PF1 - Aula 13 - Extrusão

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Extrusão
Prof.: Dr. André G. S. Galdino
• Após esta aula, o aluno deverá ser capaz de:
a) Entender o que é o processo de extrusão;
b) Compreender a mecânica de extrusão;
c) Definir os critérios geométricos para a
fabricação de matrizes de extrusão;
d) Classificar os vários tipos de processos de
extrusão.
1. Objetivos:
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• Para melhor aproveitamento da aula, o aluno
precisará dos seguintes conceitos:
a) Textura e anisotropia;
b) Discordâncias;
c) Trabalho a quente, a frio e a morno.
2. Pré-requisitos necessários para a
aula:
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3. Conceitos iniciais de extrusão:
• A extrusão é um processo de conformação
plástica que consiste em fazer passar um
tarugo ou lingote (de seção circular), colocado
dentro de um recipiente, pela abertura
existente no meio de uma ferramenta,
colocada na extremidade do recipiente, por
meio da ação de compressão de um pistão
acionado pneumática ou hidraulicamente.
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Figura 1 – Ilustração do processo de extrusão direta.
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• Os produtos da extrusão são perfis e tubos, e,
particularmente, barras da seção circular.
• Porém, formas de seção transversal mais
irregulares podem ser conseguidas em metais
mais facilmente extrudáveis como o alumínio.
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• A passagem do tarugo pela ferramenta, com
furo de seção menor do que a do tarugo,
provoca a deformação plástica, mas sem
efeito de encruamento, pois comumente o
processo é conduzido a uma temperatura de
trabalho acima da temperatura de
recristalização do metal.
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• Normalmente, portanto, o processo de
extrusão é um processo de trabalho a quente
e visa obter perfis metálicos com
propriedades mecânicas controladas e de
comprimento limitado pelo volume do lingote
inicial.
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• Como a estrutura metálica do produto da
extrusão se encontra na condição
recristalizada, é possível aplicar ao metal
extrudado intensos trabalhos de deformação a
frio adicionais como os de trefilação.
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• O lingote inicial é assim denominado por ser
proveniente de um processo de fundição.
• Contudo, se a peça inicial, matéria-prima para
a extrusão, for obtida do processo de
laminação de barras de grande seção, é
melhor ser designada como barra inicial ou
tarugo.
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• A extrusão também produz barras de menor
diâmetro para serem trabalhadas pelo
processo de trefilação.
• Para esse último processo, no entanto, a
matéria-prima pode também ser proveniente
do processo de laminação.
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• Para os metais não-ferrosos comuns, é usual a
utilização do processo de extrusão para a
obtenção dos perfis de forma variada, ao invés
do processo de laminação, apesar da limitação
do comprimento do produto obtido.
• A extrusão, nesse caso, permite ainda obter
um produto mais homogêneo, estrutural e
dimensionalmente, e menos atacado por
oxidação superficialmente.
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• A primeira vantagem resulta da manutenção
da temperatura de trabalho em níveis mais
constantes e a segunda decorre do pequeno
contato do tarugo, ou lingote, com o meio
ambiente durante o processamento.
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• A extrusão apresenta também algumas
desvantagens em relação à laminação, tais
como custo maior de aquisição de
equipamento, limitação de comprimento do
perfil, velocidade de trabalho menor e maior
não uniformidade de deformação ao final do
processo.
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4. Mecânica da extrusão:
• A extrusão é classificada como processo de
compressão indireta, pois são as paredes
internas da ferramenta que provocam a ação
de compressão sobre o tarugo, devido à
reação à pressão do pistão.
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• O processo de extrusão, quanto ao tipo de
movimento, do material, pode ser classificado
em dois tipos: direta e inversa (indireta).
• Outros tipos de extrusão são: hidrostática; por
impacto; e lateral.
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• Apesar da extrusão inversa exigir menor
esforço de deformação e permitir a obtenção
de um produto mais homogêneo (não
provocando, também, o aparecimento do
defeito típico de final do processo, como pode
ocorrer na extrusão direta), o primeiro tem
uma utilização maior em face da maior
simplicidade do equipamento, pois não exige
um pistão oco (que tem uma resistência
limitada à flambagem para grandes
componentes).
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Figura 2 – Ilustração do processo de extrusão direta.
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Figura 3 – Ilustração do processo de extrusão indireta.
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• Na extrusão direta, o pistão age sobre o
tarugo forçando a sua passagem pela
ferramenta, colocada no lado oposto do
recipiente, e provocando uma intensa ação de
atrito entre o tarugo e o recipiente de
extrusão.
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• Na extrusão inversa, o pistão se mantém fixo,
com a ferramenta colocada na sua
extremidade, e o recipiente com o tarugo
avança em sua direção, tornando inexistente o
atrito entre o tarugo e o recipiente.
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• A redução do atrito no recipiente, quando do
uso de extrusão direta, pode ser obtida com o
uso de lubrificantes resistentes a temperatura
elevada. O fluxo de saída do metal é, nesse
caso, denominado "escoamento frontal".
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• Esse processo pode, contudo provocar o
aparecimento de defeitos causados pelo atrito
na superfície do produto, tais como bolhas e
escamas - defeitos estes provenientes do
desalinhamento entre o pistão e o recipiente,
da distribuição deficiente do lubrificante, do
desajuste entre o disco de pressão e o disco
do recipiente e da superfície irregular do
recipiente.
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• Para eliminar estes inconvenientes, utiliza-se o
processo de extrusão direta sem lubrificante,
mas com um disco de diâmetro menor que o
do recipiente.
• Forma-se, neste caso, uma casca de metal
não-extrudado e aderente ao recipiente, que
deve ser retirada após ter sido completada a
extrusão de um tarugo.
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• Nesse processo, o escoamento do núcleo do
tarugo ocorre em primeiro lugar, pois a sua
superfície fica refreada pelo intenso atrito
com o recipiente, caracterizando, assim, um
"escoamento central" com rotação das
camadas frontais do tarugo.
• Parte da superfície frontal do tarugo fica
bloqueada na região do recipiente, adjacente
à ferramenta, e não é extrudada, devendo ser
retirada depois de completado o processo.
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• O escoamento da parte central do tarugo,
sendo predominante, provoca um defeito na
extremidade final do produto extrudado,
caracterizado por um vazio interno, se não for
deixado um resto ou resíduo de tarugo no
recipiente.
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4.1. Extrusão direta:
• Na extrusão direta, o bloco metálico é
colocado numa câmara e forçado através do
orifício da matriz pelo êmbolo.
• É muito comum utilizar um bloco de aço (falso
pistão) entre o bloco metálico e o êmbolo
para proteger o pistão das altas temperaturas
e da abrasão provenientes deste tipo de
extrusão.
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• A abertura da matriz pode ser circular ou de
outro formato.
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Figura 4 – Ilustração do processo de extrusão direta.
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4.2. Extrusão indireta:
• Na extrusão indireta, o êmbolo é oco e a ele
está presa a matriz; a extremidade oposta da
câmara é fechada com uma placa.
• O atrito, neste caso, é menor do que na
extrusão direta, devido a não haver
movimento relativo entre as paredes da
câmara e o bloco metálico; em consequência,
o esforço necessário à deformação é menor.
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• Em contrapartida, como o êmbolo é oco,
existe a limitação da carga a ser aplicada,o
que dificulta a produção de perfis com
geometrias mais complexas.
• Isso explica porque a extrusão direta é mais
empregada.
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Figura 5 – Ilustração do processo de extrusão indireta.
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4.3. Extrusão hidrostática:
• Na extrusão hidrostática, a pressão para a
operação de extrusão é proveniente de um
meio fluido que envolve o tarugo. Não existe
fricção entre parede e tarugo.
• As pressões usadas são da ordem de 1400
MPa.
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• O método foi desenvolvido nos anos 1950 e
evoluiu para o uso de uma segunda câmara
pressurizada mantida a uma pressão mais
baixa.
• É a chamada extrusão fluido a fluido, que
reduz os defeitos do produto extrudado.
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• A extrusão por pressão aumenta a ductilidade
do material, portanto materiais frágeis podem
se beneficiar desta forma de extrusão.
• Entretanto as vantagens essenciais do método
são:
• baixa fricção;
• pequenos ângulos de matriz;
• altas relações de extrusão.
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• Podem ser extrudados por este método uma
grande variedade de metais e polímeros,
formas sólidas, tubos e outras formas vazadas
como favo de abelha (honeycomb) e perfis.
• A extrusão hidrostática é realizada usualmente
a temperatura ambiente, em geral usando
óleo vegetal como meio fluido, combinando as
qualidades de viscosidade e lubrificação.
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• Pode-se também trabalhar em alta
temperatura.
• Neste caso, ceras, polímeros ou vidro são
usados como fluido, que também tem a
função de manter o isolamento térmico do
tarugo durante o procedimento de extrusão.
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Figura 6 – Ilustração do processo de extrusão
hidrostática.
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4.4. Extrusão por impacto:
• A extrusão por impacto é similar a extrusão
indireta e frequentemente incluída na
categoria da extrusão a frio.
• O punção desce rapidamente sobre o tarugo
que é extrudado para trás.
• A espessura da seção extrudada é função da
folga entre o punção e a cavidade da matriz.
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• Os produtos de extrusão por impacto incluem
os tubos de pastas e assemelhados que são
peças descartáveis.
• A maioria dos metais não ferrosos podem ser
extrudados por impacto, usando-se prensas
verticais e taxas de produção de até duas
peças por segundo.
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• O processo permite produzir seções tubulares
de paredes muito finas (relações de diâmetro/
espessura da ordem de 0,005).
• Por esta razão, a simetria da peça e
concentricidade do punção são fatores
importantes.
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Figura 7 – Ilustração do processo de extrusão por
impacto.
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Figura 8 – Exemplos de peças conformadas por
extrusão por impacto.
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4.5. Extrusão lateral:
• Na extrusão lateral, o material do tarugo é
forçado através de abertura lateral da câmara.
• Os eixos do punção e da peça tem diferentes
direções (ângulo reto).
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Figura 9 – Ilustração do processo de extrusão lateral.
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5. Máquina de extrusão:
• A máquina de extrusão é uma prensa
hidráulica, comumente horizontal, de 1.000 a
8.000 t (10 a 80 kN), e que pode adotar o
sistema de acionamento hidropneumático ou
oleodinâmico.
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• A prensa de extrusão é essencialmente um
conjunto cilindro-pistão hidráulico, em que o
cilindro necessita de constante alimentação de
líquido sob pressão para fazer movimentar o
pistão.
• A alimentação do cilindro pode se dar com
auxílio de uma bomba hidráulica, que mantém
a velocidade do pistão necessária à extrusão,
ou com o emprego de um acumulador de
pressão.
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• No primeiro caso, a alimentação e o
acionamento são do tipo oleodinâmico e, no
segundo caso, é do tipo hidropneumático.
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• Na alimentação oleodinâmica, o fluido (no
caso, óleo hidráulico) é mantido no cilindro
sob pressão constante, com auxílio de uma
bomba de vazão regulável, em função da
velocidade de extrusão, cujas principais
características a serem consideradas são: a
pressão máxima atingida e a velocidade de
resposta ao comando da velocidade de
alimentação.
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• Na alimentação hidropneumática, adota-se
um acumulador de pressão variável, que é um
recipiente sob pressão, contendo um líquido
(água com pequeno teor de óleo em emulsão
para reduzir a ação corrosiva da água sobre o
recipiente) pressionado por um gás (ar).
• A resposta que se obtém nesse sistema de
acionamento é de elevada velocidade.
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• A máquina mais adequada à extrusão de
metais não-ferrosos, que requerem uma
velocidade de extrusão com pequena variação
para não surgir defeitos nas peças extrudadas,
é a que adota um sistema de acionamento e
alimentação oleodinâmico com vazão
regulável.
• A potencia da bomba nesse sistema é
substancialmente maior.
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• Nas máquinas com acionamento
hidropneumático, devido ao sistema de
acumulador de pressão, a bomba poderá ser
de potência menor, pois a pressão máxima
não é necessária durante todo o ciclo de
extrusão.
• Essas máquinas, no entanto, não podem ser
aplicadas aos metais mais sensíveis às
variações de velocidade de extrusão (como o
alumínio e suas ligas).
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• Além do conjunto pistão-cilindro hidráulico, e
do sistema acoplado de alimentação do fluido
sob pressão, deve-se considerar ainda as
seguintes partes básicas da máquina de
extrusão: pistão de extrusão, recipiente e
camisa, conjunto suporte da ferramenta
(fieira) e estrutura.
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Figura 10 – Esquema simplificado da máquina de
extrudar.
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Figura 11 – Ilustração de uma extrusora.
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Figura 12 – Extrusora para perfis de alumínio.
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• O pistão de extrusão, solidário ao pistão do
cilindro hidráulico, é o componente em que se
concentra todo o esforço da máquina de
extrusão, devendo, portanto, ser fabricado em
aço-liga resistente ao calor.
• Esse pistão é trocado por outros de dimensões
diferentes (mais particularmente, de
diâmetros diferentes), em função das
dimensões dos tarugos e peças extrudadas.
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• O recipiente recebe o tarugo aquecido que
deve ser extrudado sob ação do pistão de
extrusão.
• Pode ser constituído de duas partes coaxiais,
sendo que a parte interna, que entra em
contato com o tarugo, denomina-se camisa
interna do recipiente.
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• A camisa sofre a ação dos esforços de
compressão e de atrito em temperaturas
elevadas, sendo, como decorrência,
submetida a uma ação de desgaste constante.
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• Devem ser tomados cuidados especiais na
montagem das duas partes (que é feita a
quente para permitir interferência a frio) para
evitar o aparecimento de fissuras decorrentes
dos níveis de tensão indevidamente elevados
que podem surgir nessa montagem.
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• Os materiais que constituem o recipiente e a
camisa são aços-liga resistentes ao calor, pois
tais componentes são mantidos
constantemente a uma temperatura elevada
por um sistema de aquecimento elétrico,
necessário para proceder a operação de
extrusão a quente do tarugo (o tarugo, que é
previamente aquecido em fornos, tem a sua
temperatura mantida no recipiente por esse
sistema de aquecimento elétrico por
resistência ou indução).
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• O conjunto suporte da fieira é constituído de
diversos componentes com a finalidade de
aumentar a resistência mecânica, posicionar e
facilitar a troca da fieira.
• Como esses componentes não entram em
contato direto com o metal aquecido, podemser fabricados em aços-liga de custo menor
que os aços-liga resistentes ao calor.
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• A estrutura da máquina é constituída, na
prensa de extrusão horizontal comumente
encontrada, de uma base para suporte de
todos os componentes, exceto do sistema de
alimentação que fica à parte da estrutura.
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• Numa extremidade dessa base se apoia o
conjunto do cilindro hidráulico e do pistão de
extrusão; na outra extremidade se encontra,
solidariamente, o recipiente, o conjunto
suporte da fieira e a placa de apoio terminal,
esta última acoplada ao conjunto do cilindro
hidráulico por dois tirantes superiores.
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• A máquina de extrusão industrial é, na
realidade, bem mais complexa, apresentando
outros sistemas auxiliares e componentes
complementares das partes descritas, tais
como, por exemplo, cilindros hidráulicos de
retrocesso do pistão, sistema de corte da
barra extrudada e da retirada do resto do
tarugo no recipiente, sistema de controle e
comando dos conjuntos hidráulicos e do
aquecimento do recipiente.
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• São, no entanto, sistemas e componentes que
conferem à máquina melhores condições de
operação e mais produtividade, mas a
natureza do princípio básico de
funcionamento, acima descrito, não se altera.
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• Um equipamento complementar é o forno de
aquecimento dos tarugos ou lingotes.
• Esses fornos podem ser de diversos tipos, de
acordo com os sistemas de aquecimento por
combustível ou elétrico.
• Os fornos devem ter a capacidade de aquecer
uniformemente o tarugo (ou lingote), sem ou
com pouca oxidação superficial.
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• O forno que melhor atende às condições de
aquecimento uniforme é o forno elétrico à
indução magnética, que apresenta ainda a
possibilidade de controle e leitura precisa da
temperatura.
• A ausência de oxidação superficial é obtida
com o uso de atmosfera controlada no forno
de aquecimento.
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6. Ferramenta de extrusão:
• As ferramentas para extrudar, ou fieiras,
podem apresentar diversos tipos de perfis,
sendo que a escolha deste depende do tipo do
metal a ser trabalhado e da experiência
acumulada em cada condição de trabalho.
• Como as reduções de seção são comumente
acentuadas, porém os ângulos de abertura
das ferramentas são grandes, atingindo
normalmente o valor de 180°.
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• Da mesma forma que no caso da trefilação,
também para a extrusão existe um ângulo
ótimo de abertura da ferramenta (ou ângulo
de trabalho).
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• Esse ângulo, porém, é determinado com
maior dificuldade no processo de extrusão,
devido à notável influência das condições
incertas de atrito existentes e criado pela
movimentação do tarugo no recipiente de
extrusão, pela elevada tensão de compressão
contra o recipiente e pelas condições
superficiais e de lubrificação do tarugo e do
recipiente.
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• As seguintes condições devem ser, contudo,
observadas no estabelecimento dos perfis:
a) Propriedades do metal a ser extrudado;
b) Tolerâncias de distorção no extrudado;
c) Níveis das tensões aplicadas;
d) Contração térmica no extrudado e
e) Escoamento uniforme e equilibrado do metal
pela matriz.
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7. Descrição do processo de
extrusão:
• As etapas do processo de extrusão não tem a
mesma diversificação do processo de
laminação.
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7.1. Etapas do processo de
extrusão:
• O lingote para extrusão apresenta uma
superfície praticamente isenta de oxidação,
devido à forma com que é produzido: a
fundição do lingote se dá em coquilhas
verticais que apenas permitem o contato do
metal-líquido com o meio ambiente na parte
superior, que é cortada após a solidificação.
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• O tarugo para extrusão, obtido do processo de
laminação, apresentará uma superfície mais
irregular, e com maior intensidade de
oxidação, se o lingote inicial para o trabalho
mecânico não tiver sido usinado por
fresamento, para eliminar a oxidação.
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• No processo de extrusão, porém, pode-se - e
muitas vezes assim se faz - adotar um pistão
de diâmetro inferior ao diâmetro do tarugo,
de maneira que o pistão possa penetrar por
dentro do tarugo deixando uma casca
superficial contendo as irregularidades e os
óxidos formados nos processos anteriores ou
no aquecimento para a extrusão.
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• Da mesma forma que, após a extrusão do
tarugo, retira-se a casca deixada no recipiente,
deve-se também remover o fundo ou resíduo
do tarugo (ou lingote) não-extrudado.
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• Esse resto de tarugo (cerca de 12% do
comprimento) não é extrudado porque
provoca um fluxo de metal irregular, que
reduz a qualidade do produto: o defeito que
surge no extrudado se manifesta na forma de
um furo interno.
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• O tarugo (ou lingote) inicialmente é aquecido
no forno (preferencialmente forno elétrico de
indução, pela melhor qualidade obtida quanto
a uniformidade de aquecimento) e
rapidamente transportado para o recipiente,
restringindo-se assim ao máximo o contato
com o meio ambiente (para evitar uma
oxidação superficial intensa).
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• O tarugo é colocado num apoio diante do
recipiente e o pistão é acionado de encontro
ao tarugo, instalando-o no interior do
recipiente.
• Entre o pistão e o tarugo coloca-se um disco
metálico para evitar a soldagem do pistão no
tarugo em virtude das temperaturas e
pressões elevadas.
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• A presença do disco, de diâmetro próximo ou
inferior ao da camisa (de acordo com a
intenção de se deixar ou não formar uma
casca), cria um motivo a mais para se deixar
um resto de tarugo sem extrudar, que é o de
se evitar que o disco atinja a ferramenta de
extrudar.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 81
• Após o pistão ter completado o curso de
extrusão, o recipiente se afasta para a retirada
do disco e do resto de tarugo, que será
cortado do extrudado, e o pistão, por sua vez,
será recuado.
• Antes da colocação de um novo tarugo para
extrusão, os resíduos de óxidos na camisa são
removidos com auxílio de outro disco
raspador acionado pelo pistão.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 82
• Mesmo para prensas relativamente grandes
(cerca de 2.000 t) o tempo (cerca de 60 s) para
o ciclo completo de extrusão é pequeno .
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7.2. Controle do processo de
extrusão:
• Existe um número grande de fatores que exercem
influência no processo de extrusão e a análise
dessa influência é complexa em face dos efeitos
de interação entre eles, das dificuldades teóricas
de se isolarem os efeitos para análise e das
dificuldades experimentais referentes à natureza
do material metálico (que exige elevadas
temperaturas e elevada tensão de trabalho e não
permite, com facilidade, o acompanhamento da
evolução do ciclo do processo).
PF I - Dr. André G. S. Galdino 84
• As técnicas experimentais podem ser
utilizadas em duas áreas de estudo do
problema:
a) Análise das propriedades mecânicas e
características estruturais do material
metálico, na forma de matéria-prima (lingote
fundido ou tarugo laminado) e na forma de
produto final (barra ou perfil extrudado);
PF I - Dr. André G. S. Galdino 85
b) Análise das condições de processamento
ligadas ao desempenho da máquina de
extrusão e ao comportamento do material
durante o processo de extrusão.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 86
• Na primeira área são aplicadas técnicas
convencionais de ensaios mecânicos e de
exame metalográfico, incluindo-se observação
de defeitos provenientes da falta de
homogeneidade e de continuidade do
material, bem como a verificação de
regularidades dimensionais.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 87
• Determinam-se:
a) A composição química (elementosde liga e
impurezas da matéria-prima);
b) A estrutura metalográfica (tamanho e forma
do grão, distribuição de fases e inclusões da
matéria-prima e do produto extrudado);
c) As propriedades mecânicas (de resistência e
de ductilidade principalmente do produto
extrudado);
PF I - Dr. André G. S. Galdino 88
d) As dimensões (regularidade do diâmetro ao
longo do extrudado, ovalização e variação
deste, ou seja, a tolerância dimensional do
diâmetro);
e) A presença de defeitos (porosidades,
escamas, cascas de óxidos, inclusões e vazios
internos na matéria-prima e no extrudado).
PF I - Dr. André G. S. Galdino 89
• Para análise das condições de processamento
é muito importante a observação da maneira
como ocorre o fluxo ou escoamento do
material no recipiente e através da ferramenta
de extrusão.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 90
• Para a análise das condições de operação da
máquina, são necessárias as medições da
força ou pressão de extrusão, da velocidade
de extrusão (regularidade de intensidade) e da
temperatura do tarugo (ou lingote), do
recipiente de extrusão e do perfil da
ferramenta.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 91
PF I - Dr. André G. S. Galdino
Figura 13 – Ciclo do processo de extrusão.
92
• As condições de operação dos tratamentos
prévios também precisam ser controladas: na
preparação da matéria-prima (por fundição ou
laminação) no tratamento de recozimento
(com controle de tempo, temperatura e
atmosfera do forno de tratamento).
PF I - Dr. André G. S. Galdino 93
• O objetivo da análise dos fatores de influência
é encontrar as condições de trabalho mais
favoráveis e que conduzem à obtenção de um
produto de qualidade e custo especificados.
• De forma geral, procura-se obter as seguintes
condições:
PF I - Dr. André G. S. Galdino 94
a) Matéria-prima de composição e estrutura
homogênea e com propriedades mecânicas
elevadas;
b) Temperatura de trabalho baixa para poupar
energia, evitar o desgaste acentuado dos
componentes da maquina (recipiente e
ferramenta principalmente) e reduzir o
ataque corrosivo do tarugo;
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c) Pressão de trabalho baixa para poupar
energia, reduzir a robustez e o custo de
aquisição da máquina e evitar o desgaste
acentuado dos componentes da mesma;
d) velocidade de trabalho elevada para
aumentar a produtividade e reduzir o
resfriamento do tarugo no recipiente;
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e) Extrudado de qualidade mecânica e
metalúrgica suficientemente elevada para
atender aos requisitos de uso especificados.
• Contudo, como essas indicações para a
operação apresentam aspectos contraditórios,
deve-se procurar estabelecer condições para
que os diferentes fatores de influência possam
ser mantidos sob controle e em níveis ótimos
de equilíbrio entre si.
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8. Produtos extrudados:
• Os produtos extrudados são classificados de
acordo com a forma de seção transversal.
• Entre os produtos estão: barras (redondas,
quadradas, hexagonais, etc.), arames, tubos e
perfis (ocos ou maciços) de formas diversas.
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• Formas resultantes: Praticamente qualquer
forma de seção transversal vazada ou cheia
pode ser produzida por extrusão.
• Como a geometria da matriz permanece
inalterada, os produtos extrudados tem seção
transversal constante.
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PF I - Dr. André G. S. Galdino
Figura 14 – Exemplos de produtos obtidos pelo
seccionamento do perfil extrudado.
100
• Os produtos mais comuns, produzidos através
de extrusão, são:
a) Quadros de janelas e portas;
b) Trilhos para portas deslizantes;
c) Tubos de várias seções transversais e formas
arquitetônicas.
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• Produtos extrudados podem ser cortados nos
tamanhos desejados para gerarem peças
como:
a) Maçanetas;
b) Trancas;
c) Engrenagens.
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• Em operação combinada com forjamento
pode gerar componentes para automóveis,
bicicletas, motocicletas, maquinário pesado e
equipamento de transporte.
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8.1. Materiais comumente
extrudados:
• Os materiais mais comumente utilizados para
extrusão são:
• Alumínio;
• Cobre;
• Aço;
• Magnésio;
• Chumbo.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 104
• Tubos e barras de aço podem ser produzidos
pelo processo de extrusão, mas isso ocorre de
forma limitada pelas dificuldades
operacionais.
• Esses materiais (aços-carbono, aços
inoxidáveis e alguns aços-liga) exigem
elevadas temperaturas e pressões de trabalho
que criam dificuldades de lubrificação e, em
consequência, impõem baixas velocidades de
trabalho e pequenas reduções.
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Tabela 1 – Faixas de temperatura de extrusão para
vários metais.
Metal Temperatura (°C)
Chumbo 200 – 250
Alumínio e suas ligas 375 – 475
Cobre e suas ligas 650 – 950
Aços 875 – 1300
Ligas refratárias 975 - 2200
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Figura 15 – Características da seção transversal para
extrusão.
107
9. Formas de extrusão:
• A extrusão pode ser a quente ou a frio,
dependendo do tipo de metal que deve
suportar ou não rigorosas condições de atrito
e temperatura e também da seção a ser
obtida.
• A extrusão a quente é realizada quando exige
grande esforço para a deformação. Um
exemplo típico de material extrudado a
quente é o aço.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 108
• Reduções de área da ordem de 1:20 podem
ser conseguidas. Isso significa que uma barra
de área inicial de 100 mm2 pode sofrer
redução para 5 mm2.
• No caso de materiais mais dúcteis, como o
alumínio, as reduções obtidas com a extrusão
são da ordem de 1:100.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 109
• Esse processo envolve as etapas a seguir:
1. Fabricação de lingote ou tarugo de seção
circular;
2. Aquecimento uniforme do lingote ou tarugo;
3. Transporte do lingote aquecido para a
câmara de extrusão, de forma rápida para
diminuir ou evitar que a superfície do
material aquecido sofra oxidação;
PF I - Dr. André G. S. Galdino 110
4. Execução da operação de extrusão: acionar o
pistão o qual empurra o material aquecido já
posicionado na câmara para o interior desta;
5. Fim da extrusão: o pistão recua e a câmara se
afasta para a retirada do disco e da parte
restante do lingote ou tarugo;
6. Operação de remoção dos resíduos de óxido
com o auxílio de disco raspador acionado
pelo pistão.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 111
• No processo de extrusão a temperatura do
material na zona de deformação depende da
velocidade de deformação e do grau de
compressão.
• A temperatura é proporcional à velocidade de
deformação por causa do aumento do atrito
devido ao aumento da velocidade de
deformação e do grau de compressão.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 112
• Na extrusão a frio, o material endurece por
encruamento durante a deformação porque
os grãos do metal se rompem e assim
permanecem, aumentando as tensões na
estrutura e, consequentemente, sua dureza.
• É importante salientar que na extrusão a
quente os grãos se reconstituem após a
extrusão por causa do aumento da
temperatura.
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10. Fluxo do metal na Extrusão:
• O fluxo do metal determina a qualidade e as
propriedades mecânicas do produto final.
• O fluxo do metal é comparável ao escoamento
de um fluido num canal.
• Os grãos tendem a alongar-se formando uma
estrutura com orientação preferencial.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 114
• O fluxo inadequado pode causar inúmeros
defeitos.
• A técnica de observação do fluxo consiste em
seccionar o tarugo ao longo de seu
comprimento e marcar uma das faces com um
quadriculado.
• As duas metades são então colocadas juntas
na câmara e extrudadas.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 115
• Após a extrusão as partes são novamente
separadas para exame.
• Na figura a seguir pode ser observado o
resultado desta técnica, para três situações
típicas da extrusão direta para matriz
quadrada (ângulo da matriz de 900).
PF I - Dr. AndréG. S. Galdino 116
PF I - Dr. André G. S. Galdino
Figura 16 – Tipo de fluxo do metal na extrusão com
matrizes quadradas.
117
• As zonas mortas estão ilustradas na figura
16(b) e 16(c), onde o metal fica praticamente
estacionário nos cantos.
• A situação é similar ao escoamento de fluido
num canal com cantos vivos e curvas.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 118
• As velocidades do pistão podem chegar até
0,5m/s.
• Geralmente, velocidades menores são
recomendadas para o alumínio, magnésio e
cobre, e velocidades mais altas para aços,
titânio e ligas refratárias.
• As tolerâncias na extrusão estão na faixa de
0,25 - 2,5 mm e aumentam com as dimensões
da seção transversal.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 119
11. Defeitos da extrusão:
• Os defeitos mais comuns na extrusão são:
a) Linhas internas de óxido no interior do
produto: elas são causadas pela diferença
entre a velocidade do núcleo e da periferia
do lingote. O centro do lingote ou tarugo
move-se de forma mais rápida que a
periferia, formando-se então uma “zona
morta” ao longo da superfície externa do
lingote.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 120
• Quando a maior parte do bloco de metal já
passou pela matriz, a superfície externa move-
se para o centro e começa a fluir pela matriz.
• Desta forma são observadas as linhas de óxido
resultantes da película de óxido formada na
superfície externa, que têm um aspecto de um
anel quando o produto é cortado
transversalmente;
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b) Formação de uma cavidade no centro da
superfície do material em contato com o
pistão: também resultante da diferença entre
a velocidade do núcleo e da periferia do
lingote. Essa cavidade pode crescer em
diâmetro e em profundidade de tal forma
que pode transformar o que seria uma barra
em um tubo, defeito esse com o aspecto
semelhante ao de um rechupe interno.
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PF I - Dr. André G. S. Galdino 123
c) Arrancamento: é formado na superfície do
produto e aparece na forma de perda de
material da superfície, quando o produto
passa muito rapidamente pela matriz.
d) Bolhas: estas bolhas são observadas na
superfície do material extrudado devido a
presença de hidrogênio e materiais
provenientes da fundição do lingote ou por
ar contido dentro do recipiente da prensa.
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12. Parâmetros geométricos:
• Os parâmetros geométricos da extrusão são:
a) O ângulo da matriz α;
b) A relação de extrusão que é o quociente
entre a áreas das seções transversais do
tarugo A0 e do produto extrudado Af;
c) O diâmetro do círculo circunscrito DCC, que é
o diâmetro do menor círculo no qual se
inscreve a seção transversal.
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• A complexidade da extrusão é medida pela
relação entre o perímetro da seção do
produto extrudado e a área da seção
transversal.
• Esta relação é denominada fator de forma.
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13. Força de extrusão:
• A força requerida para o processo depende da
resistência do material, da relação de
extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e
outras variáveis como a temperatura e a
velocidade de extrusão.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 129
• A força pode ser estimada pela fórmula:
[1]
• Os valores da constante de extrusão K são
dados na figura a seguir, para o campo usual
de temperaturas.
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14. Outras variáveis de processo:
• Tem papel de influência no processo outras
variáveis, entre as quais citamos:
a) A temperatura do tarugo;
b) A velocidade de deslocamento do pistão;
c) O tipo de lubrificante.
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15. Propriedades de produtos
extrudados:
• A microestrutura (controlada comumente pelo
exame macrográfico) da seção transversal
pode se apresentar de maneira não-uniforme
quanto à forma e ao tamanho dos grãos, e
essa variação de microestrutura pode ser
diferente ao longo do comprimento do
extrudado.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 133
• A não uniformidade é decorrente das
condições em que ocorre o fluxo de metal,
que por sua vez é dependente do tipo de
processo (extrusão direta, com ou sem
lubrificação, ou extrusão inversa).
• As propriedades mecânicas ficam
dependentes do tamanho e forma dos grãos,
da natureza do metal ou da liga metálica e de
tratamentos térmicos posteriores.
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• As características dimensionais são
controladas tomando-se como referência às
tolerâncias das dimensões de diâmetros, ou
de arestas, dentro de determinadas faixas de
grandeza; para o comprimento controla-se a
flecha máxima da ondulação.
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Referências:
• BRESCIANI FILHO, E.; ZAVAGLIA, C. A. C.; NERY,
F. A. C.; BUTTON, S. T. Conformação plástica
dos metais, Vol. I, 3ª edição. Campinas:
Editora da Unicamp, 1986, 147 p.
• BRESCIANI FILHO, E.; ZAVAGLIA, C. A. C.; NERY,
F. A. C.; BUTTON, S. T. Conformação plástica
dos metais, Vol. II, 3ª edição. Campinas:
Editora da Unicamp, 1986, 234 p.
PF I - Dr. André G. S. Galdino 136