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Conformação Mecânica - Visão Geral da Conformação dos Metais

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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.) 
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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.) 
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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.) 
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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.) 
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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.) 
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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 
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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.) 
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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 
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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.) 
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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 
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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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