Professor: Sérgio Rodrigues da Silva.

Apostila de Processos de Fabricação

1-Laminação2-Extrusão3-Trefilação4-Fundição5-Forjamento

1 - LaminaçãoA laminação é um dos Processos de alteração de forma por deformação em massa, além do Forjamento, da Extrusão e da Trefilação.

É um processo de transformação mecânica que consiste na redução da seção transversal por compressão do metal, por meio da passagem entre dois cilindros de aço ou ferro fundido com eixos paralelos que giram em torno de si mesmos. Esta seção transversal é retangular e refere-se a produtos laminados planos de alumínio e suas ligas, compreendendo desde chapas grossas com espessuras de 150 mm, usadas em usinas atômicas, até folhas com espessura de 0,005 mm, usadas em condensadores. Existem dois processos tradicionais de laminação de alumínio: laminação a quente e laminação a frio. Atualmente, a indústria também utiliza-se da laminação contínua.

 

 

Os principais tipos de produtos laminados são: chapas planas ou bobinadas, folhas e discos. Esses semimanufaturados têm diversas aplicações em setores como transportes (carrocerias para ônibus, equipamentos rodoviários, elementos estruturais, etc.), construção civil (telhas,

fachadas, calhas, rufos, etc.), embalagens (latas, descartáveis e flexíveis) e bens de consumo (panelas, utensílios domésticos, etc.).

 

 Laminação a Quente

Promove reduções da seção transversal com o metal a uma temperatura mínima de aproximadamente 350°C (igual à temperatura de recristalização do alumínio). A ductilidade do metal a temperaturas desta ordem é máxima e, nesse processo ocorre a recristalização dinâmica na deformação plástica. O processo transcorre da seguinte forma:

     

 

1) Uma placa (matéria-prima inicial), cujo peso varia de alguns quilos até 15 toneladas, é produzida na refusão, por meio de fundição semicontínua, em molde com seção transversal retangular. (Este tipo de fundição assegura a solidificação rápida e estrutura metalúrgica homogênea).A placa pode sofrer uma usinagem superficial (faceamento) para remoção da camada de óxido de alumínio, dos grãos colunares (primeiro material solidificado) e das impurezas provenientes da fundição.

       2) Posteriormente, a placa é aquecida até tornar-se semiplástica.

     

 3) A laminação a quente se processa em laminadores reversíveis duplos (dois cilindros)

ou quádruplos (dois cilindros de trabalho e dois de apoio ou encosto).     

 

4) O material laminado é deslocado, a cada passada, por entre os cilindros, sendo que a abertura dos mesmos define a espessura do passe. A redução da espessura por passe é de aproximadamente 50% e depende da dureza da liga que está sendo laminada. No último passe de laminação, o material apresenta-se com espessura ao redor de 6mm, sendo enrolado ou cortado em chapas planas, constituindo-se na matéria-prima para o processo de laminação a frio.

 

 

 Concepções mais modernas do processo de laminação a quente podem apresentar em linha, após o desbastamento, em um laminador reversível, uma cadeia de vários laminadores, denominada de "tandem", que reduz a espessura do material para cerca de 2 mm.

Uma unidade de laminação a quente contém: laminador, refusão (unidade de fundição de placas), fornos de pré-aquecimento para placas, tratamentos térmicos de homogeneização (distribuição mais homogênea dos elementos microconstituintes químico-metalúrgicos), tesouras rotativas e guilhotinas para cortes laterais e longitudinais do material laminado, serras para cortes das extremidades e faceadeira para usinagem das superfícies.

 

 Laminação a frio

Realiza-se a temperaturas bem inferiores às de recristalização do alumínio. A matéria-prima é oriunda da laminação a quente. A laminação a frio é executada, geralmente, em laminadores quádruplos, reversíveis ou não, sendo este último mais empregado. O número de passes depende da espessura inicial da matéria-prima, da espessura final, da liga e da têmpera do produto desejado. Os laminadores estão dimensionados para reduções de seções entre 30% e 70% por passe, dependendo, também, das características do material em questão. Laminadores mais sofisticados possuem sistemas computadorizados de controle de espessura e de planicidade. Na laminação a frio utilizam-se dois recursos: tensões avante e tensões a ré.

Ambas aliviam o esforço de compressão exercido pelos cilindros ou aumentam a capacidade de redução por passe. Estes recursos são também responsáveis pela redução da espessura no caso de laminação de folhas finas, em que os cilindros de laminação estão em contato e praticamente sem abertura perceptível.

 

 

A deformação a frio confere encruamento ao alumínio. Aumenta os limites de resistência à tração e ao escoamento, com diminuição do alongamento. Esse procedimento produz um metal com bom acabamento superficial e preciso controle dimensional.

Os produtos laminados de alumínio são utilizados em todas as operações metalúrgicas usuais de chapas, incluindo aquelas que exigem do metal de excepcional ductilidade, como é o caso de processos como estampagem, extrusão por impacto, perfilação (roletagem), etc. Recozimentos intermediários podem ser realizados para amolecimento (recristalização) e para facilitar posterior laminação ou determinar têmperas específicas.

Os produtos laminados a frio mais finos (folhas), com espessura de até 0,005 mm, são produzidos em laminadores específicos, que concebem o processo de laminação de folhas dupladas com lubrificação entre elas.

 

 

Outro processo atualmente muito utilizado é o de laminação contínua que elimina a etapa de laminação a quente. O alumínio é solidificado entre dois cilindros refrigerados internamente por água, que giram em torno de seus eixos, produzindo uma chapa com seção retangular e espessura aproximada de 6mm. Posteriormente, esta chapa é enrolada, obtendo-se assim um produto similar àquele obtido por laminação a quente. Porém, este produto apresentará uma estrutura bruta de fusão bastante refinada, dada a alta eficiência do refinador de grão utilizado no vazamento.

A laminação é um processo de conformação onde o metal é obrigado a passar entre dois cilindros, girando em sentidos opostos, com a mesma velocidade tangencial e distanciados entre si num valor menor que a espessura do material a ser deformado. Ao passar entre os cilindros, o metal sofre uma deformação plástica, a espessura é reduzida e o comprimento e a largura são aumentados.

Laminação de produtos planos

O objetivo é produzir chapas de determinada espessura a partir de chapas mais grossas, ou de blocos ou lingotes. A redução é progressiva, em vários passes e sempre num mesmo plano, cada passe reduzindo a espessura num certo percentual. Os esforços chegam a milhares de toneladas devido às grandes áreas envolvidas. Os cilindros de trabalho, que entram em contacto com o material, são suportados por cilindros de encosto, de maior diâmetro o que evita que aqueles se quebrem. De todo o modo, a deformação elástica resulta em uma deflexão maior no meio do que nas extremidades dos cilindros. Para evitar que as chapas tenham espessuras diferentes ao longo da largura, os diâmetros dos cilindros de trabalho são maiores no meio do que nas extremidades.

Laminação de produtos não planos

O objetivo é produzir barras (redondas, quadradas, achatadas) ou perfis (cantoneiras, vigas U e I, trilhos, dormentes metálicos, etc.). Para isso é necessário que a deformação seja muitas vezes alternada entre 2 planos, de modo que a largura e espessura sejam reduzidas. Ao contrário dos cilindros usados para chapas, aqui eles recebem canais maquinados, por onde passam as barras e perfis, que são assim obrigados gradualmente, passo a passo, a mudar da secção inicial (por exemplo: quadrada) até o perfil final.

Etapas de Laminação

Desbaste inicial dos lingotes em blocos, tarugos ou placas (realizada normalmente por

laminação a quente – laminador duo reversivel, laminador universal).

Nova etapa de laminação a quente para transformar o produto em chapas grossas, tiras a

quente, vergalhões, barras, tubos, trilhos ou perfis estruturais.

Laminação a frio produz tiras a frio.

Vantagens e Desvantagens do processo

Vantagens:

Alta produtividade

Controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso.

Processo primário (Matéria prima para outros processos)

Muito utilizado

Alta resistência e excelente tenacidade.

Desvantagens:

Vazios originados no seio do metal podem causar enfraquecimento da resistência

mecânica.

Gotas frias são pingos de metal que se solidificam e permanecem no material

formando defeitos na superfície.

Trincas aparecem no próprio lingote ou durante as operações de redução que

acontecem em temperaturas inadequadas;

Dobras são oriundas de reduções excessivas em que um excesso de massa metálica

ultrapassa os limites do canal e cai sobre recalque no passo seguinte;

Segregações acontecem pela concentração de alguns elementos nas partes mais

quentes do lingote, geralmente as últimas a se solidificarem, podem acarretar

heterogeneidades nas propriedades como também fragilização e enfraquecimento de

secções dos produtos laminados.

Outros defeitos são: o produto pode ficar empenado, retorcido, ou fora de secção, em

consequência de deficiências no equipamento, e nas condições de temperatura sem

uniformidade ao longo do processo.

2 - ExtrusãoExtrusão é um processo de conformação mecânica que consiste na compressão de um cilindro sólido, por exemplo, de metal alumínio, chamado de Tarugo ou Billet, de encontro a um orifício existente em uma matriz (molde ou ferramenta), com o intuito de fazer o material fluir por esse orifício e formar um perfil extrusado, sob o efeito de altas pressões e elevadas temperaturas de trabalho. Este processo de extrusão é conhecido como extrusão direta.  

 Descrição Básica do Processo ...Todo o processo de extrusão ocorre com o metal no estado sólido, diferente do processo de Injeção onde o metal está no estado líquido. A extrusão pode ser a frio ou a quente, sendo que normalmente quando é a quente o processo ocorre com o metal aquecido a uma faixa de temperatura que está diretamente atrelada ao metal e a liga que será extrusada. Pode-se dizer que a temperatura de extrusão para o alumínio, por exemplo, é de 450 a 540 graus Celsius, mas além do alumínio, é comercialmente comum extrusar os metais cobre, aços carbono e aços inoxidáveis. 

Aplicações ...Muitas Indústrias produzem utilizando-se do processo de Extrusão, além da Indústria Metalúrgica, a Indústria de Alimentos é um bom exemplo disso. Na indústria de Alimentos pode-se encontrar massas de diversos tipos de foram produzidas por extrusão, sem falar em ração para animais domésticos, comida para cães, gatos, peixes e coelhos, dentre muitos outros. Na Indústria de Plásticos, onde um excelente exemplo de produto confeccionado por extrusão, são os Forros de Isolamento Térmico em PVC, muito comuns hoje em dia, bem como perfis para janelas e portas em PVC. O processo de extrusão foi iniciado no final do século 19, ou seja, é um processo muito novo. A extrusão do metal chumbo iniciou as pesquisas definitivas referentes ao processo e, durante a segunda guerra mundial, a extrusão foi determinante para a fabricação de equipamentos militares na indústria aeronautica. Basicamente a extrusão consiste em produzir peças com uma de suas três dimensões, demasiadamente aumentada em comparação as outras duas, ou seja, formam-se peças alongadas e com um enorme comprimento, chamadas de barras.

 No ramo da construção civil, o padrão de mercado para esta dimensão (comprimento das barras), normalmente é de seis metros, mas pode ser comercializado em comprimentos diferenciados.  Quanto as outras duas dimensões (largura e espessura), comercialmente procura-se enquadra-las dentro de medidas inscritas em círculos que variam de 2, 4, 6, 8 ou até mais polegadas de diâmetro. Muitas das peças atualmente produzidas são inferiores a 4 polegadas (+/- 101 mm) de diâmetro, mas existem peças enormes que hoje são produzidas por extrusão. 

 Características: dependo da ductilidade do material a extrudar o processo pode ser feito a frio ou a quente, em altas temperaturas. O produto é essencialmente uma peça semi-acabada.  Uso - produtos mais comuns: quadros de janelas e portas, trilhos para portas deslizantes, tubos de várias seções transversais e formas arquitetônicas. Produtos extrudados podem ser cortados nos tamanhos desejados para gerarem peças, como maçanetas, trancas e engrenagens. Em operação combinada com forjamento pode gerar componentes para automóveis, bicicletas, motocicletas, maquinário pesado e equipamento de transporte.   Materiais: Alumínio, cobre, aço, magnésio e chumbo são os materiais mais comumente extrudados. 

 TIPOS DE EXTRUSÃO  EXTRUSÃO DIRETA No processo básico, denominado direto um tarugo cilíndrico é colocado numa câmara e forçado através de uma abertura de matriz através de um pistão hidráulico. A abertura da matriz pode ser circular ou de outro formato. A extrusão também pode ser indireta, hidrostática ou por impacto. 

 EXTRUSÃO INDIRETA Também denominada reversa ou invertida: a matriz se desloca na direção do tarugo 

 EXTRUSÃO LATERAL O material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara. Os eixos do punção e da peça têm diferentes direções (ângulo reto). 

 EXTRUSÃO HIDROSTÁTICA O diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da câmara, que é preenchida por um fluido. A pressão é transmitida ao tarugo através de um pistão. Não há fricção nas paredes da câmara. 

 A extrusão hidrostática é realizada usualmente a temperatura ambiente, em geral usando óleo vegetal como meio fluido, combinando as qualidades de viscosidade e lubrificação. Pode-se também trabalhar em alta temperatura. Neste caso ceras, polímeros ou vidro são usados como fluido que também tem a função de manter o isolamento térmico do tarugo durante o procedimento de extrusão. PARÂMETROS GEOMÉTRICOS  

 No caso do metal alumínio, onde este processo de produção é muito conhecido e utilizado para produzir peças para as mais variadas aplicações, o nome do equipamento que produz as peças extrusadas se chama de Extrusora ou Prensa. 

Prensa de Extrusão

 Pelo processo de extrusão pode-se encontrar peças em vários ramos de atividade além da Indústria de Construção Civil (Portas, Janelas, Aberturas, dentre

outras), na Indústria Automotiva (Caminhões, Ônibus, Carretinhas, dentre outros), na Indústria Moveleira (Mesas, Cadeiras de Praia, Armários, Portas, dentre outros), na Indústria Eletro-Eletrônica (Trocadores de Calor, Fios e Cabos), na Indústria Metal-Mecânica (Barras em formatos maciços para a usinagem de peças diversas), na Indústria Naval (Estrutura para Barcos, Mastros, etc.), na Indústria Aeronáutica (peças de avião, suporte de poltronas, etc.), na Indústria Armamentos (peças variadas de armas, corpo de pistolas, etc.), dentre muitas outras, onde as características de resistência mecânica aumentadas são relevantes, pois o processo de extrusão de metais proporciona este aumento devido a conformação mecânica na qual o metal é submetido.  Devido aos enormes esforços que o metal sofre durante a extrusão as suas características metalúrgicas (estrutura, tamanho de grão, resistência, etc.) são alteradas e comprimidas, por exemplo, ocorre uma diminiução do tamaho de grão e um alongamento dos mesmos, aumentado a resistência mecânica após o tratamento térmico das peças. Detalhes Técnicos do Processo Produtivo ...Uma prensa extrusora basicamente comprime o metal aplicando elevadas Forças, geralmente em temperaturas também elevadas, contra uma matriz. Estas Forças a serem aplicadas, dependem muito da geometria do produto a ser extrusado (se tubular ou maciço), do diâmetro (tamanho), da liga, e da quantidade de peças que serão extrusadas.  Por exemplo, para perfis sólidos no formato de barras maciças redondas (vergalhões), com diâmetro de 1 polegada (25,40 mm), da liga ABNT 6063, utilizando um tarugo de 450 mm de comprimento, solubilizado e homogeinizado, aquecido a mais ou menos 500º Celsius, a pressão de trabalho esta na ordem de aproximadamente 70/90 KgF/cm², para uma extrusora de 4 polegadas (101 mm), com container (camisa aquecida), com Força na ordem de 1.250 toneladas.  Para um perfil tubular redondo de espessura de parede na ordem de 2 mm, também de 1 polegada (25,4 mm) de diâmetro externo e com as demais características de trabalho e liga similares ao exemplo anterior, a pressão de trabalho esta na ordem de 150 a 180 KgF/cm², para a mesma máquina.  Ou seja, os esforços mecânicos necessários também estão diretamente ligados a geometria da peça, fator preponderante para analisar a viabilidade da extrusão em uma dada Extrusora, dentre outros fatores. O processo de extrusão não é apenas uma grande prensa hidráulica que imprime uma determinada força, em um tarugo sólido de metal aquecido, no intuito de fazê-lo escoar corretamente em um orifício esculpido em uma dada matriz, é muito mais do que isso. Esta é apenas uma das etapas do processo. Pode-se dizer que:

Tudo começa na fundição,  passa pelo correto tratamento térmico do tarugo fundido,   pela etapa de conformação mecânica (a extrusão propriamente dita), pelo correto tratamento térmico do perfil metálico já extrusado e finalizando nos processos de acabamento ou proteção superficial.

Ou seja, é um processo muito técnico, que pode sim ser chamado de um processo rápido, mas nem de perto pode-se dizer que é um processo fácil ou simples de realizar.  Qualquer leigo consegue entender que extrusar um vergalhão redondo maciço de uma polegada (25,4 mm), de alumínio, na liga ABNT 6063, partindo de um tarugo perfeitamente solubilizado, é completamente diferente de extrusar um perfil tubular, na liga ABNT 7075, também solubilizado, de parede delgada (1 mm), com diversos tubos internos em sua seção tranversal. São coisas completamente diferentes. A tecnologia e os esforços envolvidos são totalmente distintos. Além disso, o processo de extrusão possui muitas variáveis, algumas delas oriundas de processos anteriores à extrusão, ou até, depois da realização do processo de conformação mecânica de extrusão propriamente dita. Por exemplo:

Um metal quando combinado com outros metais formam as ligas metálicas, estas por sua vez devem respeitar os parâmetros internacionais de padronização, por exemplo, no Brasil, os parâmetros de composição química da ABNT - para ligas tratáveis termicamente, no caso do metal alumínio. Estes parâmetros principalmente indicam as faixas de composição química aceitáveis para cada elemento de uma determinada liga de alumínio. Estas faixas possuem uma banda relativamente larga, ou seja, muito ampla e, se isso não for bem entendido e trabalhado, pode acarretar problemas no processo de conformação por extrusão. Por exemplo, trabalhar na escala inferior da faixa de composição química, de uma determinada liga, pode ser totalmente diferente do que trabalhar na escala superior de composição química, da mesma liga, ainda mais quando se refere a perfis de paredes finas, complexas e desiguais, onde a geometria do perfil a ser extrusado é um fator preponderante para o sucesso do processo, ainda mais quando não há tratamento térmico de solubilização preliminar, mas, mesmo havendo, podem sim ocorrer problemas no processo de extrusão.

Trabalhando-se no meio da faixa de composição acima e não realizando-se o correto trabalho de limpeza e filtragem do metal líquido, ainda quando na fundição, este metal pode carregar consigo impurezas indesejáveis, tais como, inclusões não metálicas que nada mais são do que óxidos de metais, estes extremamente duros e muito agressivos ao ferramental de extrusão, causando desgaste desigual ou, às vezes, destruindo por completo a matriz.

Trabalhando-se no meio da faixa de composição química, realizando a correta limpeza do metal líquido (banho), na fusão do mesmo, e não desgaseificar o metal corretamente, estes gases ocasionam bolhas no momento da extrusão. E, ao contrário do que se pensa, estas bolhas são maiores e aparecem em maior quantidade, em perfis com paredes mais grossas do que em perfis com paredes mais finas (delgadas), pois a deformação é menor e o efeito de caldeamento quase não se faz presente, tudo depende também do tamanho da prensa extrusora e da força aplicada, ou seja, da deformação envolvida.

Trabalhando-se no meio da faixa de composição química, realizando-se a correta limpeza e a filtragem do metal líquido, retirando-se os gases do banho metálico e controlando-se a temperatura do metal, na hora do vazamento, mas, não realizando o correto tratamento térmico de solubilização no tarugo, muitos problemas podem ocorrer no processo de extrusão, tais como, excesso de óxidos na superfície do tarugo fundido e solubilizado. Óxidos estes que são prejudiciais às matrizes de extrusão, são mais duros do que as mesmas, ocasionam desgaste prematuro do ferramental, ou deixam alinhadas manchas escuras, as linhas de óxidos. Nos perfis tubulares, este fator é muito mais crítico, principalmente na zona de caldeamento. Mas além destes efeitos visíveis, ou quase visíveis a olho nú, ainda podem aparecer problemas de tamanho de grão excessivo e que só se apresentam quando o metal é anodizado.

Por último, realizando-se todo o trabalho acima descrito de forma correta e a extrusão ocorrendo da melhor forma possível, ou seja, tudo dentro dos parâmetros previstos e tecnicamente aceitáveis, sem nenhuma falha, ainda resta o monitoramento do processo de tratamento térmico posterior a extrusão, correto monitoramento do envelhecimento. Este pode ser feito de diversas formas e para as mais variadas aplicações, ou necessidades de esforços mecânicos. Um exemplo disso é que em uma determinada liga, pode-se aplicar tratamento térmico do tipo T4 ou do tipo T6, independente da composição ou faixa de composição química adotada, isso para a mesma liga. Neste rápido comentário, um determinado tipo de tratamento térmico é aplicado ao perfil de alumínio no intuito de proporcionar ao mesmo um melhor condição de trabalho mecânico pós extrusão, dobramento pós o tratamento térmico, por exemplo, e em outro tipo de tramento térmico objetiva-se o máximo possível de resistência mecânica que a liga pode apresentar.

Tudo isso é muito complexo e, em nenhum momento do acima relatado, mencionou-se qualquer tipo de força, pressão ou deformação necessária para se realizar a extrusão, estas são variáveis que devem ser monitoradas de perto, pois não estão diretamente relacionadas ao processo mecânico de extrusão, mas interferem muito no mesmo, são variáveis que ocorrem antes ou depois do processo, mas nem por isso, devem ser desprezadas.  Além destas variáveis acima mencionadas, ou seja, aquelas inerentes ao metal, ainda existem as variáveis relativas ao:

ferramental (dureza, tipo de aço, tratamento térmico, estrutura metalúrgica do aço, características de construção, proteção superficial - nitretação, carbonitretação, recobrimento com carbonetos à base de titânio ou enxofre, ou qualquer outro tipo de proteção superficial do ferrametal), bem como, ao

equipamentos de extrusão (alinhamento de todo o sistema produtivo, principalmente da prensa extrusora, com o tarugo, com o porta matriz e com matriz), equipamentos pós extrusão (mesas, puller, etc), vazamentos que ocasionam perda de carga, bombas, motores, dentre tantos outros possíveis.

 Matrizes - Ferramentas - Modelos ...O grande segredo e diferencial da extrusão está no correto desenvolvimento da matriz (ferramenta) que será utilizada para realizar o desenvolvimento do perfil extrusado. Normalmente são feitas de aço ligado, e para trabalho a quente do tipo aço ferramenta H13, temperado, revenido (46/48 Rc) e perfeitamente polido.  Além disso, pode receber tratamento superficial de Nitretação Gasosa ou deposição de camadas protetivas como Nitretos de Titâneo e Oxido de Enxofre, para reduzir o atrito que se dá entre o metal base da matriz (aço) e o metal que será extrusado (alumínio, por exemplo).  Com isso acrescenta-se uma maior vida útil a uma matriz e pode-se produzir mais peças com a mesma matriz sem que ela venha a se desgastar e se inutilizar. Inúmeras possibilidades de perfis podem ser confeccionadas pelo processo de extrusão, hoje se diz que esta possibilidade chega a ser ilimitada. Um dado muito importante para o dimensionamento correto de uma linha de extrusão, e até no desenvolvimento de uma matriz (ferramenta), é o peso Kg/metro do perfil a ser produzido. Ele é obtido multiplicando-se a área (mm²) pelo peso específico do metal que será extrusado, no caso do alumínio adotar como base 2,705 (g/cm³), sendo que resposta básica desta conta é o peso por metro linear da peça estrusado. Outro fator importante é a definição do diâmetro do círculo inscrito. 

 Linha de Extrusão ...Uma linha de extrusão é composta principalmente por uma prensa extrusora que é um equipamento hidráulico, normalmente posicionado na horizontal, acompanhado de um forno de aquecimento de tarugos, forno de aquecimento de matrizes, mesa de extrusão, mesa de estiramento, mesa de corte (que pode ser automática ou manual, com ou sem sistema automático de puxar "puller"), carrinhos de armazenamento, forno de tratamento térmico, máquina embaladora, dentre diversos outros dispositivos e equipamentos complementares. Além disso acompanham também, diversos sistemas de controle de pressão, controle de temperatura, controle de processo e computadores, que proporcionam controles a toda a linha produtiva. Tudo com pouca ou muita automatização de processo, já que existem linhas onde a influência humana está muito presente em todas as etapas produtivas, isso ocorre quando as peças produzidas possuem geometrias pequenas e os tarugos acompanham esta tendência, ou seja, são pequenos. Existem linhas produtivas que sequer um ser humano se faz presente, pois tratam-se de linhas onde são fabricadas peças grandes e utilizam tarugos pesados. 

 Além da extrusora, o forno de aquecimento de matrizes, local onde são armazenas as matrizes (ferramentas) para serem aquecidas e poderem entrar em trabalho produtivo, se faz necessário. Seu dimensionamento está diretamente ligado a quantidade de tipos diferentes de matrizes e perfis extrusados que se deseja produzir em um dado tempo de trabalho.  O forno de aquecimento de tarugos é um equipamento que serve para aquecer o tarugo de metal, antes de ser extrusado, facilitando assim o processo e aliviando os esforços para que a extrusão ocorra, no caso da extrusão ser a quente. Ele pode ser aquecido a Gás GLP, Gás Natural, Óleo Diesel ou Eletricamente (indução ou resistências), onde o fator determinante para a escolha de qual sistema a adotar é o custo energético envolvido, deve ter um tamanho que seja suficiente para aquecer o material, deixa-lo em condições de ser extrusado, sem que ocorra a oxidação excessiva tanto externa como interna do metal.  A mesa de extrusão pode possuir muita automatização, com sistema de Puller (Puxador automático controlado por CLP) ou pouca automatização, com pessoas puxando as peças diretamente da frente da máquina.  O metal após passar pela mesa de estrusão é transferido para uma que se chama de mesa de estiramento que, como o próprio nome diz, realiza o estiramento do metal, puxando-o para garantir a retilineidade e dimensional ao mesmo.  A mesa de corte realiza o corte das barras para redução do comprimento da barra e nele a peça final é concluída, além disso, a mesa de corte serve para segregar as partes danificadas pelo processo de estiramento (pontas das barras, por exemplo). Todas estas mesas ainda podem ser agrupadas e serem transformadas em uma única mesa que realiza todo este trabalho automaticamente.  Os carrinhos de transporte são os equipamentos que levam as barras produzidas até um forno de tratamento térmico. O forno de tratamento térmico é

o local onde se agregam as características mecânicas ao metal, proporcionando que o mesmo obtenha maior resistência, normalmente o processo adotado é o processo de envelhecimento, para o metal alumínio.  A máquina de embalagem embala os perfis automaticamente, liberando-os para o cliente. Todo este clico produtivo é seguido por inúmeras inspeções de qualidade, e como elevadas temperaturas e pressões estão presentes a inspeção mecânica dos equipamentos e matrizes são constantes.

Forças Envolvidas na Extrusão ...Ao comprimir um tarugo, duas Forças são geradas, a Força de Atrito, que é aquela gerada entre o tarugo e as paredes internas da container (camisa) e a Força de Cisalhamento, que é aquela necessária para deformar o tarugo e fazê-lo passar pela matriz.  A força de cisalhamento é função da temperatura, pois quanto maior for a temperatura, menor será a força de cisalhamento. Quanto menor for a temperatura mais força será necessária para cisalhar o metal, mais sofrerá a prensa e a matriz, no entanto, melhor serão as características do metal.  Deve-se tentar trabalhar com o metal a uma temperatura mais baixa possível, para que não ocorram oxidações superficiais dos tarugos, oxidações internas no metal, imperfeições devido a estas oxidações, desgaste e amolecimento da matriz.  No caso de haver um aquecimento indesejado devido ao atrito e a compressão contra a matriz, pode ocorrer o esfarelamento do metal. Quanto maior for a velocidade de extusão, maior será a produção, no entanto, mais violenta será a deformação e o o atrito resultante, por consequência haverá um aumento da temperatura do sistema. Todas estas variáveis devem ser periodicamente controladas para um melhor acabamento dos perfis e um melhor resultado no processo.  O comprimento do tarugo também é uma variável importante, já que quanto maior for o tarugo, maior será a força necessária para vencer o atrito entre a superfície do mesmo e a superfície interna da camisa (container). A liga do metal é outra variável determinante, pois quanto mais ligada ela for (mais dura), maior será a força de cisalhamento que deverá ser vencida e por consequência menor deverá ser o tarugo.  Abaixo será apresentada uma tabela que compara a extrudabilidade de ligas de alumínio, tomando como base de 100% a liga ABNT 6063. 

Liga Extrudabilidade (%) Liga Extrudabilidade (%)

1350 160 2011 35

1060 135 5086 25

1110 135 2014 20

3003 120 5083 20

6063 100 2024 15

6061 60 7075 09

 A prática no desenvolvimento de um perfil de alumínio ...Com a correta compreensão da aplicação do perfil desejado, sendo que muitas vezes alguns perfis encaixam-se uns sobre os outros, o matrizeiro confecciona um desenho técnico do perfil a ser produzido. A informação de aplicação de um dado perfil e suas características técnicas deve ser fornecida pelo cliente.  Este desenho pode ser feito partindo-se de uma amostra física ou um croquis com medidas. Antigamente o desenho era confeccionado manualmente sob um papel com naquim, como numa planta baixa predial, com o advento da informática, esta técnica perdeu a sua agilidade, pois existem softwares modernos tipo CAD/CAM que constroem gráficos proporcionando agilidade, ganho de tempo, redução de custos, maior qualidade e acabamento do desenho, possibilidade de alterações imediatas localizadas e segurança técnica, já que simulações podem ser realizadas diretamente no computador, antes mesmo de nascer fisicamente a matriz ou o perfil de alumínio. Um desenho técnico deve possui todas as medidas necessárias para a confecção de um perfil extrusado, bem como, as tolerâncias dimensionais aceitáveis, sejam elas oriundas de Norma Técnica, ou impostas pelo próprio cliente, marcação de onde a superfície é visível, com ampliações em desenhos auxiliares, se for necessário.  O desenho ainda deve apresentar a liga (no caso de metais), a dureza ou outra característica mecânica importante do perfil, do metal, da matriz, o tratamento térmico, a última alteração sofrida e o responsável pela sua elaboração, bem como a identificação do perfil, nome e número.  

Quanto mais informação relevante for anexada no desenho técnico de um perfil extrusado e de sua matriz, melhor será o resultado obtido, já que considera-se o desenho técnico o "planejamento do projeto" de um determinado perfil.  Após a conclusão do desenho técnico do perfil e a sua aprovação pelo cliente, inicia-se a fabricação da matriz. O primeiro passo é a confecção de um eletrodo que pode ser de cobre ou grafite. Este eletrodo possuirá um sobre metal característico para que quando o perfil seja estirado pelo processo de estiramento, na mesa de extrusão, as medidas do perfil sejam garantidas e o perfil fique dentro do especificado pelo desenho técnico quanto as tolerâncias dimensionais. O eletrodo será utilizado pelo processo de eletro-erosão por penetração no aço, para a confecção da matriz.  Paralelamente ao passo anterior, trabalha-se um bloco de aço para deixá-lo nas condições ideais de receber o eletrodo que realizará a eletro-erosão, usinando-o em tornos, fresas e plainas, tratando-o termicamente para atingir as características básicas de resistência mecânica desejada.  Em alguns casos pode-se aplicar além da eletro-erosão por penetração, também a eletro-erosão a fio, ambas tem a função de erudir o bloco de aço para gerar as cavidades por onde o metal irá fluir, dentro da matriz, originando o perfil desejado. Após a eletro erosão, realiza-se o polimento e a nitretação da matriz, deixando-a aptar a ser trabalhada. Após a conclusão da matriz de extrusão, leva-se a mesma para a prensa extrusora e realiza-se a extrusão do perfil, analisando-se completamente todos os parâmetros produtivos básicos envolvidos, tais como, pressões, forças, tempos, temperaturas, produção, tolerâncias dimensionais e acabamento do perfil que foi produzido, estado final da matriz e tratamento térmico do próprio perfil de alumínio, inspecionando-os completamente e conferindo-os com os desenhos técnicos para liberá-lo e entrar em produção seriada. Defeitos básicos de extrusão ...Apesar de todos os possíveis controles operacionais existentes, defeitos podem aparecer, são eles: 1) DEFEITOS SUPERFICIAIS Trinca a quente - originária de temperaturas elevadas de trabalho.  Arrancamento - originária da trinca da camada que fica estacionária dentro da "camisa" e que fica aderida na matriz. 2) ANEL DE ÓXIDOS (CORING) Como o centro do tarugo move-se mais rápido que a superfície, gera-se uma zona de imperfeição que pode se apresentar no perfil no final da extrusão. No centro está o metal mais "limpo", com o mínimo de impurezas se comparado a superfície. Na superfície do tarugo existe uma camada de óxidos oriunda do

resfriamento do tarugo, quando de sua fabricação e/ou solubilização. Esta camada de óxido normalmente é a última parte a ser extrusada, ou fica retida na pastilha sólida que será rejeitada quando a extrusão termina. Dependendo de como for o fluxo da extrusão, devido a geometria da matriz (perfil a ser formado), esta camada superficial pode se infiltrar e aparecer na superfície do perfil extrusado, não ficando retida na pastilha de alumínio (parte residual da extrusão). Este defeito pode ser muito grave, pois dada a utilização que terá o perfil, esta camada poderá ser um ponto fragilizante, já que mesma não proporciona um perfeito caldeamento (soldagem) do alumínio, na zona onde ela aparece. Isso é mais sério em perfis tubulares mas também aparece em perfis sólidos. Somente retirando-se esta camada de óxido superficial existente no tarugo, é que se pode minimizar ou até eliminar a possibilidade de existência deste defeito, ou seja, para não se apresentar este defeito ele não deve estar presente é no tarugo. 3) BOLHAS As bolhas podem ser originárias de vários motivos, desde de a retenção de hidrogênio ou ar aprisionado no metal quando de sua fundição para a formação do tarugo, como de ar que fica aprisionado entre a matriz e a frente da pastilha de aço, ambos dentro da camisa. Nesta zona (matriz, alumínio, pastilha de aço e interno da camisa) pode acontecer o acúmulo de ar que não consegue ser expelido no momento da extrusão, migrando para a zona de extrusão e sendo expelido de dentro para fora no perfil extrusado. Pode aparecer tando no início como no fim da extrusão. Recomenda-se que exista um espaço entre a pastilha de aço e o interior da camisa, para que este ar possa ser expelido. 4) CASCA DE LARANJA O defeito de casca de laranja pode ser ocasionado pelo puller, nomomento da extrusão, ou pelo estiramento, logo após a extrusão. Como a função do estiramento é de esticar e endireitar o perfil extrusado, trazendo-o para dentro das tolerâncias dimensionais exigidas por norma, ou pelo cliente, este estiramento se for feito em demasia, pode acarretar diferentes tensões entre a superfície do metal e seu interior, um deformando-se mais do que o outro, havendo assim um "enrrugamento" do perfil. Percebe-se este defeito com mais freqüência em peças (tubos) com paredes grossas e em vergalhões. 5) SOLDA TRANSVERSAL Muito similar ao defeito anterior. Trata-se da existência de óxidos superficiais indesejados na junção superfície de contato matriz e superfície de contato do tarugo. Ponta do tarugo. esta superfície oxidada de alumínio, pode se extender por toda a peça extrusado gerando pontos fragilizantes em peças com elevada responsabilidade mecânica e deve ser evitada. Proteção atmosférica seria uma alternativa, outra seria a usinagem, desbaste da ponta do tarugo. No caso de ficar alumínio retido no interior de uma matriz e a mesma ser reaquecida, existe a possibilidade desta camada de óxido ser mais espessa também originando este defeito. Deve-se minimizar ou eliminar qualquer tipo de óxido superficial existente no processo. 

6) SOLDA LONGITUDINAL Este tipo de defeito ocorre quando os óxidos, sejam eles oriundos do tarugo ou de alumínio que foi reaquecido em uma matriz, alinha-se longitudinalmente em todo o perfil extrusado. Este defeito é muito comum e vísivel em perfis tubulares redondos, onde no momento da extrusão o tarugo de alumínio é subdividido no interior da matriz, levando com ele em cada parte, um pouco de óxido (normalmente da superfície do tarugo) que quando do momento do caldeamento (soldagem) não deixa que o metal realmente forme uma massa sólida e homogênea, gerando uma linha de óxidos em toda a extensão da peça extrusada. A cor dessa camada de óxido ressalta aos olhos, pois possui um tom escuro, cinza escuro, em todo o comprimento do perfil. Deve-se minimizar ou eliminar qualquer tipo de óxido superficial existente no processo. 7) MANCHAS ESCURAS QUE ESFARELAM Este tipo de defeito refere-se a impurezas oriundas do interior do tarugo de alumínio. Podem ser escória (óxido) que ficou retida no interior do tarugo, quando o mesmo não é filtrado no momento do vazamento. Quando esta escória é fina, espalha-se sobre a superfície do perfil extrusado, ao longo de todo ele ou em pontos isolados, deformando-o. Quando esta escória é grosseira, deposita-se parcialmente na superfície do perfil deformando-o ou deposita-se na superfície da matriz servindo como um tampão, não deixando com que o perfil se forme em sua totalidade. Pode gerar frisos indesejados, por exemplo. A alumina (óxido de alumínio) é muito mais dura que o aço e dependendo de como este óxido se aloja na matriz, pode deformá-la definitivamente. Para corrigir este defeito, deve-se filtrar os tarugos de alumínio eliminando-se definitivamente este tipo de macro-óxido de seu interior. 8) ONDAS INDESEJADAS NA SUPERFÍCIE DO PERFIL Observa-se este defeito, logo após a extrusão e antes do estiramento. Trata-se da oscilação da pressão, no momento da extrusão, que deixa sua marca no perfil de alumínio. O perfil extrusado fica com um aspecto superficial de pequenas e infinitas lombadas e mini-calombos. O estiramento normalmente corrige este defeito de processo produtivo.

EXTRUSÃO A QUENTE É feita em temperatura elevada para ligas que não tenham suficiente ductilidade a temperatura ambiente, de forma a reduzir as forças necessárias.  Características: A extrusão a quente apresenta alguns problemas como todo o processo de alta temperatura: 

O desgaste da matriz é excessivo.

O esfriamento do tarugo na câmara pode gerar deformações não-uniformes. O tarugo aquecido é coberto por filme de óxido (exceto quando aquecido

em atmosfera inerte) que afeta o comportamento do fluxo do metal por suas características de fricção e pode gerar um produto de pobre acabamento superficial.

 Algumas medidas preventivas podem sanar ou minorar o efeito dos problemas mencionados acima: 

Para reduzir o efeito de esfriamento e prolongar a vida da ferramenta, a matriz pode ser pré-aquecida.

Para melhorar o acabamento superficial, a camada de óxido é removida através do uso de uma placa, com diâmetro inferior ao da câmara, posicionada sobre o pistão. Ao extrudar o tarugo, uma casca cilíndrica contendo a camada de óxido permanece "colada" à parede da câmara. Com isto elimina-se a presença de óxidos no produto. A casca é posteriormente removida da câmara.

 Campo de temperaturas para extrusão de vários metais: 

 EXTRUSÃO A QUENTE - PROJETO DE MATRIZES E MATERIAIS Os materiais para matrizes de extrusão a quente são usualmente aços ferramenta para trabalho a quente. Revestimentos como zirconia podem ser aplicados para prolongar a vida das matrizes, especialmente em matrizes para produção de tubos e barras. Lubrificação é importante na extrusão a quente. O vidro é excelente lubrificante para aço, aço inox, metais e ligas para altas temperaturas.

 No processo Séjournet, uma pastilha de vidro é colocada na entrada da matriz. A pastilha atua como um reservatório de vidro fundido, que lubrifica a interface da matriz durante a extrusão. Vidro pulverizado sobre o tarugo reduz a fricção da interface câmara-tarugo.Para metais com tendência a aderir à parede da matriz, pode-se usar um revestimento fino de metal macio e de baixa resistência, como cobre ou aço doce. O procedimento é denominado “jaquetamento” ou “enlatamento”. Além de formar uma superfície de baixa fricção o tarugo fica protegido contra contaminação do ambiente, e vice-versa no caso de material tóxico ou radioativo.  Destacam-se como linhas gerais para um projeto adequado: Procurar simetria da seção transversal, evitar cantos vivos e mudanças extremas nas dimensões dentro da seção transversal. 

 EXTRUSÃO A FRIO Desenvolvida nos anos 40 é o processo que combina operações de extrusão direta, indireta e forjamento. O processo foi aceito na indústria particularmente para ferramentas e componentes de automóveis, motocicletas, bicicletas, acessórios e equipamento agrícola. O processo usa tarugos cortados de barras laminadas, fios ou chapas. 

Os tarugos menores que 40 mm de diâmetro são cisalhados e tem suas bordas ajustadas por retificação. Diâmetros maiores são usinados a partir de barras, com comprimentos específicos. Embora componentes extrudados a frio sejam em geral mais leves, fabricam-se componentes de até 45 kg e com comprimentos de até 2m. 

 Vantagens em relação à extrusão a quente: 

Melhores propriedades mecânicas resultantes do encruamento, desde que o calor gerado pela deformação não recristalize o metal.

Controle das tolerâncias, requerendo pouca ou nenhuma operação posterior de acabamento.

Melhor acabamento superficial, devido em parte pela não existência de camada de óxido, desde que a lubrificação seja eficiente.

Eliminação do pré-aquecimento do tarugo. Taxas de produção e custos competitivos com outros métodos. Algumas

máquinas são capazes de produzir mais de 2000 partes por hora.  Desvantagens 

A magnitude da tensão no ferramental de extrusão é muito alta, especialmente para trabalhar peças de aço. A dureza do punção varia de 60 a 65 HRc e a da matriz de 58 a 62 HRc.

 EXTRUSÃO POR IMPACTO 

É similar a extrusão indireta e freqüentemente incluída na categoria da extrusão a frio. O punção desce rapidamente sobre o tarugo que é extrudado para trás. A espessura da seção extrudada é função da folga entre o punção e a cavidade da matriz. 

 Exemplos de produtos incluem os tubos de pastas e assemelhados que são peças descartáveis. Podem-se obter diâmetros de até 150 mm. A maioria dos metais não ferrosos podem ser extrudados por impacto, usando-se prensas verticais e taxas de produção de até duas peças por segundo. O processo permite produzir seções tubulares de paredes muito finas (relações de diâmetro / espessura da ordem de 0,005) Por esta razão a simetria da peça e concentricidade do punção são fatores importantes. 

EXTRUSÃO DE TUBOS Na extrusão de tubos um mandril é preso à extremidade do êmbolo, de modo a conformar o diâmetro interno do tubo. As dimensões da parede do tubo são determinadas pela folga entre o mandril e o orifício da matriz. 

 DEFEITOS DA EXTRUSÃO Dependendo das condições e do material extrudado podem ocorrer vários tipos de defeitos, que afetam a resistência e qualidade do produto final.Os principais defeitos são: Trinca superficial: Ocorre quando a temperatura ou a velocidade é muito alta. Estas causam um aumento significativo da temperatura da superfície, causando trincas e rasgos. Os defeitos são intergranulares. Ocorrem especialmente em ligas de alumínio, magnésio e zinco, embora possam ocorrer em ligas de alta temperatura. Estes defeitos podem ser evitados reduzindo-se a velocidade de extrusão e diminuindo a temperatura do tarugo.  Cachimbo:O tipo de padrão de fluxo do metal a arrastar óxidos e impurezas superficiais para o centro do tarugo, como num funil. Este defeito é conhecido como defeito cachimbo (ou rabo de peixe). O defeito pode se estender até um terço do comprimento da parte extrudada e deve ser eliminado por corte. O defeito pode ser minimizado alterando-se o padrão de fluxo para um comportamento mais uniforme, controlando a fricção e minimizando os gradientes de temperatura. Alternativamente o tarugo pode ser usinado ou tratado quimicamente antes da extrusão, removendo-se as impurezas superficiais.  Trinca interna:O centro do tarugo pode desenvolver fissuras que são conhecidas como trincas centrais, fratura tipo ponta de flecha ou chevron. O defeito é atribuído à tensão hidrostática de tração na linha central, similar à situação da região de estricção

em um corpo em ensaio de tração. A tendência à formação de fissuras centrais aumenta com o crescimento da fricção e da relação de extrusão. Este tipo de defeito também aparece na extrusão de tubos. 

 

processo de extrusão

Explicacão do processo de extrusão

O

3 - TREFILAÇÃO 

O que é: a trefilação é uma operação em que a matéria-prima (por exemplo, o fio máquina resultante de um processo de laminação) é estirada através de uma matriz em forma de canal convergente (FIEIRA ou TREFILA) por meio de uma força de tração aplicada do lado de saída da matriz. 

 O escoamento plástico é produzido principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação da matriz sobre o material.  Forma resultante: a simetria circular é muito comum em peças trefiladas, mas não obrigatória.  Condições térmicas: normalmente a frio.  Uso - produtos mais comuns:

 

 GEOMETRIA DA FIEIRA (Matriz) A fieira (matriz) é o dispositivo básico da trefilação e compõe todos os equipamentos trefiladores. 

 A Geometria da fieira: é dividida em quatro zonas: 

(1) de entrada (2) de redução (a = ângulo de abordagem) (3) (guia) de calibração-zona cilíndrica (acabamento é crítico) (4) de saída 

Estrutura da Fieira (Matriz)

 

 TREFILAÇÃO DE TUBOS Os Tubos podem ser trefilados dos seguintes modos: 

Sem apoio interno (REBAIXAMENTO ou AFUNDAMENTO - fig.a) Com mandril passante (fig.b)

Com plug (bucha) interno (fig. c) Com bucha flutuante (fig.d)

 TREFILAÇÃO DE ARAMES DE AÇO  Etapas do processo Os passos a percorrer são discriminados no esquema abaixo. Observe que a trefilação propriamente dita é precedida por várias etapas preparatórias que eliminam todas as impurezas superficiais, por meios físicos e químicos.

 

Matéria-prima: fio-máquina (vergalhão laminado a quente); Descarepação: - Mecânica (descascamento): dobramento e escovamento.

Química (decapagem): com HCl ou H2S04 diluídos; Lavagem: em água corrente; Recobrimento: comumente por imersão em leite de cal Ca (OH)2 a 100°C a

fim de neutralizar resíduos de ácido, proteger a superfície do arame, e servir de suporte para o lubrificante de trefilação;

Secagem (em estufa) - Também remove H2 dissolvido na superfície do material;

Trefilação - Primeiros passes a seco. Eventualmente: recobrimento com Cu ou Sn e trefilação a úmido.

 Tratamentos térmicos dos arames Depois da trefilação os arames são submetidos a tratamentos térmicos para alívio de tensões e/ou obtenção de propriedades mecânicas desejadas. Abaixo, os principais tratamentos utilizados. Recozimento:  Indicação: principalmente para arames de baixo carbono. Tipo: subcrítico, entre 550 a 650°C. Objetivo: remover efeitos do encruamento. Patenteamento: Indicação: aços de médio a alto carbono (C> 0,25 %)  Tipo: aquecimento acima da temperatura crítica (região g) seguido de resfriamento controlado, ao ar ou em banho de chumbo mantido entre 450 e 550°C.Objetivo: obter uma melhor combinação de resistência e ductilidade que a estrutura resultante (perlita fina ou bainita) fornece. TREFILADORAS DE TAMBOR  As trefiladoras de tambor podem ser classificadas em três grandes grupos:                      Simples (1 só tambor) - para arames grossos                      Duplas para arames médios                     Múltiplas (contínuas) para arames médios a finos. 

 

Material da Fieira: Os materiais dependem das exigências do processo (dimensões, esforços) e do material a ser trefilado. Os mais utilizados são: 

Carbonetos sinterizados (sobretudo WC) – widia Metal duro, etc. Aços de alto C revestidos de Cr (cromagem dura) Aços especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc) Ferro fundido branco Cerâmicos (pós de óxidos metálicos sinterizados) Diamante (p/ fios finos ou de ligas duras)

  Defeitos em Trefilados Podem resultar:

de defeitos na matéria-prima (fissuras,lascas, vazios, inclusões); do processo de deformação.

 Exemplo de defeito: Trincas internas em ponta de flecha ("chevrons"): 

 Quando a redução é pequena e o ângulo de trefilação é relativamente grande (tipicamente, quando D/L > 2) a ação compressiva da fieira não penetra até o centro da peça.  Durante a trefilação as camadas mais internas da peça não recebem compressão radial, mas são arrastadas e forçadas a se estirar pelo material vizinho das camadas superficiais, que sofrem a ação direta da fieira.  Tal situação (deformação heterogênea) gera tensões secundárias trativas no núcleo da peça, que pode vir a sofrer um trincamento característico, em ponta de flecha.  A melhor solução é diminuir a relação D/L, o que pode ser feito empregando-se uma fieira de menor ângulo (a), ou então se aumentando a redução no passe (em outra fieira com saída mais estreita).  Exemplo: Fabricação de pregos na Belgo Juiz de Fora Os pregos são fabricados a partir do arame trefilado. Esquematicamente, o processo de fabricação dos pregos na Belgo Juiz de Fora segue o seguinte fluxo:

Fio máquina

 Nesse processo utiliza-se de máquinas, denominadas prensas de pregos, que tem a finalidade de dar a forma final ao produto a partir do fio máquina.Após a confecção do prego, vem a fase de polimento do produto que é efetuada em tambores rotativos os quais o prego é abastecido juntamente com serragem de madeira e tamborado por um determinado tempo a fim de promover uma limpeza superficial, retirando os resíduos oleosos provenientes da fase anterior.Após o polimento, passa-se à fase de embalagem e acondicionamento, que é efetuada em máquinas de pesagem e envase. Nessa fase o produto é pesado em

quantidades que podem variar de 500g a 1 kg e acondicionado em bolsas plásticas que logo após são colocadas em caixas de 20 kg.

4 - Fundição

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Vazamento de latão-Lisboa

O processo de fundição é definido como o conjunto de atividades requeridas para dar forma aos materiais por meio da sua fusão, conseqüente liquefação e seu escoamento ou vazamento para moldes adequados e posterior solidificação.

Os métodos de fundição são muito antigos, sua importância é fundamental para o crescimento tecnológico desde os primórdios da humanidade. Seu aperfeiçoamento é contínuo, partindo desde pequenas peças fundidas artesanalmente às técnicas de siderurgia.

Materiais e processos

Peça original que será fundida

Geralmente são fundidos metais e certos materiais sintéticos a exemplos de plásticos e polímeros.

Antes da fusão do material, é necessária a preparação do molde. Este por sua vez consiste num componente cuja função é receber o produto liquefeito e transformá-lo por solidificação na peça correspondente ao modelo que serviu de base para a sua formação.

Modelo de uma peça em madeira, notar que é de maior espessura que a original

O processo de fusão se dá pelo aquecimento da matéria prima até atingir seu ponto de liquefação. Após derretida será escoada ou injetada, numa cavidade normalmente denominada molde. Uma vez resfriada, a matéria prima solidifica-se tomando a forma em positivo.

Os processos mais utilizados ainda para a confecção dos moldes convencionais são em areia de fundição ou terras especiais. Estes materiais são refratários e abundantes na natureza, os mais usados são a areia, gesso, cimento e outras substâncias cerâmicas.

Após fundido e retirado do molde, o componente adquire a coloração do material de que é formado

Quando misturados com água, argila (em alguns casos), e um aglutinante, os moldes adquirem uma coesão uniforme e moldabilidade, sem perder a permeabilidade que permite evacuar os gases no momento da injeção, ou do escoamento.

Após fundido e retirado do molde, o componente vai para a usinagem e tratamento térmico(se for o caso)

Os materiais usados na fabricação de moldes podem ser recuperáveis ou perecíveis metálicos ou não-metálicos.

Etapas do processo

Modelo ou molde (conforme a região) é o nome dado normalmente à peça que servirá para imprimir no molde de fusão ou forma ou negativo do componente a ser fundido.

Após usinado e tratado termicamente, o componente vai para a pintura, adquirindo aparência idêntica ao original

Peça original

Para evitar confusão devido aos regionalismos dos termos, será utilizado neste artigo o termo molde para a forma de fundição, e modelo para a peça que servirá de macho de impressão da cavidade receptora de material liquefeito, ou forma de fundição, ou molde de fundição.

Os quatro componentes que representam etapas do processo de fundição

No caso do Brasil, é necessária esta padronização devido às várias etnias e portanto nomenclaturas variáveis. A nomenclatura adotada segue a utilizada no Paraná, que obedece a ABNT.

Para que haja uma confecção de um molde dentro das medidas corretas, são necessárias algumas modificações de natureza dimensional no modelo devido ao processo de fundição:

o O modelo deve ser ligeiramente maior que a peça original, já que se deve levar em conta

a contração tridimensional desta quando da solidificação. Existem normas que devem ser seguidas conforme os metais ou ligas a serem fundidas, estas são disponíveis em tabelas ou ábacos.

A Cia. Siderúrgica Nacional, CSN, fornece matéria prima para o mundo inteiro

As superfícies do molde devem respeitar ângulos mínimos em relação ao modelo, com o objetivo de não danificar os formatos tomados pela areia durante a extração da peça que serve como modelo. Este ângulo é denominado ângulo de saída.

Devem ser incluídos no molde canais de alimentação e respiro para o vazamento de excessos de material fundido e para a saída do ar.

Se necessário, devem ser incluídos prensos, que são prolongamentos que servem para a colocação do macho, pois a forma muitas vezes consiste em duas peças, um macho e uma fêmea, ou duas metades, estando em seu centro a parte oca que servirá de negativo para ser preenchida pelo material liquefeito. A função dos prensos é prender uma peça à outra.

Fabricação do modelo

Para a confecção do modelo que servirá para imprimir na forma de areia o formato da peça a ser fundida, geralmente é utilizada madeira, plásticos como o uretano, metais como o alumínio ou o ferro fundido. Muitas vezes, se utiliza a própria peça como modelo, porém esta passa por um processo de aumento tridimensional, geralmente com a aplicação de diversas camadas de tinta ou resina, por exemplo para compensar o efeito da contração da peça fundida após o seu resfriamento.

Bipartição do modelo

Geralmente, fabricam-se dois semimodelos correspondentes a cada uma das partes do modelo principal que é necessário fabricar. Muitas vezes, dependendo da geometria da peça, são confeccionados moldes macho e fêmea, os semi-modelos porém são considerados machos. Em algumas regiões a forma de fundição é chamada de caixa de machos, nomenclatura também adotada pelas normas técnicas.

Também pode-se cortar o modelo ao meio, ou para ser impresso em duas formas, um erro comum que se comete neste processo de corte, é a não observação da espessura da lâmina de serra que cortou-o depois de acabado, por isso, é comum confeccionar estes com sua matéria bruta (antes da formação destes) já preparada antes da usinagem.

Devido ao processo de utilização de dois semi-modelos (ou duas metades) para imprimir as duas cavidades da forma, notamos em algumas peças depois de prontas uma espécie de marca separando-a em duas metades, esta é a impressão dos moldes.

Compactação da areia em redor do modelo

Para a compactação da areia em redor do modelo, cada semi modelo é colocado sobre uma tábua, esta em seguida é cercada por quatro tábuas para formar uma caixa. A caixa contendo a peça molde é preenchida com areia de fundição. Em seguida é feita a compactação em cada forma e viradas 180 graus.

São retirados os moldes, e são feitos os canais de respiro (ou vazamento). Após este processo são montadas as duas metades, ou seja, os dois blocos formando uma peça em cujo interior está o negativo (cavidade) a ser preenchido pelo metal em fusão. Areias de fundição atualmente são sintéticas, não no sentido químico, mas porque são uma mistura de vários tipos de areias,ligantes argilosos tais como a bentonita e outros aditivos. O componente crítico da areia refratária é o cristal de quartzo, um material de toxicidade conhecida. O componente desagregado mais perigoso é a farinha de sílica ou areia de faceamento, que é esparramada no molde, por um saco pequeno.

Em uma instalação de alta produção o molde é executado em uma máquina de moldagem. Este equipamento é projetado para compactar a areia firmemente na caixa de moldagem, minimizando desta forma o esforço físico do moldador e melhorando a qualidade do molde.

Vale lembrar que as técnicas de moldagem por máquinas apresentam ainda problemas de vibração e de ruído.

Fabricação do Macho

O macho é um elemento refratário colocado no molde para definir uma cavidade ou espaço vazio no fundido final. Uma vez que o material irá fluir em volta do macho ele tem de ser mecanicamente resistente durante o vazamento e ainda tornar-se quebradiço após o vazamento e o resfriamento, permitindo assim, uma fácil remoção da peça fundida do molde, ou seja, a desmoldagem. A areia para a fabricação do macho é preparada em um misturador através da mistura de areia de sílica com um ligante orgânico tal como o óleo de linhaça e amido ou dextrina.

Há preocupações a serem respeitadas em relação ao manuseio da resina e do catalizador enquanto se prepara a mistura. Tais preocupações devem incluir a proteção de pele e olhos para ambas as resinas a base de fenol e ureia, requer-se ainda o controle por ventilação e exaustão no misturador, na máquina de moldagem do macho, no local de resfriamento do macho e nas estações de vazamento fundição, resfriamento da peça e na área de remoção da areia da peça fundida

A areia preparada é colocada em uma caixa de macho determinando a forma do mesmo, após o macho é retirado e curado em uma estufa para se conseguir uma forma refratária enrijecida.

Colocação do macho

Se a peça que se quer fabricar é oca, será necessário dispor de machos que evitem que o metal fundido se propague pelas cavidades. Geralmente os machos são fabricados com areias mais finas e misturadas com materiais que proporcionam uma compactação maior (Existem algumas argilas específicas para isso). Esta técnica permite uma manipulação manual na inserção destes na cavidade do molde.

Um exemplo do uso deste tipo de macho são os blocos de motores, onde existe a necessidade de preservar os condutos de lubrificação e de passagem de água para resfriamento.

Uma vez montado o macho dentro das cavidades, formadas pelo modelo primário, as duas metades do molde de fundição serão juntadas para receberem o material sob fusão.

Drenos

Quando o material fundido preenche as cavidades, é necessário que haja uma pequena sobra deste para expulsar o ar e possíveis contaminações. São executados na feitura dos moldes de fundição alguns canais de vazamento para possibilitar a drenagem do material. drenos ou gitos

Esfriamento e solidificação

Esta é a etapa mais crítica de todo o processo, já que um esfriamento excessivamente rápido pode provocar tensões mecânicas na peça, inclusive com aparecimento de trincas, e a formação de bolhas. Se houver um resfriamento muito lento ocorrerá a diminuição da produtividade.

Estes eventos influenciam bastante o tamanho, forma, uniformidade e composição química dos grãos formados na peça fundida, que por sua vez influencia as suas propriedades globais.

Os factores mais importantes que afetam estes eventos são: o tipo do metal, as propriedades térmicas do metal e do molde, a relação geométrica entre o volume e área da superfície da fundição e a forma do molde.

Desmoldagem

Após resfriado e solidificado o material fundido, é executada a retirada da peça do molde. Ao fazê-lo deve-se tomar o cuidado de retirar a areia dos machos. Retirada a areia dos machos e da peça, esta pode ser reaproveitada em outros moldes de fundição indefinidamente, desde que não tenha sido contaminada por nenhum elemento que venha a causar alguma reação.

Erro comum nas fundições é a contaminação de determinados materiais em sua superfície por outros que ficaram dispersos na areia, causando às vezes certas contaminações superficiais indesejáveis.

Desrebarbeamento

Após retirada do molde de fundição a peça possui diversas rebarbas ocasionadas pelo vazamento através dos canais de respiro alimentação e dreno, além da marca da emenda das caixas de macho que deixa às vezes alguma rebarba.

Quando ocorre este efeito, é necessária uma limpeza da peça através do desrebarbeamento, este processo consiste na retirada das sobras e rebarbas por esmeris, ou por lixadeiras. Estas máquinas possuem ferramentas ou materiais abrasivos cuja finalidade é limpar ou retirar as rebarbas.

Acabamento e limpeza

Depois do processo de retirada das rebarbas, ainda existem imperfeições e areia nas saliências e reentrâncias das peças, normalmente se faz uma limpeza através de escovas de aço manuais ou rotativas, além da utilização de lixas, ou jateamento, se for o caso.

Tratamento térmico

Depois de rebarbadas, as peças podem necessitar algum tipo de tratamento térmico para rearranjo de sua estrutura interna. Esta é executada em fornos especiais que fazem a têmpera (endurecimento total, ou superficial)e revenimento, cementação (Tratamento de superfície para endurecimento em determinadas regiões da peça), normalização ou recozimento (para aliviar tensões internas).

Usinagem

Peças mecânicas dificilmente ficam prontas e acabadas após a sua limpeza, ainda necessitam, em alguns casos, serem usinadas e trabalhadas por máquinas ferramentas. O motivo são as rebarbas, ou imperfeições que ocorrem no processo de fundição. Somente componentes que não necessitam precisão absoluta em suas dimensões, não precisam ser torneados, retificados, usinados ou manipulados em suas medidas. Tratamentos térmicos Alguns tipos de ferros fundidos, podem ser submetidos à tratamentos localizados de superfície, tal como; têmpera de borda em ferramentas de corte, ou mesmo em áreas que possuam raios em ferramentas de dobra, ou mesmo em superfícies que sofrerão severos atritos,este procedimento é aplicado para prolongar a vida útil dos fundidos,para aplicação deste procedimento é necessário submeter o material a uma temperatura de +ou- 800°C com auxílio de maçaricos e deixá-lo

resfriar naturalmente ou seja na temperatura ambiente, para que se acentue uma dureza caracterizada no tipo de fundido que se está trabalhando.

Retífica

Saindo do tratamento térmico, algumas peças podem necessitar um aumento de precisão em suas medidas. Muitas vezes se utiliza o processo de retificação executado por máquinas ferramentas chamadas retíficas. Os processos de acabamento descritos acima variam de peça para peça, podendo ser utilizados em maior ou menor grau. Dependendo do tipo de peça, ao sair da fundição já está pronta e acabada.

Processos

Existem diversos processos de fundição. Estes consistem na fusão da matéria prima a ser moldada geralmente em "cadinhos".

Cadinhos são reservatórios fabricados em material refratário onde a matéria prima é derretida e drenada ou derramada posteriormente para as formas, ou moldes de fundição.

Moldes de fundição

Existem diversos tipos de moldes de fundição. Alguns em areia, outros em gesso ou materiais refratários diversos, existem ainda moldes cerâmicos e metálicos, descartáveis, recicláveis, mecanizados, manuais, etc.

Molde em areia verde

Consiste na elaboração do molde com areia húmida modelada pelo formato do modelo da peça a ser fundida. É o método mais empregado na atualidade, serve para todos os metais. É especialmente apropriado para peças de tamanho pequeno e médio.

Não é adequado para peças grandes, de geometria complexas, nem para acabamentos finos, pois ficam as marcas de corrugamento da areia, e sua tolerância dimensional é reduzida.

Molde em areia seca

Este tipo de molde se consolida em altas temperaturas (entre 200 e 300°C). Este método utilizado para aumentar a resistência mecânica e a rigidez da forma de fundição. Este processo permite a modelação de peças de grandes dimensões e geometrias complexas. A precisão dimensional é boa e o acabamento superficial é bom, pois o corrugamento das peças causado pela areia é bem menor.

Molde mecânico

Atualmente, ao invés da conformação em areia de forma convencional por compactação manual, usa-se um tipo molde mais compactado chamado de molde mecânico. Trata-se de um sistema desenvolvido para que o material de conformação do molde seja comprimido através de equipamento pneumático ou hidráulico cujas cavidades mecânicas (negativo) ou formas recebam o metal com maior tamanho densidade ou pressão, de forma a suportar os esforços sem que ocorram desmoronamentos durante o

preenchimento. Este sistema foi desenvolvido para resolver as deficiências da utilização dos moldes em areia verde, menos resistente.

Modelo de cera descartável em moldes para microfusão

Os sistemas de fundição que utilizam modelos de cera descartável, normalmente são utilizados para modelagens delicadas das peças que precisam de acabamento fino. Estes processos são chamados também de microfusão. Sua fabricação consiste num modelo em cera ou plástico de baixo ponto de fusão.

Em seguida a peça em cera ou plástico é inserida no material que a recobrirá, formando assim o molde preenchido com o modelo.

A granulação do material do molde que recobre o modelo deve ser fina para dar um melhor acabamento na peça fundida. Após a formação do molde preliminar, este material é recoberto por outro de granulação maior com a finalidade de proporcionar rigidez mecânica ao conjunto que terá a cavidade preenchida com o material liquefeito.

Um detalhe importante deste sistema de confecção do molde, é que uma vez completo, o modelo não é retirado de seu interior, ele é derretido. O modelo em cera é pré aquecido portanto derreterá e escorrerá para fora do molde, ficando desta forma a cavidade pronta para receber o material fundido.

A principal vantagem deste sistema é a ausência de machos e de superfícies de junta, ficando a peça com acabamento fino e precisando de pouca usinagem principal.

Molde coquilha

Atualmente, ao invés da conformação em areia usa-se um tipo de molde fixo e maciço chamado "coquilha". Trata-se de um sistema onde o metal fundido ou é derramado por gravidade em cavidades mecânicas (negativo) ou formas de metal maciço não aderente à liga fundida.

Fundição por injeção

Basicamente obedece ao mesmo processo da coquilha, porém o molde é mecanizado. Existem menos restrições à geometria das peças, pois o molde é fabricado por modernos processos como eletroerosão, por laser, entre outros, que dão excelente acabamento, possibilitando menos usinagens nas peças. O mesmo que fundição sob Pressão .

Molde Metálico

Os processos que empregam moldes metálicos são:

Fundição em Molde Permanente; Fundição sob pressão.

Moldes Permanentes

A aplicação mais conhecida é a da fundição de "lingotes", ou seja, peças de forma regular, cilindrica ou prismática, que irão sofrer posteriormente processamento mecânico. Os moldes nesse caso, serão chamados de "lingoteiras".

Fundição sob pressão

Consiste em forçar o metal liquido sob pressão, a penetrar na cavidade do molde, chamado matriz. Esta é metálica, portanto de natureza permanente e , assim pode ser usada inúmeras vezes.

Devido à pressão e a consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo possibilita a fabricação de peças de formas bastante complexas e de paredes mais finas do que os processos por gravidade, permitem.

A matriz é geralmente construída em duas partes, que são hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ela pode ser utilizada fria ou aquecida à temperatura do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas. O metal é bombeado na cavidade da matriz e a sua quantidade deve ser tal que, não só preencha inteiramente esta cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evasão do ar. Esses canais servem igualmente distribuídos para garantir o preenchimento completo das cavidades da matriz.

Assim, simultaneamente, produz-se alguma rebarba. Enquanto o metal solidifica, é mantida a pressão durante um certo tempo, até que a solidificação se complete. A seguir, a matriz é aberta e a peça é expelida. Procede-se, então, a limpeza da matriz e a sua lubrificação. Fecha-se novamente e o ciclo é repetido.

Principais Vantagens

Produção de formas mais complexas do que no caso da fundição por gravidade; Produção de peças de paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas; Alta capacidade de produção; Produção de peças quase que acabadas; Utilização da mesma matriz para milhares de peças, sem variações significativas nas

dimensões das peças produzidas; As peças fundidas sob pressão podem ser tratadas superficialmente por revestimentos

superficiais, com um mínimo de preparo prévio da superfície; Algumas ligas, como a de Alumínio, apresentam maiores resistências do que se forem

fundidas em areia.

Principais Desvantagens

As dimensões das peças são limitadas - normalmente seu peso é inferior a 5kg; raramente ultrapassa 25kg;

Pode haver dificuldade de evasão do ar retido no interior da matriz dependendo dos contornos das cavidades e dos canais; o ar retido é a principal causa de porosidade nas peças fundidas;

O equipamentos e os acessórios, são relativamente caros, de modo que o processo somente se torna econômico para grandes volumes de produção;

Processo com poucas exceções, só é empregado para ligas cujas temperaturas de fusão não são superiores às da liga de cobre.

Fundição por centrifugação

O processo consiste em vazar-se metal líquido num molde dotado de movimento de rotação, de modo que a força centrífuga origine uma pressão além da gravidade, que obriga o metal líquido ir de encontro com as paredes do molde onde aquele se solidifica. Um dos exemplos mais conhecidos de utilização do processo, corresponde a fabricação de tubos de ferro fundido para linhas do suprimento de água. A máquina empregada, consiste essencialmente de um molde metálico cilíndrico, montado em roletes, de modo que nele se possa aplicar o movimento de rotação. Esse cilindro é rodeado por uma camisa de água estacionária, montada por sua vez, em rodas, de modo a permitir que o conjunto se movimente longitudinalmente.

Fundição de Precisão

Os processos de fundição por precisão utiliza um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumível com uma pasta ou argamassa refratária que endurece à temperatura ambiente ou mediante a um adequado aquecimento. Uma vez que essa pasta refratária foi endurecida, o modelo é consumido ou inutilizado. Tem-se assim uma casca endurecida que constitui o molde propriamente dito, com as cavidades correspondentes à peça que se deseja produzir. Vazado o metal líquido no interior do molde, e solidificada a peça correspondente, o molde é igualmente inutilizado.

Principais Vantagens

Possibilidade de produção em massa de peças de formas complicadas que são difíceis ou impossíveis de obter processos convencionais de fundição ou por usinagem;

Possibilidade de reprodução de pormenores precisos, cantos vivos, paredes finas etc.; Obtenção de maior precisão dimensional e superfícies mais macias; Utilização de praticamente qualquer metal ou liga; As peças podem ser produzidas praticamente acabadas, necessitando de pouca ou

nenhuma usinagem posterior, o que torna mínima a importância de adotarem-se ligas fáceis de usinar;

O processo permite um rigoroso controle do tamanho e contornos dos grãos solidificação direcional e orientação granular, o que resulta em controle mais preciso das propriedades mecânicas;

O processo pode adotar fusão sob atmosfera protetora ou sob vácuo, o permite a utilização de ligas que exijam tais condições.

As dimensões de peso são limitados, devido a considerações econômicas e físicas, e devido à capacidade do equipamento disponível. O peso recomendado dessas peças não deve ser superior a 5kg.

O investimento inicial para peças maiores (de aproximadamente 5kg a 25kg) é muito elevado...

Etapas do processo de fundição de precisão pelo sistema de cera perdida

A partir da matriz:

1. A cera é injetada no interior da matriz para confecção dos modelos; 2. Os modelos de cera endurecida são ligados a um canal central; 3. Um recipiente metálico é colocado ao redor do grupo de modelos; 4. O recipiente é enchido com uma pasta refratária (revestimento), para confecções do molde; 5. Assim que o material do molde endurecer, pelo aquecimento, os modelos são derretidos e

deixam o molde; 6. O molde aquecido é enchido do metal líquido, sob ação de pressão, por gravidade, a vácuo ou

por intermédio da força centrifuga: 7. O material do molde é quebrado e as peças fundidas são retiradas; 8. As peças são separadas do canal central e dos canais de enchimento, esmerilhadas.

Fundição Contínua

Neste processo, as peças fundidas são longas, com secções quadrada, retangular, hexagonal ou de formatos diversos. Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por usinagem ou pelos métodos de conformação mecânica no estado sólido. Em princípio, o processo consiste em vazar-se o metal líquido num cadinho aquecido. O metal líquido escoa através de matrizes de grafite ou cobre, resfriados na água.

Controle de Qualidade de peças fundidas

A inspeção de peças fundidas - como de peças produzidas por qualquer outro processo metalúrgico - tem dois objetivos:

Rejeitar as peças defeituosas; Preservar a qualidade das matérias-primas utilizadas na fundição e a sua mão-de-obra.

O controle de qualidade compreende as seguintes etapas:

INSPEÇÃO VISUAL: usada para detectar defeitos visíveis, resultantes das operações de moldagem, confecção e colocação dos machos, de vazamento e limpeza;

INSPEÇÃO DIMENSIONAL: é realizada geralmente em pequenos lotes produzidos, antes que toda a série de peças seja fundida;

INSPEÇÃO METALÚRGICA: inclui análise química; exame metalográfico, para observação de microestrutura do material; ensaios mecânicos, para determinação de suas propriedades mecânicas; ensaios não-destrutivos, para verificar se os fundidos são totalmente 'perfeitos'.

Muitas vezes, uma inspeção, para ser completa, exige testes de uma montagem, onde são incluídas as peças fundidas, e onde simulam ou duplicam as condições esperadas em serviço.

5 - Forjamento

Processo semelhante à conformação, diferenciado pelo fato de que este acontece por impacto. A matéria-prima é colocada na parte inferior do molde, então a parte superior desce em alta velocidade e atinge a matéria-prima.

A rápida deformação plástica do material beneficia as propriedades mecânicas da peça, gerando encruamento superficial.

[[FORJAMENTO]]

Definição de Forjamento

Forjamento é o nome genérico de operações de conformação mecânica efetuadas com esforço de compressão sobre um material dúctil, de tal modo que ele tende a assumir o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho.

Dependendo do tipo de processo adotado no forjamento, pode-se gerar mínima perda de material e boa precisão dimensional. Diversas técnicas produtivas são adotadas para se conseguir forjar peças e melhorar as características metalúrgicas, algumas dessas técnicas são milenares, com baixo grau tecnológico, caros e demorados e outras técnicas são de ultima geração. Nestas técnicas mais modernas é comum o uso de programas computacionais complexos, que proporcionam ganho de tempo e redução de desperdício de energia e material, conhecidos como CAD/CAM.

Quando peças são forjadas procura-se alterar principalmente a elasticidade e a plasticidade dos metais. Entenda elasticidade como sendo a capacidade que um determinado material tem de se deformar, ao ser aplicado um esforço sobre ele, e de voltar a sua forma inicial quando o esforço deixar de existir (lembre-se da borracha), e entenda plasticidade como sendo a capacidade que um dado material tem de se deformar e manter esta deformação, alterando seu aspecto definitivamente.

No forjamento é fundamental ter precisão na quantidade de material:

Pouco material implica falta de enchimento da cavidade.

Muito material causa sobrecarga no ferramental, com a probabilidade de danos ao mesmo e ao maquinário.

Por que forjar uma peça?

Na usinagem há perdas 74% em volume do material, já na conformação as perdas são de 6% em volume.

A tecnologia de forjamento moderna pode ser dividida em três categorias abrangentes de acordo com a capacidade da máquina usada diferindo muito em sua aplicação na indústria.

Forja Pesada

Trata-se de prensas de enormes proporções, que exigem elevado número de operadores, além de uma mão de obra especializada, motivos pelos quais são apropriadas apenas para produção de peças de grandes dimensões para uso bastante específico. A força das prensas utilizadas em forja pesada varia entre 3000 e 15000 toneladas. Uma prensa de 6000 toneladas pode estirar lingotes com cerca de 2,5 m de diâmetro e 120 toneladas.

Forja Média

As ferramentas da forja média são as prensas de forjamento de 1000 a 1500 toneladas. Diferem das forjas pesadas por suas dimensões reduzidas e maior rapidez de trabalho. Podem dar de 30 a 150 golpes por minuto conforme sua capacidade.

Forjas de pequeno porte

Dividido basicamente em estampagem e prensas mecânicas horizontais. A estampagem consiste na conformação através de choques ou na aplicação de pressão sobre o metal contra uma matriz entalhada.

Temperaturas de Forjamento

♦ Forjamento a quente

- Formação de rebarba - Exige acabamento final

No forjamento a quente, o processo ocorre a uma temperatura acima da temperatura de recristalização do material. Na etapa de conformação final, ocorre a formação de rebarba, devido ao excesso de material.

No forjamento convencional a quente o peso do forjado pode atingir o dobro do usinado, e sua rebarba representa de 20 a 40% de seu peso, aumentando os custos com a compra de material, sua manipulação, armazenagem, aquecimento até temperatura de forjamento e usinagem.

O processo de forjamento a quente geralmente começa pelo corte das barras, em guilhotina, para obtenção dos tarugos. Os tarugos passam por um forno contínuo para serem aquecidos e posteriormente forjados em prensa. O forjamento deverá ocorrer em duas ou mais etapas que permitam o preenchimento adequado das matrizes. As rebarbas do forjado são retiradas, em uma operação de corte, imediatamente após o forjamento. Após o corte, os forjados são tratados termicamente para obter-se uma microestrutura adequada à usinagem.

♦ Forjamento a frio: Não há remoção de material - Elevada precisão dimensional

Forjamento a Frio de um Eixo Dentado no Aço 16 MnCr5. (Temperatura em Kelvin) O forjamento a frio consiste em um amassamento de um corpo rígido, que é levado a uma forma desejada pelo deslocamento relativo das partículas do material sólido. O volume do material que participa da conformação permanece inalterado, portanto não há perda de material.

Extrusão ou Recalque

♦ Extrusão é um processo de conformação na qual um bloco metálico é posto em uma matriz e por meio de um estampo, sujeito a uma compressão tão elevada que o material é forçado a escoar através de um orifício.

♦ Recalque consiste em uma operação mais simples de forjamento, onde que duas ferramentas planas compactam o bloco metálico até assumir as formas da matriz.

O Forjamento

♦ Economia do Material: Uma das vantagens fundamentais deste processo de produção está na economia de material, devido às formas finais, em comparação aos costumeiros métodos de usinagem (torneamento, fresagem, etc…), principalmente quando são usados materiais não-ferrosos com alumínio e suas ligas, cobre e suas ligas.

♦ Precisão: Conceitualmente, no forjamento a frio a peça assume a forma da matriz, com o desenvolvimento de novas técnicas de fabricação de ferramentas e processos de fabricação obtém-se precisão de até 0,01 mm.

♦ Rugosidade: A precisão é diretamente ligada ao grau de precisão da ferramenta, já a rugosidade é ligada diretamente ao polimento da matriz e qualidade do lubrificante. A rugosidade chega a 10 micros, ou seja lapidado.

♦ Matéria – Prima: Para a utilização dos processos de extrusão a frio servem todos os materiais metálicos que apresentam bom potencial de conformabilidade e destacada plasticidade.

Eles devem suportar os maiores graus de deformação sem romper. Entre eles se incluem os não-ferrosos como o chumbo, o estanho, o cobre e suas ligas.

Forjamento em Matriz Aberta ou Forjamento Livre

O material é conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam. É usado geralmente para fabricar peças grandes, com forma relativamente simples (p. ex., eixos de navios e de turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, excêntricos, ferramentas agrícolas, etc.) e em pequeno número; e também para pré-conformar peças que serão submetidas posteriormente a operações de forjamento mais complexas. Como exemplos de peças produzidas por este processo têm-se eixos de navios e de turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, etc.

O forjamento livre se divide em operações unitárias e operações unitárias mais comuns.

Operações Unitárias

São operações relativamente simples de conformação por forjamento, empregando matrizes abertas ou ferramentas especiais, podendo ter as finalidades de: - Produzir peças acabadas de feitio simples - Redistribuir a massa de uma peça bruta para facilitar a obtenção de uma peça de geometria complexa por posterior forjamento em matriz.

a) Recalque ou recalcamento: Compressão direta do material entre um par de ferramentas de face plana ou côncava, visando primariamente reduzir a altura da peça e aumentar a sua secção transversal.

b) Estiramento: Visa aumentar o comprimento de uma peça à custa da sua espessura.

c) Encalcamento: Variedade de estiramento em que se reduz a secção de uma porção intermediária da peça, por meio de uma ferramenta ou impressão adequada.

d) Rolamento: Operação de distribuição de massa ao longo do comprimento da peça, mantendo-se a secção transversal redonda enquanto a peça é girada em torno do seu próprio eixo.

e) Caldeamento: Visa produzir a soldagem de duas superfícies metálicas limpas, postas em contato, aquecidas e submetidas a compressão. Como por exemplo, a confecção de elos de corrente.

f) Alargamento Aumenta a largura de uma peça reduzindo sua espessura.

g) Furação:

Abertura de um furo em uma peça, geralmente por meio de um punção de formato apropriado.

Operações Unitárias mais Comuns

a) Extrusão: O material é forçado a passar através de um orifício de secção transversal menor que a da peça.

b) Laminação de forja: Reduz e modifica a secção transversal de uma barra passando-a entre dois rolos que giram em sentidos opostos, tendo cada rolo um ou mais sulcos de perfil adequado, que se combina com o sulco correspondente do outro rolo.

c) Cunhagem: Geralmente realizada a frio, empregando matriz fechada ou aberta, visa produzir uma impressão bem definida na superfície de uma peça, sendo usada para fabricar moedas, medalhas talheres e outras peças pequenas, bem como para gravar detalhes de diversos tipos em peças maiores.

d) Fendilhamento: Consiste em separar o material, geralmente aquecido, por meio de um mandril de furação provido de gume; depois que a ferramenta foi introduzida até a metade da peça, esta é virada para ser fendilhada do lado oposto.

e) Expansão: Visa alargar uma fenda ou furo, fazendo passar através do mesmo uma ferramenta de maiores dimensões ; geralmente se segue ao fendilhamento. Como etapas de forjamento podem ser ainda executadas operações de corte, dobramento, curvamento, torção, entalhamento, etc.

Forjamento em Matriz Fechada

O material é conformado entre duas metades de matriz que possuem, gravadas em baixo-relevo, impressões com o formato que se deseja fornecer à peça.

A deformação ocorre sob alta pressão em uma cavidade fechada ou semi-fechada, permitindo assim obter-se peças com tolerâncias dimensionais menores do que no forjamento livre.

Nos casos em que a deformação ocorre dentro de uma cavidade totalmente fechada, sem zona de escape, é fundamental a precisão na quantidade fornecida de material: uma quantidade insuficiente implica falta de enchimento da cavidade e falha no volume da peça; um excesso de material causa sobrecarga no ferramental, com probabilidade de danos ao mesmo e ao maquinário.

Dada à dificuldade de dimensionar a quantidade exata fornecida de material, é mais comum empregar um pequeno excesso. As matrizes são providas de uma zona oca especial para recolher o material excedente ao término do preenchimento da cavidade principal. O material excedente forma uma faixa estreita (rebarba) em torno da peça forjada. A rebarba exige uma operação posterior de corte (rebarbação) para remoção.

Quanto às propriedades mecânicas dos produtos forjados estão limitadas à temperatura de trabalho, isto é, entre os forjados a frio e a quente. Verificou-se anteriormente que o trabalho a frio proporciona ao produto conformado limites de resistências maiores e ductilidades menores. Os forjados a frio se apresentam com índice de rugosidades bem menor.

Equipamentos utilizados para forjar

Basicamente existem duas grandes famílias de equipamentos para forja, as prensas e os martelos e cada um deles se subdividem de forma genérica em alguns tipos peculiares.

1. Prensas de fuso

São constituídas de um par porca/parafuso, com a rotação do fuso, a massa superior se desloca, podendo estar fixada no próprio fuso ou então fixada à porca que neste caso deve ser móvel, dando origem a dois sub-tipos de prensas; as de fuso móvel; e as de porca móvel Ligado ao fuso há um disco de grande dimensão que funciona como disco de inércia, acumulando energia que é dissipada na descida. O acionamento das prensas de fuso podem ser de três tipos:

através de discos de fricção; por acoplamento direto de motor elétrico; acionado por engrenagens.

2. Prensas excêntricas ou mecânicas

Depois do martelo de forja, a prensa mecânica é o equipamento mais comumente utilizado. Pode ser constituído de um par biela/manivela, para transformar um movimento de rotação, em um movimento linear recíproco da massa superior da prensa.

Para melhorar a rigidez deste tipo de prensa algumas variações do modelo biela/manivela foram propostos assim nasceram as prensas excêntricas com cunha e as prensas excêntricas com tesoura

conforme mostra a figura Prensas excêntricas com cunha e com tesoura que tem a finalidade de serem mais rígidas que uma prensa excêntrica convencional.

O curso do martelo neste tipo de prensa é menor que nos martelos de forjamento e nas prensas hidráulicas. O máximo de carga é obtido quando a massa superior está a aproximadamente 3mm acima da posição neutra central. São encontradas prensas mecânicas de 300 a 12.000 toneladas. A pancada de uma prensa é mais uma aplicação de carga crescente do que realmente um impacto. Por isto as matrizes sofrem menos e podem ser menos maciças. Porem o custo inicial de uma prensa mecânica é maior que de um martelo.

3. Prensas hidráulicas

As prensas hidráulicas são máquinas limitadas na carga, na qual a prensa hidráulica move um pistão num cilindro. A principal característica é que a carga total de pressão é transmitida em qualquer ponto do curso do pistão. Essa característica faz com que as prensas hidráulicas sejam particularmente adequadas para operações de forja do tipo de extrusão. A velocidade do pistão pode ser controlada e mesmo variada durante o seu curso.

A prensa hidráulica é uma máquina de velocidade baixa, o que resulta em tempos longos de contato com a peça que pode levar a problemas com a perda de calor da peça a ser trabalhada e com a deterioração da matriz. Por outro lado. a prensagem lenta de uma prensa hidráulica resulta em forjamento de pequenas tolerâncias dimensionais. As prensas hidráulicas são disponíveis numa faixa de 500 a 18.000 toneladas, já tendo sido construídas, também, prensas hidráulicas de 50.000 toneladas. O custo inicial de uma prensa hidráulica é maior do que o de uma prensa mecânica da mesma capacidade. São disponíveis na literatura técnica fatores para conversão entre a capacidade das prensas e dos martelos de forja.

4. Martelo

A peça mais comumente usada dos equipamentos de forja é o martelo de forja. Os dois tipos básicos de martelo são: martelo de queda livre com prancha e o martelo de duplo efeito. No martelo de queda com prancha, a matriz superior e a massa cadente são elevadas por rolos de atrito engrenados à prancha, correntes ou outros mecanismos. Quando a prancha é liberada, a massa cadente cai sob a influência da gravidade para produzir a energia da pancada. A prancha é imediatamente elevada para nova pancada. O forjamento com um martelo é normalmente feito com pancadas repetidas. Os martelos podem atingir entre 60 e 150 pancadas por minuto dependendo do tamanho e capacidade. A energia suprida pelas pancadas é igual à energia potencial devido ao peso da massa cadente e da altura de queda. Os martelos de queda são classificados pelo peso da massa cadente.

Entretanto, uma vez que o martelo é uma máquina limitada energeticamente. no qual a deformação se processa até que a energia cinética é dissipada pela deformação plástica da peça de trabalho ou pela deformação elástica das matrizes e da máquina, é mais correto classificar essas máquinas em termos da energia transmitida.

Uma capacidade maior de forja é atingida com um martelo de duplo efeito no qual o martelo é acelerado no seu curso descendente por pressão de vapor ou ar comprimido em adição à gravidade. O vapor ou ar comprimido podem também serem usados para elevar o martelo no seu curso ascendente.

Nos martelos de queda o choque produzido pela queda da massa é transmitido para toda a estrutura da máquina, bem como para as fundações. O que é um grande transtorno.

Para amenizar este fato foram desenvolvidos os martelos de contragolpe, em que a chabota se movimenta ao mesmo tempo que a massa superior encontrando-se ambas no meio do percurso. Desta forma a reação do choque praticamente inexiste e não é transmitida para a estrutura da máquina e fundações. Mas dada a configuração deste tipo de martelo temos como desvantagens:

maior desalinhamento entre as partes superior e inferior da matriz; a força de forjamento deve estar localizada no meio da matriz para evitar grandes atritos entre

as massas e as guias; não é possível manipular a peça durante o movimento do martelo; maiores despesas de manutenção

Uma característica comum aos martelos é que em função do forjamento ser feito por meio de golpes, o martelo adquire grande flexibilidade, pois enquanto as prensas são limitadas em termos de força (só podem ser aplicadas se a força requerida for menor que a disponível), nos martelos esta limitação não existe uma vez que o martelo aplicará golpes sucessivos até que a conformação desejada se processe. Desta forma os martelos são mais indicados para o uso com matrizes de múltiplas cavidades em que em um único bloco existem as cavidades para pré - conformação e conformação final.

Um outro aspecto relativo aos martelos é que estes requerem em média 400% mais energia, que as prensas, para executar a mesma deformação

Defeitos no processo de Forjamento

Os produtos forjados também apresentam defeitos típicos. Eles são:

Falta de redução – caracteriza-se pela penetração incompleta do metal na cavidade da ferramenta. Isso altera o formato da peça e acontece quando são usados golpes rápidos e leves do martelo.

Trincas superficiais – causadas por trabalho excessivo na periferia da peça em temperatura baixa, ou por alguma fragilidade a quente.

• Trincas nas rebarbas – causadas pela presença de impurezas nos metais ou porque as rebarbas são pequenas. Elas se iniciam nas rebarbas e podem penetrar na peça durante a operação de rebarbação.

Trincas internas – originam-se no interior da peça, como conseqüência de tensões originadas por grandes deformações.

Gotas frias – são descontinuidades originadas pela dobra de superfícies, sem a ocorrência de soldagem. Elas são causadas por fluxos anormais de material quente dentro das matrizes, incrustações de rebarbas, colocação inadequada do material na matriz.

Incrustações de óxidos – causadas pela camada de óxidos que se formam durante o aquecimento. Essas incrustações normalmente se desprendem ma, ocasionalmente, podem ficar presas nas peças.

Descarbonetação – caracteriza-se pela perda de carbono na superfície do aço, causada pelo aquecimento do metal.

Queima – gases oxidantes penetram nos limites dos contornos dos grãos, formando películas de óxidos. Ela é causada pelo aquecimento próximo ao ponto de fusão.

Defeitos de Forjados

Defeito Descrição Problema Descontinuidade superficial Abertura superficial decorrente de projeto ou moldes inadequados Iniciação de trincas

Inclusão de Areia Preparação inadequada do molde Usinagem dificultada, iniciação de trincas Porosidade Inadequação de moldagem de macharia ou de fusão Aparência inadequada, perda de resistência

Trinca a Quente Projeto inadequado, molde e/ou macho muito rígidos Iniciação de trincas Rechupes Projeto inadequado de fundição Quebra Junta Fria Metal com Fluidez deficiente Perda de Resistência Granulação Grosseira Superaquecimento, dimensão inadequada do lingote, projeto de ferramental inadequado Quebra Suscetibilidade à fadiga, perda de propriedades dependendo da direção do esforço Dobras Caldeamento deficiente das superfícies gerando descontinuidade Aparecimento de concentradores de tensões podendo ocasionar trincas

Trincas Descontinuidade interna/externa com diversas possibilidades de origem Quebra

Vantagens e Desvantagens do Processo de Forjamento

Vantagens

♦ Controlando a deformação durante o processo de forjamento, pode-se melhorar as propriedades mecânicas da peça produzindo um alinhamento direcional, melhorando assim propriedades de tensões, ductibilidade, impacto e resistência a fadiga.

♦ As fibras podem ser alinhadas na direção em pontos onde ocorrem máximas tensões.

♦ Menor custo de fabricação, pois se tem a mínima perda de material.

Desvantagens

♦ As peças a serem forjadas geralmente necessitam de usinagem antes do processo de forjamento

♦ Os equipamentos são muito caros

Aplicações

De um modo geral, todos os materiais conformáveis podem ser forjados. Os mais utilizados para a produção de peças forjadas são os aços (comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta), ligas de alumínio, de cobre (especialmente os latões), de magnésio, de níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) e de titânio.

O material de partida é geralmente fundido ou, mais comumente, laminado - condição esta que é preferível, por apresentar uma microestrutura mais homogênea. Peças forjadas em matriz, com peso não superior a 2 ou 3 kg, são normalmente produzidas a partir de barras laminadas; as de maior peso são forjadas a partir de tarugos ou palanquilhas, quase sempre também laminados, e cortados previamente no tamanho adequado. Peças delgadas, como chaves de boca, alicates, tesouras, tenazes, facas, instrumentos cirúrgicos, etc., podem ser forjadas a partir de recortes de chapas laminadas.