Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 1 Laminação A laminação é um processo de conformação no qual a espessura do metal é reduzida por esforços compressivos exercidos por meio de dois cilindros. Como ilustrado na Figura 13.1, os cilindros giram para puxar e, ao mesmo tempo, comprimir o metal que está compreendido entre eles. O processo básico mostrado na figura é o de laminação de planos, usado para reduzir a espessura de uma peça com seção transversal retangular. Processo muito semelhante é o de laminação de perfis, no qual uma peça com seção transversal quadrada é conformada até alcançar uma forma tal como a de uma viga I. A maioria dos processos de laminação demanda investimento grande de capital, pois seus equipamentos contêm componentes robustos, chamados trem de laminação, para realizá-los. O alto custo de investimento exige que os laminadores sejam usados para produção em grande escala de itens padronizados, tais como chapas finas e grossas. A maioria dos processos de laminação é realizada por meio de trabalho a quente, chamado laminação a quente, em razão da necessidade de grande volume de material a ser deformado. O metal laminado a quente é geralmente isento de tensões residuais, e suas propriedades são isotrópicas. Desvantagens da laminação a quente são relacionadas com a impossibilidade de serem obtidos produtos com tolerâncias estreitas e a superfície apresentar uma camada característica de óxido. A fabricação de aço utiliza a aplicação mais corriqueira de operações de laminação. Vamos acompanhar a sequência de etapas em um laminador de aço para ilustrar a variedade de produtos fabricados. Etapas similares podem ser encontradas em outras indústrias de metais primários. O metal inicia sob a forma de um lingote de aço fundido recém-solidificado. Enquanto este ainda se encontra quente, o lingote é colocado em um forno no qual permanece por muitas horas até alcançar temperatura uniforme em todo o corpo; assim, o metal escoará de forma consistente durante a laminação. No aço, a temperatura desejada para laminação é em torno de 1200°C CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 2 (2200°F). A operação de aquecimento é chamada encharcamento, e os fornos nos quais esta etapa é realizada são denominados fornos poços. A partir do encharcamento, o lingote é movido para o laminador, onde é laminado a uma das três formas intermediárias: blocos, tarugos ou placas. Um bloco tem a seção transversal quadrada de pelo menos 150 mm × 150 mm (6 in × 6 in). Uma placa é laminada a partir de um lingote, ou bloco, e tem uma seção transversal retangular de pelo menos 250 mm (10 in) de largura e pelo menos 40 mm (1,5 in) de espessura. Um tarugo é laminado a partir de um bloco e tem dimensões de uma seção quadrada com 40 mm (1,5 in) em seus lados. Estas formas intermediárias são posteriormente laminadas para as formas finais do produto. Blocos são laminados para produzir formas estruturais e trilhos para linhas ferroviárias. Tarugos são laminados para produzir barras quadradas e barras de seção circular, e estes produtos são usualmente as matérias-primas em processos de usinagem, trefilação de arames, forjamento e outros processos de transformação dos metais. Placas são laminadas para produzir chapas grossas, chapas finas e tiras. Chapas grossas laminadas a quente são usadas na construção naval, pontes, caldeiras, estruturas soldadas para diversas máquinas pesadas, tubos com costura e muitos outros produtos. O Slide 38 mostra alguns destes produtos laminados de aço. O desempenamento — Operação realizada nas chapas grossas e finas laminadas a quente — é comumente obtido por laminação a frio, e seu objetivo é prepará-las para operações de conformação de chapas, veremos nas próximas aulas. A laminação a frio aumenta a resistência do metal e permite tolerâncias mais estreitas na espessura. Além disso, a superfície da chapa laminada a frio é isenta de carepas, e geralmente melhor se comparada ao correspondente produto laminado a quente. Estas características tornam as chapas finas, tiras e bobinas laminados a frio as matérias- primas ideais para estampas, painéis externos e outros componentes de produtos, desde automóveis a utensílios e material de escritório CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 3 A laminação de planos está ilustrada nas Figuras acima. Ela engloba a laminação de placas, tiras, chapas finas e chapas grossas — peças de seção transversal retangular nas quais a largura é maior que a espessura. Na laminação de planos, o metal é comprimido entre dois cilindros de modo a reduzir sua espessura em uma quantidade chamada desbaste ou esboço: em que d é o esboço, mm (in); to a espessura inicial, mm (in); e tf a espessura final, mm (in). O desbaste é também expresso como uma fração da espessura inicial, chamada redução: em que r é a redução. Quando uma sequência de operações de laminação é usada, a redução é tomada como a soma dos esboços dividida pela espessura inicial. Além da redução de espessura, a laminação usualmente conduz ao aumento de largura da peça. Isto é chamado espalhamento e tende a ser mais pronunciado em situações com baixas razões largura-espessura e baixos coeficientes de atrito. A conservação de massa é preservada, logo o volume do metal na seção de saída dos cilindros é igual ao volume na entrada: CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 4 em que Wo e Wf são as larguras da peça antes e depois do passe de laminação, mm (in); Lo e Lf são os comprimentos da peça antes e depois do passe de laminação, mm (in). De forma análoga, o fluxo de material deve se manter constante, antes e depois da conformação, assim as velocidades de entrada e saída da peça na laminação (vo e vf) podem ser relacionadas: em que vo e vf são as velocidades de entrada e de saída do trabalho. O ângulo de contato entre os cilindros de trabalho e a peça é definido pelo ângulo θ. Cada cilindro tem raio R, e sua velocidade de rotação fornece velocidade periférica Vr, que é maior que a velocidade de entrada da peça Vo e menor que sua velocidade de saída Vf. Como o escoamento de metal é contínuo, existe uma mudança gradual da velocidade na região da peça entre os cilindros de trabalho. Entretanto, existe um ponto ao longo do arco de contato em que a velocidade da peça se iguala à velocidade do cilindro de trabalho. Este é chamado ponto de não deslizamento, também conhecido como ponto neutro. Em ambos os lados deste ponto, ocorrem escorregamento e atrito entre os cilindros de trabalho e a peça. A quantidade de deslizamento entre os cilindros de trabalho e a peça pode ser medida por meio do deslizamento avante, termo usado em laminação que é definido por: em que S é o escorregamento avante; Vf é a velocidade de saída da peça, m/s (ft/s); e Vr é velocidade periférica do cilindro de trabalho, m/s (ft/s). A deformação verdadeira que a peça sob laminação sofre é função das espessuras inicial e final do esboço. Em forma de equação, pode ser escrita por: Deformação verdadeira. A deformação verdadeira pode ser empregada para determinar a tensão média de escoamento aplicada ao material de trabalho na laminação de planos. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 5 Tensão média de escoamento A tensãomédia de escoamento é usada para o cálculo de estimativas de força e de potência na laminação. O atrito na laminação ocorre com um dado coeficiente de atrito, e a força de compressão dos cilindros multiplicada por esse coeficiente de atrito resulta em uma força de atrito entre os cilindros e a peça. Em um dos lados do ponto neutro, aquele na direção da entrada da peça, a força de atrito está em uma direção, e no outro lado está na direção oposta. Entretanto, as duas forças não são iguais. A força de atrito no lado de entrada é maior, o que faz com que a força resultante puxe a peça através dos cilindros. Não fosse isto, a laminação não seria possível. Há um limite da máxima redução possível que pode ser realizada na laminação de planos com um dado coeficiente de atrito. Este limite é definido pela máxima redução dmáx (mm ou in): em que μ é o coeficiente de atrito; e R é o raio do cilindro de trabalho, mm (in). Esta equação indica que, se o atrito fosse nulo, a redução seria zero e não seria possível realizar a operação de laminação. O coeficiente de atrito na laminação depende da lubrificação, do material de trabalho e da temperatura de trabalho. Na laminação a frio, este valor está em torno de 0,1; na laminação a morno, o valor típico é cerca de 0,2; e, na laminação a quente, está em torno de 0,4 [16]. A laminação a quente é frequentemente caracterizada por uma condição chamada agarramento, na qual a superfície da peça quente adere aos cilindros de trabalho sobre o arco de contato. Esta condição ocorre com frequência na laminação de aços e ligas de altas temperaturas. Quando ocorre agarramento, o coeficiente de atrito pode alcançar valores tão altos quanto 0,7. A consequência do agarramento é que as camadas superficiais da peça estão restritas a moverem- se na mesma velocidade que a velocidade do cilindro de trabalho Vr; e abaixo da superfície, a deformação é mais severa para permitir a passagem da peça através da abertura entre cilindros. 1 Vista lateral da laminação de planos, indicando as espessuras inicial e final, velocidades da peça, ângulo de contato com os cilindros e outras características 2 Variação típica da pressão ao longo do comprimento do arco de contato na laminação de planos. O pico de pressão está localizado no ponto neutro. A integração da Eq. (13.9), representada na área abaixo da curva, é a força de laminação F. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 6 A força do cilindro F, requerida para manter a separação entre os dois cilindros de trabalho, dado que o contato apresenta um coeficiente de atrito suficiente para realizar a laminação, pode ser calculada pela integração da pressão em um cilindro (figura a cima) na área de contato peça- cilindro. Esta pode ser expressa por: em que F é a força de laminação, N (lbf); W é a largura da peça sendo laminada, mm (in); p é a pressão do cilindro, MPa (lbf/in²); e L é o comprimento de contato entre os cilindros de trabalho e a peça, mm (in). A integração requer a soma de dois termos separados, cada um referente a um lado do ponto neutro. A variação da pressão do cilindro ao longo do comprimento do arco de contato é significante. A pressão atinge um máximo no ponto neutro e decai em ambos os lados em relação aos pontos de entrada e saída. À medida que o atrito aumenta, a pressão máxima aumenta em relação aos valores de entrada e saída. À medida que o atrito diminui, o ponto neutro se desloca da entrada em direção à saída para manter uma força de arraste na direção de laminação. Caso contrário, com baixo atrito, a peça escorregaria em vez de passar por entre os cilindros de trabalho. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 7 Uma aproximação dos resultados obtidos pela acima pode ser calculada com base na tensão média de escoamento que o material de trabalho sofre no afastamento deixado entre cilindros. Isto é, em que P é a potência, J/s ou W (lbf-in/min); N = velocidade de rotação, 1/s (rpm); F é força de laminação, em N (lbf); e L é o comprimento de contato, m (in). LAMINAÇÃO DE PERFILS: Na laminação de perfis, a peça é deformada para ter o formato da seção transversal desejada. Exemplos dos produtos fabricados pela laminação de perfis são vigas I, L e U; trilhos para estradas de ferro; e barras redondas e quadradas e fio-máquina. O processo é realizado pela passagem da peça através de cilindros que possuem a geometria complementar da forma desejada ao perfil. A maior parte dos princípios que se aplicam à laminação de planos é também aplicável à laminação de perfis. Os cilindros de laminação de perfis são mais complexos; a peça, usualmente com forma inicial quadrada, necessita de transformação gradual por meio da passagem por vários cilindros para obtenção da seção transversal final. O projeto de sequência das formas intermediárias e cilindros correspondentes é chamado plano de passes ou calibração. * O objetivo da realização de diversos passes é alcançar uma deformação uniforme por meio da seção transversal em cada redução. Caso contrário, algumas porções da peça ficam mais reduzidas que outras, provocando maiores alongamentos nestas seções. As consequências de uma redução não uniforme podem ser o empenamento e o aparecimento de trincas no produto laminado. Tanto cilindros horizontais quanto verticais são utilizados para obter reduções consistentes do material de trabalho. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 8 LAMINADORES Várias configurações de laminadores ou cadeiras de laminação estão disponíveis para lidar com a variedade de aplicações e problemas técnicos no processo de laminação. O laminador típico consiste em dois cilindros opostos e é denominado laminador-duo, mostrado na Figura abaixo (a). Os cilindros destes laminadores têm diâmetros que variam de 0,6 a 1,4 m (2,0 a 4,5 ft). A configuração de laminador-duo pode ser tanto reversível quanto irreversível. Na cadeira de laminação irreversível, os cilindros sempre giram no mesmo sentido, e a peça sempre passa através dos cilindros pelo mesmo lado. A cadeira de laminação reversível autoriza a reversão do sentido de rotação do cilindro, de modo que a peça possa ser laminada em ambas as direções. Isto permite uma série de reduções a serem realizadas com o mesmo conjunto de cilindros, simplesmente pela passagem da peça a partir de direções opostas em múltiplos passes. A desvantagem da configuração reversível é o significante momento angular alcançado pelos grandes cilindros rotativos e os problemas técnicos associados à reversão. Como indicado pelas equações apresentadas, algumas vantagens são obtidas com a redução do diâmetro do cilindro. O comprimento de contato cilindro com a peça é reduzido com menores raios de cilindro, e isto conduz a menores forças, torque e potência. A cadeira de laminação quádruo usa dois cilindros menores para contato com a peça e dois cilindros de encosto ou apoio, conforme mostrado na Figura(c). Em razão das forças de laminação elevadas, quando ocorre a passagem da peça, os cilindros menores podem fletir elasticamente entre os mancais de rolamento, a menos que cilindros de encosto de maior diâmetro sejam usados para apoiá-los. Outra configuração que permite utilizar cilindros de trabalho menores contra a peça é a cadeira com cilindros agrupados ou laminador Sendzimir. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 9Para obter maiores taxas de laminação de produtos padronizados, um trem laminador é usualmente empregado. Esta configuração é composta de uma série de cadeiras de laminação, como representado na Figura (e). Embora apenas três cadeiras sejam mostradas em nosso esquema, um trem típico de cadeiras de laminação pode ter oito ou dez cadeiras, cada uma fazendo uma redução de espessura ou mudança de forma na peça fabricada que passa por elas. A cada passo de laminação, a velocidade da peça aumenta, e o problema de sincronização das velocidades dos cilindros torna-se importante. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 10 OUTROS PROCESSOS RELACIONADOS COM A LAMINAÇÃO Diversos outros processos de conformação volumétrica usam cilindros para dar forma à peça fabricada. Exemplos destas operações são: laminação de roscas, laminação de anéis, laminação de engrenagens e laminação de tubos Laminação de Roscas: É usada para conformar roscas em peças cilíndricas laminando-as entre duas matrizes. Este é o mais importante processo comercial para produção seriada de componentes com rosca externa (p. ex., porcas e parafusos). O outro processo que compete com este é o rosqueamento (usinagem de roscas). A maior parte das operações de laminação de roscas é realizada por trabalho a frio em máquinas de laminação de roscas. Estas máquinas são equipadas com matrizes especiais que determinam o tamanho e a forma da rosca. As matrizes são classificadas em dois tipos: (1) Matrizes planas, as quais alternam entre si e; (2) Matrizes arredondadas, as quais têm rotação relativa entre si para realizar a ação de laminação. As taxas de produção na laminação de roscas podem ser elevadas, atingindo até oito peças por segundo para pequenas porcas e parafusos. Não somente estas taxas são significativamente maiores em comparação ao rosqueamento, mas também existem outras vantagens sobre a usinagem: (1) melhor utilização de material, (2) roscas mais resistentes devido ao encruamento, (3) superfícies mais suaves, e (4) melhor resistência à fadiga devido às tensões compressivas introduzidas pela laminação. Laminação de Anéis: CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 11 É um processo de conformação no qual um anel de parede grossa de menor diâmetro é laminado em um anel de parede fina de maior diâmetro. A Figura abaixo apresenta dois instantes: antes e depois do processo ser realizado. À medida que o anel de parede grossa é comprimido entre os laminadores, o material deformado alonga provocando aumento do diâmetro do anel. A laminação de anéis é usualmente realizada como um processo de trabalho a quente para produzir grandes anéis e como processo de trabalho a frio para pequenos anéis. As aplicações da laminação de anéis incluem pistas de rolamentos de esferas e roletes, aros de aço para rodas de estradas de ferro e anéis para tubos, vasos de pressão e máquinas rotativas. As paredes dos anéis não são limitadas a seções transversais retangulares; o processo permite a laminação de formas mais complexas. Existem várias vantagens da laminação de anéis sobre outros métodos alternativos para fazer a mesma peça: economia de material, orientação de grãos ideal para a aplicação e aumento de resistência por meio do trabalho a frio. LAMINAÇÃO DE ENGRENAGENS É um processo de trabalho a frio para produzir alguns tipos de engrenagens. A indústria automotiva é um importante usuário destes produtos. O arranjo na laminação de engrenagens é similar ao da laminação de roscas, exceto no que diz respeito aos aspectos de deformação do esboço cilíndrico ou do disco que estão orientados paralelos ao seu eixo (ou a certo ângulo, no caso de engrenagens helicoidais), em vez da forma em espiral como na laminação de roscas. Existem outros métodos alternativos para a fabricação de roscas, como a usinagem. As vantagens da laminação de engrenagens sobre a usinagem são similares àquelas da laminação de roscas: altas taxas de produção, melhores resistência ao endurecimento e à fadiga, além de perdas reduzidas de material. CONFORMAÇÃO MECÂNICA (Crédito: Fundamentals of Modern Manufacturing, 4a Edição, por Mikell P. Groover, 2010. Reimpresso com permissão de John Wiley & Sons, Inc.) 12 Laminação de Tubos sem Costura com Mandril É um processo especializado de conformação a quente para produção de tubos de paredes grossas sem costuras. Este processo utiliza dois cilindros opostos, sendo, portanto, classificado como processo de laminação. O processo é baseado no princípio do desenvolvimento de elevadas tensões trativas no centro quando uma peça cilíndrica sólida é comprimida na sua circunferência, como mostrado abaixo em (a). Se a compressão é suficientemente elevada, uma fissura interna é formada. Na laminação a mandril, este princípio é explorado pelo arranjo mostrado abaixo em (b). Tensões compressivas são aplicadas a um tarugo sólido cilíndrico por dois cilindros, cujos eixos estão orientados em pequenos ângulos (~ 6o) em relação ao eixo do tarugo, de modo que suas rotações tendam a puxar o tarugo através dos cilindros. Um mandril é utilizado para controlar o tamanho e acabamento do furo criado por essa ação. Os termos laminador de tubos com mandril e processo Mannesmann são também adotados para esta operação de fabricação de tubos
Compartilhar