Post on 15-Mar-2020
Laminação e Trefilação
Dr. Ronnie Rego
Dr. Alfredo R. de Faria
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação
2
Fechamentos4.
Trefilação3.
Laminação2.
Introdução1.
Agenda
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[Aula#1] Processos de Conformação Mecânica
Esforço no material
Movimento da ferramenta
Movimento do material
Forjamento ExtrusãoLaminação Trefilação
DobramentoCisalhamento
� Alteração de forma com volume e massa conservados
EstiramentoEmbutimento(Estampagem profunda)
Calandragem
4
� Principais Propriedades
[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Curva Tensão-Deformação
σ (Tensão)
ε (Deformação)
L
A0 L+δLF
F
σ = F/A0
ε = δL/L
E (Módulo de Young ou Módulo de Elasticidade
Longitudinal)
0,2%
σe ou σy
Limite de Escoamento
E
σr ou σu
Limite de Resistência
A ou εf
Alongamento
5
εa
[Aula#2] Comportamento dos Materiais: Efeitos Particulares
A
E
EfeitoBauschinger
Histerese Elástica
ComportamentoAnelástico
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[Aula#3] Deformação Excessiva: Deformação Plástica
� Instabilidade Plástica
� A partir de dP = 0 e σ = P/A
� Do conceito de Volume constante:
� Do conceito de deformação
� Portanto:
Critério de Instabilidade
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� Modos de fratura
� Fratura Frágil
� Fratura Dúctil
� Fratura Intergranular
� Fratura de quasi-clivagem
� Fadiga
[Aula#3] Fratura
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Processos de Fabricação: Estrutura do Curso
PlasticidadeFundamentos da
ConformaçãoTecnologias de Conformação
Processos Não-Convencionais
� Comportamento mecânico
� Tipos de Falhas
� Análise de tensão e deformação
� Relações plásticas
� Escoamento plástico
� Classificação
� Modelos preditivos
� Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia.
� Ensaios de conformabilidade
� Trefilação
� Laminação
� Forjamento
� Extrusão
� Estampagem
� Estiramento
� Repuxamento
� Soldagem a Ponto
� Metalurgia do Pó
F
dx
9
� Conceituação dos processos de conformação de laminação e trefilação
� Objetivos Específicos (para cada processo):
1. Prover definições fundamentais sobre o processo e cadeia, suas variantes tecnológicas e suas aplicações
2. Apontar as influências principais sobre o processo
3. Apresentar tipos de falha mais recorrentes
Objetivo da aula
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1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988.
2. CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, 2015.
3. TSCHAETSCH, H. Metal Forming Practise. Springer, Berlim, 2006.
4. BRESCIANI FILHO, E.; ZAVAGLIA, C.A.C.; BUTTON, S.T.; GOMES, E.; NERY, F.A.C. Conformação Plástica dos Metais. 4.ed. Editora da Unicamp, Campinas, 1991.
5. WRIGHT, R.N. Wire Technology: Process Engineering and Metallurgy. Elsevier, Burlington, 2011.
Processos de Fabricação I (MTP-34): Literatura de Referência
1 2 53 4
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Fechamentos4.
Trefilação3.
Laminação2.
Introdução1.
Agenda
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� Processo de deformação plástica que resulta na redução da seção transversal
� Material passa entre dois cilindros que giram na mesma velocidade e sentidos opostos
� Altas tensões compressivas:
– Esmagamento rolo-material
– Atrito entre rolo e material
� Redução: sequência de passes
– Consequente aumento do comprimento
� Alta produtividade
Laminação
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� Laminação a Quente: Operações de Desbaste
� Temperaturas elevadas, acima da recristalização (Aços: 1000°C a 1200°C)
� Restauração da estrutura
� Promove aumento da ductilidade
– Menor força de laminação
– Maiores reduções de seção
– Alta variação dimensional
� Laminação a Frio: Operações de Acabamento
� Material: produto da laminação a quente
� Sem restauração da estrutura
� Promove aumento do encruamento e refinamento de grão
– Menores reduções de seção (50-90%)
– Maior resistência mecânica
– Baixa variação dimensional
Laminação
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� Laminador (Gaiola de laminação)
� Cilindro de trabalho (9)
� Cilindro de Encosto (15)
� Parafuso de Ajuste (6)
� Motor do Parafuso de Ajuste (4)
� Calços (11, 12)
� Célula de Carga (12)
Laminação: Equipamento
Laminador Quádruo
15
2
� Variantes de laminadores
1. Duo
2. Duo reversível: laminação nos dois sentidos, no mesmo plano (↑ Produtividade)
3. Quádruo: Produção de chapas finas (↓Ø → ↓F); Combinação com grandes rolos, já que ↓Øreduz a rigidez
4. Trio: laminação nos dois sentidos, sem inversão de rotação (↑ Produtividade)
5. Universal: Laminação de bordas e perfis estruturais
…
Laminação: Equipamento
1 3
54
16
� Trem de laminação: Conjunto sequencial de gaiolas de laminação
Laminação: Equipamento
Desenroladeira
Bobinadeira(tração atuante)
Gaiola #1
Gaiola #2
Gaiola #3
Gaiola #4
Processo de Laminação Contínua
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� Trem de laminação: Conjunto sequencial de gaiolas de laminação
Laminação: Equipamento
Laminação de tubos com costura
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� Sequência de etapas de laminação
� Laminação de Perfis Estruturais
Laminação: Equipamento
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� Saída da aciaria, no processo de lingotamento
� Lingote, Placa, Tarugo (ABNT NBR 6215)
Laminação: Matéria-Prima
20
� Saída da aciaria, no processo de lingotamento
� Lingote, Placa, Tarugo
Laminação: Matéria-Prima
Processo de Lingotamento Contínuo
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� Laminação a Quente
� Produtos de maiores dimensões, a sofrerem processos posteriores
� Placas, Chapas, Tarugos, Barras, Vergalhões, Tubos, Perfis estruturais
� Laminação a Frio
� Produtos de dimensões refinadas, semi-acabadas ou já como aplicação final
� Chapas finas, Tiras, Folhas
Laminação: Produto Acabado / Aplicações
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1. Forma inicial
2. Intensidade da deformação da seção transversal (redução projetada)
3. Dimensões do cilindro de laminação
4. Rigidez da montagem do cilindro na gaiola de laminação
5. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)
6. Atrito (Acabamento dos rolos e do material)
7. Temperatura do processo
8. Velocidade do processo
9. Potência do laminador
10. Tensões à frente e à ré na chapa
Laminação: Fatores de Influência
Quantificação por relações geométricas
e de deformação
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� Relações geométricas e de deformação na laminação
Laminação: Fatores de Influência
Cilindro de Laminação
Material
hihf
AB
C
O
Deformação Absoluta
A
R
α
B
O
C
24
� Relações geométricas e de deformação na laminação
Laminação: Fatores de Influência
A B
O
C
R
Lα
� Arco de Contato (L)
– Sendo R >> hi, assume-se que
– Da mesma forma,
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� Relações geométricas e de deformação na laminação
Laminação: Fatores de Influência
A B
O
C
R
Lα
� Ângulo de Contato (α)
– Ângulo entre e
– Para pequenos ângulos, admite-se sen(α) = α
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� Relações geométricas e de deformação na laminação
Laminação: Fatores de Influência
A B
O
C
R
Lα
� Deformação Convencional (e)
� Deformação Verdadeira (ε). Sendo
� Redução (r) [%]
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� Relações geométricas e de deformação na laminação
� Evolução da deformação ao longo do processo
Laminação: Fatores de Influência
Cilindro de Laminação
Material
hihf
AB
C
O
A B
O
C
R
α
D
φ
D
h
28
� Relações geométricas e de deformação na laminação
Laminação: Fatores de Influência
B
O
C
Rα
φ
D
� Espessura ao longo do processo (h)
� Deformação Convencional ao longo do processo (e)
� Deformação Verdadeira ao longo do processo (ε)
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� Alteração da Velocidade ao longo do processo
� Ponto neutro ou Ponto de deslizamento nulo
Laminação: Fatores de Influência
Cilindro de Laminação
Material
hihf
AB
C
O
Escorregamento
Ponto neutro ou Ponto de deslizamento nulo
vi vf
N
αN
� Conservação do volume
Pre
ssão
de
Co
nta
to
A Arco de contato C
N
30
� Cálculo da Carga e Pressão de Laminação
� “Métodos Analíticos”
Laminação: Fatores de Influência
31
� Relações geométricas e de deformação na laminação
� Condição de Mordida e Arrastamento
Laminação: Fatores de Influência
Cilindro de Laminação
Material
hihf
AB
C
O
α
α
α
N
FAT
� Para garantir o avanço no sentido da laminação:
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� Relações geométricas e de deformação na laminação
� Condição de Mordida e Arrastamento
Laminação: Fatores de Influência
Cilindro de Laminação
Material
hihf
AB
C
O
α
α
α
N
FAT
� A partir de:
� Define-se como Deformação Absoluta Máxima
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� Relações geométricas e de deformação na laminação
Laminação: Fatores de Influência
34
� Torque e Potência de laminação
� Dependentes do cálculo da Carga e Pressão de laminação
Laminação: Fatores de Influência
� Torque de Laminação (MT)
– Laminação à quente: λ ≈ 0,50
– Laminação a frio: λ ≈ 0,45
� Potência de Laminação (W)
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Relação Geométrica e de Deformação Fatores de Influência
Forma inicial (1); Redução projetada (2)
Forma inicial (1); Redução projetada (2);Dimensão do cilindro (3)
Forma inicial (1); Redução projetada (2);Velocidade do processo (8)
Dimensão do cilindro (3); Material (5); Atrito (6)
Carga e Pressão(“Métodos Analíticos”)
Rigidez da montagem (4); Material (5); Atrito (6); Temperatura do processo (7); Velocidade do processo (8); Potência do laminador (9); Tensões àfrente e à ré na chapa (10)
Mesmos de Carga e Pressão
Laminação: Fatores de Influência
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� E se as relações estabelecidas não forem respeitadas?
Laminação: Fatores de Influência x Tipos de Falhas
37
� Diferentes modos de falha em chapas laminadas
Laminação: Tipos de Falhas
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� Diferentes modos de falha em chapas laminadas
� Falta de paralelismo ou planicidade nos rolos
� Rigidez de montagem insuficiente
Laminação: Tipos de Falhas
Mecanismo de tensionamento da chapa laminada
σ
Vista de topo (laminado)
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� Diferentes modos de falha em chapas laminadas
� Deformação não-uniforme (espalhamento lateral)
Laminação: Tipos de Falhas
Mecanismo de tensionamento da chapa laminada
σ
Vista de frente (laminado)
Vista de topo (laminado)
σ
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� Fenômeno “Rabo de Peixe” (alligatoring)
� Favorecido por material de baixa ductilidade
Laminação: Tipos de Falhas
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Fechamentos4.
Trefilação3.
Laminação2.
Introdução1.
Agenda
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� Processo de passagem de material por ferramenta que impõe a redução de seção, mediante aplicação de força de tração na saída da ferramenta
� Fio, tubo ou barra
– Seção circular, em geral
– Oriundos da laminação
� Ferramenta: fieira
� Equipamento: trefiladora
Trefilação
Material
Fieira
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� Processo de passagem de material por ferramenta que impõe a redução de seção, mediante aplicação de força de tração na saída da ferramenta
� Deformação plástica é combinação de forças:
– Direta de tração no material
– Indireta de compressão na fieira
� Regime de Lubrificação
– Material é lubrificado antes de processado, ou;
– Processamento imerso em lubrificante
Trefilação
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� Fios/arames: Processo sequencial de reduções → Trefiladora de tambor
Trefilação
45
Trefilação
� Fios/arames: Processo sequencial de reduções → Trefiladora de tambor
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� Características
� Temperatura: Ambiente
– Promove encruamento(ductilidade reduzida)
– As grandes deformações promovem considerável aumento da temperatura
– Possível processo intermediário de recozimento
– Recozimento = tratamento térmico para redução da dureza de um material de microestrutura deformada mecanicamente
Trefilação
Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação
47
� Fieira
1. Cone de Entrada: guia o fio ao cone de trabalho e viabiliza lubrificação
2. Cone de Trabalho: redução (região de compressão e atrito)
3. Cilindro de Calibração: ajuste do diâmetro do fio
4. Cone de Saída: proporciona saída livre
Trefilação: Equipamento
1
2
3
4
4321
48
� Fieira
� β - Semiângulo do cone de entrada
� α – Semiângulo do cone de trabalho
� HC e DC: Altura e diâmetro do cilindro de calibração
� γ - Semiângulo do cone de saída
Trefilação: Equipamento
βα γ
HC
DC
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1. Diâmetro inicial
2. Intensidade da deformação da seção transversal (redução projetada)
3. Ângulo de trefilação
4. Força de tração
5. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)
6. Lubrificação (atrito entre fio e fieira)
7. Velocidade do processo
8. Potência do laminador
Trefilação: Fatores de Influência
Quantificação por relações geométricas
e de deformação
50
� Relações geométricas e de deformação na trefilação
Trefilação: Fatores de Influência
� Comprimento de contato (LC)
� Comprimento de deformação (LD)
� Razão da zona de deformação (∆)
� Redução (r)
β α γ
HC
DC
Ai Af
Fieira
Fio
Zona de Deformação
αsin2fi
C
ddL
−=
αtan2fi
D
ddL
−=
2
2
2
2
)tan(
)tan(111
αα
+∆−∆−=−=−=
i
f
i
f
d
d
A
Ar
D
fi
L
dd
2
+=∆
51
� Relações geométricas e de deformação na trefilação
Trefilação: Fatores de Influência
� Razão da zona de deformação (Δ)
– Relação entre altura média e comprimento do cone de trabalho
22 )11()11(tan
2r
rr
rL
dd
D
fi −+≈−+=+
=∆ αα
52
� Ângulo do cone de trabalho e velocidade do processo
Trefilação: Fatores de Influência
53
� Temperatura como efeito do atrito
Trefilação: Fatores de Influência
Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação
Microestrutura do fio como efeito da temperatura do processo
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� Cálculo da Carga e Pressão de Trefilação
� métodos analíticos
Trefilação
)1(ln
)1)(()1cot)(()sincos(sin
sincos
cot,sin
0 B
A
A
A
P
BAApAApAA
pSpSpP
BAA
S
a
bxa
a
dxa
ababab
d
ab
+=⇒=
+−=+−=+−=+=
=−=
σσσ
αµααµα
ααµ
αµα
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� Potência de trefilação
� Dependentes do cálculo da Carga e Pressão de trefilação
– Caso de uma trefiladora de único tambor
Trefilação
� Potência de Trefilação (W)
– Eficiência mecânica (η) ≈ 80%
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� Principais falhas
b. Formação de Zona Morta
c. Descascamento
d. Rupturas centrais
Zona Morta é gerada em materiais trefilados com ângulos de trabalho grandes, fazendo com que o material fique aderido à matriz e não continue seu fluxo normal.
Descascamento é gerado em materiais trefilados com ângulos de trabalho muito grandes. A zona morta gerada não consegue aderir àmatriz e começa a deslizar para traz, gerando corte do metal, sendo que o núcleo não de deforma, apenas se move através da matriz.
Trefilação: Tipos de Falhas
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� Descascamento
Trefilação: Tipos de Falhas
σm – Tensão hidrostática centralσa – Tensão média no processo∆ – Razão da zona de deformação
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� Rupturas centrais
� Sequência de falhas em formato de “V”, indicando a direção de trefilação
� Geometria da fieira não adequada
– Redução de seção muito pequena: superfície movendo muito mais lentamente do que a região central → tensões de tração no centro do fio
– Zona de deformação muito extensa
� Lubrificação: transição entre regimes de lubrificação (limítrofe ↔ misto)
Trefilação: Tipos de Falhas
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Fechamentos4.
Trefilação3.
Laminação2.
Introdução1.
Agenda
60
Objetivos Específicos
Definições Fundamentais
1
Influências Principais
2
Tipos de Falhas
3
5