Aula 13 - Forjamento e laminação - Unifor

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Prof(a) Ma: Julietty Morais
E-mail:julietty@unifor.br
FORJAMENTO
O forjamento é um processo de conformação no qual a peça processada é
comprimida entre duas matrizes, ora por meio de impacto ou a partir de uma
pressão gradativa para dar forma à peça. É a mais antiga das operações de
conformação de metais, datadas talvez em 5000 a.C.
Atualmente, o forjamento é um importante processo industrial usado para fabricar
uma variedade de componentes de alta resistência para aplicações automotivas,
aeroespaciais, entre outras. Estes componentes incluem virabrequins de motores e
bielas, engrenagens, componentes estruturais de aeronaves e peças de bocais de
motores de turbinas. Além disso, indústrias de aços e outros metais usam o
forjamento para obter a forma básica de grandes componentes que serão usinados
posteriormente para as formas e dimensões finais.
FORJAMENTO
FORJAMENTO
O forjamento é realizado de diversas formas diferentes. Uma maneira de
classificar a operação de forjamento é em relação à temperatura de trabalho. A
maior parte das operações de forjamento é conduzida a quente ou a morno, em
razão da grande quantidade de deformação requerida pelo processo e a
necessidade de reduzir a resistência e aumentar a ductilidade do metal em
processamento.
Entretanto, o forjamento a frio é também muito comum para certos produtos. A
vantagem do forjamento a frio é a elevada resistência da peça como resultado do
encruamento. O forjamento utiliza tanto impacto quanto uma pressão gradativa
para realizar o processo. A distinção entre estes está mais ligada ao tipo de
equipamento usado do que com as diferenças tecnológicas do processo. O
equipamento que aplica uma carga de impacto para realizar o forjamento é
chamado martelo de forjar, enquanto aquele que aplica uma pressão gradativa é
chamado prensa de forjar.
FORJAMENTO
https://www.youtube.com/watch?v=EFvxESu9HsA
FORJAMENTO
Outra diferença entre as operações de forjamento é a forma pela qual o escoamento
do metal processado está contido entre as matrizes. Segundo esta classificação,
existem três tipos de operação de forjamento.
(a) forjamento em matriz aberta ou forjamento livre,
(b) forjamento em matriz fechada, 
FORJAMENTO
e (c) forjamento sem rebarba. 
FORJAMENTO
No forjamento em matriz aberta, a peça é comprimida entre duas matrizes planas
(ou quase planas), permitindo assim que o metal escoe sem restrição na direção
lateral em relação às superfícies das matrizes. No forjamento em matriz fechada,
as superfícies das matrizes contêm uma forma ou cavidade que é conferida à
peça durante a compressão, restringindo deste modo o escoamento do metal
significativamente.
FORJAMENTO
https://www.youtube.com/watch?v=TWn8ITKlIcU
Neste tipo de operação, uma porção do metal processado escoa para fora da
cavidade da matriz formando uma rebarba, como é mostrado na figura. A rebarba é
o excesso de metal que deve ser aparado depois. No forjamento sem rebarba, o
metal está por completo contido na matriz e nenhum excedente de rebarba é
produzido. O volume da peça inicial deve ser controlado com mais rigor de modo a
preencher o volume da cavidade da matriz.
FORJAMENTO
FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
O caso mais simples de forjamento em matriz aberta envolve compressão de uma
peça com seção transversal cilíndrica entre duas matrizes planas, tal como no
ensaio de compressão. Esta operação de forjamento, conhecida como
recalcamento ou recalque, reduz a altura da peça e aumenta seu diâmetro.
Uma operação real de recalque não ocorre como descrita pela Figura anterior devido
ao atrito que se opõe ao escoamento do metal nas superfícies das matrizes. Isto cria
um efeito de embarrilamento mostrado na Figura abaixo. Quando realizado em uma
peça processada a quente, por meio de matrizes frias, o efeito de embarrilamento é
ainda mais pronunciado. Isto é resultado de elevado coeficiente de atrito típico do
trabalho a quente e da transferência de calor nas superfícies das matrizes em suas
vizinhanças, o que resfria o metal e aumenta sua resistência à deformação.
FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
https://www.youtube.com/watch?v=Sn6kezbRQVw
PRÁTICA DE FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
Este é um importante processo industrial. As formas geradas pelas operações de 
forjamento em matriz aberta são simples; eixos, discos e anéis são alguns exemplos 
de peças fabricadas por esse processo
Em algumas aplicações, as matrizes possuem superfícies com contornos que
auxiliam a dar forma à peça. Além disso, a peça deve ser sempre manipulada (por
exemplo, rotacionada em passos) para efetuar a mudança desejada de forma.
PRÁTICA DE FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
A habilidade do operador humano é fator de sucesso nestas operações. Um exemplo
de forjamento em matriz aberta na indústria de aço é a conformação de um grande
lingote fundido de seção quadrada em uma seção transversal circular. As operações
de forjamento em matriz aberta produzem peças brutas, e operações subsequentes
são necessárias para beneficiar as peças para a geometria e as dimensões finais.
PRÁTICA DE FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
Uma importante contribuição do forjamento a quente em matriz aberta é que ele 
cria um escoamento dos grãos e uma estrutura metalúrgica do metal favoráveis.
PRÁTICA DE FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
Força de recalque em função da altura h e da redução de altura (h0 – h). 
Este gráfico é, às vezes, denominado curva força de deslocamento.
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
O forjamento em matriz fechada é realizado com matrizes que contêm o formato
complementar à forma desejada para a peça.
https://www.youtube.com/watch?v=lPt3XPYcrdY
A peça no estado bruto é mostrada como uma peça cilíndrica similar àquela
usada na operação anterior em matriz aberta. À medida que se aproxima da
configuração final, a rebarba é formada pelo metal que escoa além da cavidade
da matriz em direção à pequena abertura entre os pratos das matrizes. Embora
esta rebarba deva ser cortada da peça em operação subsequente de
rebarbação, na verdade, ela exerce uma função importante durante o forjamento
em matriz fechada.
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
Diversos estágios de conformação são usualmente necessários no forjamento
em matriz fechada para transformar o esboço de partida na geometria final
desejada. Cavidades separadas na matriz são necessárias para cada estágio. Os
primeiros estágios são projetados para redistribuir o metal na peça, a fim de
obter uma deformação uniforme e estrutura metalúrgica desejada nos estágios
subsequentes.
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
Sequência do forjamento em matriz fechada: (1) antes do contato inicial com a 
peça bruta de trabalho, (2) compressão parcial, e (3) fechamento final da matriz 
provocando a formação de rebarba na abertura entre os pratos das matrizes.
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
No forjamento a quente, o valor apropriado para τe é o limite de resistência do
metal em temperatura elevada. Em outros casos, a seleção do valor adequado da
tensão de escoamento é dificultada, uma vez que, em formas complexas, a
deformação varia por toda parte da peça.
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
O forjamento em matriz fechada não é capaz de fornecer tolerâncias apertadas de
trabalho, e a usinagem é usualmente necessária para atingir as precisões
demandadas. A geometria básica da peça é obtida a partir do processo de
forjamento, com usinagem realizada naquelas porções da peça que requerem
precisão de acabamento (por exemplo, furos, roscas e superfícies que se unem com
outros componentes). As vantagens do forjamento, comparadas à usinagem
completa da peça, são as elevadas taxas de produção, conservação de metal, maior
resistência e orientação favorável de grãos do metal que resulta do forjamento.
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA
Melhorias na tecnologia de forjamento de matriz fechada têm resultado na
capacidade de produzir forjados com seções mais finas, geometrias mais
complexas, reduções drásticas do esboço nas exigências das matrizes,
tolerânciasmais apertadas, e a possibilidade de redução de retirada de material
por usinagem.
FORJAMENTO DE PRECISÃO
No forjamento sem rebarba, a peça no estado bruto está completamente contida no
interior da cavidade da matriz durante a compressão e nenhuma rebarba é formada.
Os requisitos de controle do processo são mais exigentes no forjamento sem rebarba
que no forjamento em matriz fechada.
https://www.youtube.com/watch?v=NsweAeNThnw
FORJAMENTO DE PRECISÃO
O mais importante é que o volume da peça de trabalho de partida deve ser igual ao
espaço da cavidade da matriz dentro de uma tolerância muito apertada. Se o esboço
de partida for muito grande, pressões elevadas poderão causar dano à matriz ou à
prensa. Se o esboço for muito pequeno, a cavidade poderá não ser preenchida. Em
razão das demandas específicas exigidas pelo forjamento sem rebarba, este
processo é mais indicado para geometrias que são usualmente simples e simétricas
e para materiais de trabalho, tais como alumínio e magnésio e suas ligas. O
forjamento sem rebarbas é frequentemente classificado como um processo de
forjamento de precisão.
FORJAMENTO DE PRECISÃO
Forjamento sem rebarba: (1) antes do contato inicial com a peça, (2)
compressão parcial, e (3) fechamento final do punção e matriz. Os símbolos v e
F indicam o movimento (velocidade) e força aplicada, respectivamente.
PRODUTOS 
http://somel.it/prodotti/stampaggio_a_caldo_automotive-motociclo/
http://esperancaforjados.com.br/automotivo.php
http://www.azerra.com.br/conexoes-forjadas-latao
https://www.fbmforjaria.com.br/pecas-automotivas-forjadas
http://forjaria.weebly.com/forjamento-livre.html
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 abaixo, 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.
LAMINAÇÃO
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.
https://www.youtube.com/watch?v=VAssU9XAuls
LAMINAÇÃO
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.
LAMINAÇÃO
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
(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.
LAMINAÇÃO
LAMINAÇÃO
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. A Figura abaixo mostra
alguns destes produtos laminados de aço.
LAMINAÇÃO
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. 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.
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].
ANÁLISE DA LAMINAÇÃO DE PLANOS
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.
ANÁLISE DA LAMINAÇÃO DE PLANOS
Vista lateral da laminação de planos, indicando as espessuras inicial e final, velocidades da peça, ângulo de contato 
com os cilindros e outras características.
ANÁLISE DA LAMINAÇÃO DE PLANOS
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.
LAMINAÇÃO DE PERFIS
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.
LAMINAÇÃO DE PERFIS
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.
LAMINAÇÃO DE PERFIS
O projeto de sequência das formas intermediáriase 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.
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. Os cilindros destes
laminadores têm diâmetros que variam de 0,6 a 1,4 m. A configuração de
laminador-duo pode ser tanto reversível quanto irreversível.
LAMINADORES
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.
LAMINADORES
Vários arranjos alternativos estão ilustrados na Figura. Na configuração de
cadeira trio, Figura (b), existem três cilindros em uma coluna vertical, e a direção
de cada cilindro permanece inalterada. Para obter uma série de reduções, a peça
pode ser laminada em ambos os lados pela elevação ou abaixamento da tira após
cada passe. O equipamento de uma cadeira de laminação trio torna-se mais
complicado devido a um mecanismo de mesa elevatória necessário à
movimentação da peça.
LAMINADORES
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, Figura (d).
LAMINADORES
Para 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.
LAMINADORES
OUTROS PROCESSOS RELACIONADOS COM A 
LAMINAÇÃO
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). A maior parte das operações de laminação de roscas é realizada por
trabalho a frio em máquinas de laminação de roscas. As taxas de produção na
laminação de roscas podem ser elevadas, atingindo até oito peças por segundo
para pequenas porcas e parafusos. 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.
OUTROS PROCESSOS RELACIONADOS COM A 
LAMINAÇÃO
Laminação de Anéis: 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 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.
OUTROS PROCESSOS RELACIONADOS COM A 
LAMINAÇÃO
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. 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.
https://www.tornifuso.com.br/
OUTROS PROCESSOS RELACIONADOS COM A 
LAMINAÇÃO
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 na Figura. As tensões compressivas são
aplicadas a um tarugo sólido cilíndrico por dois cilindros, cujos eixos estão orientados
em pequenos ângulos (~ 6°) 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 este operação de fabricação de tubos.