráulica e o forjamento à quente e sem rebarbas para a conformação, sendo que após, uma operação de corte a frio deverá ser realizada para fabricação do furo passante.
Com base nas informações técnicas do lubrificante líquido a ser aplicado e os dados da tabela 2, determinamos, para fins de cálculo o valor de 0,2 para o coeficiente de atrito.
Tabela 2 – Valores do coeficiente de atrito (μ) para diferentes processos de
conformação mecânica, Schaeffer (1999)
Para a faixa de temperatura de forjamento, chegamos ao valor de 900 a 1150°C, conforme tabela 3.
Tabela 3 – Faixas de temperatura de conformação a quente dos materiais comuns
Processo de conformação a quente do clips 
Para o cálculo da força exigida no processo utilizou-se a equação 1.
 (Equação 1)
Onde:
- f = Força de prensagem calculada necessária para o forjamento;
- µ = Coeficiente de atrito;
- h1= altura final da peça;
- d1 = diâmetro final da peça; 
- Kf = Tensão de escoamento do material.
- A1 = Área final da peça
Para este cálculo consideramos os seguintes dados:
- Kf = 325 Mpa;
- µ = 0,2
- h = 6 mm
- d1 = 50,5 mm
Obs: Como a peça em questão tem o formato retangular, e a equação solicita o diâmetro (d1), calcularemos a área da peça quadrada, e em cima desta, calcularemos um diâmetro equivalente, mantendo sempre a relação .
Assim, temos:
Área final da peça (A1): (Equação 2)
 A1= 2000 mm²
Diâmetro equivalente (d1): (Equação 3)
 d1 = 50,5 mm 
Força de prensagem f : 
Calculo da geratriz que originará o clips
Para calcular o bloco da geratriz, precisaremos do volume da peça pronta, que foi obtido através do software de CAD Solidworks, as dimensões de altura e largura serão pré-determinadas conforme medidas de mercado, faltando assim apenas determinar o comprimento.
Dados:
Volume = 16054,21 mm³
Altura do bloco = 25 mm
Largura do bloco = 25 mm
A equação para determinar o comprimento será baseada na mesma que calcula-se o volume conforme abaixo:
 (Equação 4), onde:
- V = Volume
- b = Base do bloco
- h = Altura do bloco
- l = Comprimento do bloco
Reorganizando para isolar a variável l, teremos uma nova equação.
 (Equação 5)
Então, calculando teremos:
 25,7 mm
Abaixo, segue representado o bloco da geratriz com suas respectivas dimensões (figura 8).
Figura 8 – Vista isométrica com as dimensões da geratriz
Calculo das deformações 
Para o calculo das deformações, utilizaremos as seguintes equações abaixo:
Deformação relativa : Deformação verdadeira 
 (Equação 5) (Equação 6) 
Onde:
- h0 = Altura inicial da peça;
- h1 = Altura final da peça.
Sendo assim, para deformação relativa temos: 0,76 ou 76%.
E para deformação verdadeira: 1,43
Calculo de energia de prensagem
Para o calculo da energia de prensagem utiliza-se a seguinte equação: 
 (Equação 7)
Onde:
- T = Energia de prensagem;
- V = Volume;
- Kfm = Tensão de escoamento média;
- = Deformação verdadeira;
- Rendimento.
Para o calculo teremos os seguintes valores:
- V = 16054,21 mm³
- Kfm = 325 Mpa (neste caso utilizaremos a mesma tensão de escoamento);
- = 1,43;
- 80%.
 9326492,62 N.mm 9326,49262 N.m
Calculo da força de corte para fazer o furo no centro do clips
Esta operação será realizada com a peça já conformada e resfriada, sendo que a força de corte é dada pela equação abaixo:
 (Equação 8)
Onde: 
- = Força de corte;
- Ac = Área de corte;
- K = Para cisalhamento puro.
Para calcular a força de corte, primeiramente devemos calcular “K”, que é dado pela seguinte equação:
 (Equação 9)
Onde:
- Tensão de escoamento de material.
Para 325 Mpa calcula-se:
 
Calculando a força de corte, como valor de “K” já conhecido, o diâmetro médio do furo de 16,5 mm e altura de corte de 6 mm temos:
 
Para calcular a energia de corte
Para calcular a energia de corte utilizaremos a seguinte equação:
 (Equação 10)
Onde:
- T = Energia de corte;
- Força de corte;
- Caminho percorrido pela ferramenta de corte.
Para os valores abaixo temos:
 - 58359 N;
- 6 mm.
 
8. CONCLUSÃO
Através do estudo realizado durante as aulas teóricas em sala, podemos aplicar neste trabalho algum dos métodos para simular um processo de conformação mecânica, que neste caso foi forjamento a quente, de precisão e utilizando uma prensa hidráulica. 
Podemos identificar durante a atividade o quão é importante determinar o método de fabricação mais adequado, barato e ao mesmo tempo em que confia, para a peça que será produzida, as características necessárias para atender as solicitações que lhe serão aplicadas durante seu uso.
Escolhemos o material, definimos as etapas de fabricação, calculamos a força, a energia e deformações de cada etapa, o que nos mostra e nos dá noção de grandezas envolvidas neste tipo de conformação que até o momento não tínhamos noção, sendo que este tipo de trabalho é muito importante e enriquece o aprendizado do aluno.