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CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 1 Visão Geral da Conformação dos Metais A conformação dos metais engloba extenso grupo de processos de manufatura, nos quais a deformação plástica é empregada na mudança de forma de peças metálicas. A deformação resulta da utilização de uma ferramenta, denominada comumente matriz em conformação dos metais, a qual, por sua vez, exerce tensões que ultrapassam o limite de escoamento do metal. O metal, portanto, se deforma plasticamente para tomar a forma determinada pela geometria da matriz. A conformação dos metais se enquadra na classe de operações de mudança de forma, como processos de conformação. As componentes de tensão aplicadas para deformar plasticamente o metal são de modo usual compressivas. Todavia, alguns processos de conformação estiram o metal, enquanto outros dobram o metal, e ainda alguns aplicam tensões de cisalhamento ao metal. Para ser conformado com sucesso, o metal deve apresentar certas propriedades. As propriedades desejadas no material a ser conformado incluem baixa resistência ao escoamento e elevada ductilidade. Estas propriedades são influenciadas pela temperatura. A ductilidade é aumentada e a resistência ao escoamento é reduzida quando a temperatura de trabalho é elevada. O efeito de temperatura se traduz nas divisões entre trabalho a frio, trabalho a morno e trabalho a quente. O atrito é um fator adicional que influencia o rendimento na conformação dos metais. Nós iremos analisar todos estes fatores neste capítulo, porém primeiro vamos fornecer uma síntese dos processos de conformação dos metais. Os processos de conformação dos metais podem ser classificados em duas categorias principais: processos de conformação volumétrica (ou maciça) e processos de conformação de chapas. Estas duas categorias são abordadas com detalhes nas próximas aulas, respectivamente. Cada categoria inclui diversas classes importantes de operações de mudança de forma, descritas brevemente nesta seção Processos de Conformação Volumétrica: Os processos de conformação volumétrica são geralmente caracterizados por deformações relevantes com mudanças na forma da peça, e uma relação relativamente pequena entre a área superficial e o volume da peça. O termo maciço é empregado aqui para descrever a peça a ser conformada, que possui pequena razão entre área e volume. As formas iniciais das peças ou esboços de partida desses processos incluem tarugos cilíndricos e barras retangulares. A seguir se apresentam as operações principais de deformação volumétrica: CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 2 Laminação. Este é um processo de deformação por compressão direta, no qual a espessura de uma placa ou chapa grossa é reduzida pela ação de dois cilindros com rotação em sentidos opostos. Os cilindros giram de modo a conformar e comprimir o metal na região de abertura entre eles. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 3 Forjamento. No forjamento, uma peça é comprimida entre duas matrizes opostas, de modo que a geometria das matrizes é transmitida à peça de trabalho. O forjamento é tradicionalmente um processo de conformação a quente, porém várias operações de forjamento são realizadas a frio. Extrusão. Este é um processo de compressão no qual o metal de trabalho é forçado a escoar pela abertura de uma matriz, transformando a seção transversal da peça a partir da geometria da matriz. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 4 Trefilação. Neste processo de conformação, o diâmetro de um arame ou barra redonda é reduzido ao puxá-lo pela abertura de uma matriz. Conformação de Chapas: Os processos de conformação de chapas são operações de corte ou de mudança de forma realizadas em metais sob a forma de chapas, tiras e bobinas. A razão entre área superficial e o volume do esboço de partida é grande; portanto, obter esta razão é um método útil para distinguir os processos de deformação volumétrica dos processos de conformação de chapas. Estampagem* é um termo que representa uma das operações de conformação de chapas, porém, é utilizada, com frequência para representar todo o conjunto dessas operações. Com isto, a peça de metal produzida em uma operação de conformação de chapas é comumente chamada estampo. As operações de conformação de chapas são em geral realizadas em processos de trabalho a frio e usualmente efetuadas por meio de um conjunto de ferramentas compostos de uma punção e uma matriz. A punção é a parte positiva e a matriz a parte negativa do ferramental. As principais operações de conformação de chapas estão esquematizadas a seguir e são definidas por: CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 5 Dobramento. O dobramento envolve a deformação de uma chapa fina ou grossa de metal para formar um ângulo ao longo de um eixo, que usualmente é uma aresta retilínea. Fig. (a) Estampagem. Na conformação de chapas metálicas, a estampagem consiste na conformação de uma chapa de metal plana em uma forma côncava ou oca, tal como um copo, por estiramento do metal. Um prensa-chapas é empregado para manter o esboço pressionado enquanto a punção empurra a chapa metálica, conforme mostrado na Fig. (b). Os termos estampagem de copo (cup drawing) e estampagem profunda (deep drawing) são frequentemente usados. Em inglês, o termo drawing pode ser usado para a operação de trefilação de arames ou barras (wire drawing e bar drawing) Corte. O processo de corte por conformação realiza a mudança da geometria através do cisalhamento do material até a ruptura. A operação de cisalhamento corta o esboço com auxílio de uma punção e uma matriz, como mostra a Figura acima 1 e 2. Embora este processo possa ser excluído dos processos de conformação, pois não apresenta a deformação plástica continuamente, é uma operação comum e necessária à conformação de chapas. A classificação de conformação de chapas metálicas também inclui outros processos de mudança, de forma que não empregam ferramentais constituídos por punção e matriz. Estes processos abrangem a conformação por estiramento, a calandragem, o repuxo e o dobramento de tubos semiacabados. COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS NA CONFORMAÇÃO DOS METAIS Conceitos importantes com respeito ao comportamento dos metais durante a conformação podem ser obtidos a partir da curva tensão-deformação. A curva típica tensão-deformação da maioria dos metais é dividida em uma região elástica e uma região plástica. Na conformação dos metais, a região plástica é de fundamental interesse, porque o metal é deformado plástica, ou seja, com deformação permanentemente nesses processos. A relação característica tensão-deformação para um metal exibe elasticidade abaixo do limite de escoamento e encruamento acima dele. As Figuras abaixo representam este comportamento em eixos linear e logarítmico. Na região plástica, o comportamento do metal pode ser descrito pela curva de escoamento: CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 6 K = o coeficiente de resistência, MPa (lbf/in2)n = o expoente de encruamento. As medidas de tensão σ e deformação ϵ empregadas na curva de escoamento são a tensão verdadeira e a deformação verdadeira. A curva de escoamento é geralmente válida como uma relação que define o comportamento plástico do metal no trabalho a frio. Valores típicos de K e n para diferentes metais a temperatura ambiente estão listados na Tabela3.4 Tensão de Escoamento A curva de escoamento descreve a relação tensão-deformação na região em que a conformação do metal ocorre. Esta indica a tensão de escoamento do metal — a propriedade de resistência que determina as forças e potências necessárias à realização de uma dada operação de conformação. Na maioria dos metais à temperatura ambiente, a curva tensão-deformação da Figura 3.5 indica que à medida que o metal é deformado, sua resistência aumenta devido ao encruamento. A tensão necessária ao prosseguimento da deformação deve ser aumentada para corresponder a este aumento na resistência. A tensão de escoamento é definida como o valor instantâneo de tensão necessário à continuidade do processo de deformação do material — para manter o “escoamento” do metal. Esta é a resistência ao escoamento metal em função da deformação, que pode ser expressa por: em que σe é a tensão de escoamento, MPa (lbf/in2). Nas operações individuais de conformação tratadas nas próximas aulas, a tensão instantânea de escoamento pode ser usada para analisar o processo durante sua história. Por exemplo, em certas operações de forjamento, a força instantânea durante a compressão pode ser determinada a partir do valor da tensão de escoamento. A força máxima pode ser calculada com bases na tensão de escoamento que resulta da deformação final no fim do curso de forjamento. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 7 Em outros casos, em vez de adotar valores instantâneos, a análise é realizada com bases nos valores médios de tensões e deformações que ocorrem na conformação. A extrusão representa este caso. À medida que a seção transversal do tarugo é reduzida ao passar pela abertura da matriz de extrusão, o metal encrua gradualmente para atingir valor máximo. No lugar de determinar uma sequência de valores instantâneos de tensão-deformação durante a redução, o que seria não somente difícil, mas também de pouco interesse, é mais apropriado analisar o processo com base na tensão média de escoamento ao longo da deformação. Tensão Média de Escoamento A tensão média de escoamento é o valor médio de tensão da curva tensão-deformação, definido a partir do início de deformação até seu valor final (máximo), que tem lugar durante a deformação. Este valor está representado no traçado da curva tensão-deformação do gráfico abaixo. A tensão média de escoamento é determinada pela integração da equação da curva de escoamento, Eq. abaixo, entre zero e o valor final de deformação que define o domínio ou gama de deformações de interesse. Esta integração fornece a seguinte equação: em que σe é a tensão média de escoamento, MPa (lbf/in2); e ϵ o valor da máxima deformação durante o processo de deformação. Faremos extenso uso da tensão média de escoamento em nosso estudo dos processos de deformação volumétrica no próximo capítulo. Dados os valores de K e n do metal de trabalho, um método de cálculo do valor final de deformação será desenvolvido para cada processo. Com base nesta deformação, a Equação acima pode ser empregada para determinar a tensão média de escoamento a qual o metal é submetido durante a operação. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 8 TEMPERATURA NA CONFORMAÇÃO DOS METAIS A curva de escoamento é uma representação válida do comportamento tensão-deformação de um metal durante a deformação plástica, sobretudo em operações de trabalho a frio. Para qualquer metal, os valores de K e n dependem da temperatura. A resistência e o encruamento são reduzidos em temperaturas elevadas. Estas mudanças de propriedades são importantes porque elas resultam em baixas forças e potências durante a conformação. Além disso, a ductilidade é aumentada em temperaturas mais altas, o que permite maior deformação plástica do metal a conformar. Três faixas de temperaturas de trabalho determinam uma das classificações aplicadas aos processos de conformação dos metais: trabalhos a frio, a morno e a quente. Trabalho a Frio Trabalho a frio (também conhecido como conformação a frio) é a conformação dos metais realizada à temperatura ambiente ou ligeiramente acima. As vantagens significativas da conformação a frio em comparação com o trabalho a quente são: (1) maior precisão, logo, tolerâncias mais estreitas que podem ser obtidas; (2) melhor acabamento de superfície; (3) maiores resistência e dureza da peça devido ao encruamento; (4) a orientação de grãos desenvolvida durante a deformação faz com que possam ser obtidas propriedades direcionais desejáveis no produto final; e (5) nenhum aquecimento do metal é necessário, o que economiza custos de equipamentos e combustíveis de fornos e permite maiores taxas de produção. Graças a esta combinação de vantagens, muitos processos de conformação a frio tornaram-se importantes em operações com alto volume de produção. Eles fornecem tolerâncias de precisão e superfícies regulares, minimizando a quantidade de usinagem requerida, de modo que estas operações podem ser classificadas como processos net shape ou near net shape, nos quais são obtidos as formas e acabamentos próximos ao uso final da peça (Seção 1.2.1). Existem algumas desvantagens ou limitações associadas com as operações de conformação a frio: (1) elevadas forças e potências são exigidas para realizar a operação; (2) cuidado deve ser tomado para assegurar que as superfícies do esboço inicial de trabalho estejam livres de carepas e sujeiras e (3) a ductilidade e o encruamento do metal de trabalho limitam o quanto de conformação pode ser feito na peça. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 9 Em algumas operações, o metal deve ser recozido (Seção 20.1) para permitir que deformação adicional seja realizada. Em outros casos, o metal não é dúctil o suficiente para ser trabalhado a frio. Para solucionar o problema do encruamento e reduzir as demandas de força e potência, muitas operações de conformação são realizadas em temperaturas elevadas. Existem duas faixas de temperaturas acima da temperatura ambiente, que dão origem aos termos de trabalho a morno e trabalho a quente. Trabalho a Morno Considerando que as propriedades do material no escoamento são normalmente melhoradas pelo aumento da temperatura da peça ou esboço de trabalho, as operações de conformação são, algumas vezes, realizadas em temperaturas acima da temperatura ambiente, mas abaixo da temperatura de recristalização. O termo trabalho a morno é aplicado a esta segunda gama de temperaturas. A linha divisória entre o trabalho a frio e o trabalho a morno é com frequência expressa em termos do ponto de fusão do metal. Esta divisória é usualmente tomada por 0,3 Tf, em que Tf é o ponto de fusão (temperatura absoluta) do metal em questão. Os menores valores de resistência mecânica e encruamento em temperaturas intermediárias, assim como a maior ductilidade, asseguram vantagens do trabalho a morno sobre o trabalho a frio: (1) forças e potências mais baixas, (2) possibilidade de geometrias mais complexas e (3) necessidade de recozimento pode ser reduzida ou eliminada. Trabalho a Quente Trabalho a quente (também chamado conformação a quente)envolve deformação em temperaturas acima da temperatura de recristalização (Seção 3.3). A temperatura de recristalização de um dado metal é cerca de metade do seu ponto de fusão em escala absoluta. Na prática, o trabalho a quente é usualmente conduzido em temperaturas um pouco acima de 0,5 Tf. O metal de trabalho continua a amaciar à medida que a temperatura é aumentada acima de 0,5 Tf, aumentando assim a vantagem do trabalho a quente acima deste nível. Entretanto, o próprio processo de deformação gera calor, o qual, por conseguinte, aumenta as temperaturas de trabalho em regiões localizadas da peça. Isto pode conduzir à fusão do metal nestas regiões, o que é extremamente indesejável. Ainda, a formação de carepa na superfície do metal é acelerada em temperaturas mais elevadas. Por conseguinte, as temperaturas de trabalho a quente são de modo usual mantidas dentro da gama 0,5 Tf a 0,75 Tf. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 10 A vantagem mais significativa do trabalho a quente é a capacidade de promover considerável deformação plástica do metal — muito mais do que é possível com o trabalho a frio ou o trabalho a morno. A principal razão para isto é que a curva de escoamento do metal trabalhado a quente tem um coeficiente de resistência que é consideravelmente menor que aquele à temperatura ambiente, o expoente de encruamento é (em termos teóricos) zero e a ductilidade do metal é aumentada de maneira significativa. Tudo isto resulta nas seguintes vantagens com relação ao trabalho a frio: (1) a forma da peça de trabalho pode ser significativamente alterada, (2) forças e potências mais baixas são necessárias para deformar o metal, (3) os metais que usualmente fraturam no trabalho a frio podem ser conformados a quente, (4) as propriedades de resistência mecânica são, em geral, isotrópicas devido à ausência de estrutura de grãos orientados comumente formados no trabalho a frio e (5) nenhum aumento da resistência da peça decorre do encruamento. Esta última vantagem pode parecer inconsistente, pois o aumento de resistência do metal é com frequência considerado uma vantagem para o trabalho a frio. Contudo, existem aplicações nas quais é indesejável que o metal esteja encruado, porque isto reduz a ductilidade, por exemplo, se a peça for posteriormente processada por conformação a frio. As desvantagens do trabalho a quente englobam: (1) menor precisão dimensional, (2) maior energia total exigida (devido à energia térmica para aquecer o esboço de trabalho), (3) oxidação da superfície do metal (carepa), (4) acabamento superficial mais pobre e (5) vida mais curta do ferramental. A recristalização do metal no trabalho a quente envolve difusão, o que é um processo dependente do tempo. As operações de conformação dos metais são frequentemente realizadas em altas velocidades, o que não fornece tempo suficiente para completar a recristalização da estrutura de grãos durante o seu ciclo de deformação. Entretanto, em razão das temperaturas elevadas, a recristalização acaba por ocorrer. Esta pode ter lugar de imediato na sequência do processo de conformação ou mais tarde, à medida que a peça de trabalho resfria. Embora a recristalização possa ocorrer após a deformação efetiva, sua eventual ocorrência e o amolecimento considerável CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 11 do metal em temperaturas elevadas são as características que diferenciam o trabalho a quente do trabalho a morno ou do trabalho a frio. Conformação Isotérmica Certos metais, tais como os aços hiperligados, muitas ligas de titânio e ligas de níquel para altas temperaturas, possuem boa dureza a quente, propriedade que os torna adequados para serviços em altas temperaturas. No entanto, esta propriedade que os torna atrativos nestas aplicações também faz com que eles sejam difíceis de conformar por meio de métodos convencionais. O problema é que quando estes metais são aquecidos, as suas temperaturas de trabalho a quente, em seguida, entram em contato com as ferramentas de conformação relativamente frias, e o calor é rapidamente retirado das superfícies do esboço, aumentando assim a resistência mecânica nestas regiões. As variações de temperaturas e resistência nas diferentes regiões do esboço de trabalho provocam padrões irregulares de escoamento no metal durante a deformação, conduzindo a tensões residuais elevadas e possíveis trincas na superfície. A conformação isotérmica refere-se às operações de conformação que são realizadas de modo a eliminar o resfriamento superficial e os gradientes térmicos resultantes na peça de trabalho. Esta é realizada por meio de pré-aquecimento das ferramentas, que entram em contato com a peça na mesma temperatura do metal de trabalho. Isto enfraquece as ferramentas e reduz sua vida, porém evita os problemas já descritos quando estes metais de difícil trabalho são conformados por métodos convencionais. Em alguns casos, a conformação isotérmica representa a única opção pela qual estes materiais podem ser conformados. ATRITO E LUBRIFICAÇÃO NA CONFORMAÇÃO DOS METAIS O atrito na conformação dos metais surge devido ao contato direto entre o ferramental e as superfícies do metal, e as pressões elevadas que mantêm as superfícies em contato nestas operações. Na maioria dos processos de conformação dos metais, o atrito é indesejável pelas seguintes razões: (1) o fluxo de metal é reduzido, provocando tensões residuais e algumas vezes defeitos no produto; (2) as forças e potências para realizar a operação são aumentadas e (3) o desgaste da ferramenta pode levar à perda de precisão dimensional, resultando em partes defeituosas e necessitando de substituição do ferramental. Como na conformação dos metais as ferramentas geralmente são caras, o desgaste do ferramental é um fator importante. O atrito e o desgaste de ferramenta são mais severos no trabalho a quente devido ao seu ambiente mais agressivo. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 12 O atrito na conformação dos metais é diferente daquele encontrado na maior parte dos sistemas mecânicos, tais como em trens de engrenagens, eixos e rolamentos, e outros componentes envolvendo movimento relativo entre superfícies. Estes outros casos são em geral caracterizados por baixas pressões de contato, baixas a moderadas temperaturas e extensa lubrificação para minimizar o contato metal-metal. Por outro lado, o ambiente de conformação dos metais apresenta altas pressões entre a ferramenta endurecida e a peça de trabalho macia, deformação plástica do material mais macio e temperaturas elevadas (pelo menos no trabalho a quente). Estas condições podem resultar em coeficientes de atrito relativamente altos na transformação dos metais, mesmo na presença de lubrificantes. Os valores típicos do coeficiente de atrito para três categorias de conformação dos metais estão listados na Tabela a seguir: Se o coeficiente de atrito se tornar bastante elevado, ocorrerá a condição conhecida como aderência. A aderência na transformação dos metais (também chamada atrito de aderência ou atrito de agarramento) é a tendência que duas superfícies em movimento relativo têm de aderir uma à outra ao invés de deslizarem. Isto significa que a tensão de atrito entre as superfícies excede a tensão de escoamento em cisalhamento do metal de trabalho, causando assim a deformação do metal por um processo de cisalhamento na região sub- superficial, no lugar do deslizamento na superfície.
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