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Processos de Conformação Mecânica. IFF Campus Macaé 2 De maneira geral, as principais operações no processo de fundição: Fabricação do modelo Construção do molde Fusão do metal Esfriamento e solidificação Desmoldagem Acabamento e limpeza Fundição de elementos em moldes Fundição - Ponto de partida 3 -LingoteProcessos de Conformaçãopeças acabadas ou semi-acabadas. Lingotes de Alumínio Lingotes de Extrusão 4 Processos de Conformação Mecânica “É qualquer operação durante o qual aplicam-se esforços mecânicos em metais que resultam uma mudança permanente em suas dimensões.” CHIAVERINI, VICENTE Podem ser divididos em: Processos Mecânicos – onde as modificações de forma são provocadas por aplicação de tensões externas. Processos Metalúrgicos – onde as modificações de forma estão relacionadas com altas temperaturas. 5 Processos de Conformação Mecânica (Diferenciando os Processos) Processos Mecânicos São constituídos pelo processo de conformação plástica, onde as tensões aplicadas são inferiores ao limite de resistência de ruptura do material. Processos Metalúrgicos Subdividem-se em: Conformação por Solidificação e Conformação por Sinterização. *Processos de Usinagem: Nesse processo a forma da peça é dada pela retirada do material, onde as tensões aplicadas são sempre superiores a tensão de fratura do material. 6 Processos de Conformação Mecânica O objetivo deste processo é permitir a obtenção de produtos finais com: Características controladas; Dimensão e forma; Propriedades mecânicas; Condições superficiais; Conciliando a qualidade com elevadas velocidades de produção e baixos custos de fabricação. 7 Classificação dos Processos de Conformação Plástica Podem ser classificados de acordo com vários critérios: a) Tipo de esforço predominante b) Temperatura de trabalho c) Forma do material trabalhado e do produto final d) Tamanho da região de deformação e) Tipo de fluxo de material f) Tipo de produto: acabado ou semi-acabado 8 Classificação dos Processos de Conformação Plástica a) Quanto ao tipo de esforço se classificam em: Conformação por Compressão Direta (solicitação externa por compressão – forjamento e laminação). Conformação por Compressão Indireta (reação da matriz sobre a peça - extrusão). Conformação por Tração (estiramento de chapas). Conformação por Cisalhamento (força cisalhante para romper o metal no seu plano de cisalhamento. Torção de barras e corte de chapas). Conformação por Flexão (modificações de forma são obtidas mediante a aplicação de um momento fletor. Dobramento livre, de matriz, calandragem). 9 Classificação dos Processos de Conformação Plástica b) Quanto à Temperatura de Trabalho: Trabalho Mecânico à Frio Trabalho Mecânico à Morno Trabalho Mecânico à Quente REPRESENTAÇÃO DA TEMPERATURA HOMÓLOGA E DAS FAIXAS DE TEMPERATURA : trabalho a frio (TF), a morno (TM) e a quente (TQ). REPRESENTAÇÃO DA TEMPERATURA HOMÓLOGA E DAS FAIXAS DE TEMPERATURA : trabalho a frio (TF), a morno (TM) e a quente (TQ). 10 Efeito da Temperatura Trabalho a quente (TQ) aquele que é executado em temperaturas acima de 0,5Tf. Trabalho a morno (TM), executado na faixa compreendida (grosseiramente) entre 0,3 e 0,5 Tf . Trabalho a frio (TF) aquele que é executado entre 0 e 0,3 Tf . É importante compreender que a distinção básica entre TQ e TF é portanto, função da temperatura em que se dá a recristalização efetiva do material. Embora para muitas ligas comerciais a temperatura do TQ seja realmente elevada em relação à ambiente, para metais como Pb e Sn, que se recristalizam rapidamente à temperatura ambiente após grandes deformações, a conformação à temperatura ambiente é TQ. Por outro lado, a conformação a 1100 graus C é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior a esta, embora seja TQ para o aço. 11 Trabalho Mecânico à Frio O trabalho a frio, é acompanhado do encruamento do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias e contornos de grão que impedem o seu movimento através da rede cristalina. A deformação plástica produz também um aumento no número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina. A deformação ocorre devido ao escorregamento dos planos cristalinos 12 Trabalho Mecânico à Frio: Encruamento Resultado de uma mudança na estrutura do metal, associada a uma deformação permanente dos grãos do metal, quando esse é submetido a uma deformação à frio. Resulta no aumento da dureza e resistência mecânica. Alterações na resistência, ductilidade e microestrutura durante (a) trabalho a frio, (b) recuperação e (c) recristalização 13 Trabalho Mecânico à Frio Estrutura celular em material deformado 10% (a) e 50% (b), (c) níquel com 5,5% de alumínio deformado 2,7% a 293 K (d) níquel puro deformado 3,1% a 293 K. Variação das propriedades mecânicas em função da deformação a frio. 14 Vantagens: Maior resistência mecânica e dureza Maior precisão dimensional Melhor acabamento superficial Desvantagens: Maiores esforços aplicados (Elevada tensão de compressão) Encruamento Ductilidade menor em relação aos processos a quente Aplicados em metais de fácil deformação Vantagens e Desvantagens do Trabalho à Frio 15 Trabalho Mecânico à Morno e à Quente No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material e a tensão de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a frio e a quente. No trabalho à quente ocorre: - Recuperação - Recristalização (recristalização primaria “nucleação de novos grãos”) - Crescimento de grão (recristalização secundaria) 16 Vantagens e Desvantagens do Trabalho à Quente VANTAGENS: Menor energia requerida para deformar o metal (a tensão de escoamento decresce com o aumento da temperatura); Aumento da capacidade do material para escoar sem se romper (ductilidade); Homogeneização química das estruturas brutas de fusão em virtude da rápida difusão atômica interna; Aumento da tenacidade e ductilidade do material trabalhado em relação ao trabalho a frio. Vantagens e Desvantagens do Trabalho à Quente DESVANTAGENS: Necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de energia para aquecimento das peças; reações do metal com a atmosfera do forno, levando as perdas de material por oxidação e outros problemas relacionados (p.ex., no caso dos aços, ocorre também descarbonetação superficial; metais reativos como o titânio ficam severamente fragilizados pelo oxigênio e tem de ser trabalhados em atmosfera inerte ou protegidos do ar por uma barreira adequada); Formação de óxidos, prejudiciais para o acabamento superficial; Desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil; Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e contração térmicas; Propriedades do produto menos uniformes do que em caso de TF seguido de recozimento, pois a deformação sempre maior nas camadas superficiais produz nas mesmas uma granulação recristalizada mais fina, enquanto que as camadas centrais, menos deformadas e sujeitas a um resfriamento mais lento, apresentam crescimento de grãos. 18 Classificação dos Processos de Conformação dos Metais -Laminação -Forjamento -Estampagem -Extrusão -Trefilação ou Estiramento 19 De Forma Resumida: Forjamento: conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo. Laminação: conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos. Trefilação:redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira ou trefila) com forma de canal convergente. Extrusão: processo em que a peça é “empurrada” contra a matriz conformadora, com redução da sua seção transversal. A parte ainda não extrudada fica contida num recipiente ou cilindro (container); o produto pode ser uma barra, perfil ou tubo. Estampagem: o processo de transformação mecânica, onde através de ferramentas adequadas à prensa, submetemos os materiais ao processo de moldagem de formas geralmente propostas a chapas. 20 Classificação dos Processos de Conformação 21 Classificação dos Processos de Conformação 22 Laminação Visa reduzir a espessura de lingotes, obtendo o formato de placas. Equipamento: Laminador Matéria-prima: Lingote Produto: chapas e perfis. 24 Laminador Tipos de laminadores DUO-retorno por cima e reversível TRIO Quádruo Universal Sendzimir 27 Laminador • Tipos de laminadores DUO-retorno por cima e reversível TRIO Quádruo Universal Sendzimir 34 Cilindros de Laminação Peças inteiriças fundidas ou forjadas Lisasprodução de chapas Reentrâncias(canais) permite reduções diferentes na chapa com o mesmo cilindro. 35 37 Aplicação dos produtos laminados: Construção civil; Indústria mecânicabrocas, parafusos, pinos, eixos, chapas(furadas,fresadas, retificadas, etc...), tanques,etc. 38 Etapas da Laminação LingoteLaminadorreaquecimentolaminadorlava gemlaminador laminador de acabamentobobina. Quando é necessário melhorar as propriedades mecânicas da peça laminada é feito tratamento térmico. Defeitos dos produtos laminados Vazios; Gotas frias; Trincas; Dobras; Inclusões; Empenamentos. 39 Forjamento É o mais antigo processo de conformar metais. Tem suas origens no trabalho dos ferreiros de muitos séculos antes de Cristo. A substituição do braço do ferreiro ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. Atualmente existe um variado maquinário de forjamento, capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos , desde alfinetes, pregos, parafusos e porcas até rotores de turbinas e asas de avião. 40 Forjamento Processo de conformação mecânica em que o material é deformado por martelamento ou prensagem, obtendo produtos de alta resistência mecânica. 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. 41 Forjamento - Características Na maioria das operações de forjamento emprega-se um ferramental. Constituído por um par de ferramentas de superfície: Plana Côncava, Com algum formato pré-definido (denominadas matrizes ou estampos) 42 Tipos de Forjamento À Quente : A maioria das operações de forjamento é executada a quente. À Frio: São produzidas por forjamento a frio uma grande variedade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões, etc. 43 Classificação do Forjamento O forjamento pode ser dividido em dois grandes grupos de operações: Por Prensagem (prensa hidráulica e pneumática) ou por Martelamento (martelo de forja) Forjamento em matriz aberta (ou Forjamento livre) Forjamento em matriz fechada. 2 - Martelamento 1 - Prensagem 44 • Forjamento(martelamento); • Prensagem. Simples ou Livre Em matriz fechada. 45 Forjamento em Matriz Aberta O material é conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam. É usado geralmente para fabricar peças grandes com formas simples Eixos de navios e de turbinas Ganchos Correntes Âncoras Alavancas Ferramentas agrícolas, etc.) Também usado para pré-conformar peças que serão submetidas posteriormente a operações de forjamento mais complexas. 46 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. Obtêm-se peças com tolerâncias dimensionais menores do que no forjamento livre. 47 Forjamento em Matriz Fechada 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. 48 Equipamentos do Forjamento Os equipamentos comumente empregados incluem duas classes principais: Martelos de forja deformam o metal através de rápidos golpes de impacto na superfície do mesmo Prensas deformam o metal submetendo-o a uma compressão contínua com velocidade relativamente baixa. 49 Métodos de Forjamento Os processos convencionais de forjamento são executados tipicamente em diversas etapas: Corte do material Aquecimento Pré-conformação mediante operações de Forjamento livre Forjamento em matriz (em uma ou mais etapas) Rebarbação 50 Aplicações do Forjamento Os materiais conformáveis podem ser forjados. Os mais utilizados para a produção de peças forjadas são: Aços (comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta), Ligas de alumínio, Cobre (especialmente os latões), Magnésio Níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) Titânio 51 Aplicações do Forjamento O material de partida geralmente é: Fundido Laminado - condição esta que é preferível, por apresentar uma microestrutura mais homogênea. Com peso até a 2 ou 3 kg São normalmente produzidas a partir de barras laminadas Maior peso À partir de tarugos, quase sempre também laminados, e cortados previamente no tamanho adequado. 52 Aplicações de Forjamento Ferramentas: Chaves de boca Alicates Tesouras Facas instrumentos cirúrgicos, etc. Podem ser forjadas a partir de recortes de chapas laminadas. 53 54 Matrizes para Forjamento -Aços ferramentas,teores elevados de C, elementos liga: Cr, Ni, Mo,W,Va; -Tratamentos térmicos; -Sobre-metal para usinagem; -Contração do metal. 55 Defeitos dos produtos forjados: Trincas superficiais Trincas nas rebarbas Trincas internas Incrustações de óxidos Descarbonetação 56 Aplicações de produtos forjados 57 58 59 Estampagem Processo de conformação mecânica realizado geralmente à frio, onde uma chapa plana é submetida à transformação de modo a adquirir uma forma plana ou oca referente ao formato da matriz. A estampabilidade é a capacidade que a chapa metálica tem de adquirir a forma de uma matriz , pelo processo de estampagem sem se romper ou apresentar qualquer outro tipo de defeito de superfície ou forma. A estampagem pode compreender as operações: -Corte -Dobramento e curvamento -Estampagem profunda 60 61 Estampagem • A estampabilidade de uma chapa metálica: • Ensaios de tração • Ensaios de dureza • Metalografia, etc. • A estampabilidade torna-se função não somente da propriedades do material, mas também da condições de deformação e dos estados de tensão e deformação presentes. • Durante o processo de conformação de chapas, grãos cristalinos são alongados na direção da maior deformação de tração. O alongamento é consequência do escorregamento do material durante o processo de deformação. Estampagem • Estampagem de chapas, fabricam-se peças de aço baixo carbono, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e de diferentes ligas não ferrosas. • Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para asgrandes séries de peças, obtendo-se grandes vantagens, tais como: • • Alta produção; • • Reduzido custo por peças; • • Bom acabamento, não necessitando processamento posterior; • • Maior resistência das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material • • Baixo custo de controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a detecção de desvios. Como desvantagem deste processo, podemos destacar o alto custo do ferramental, que só pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada. Matriz Importante considerar a folga na matriz 64 Quanto maior a espessura da chapa e diâmetro do punção, maior tem que ser a folga. D1 (matriz) - D (punção) = Folga 65 Nas operações de Dobramento e Curvamento deve-se considerar características de deformação: - Raio de curvatura do material - Plasticidade do material 66 Estampagem Profunda . Nesse processo, o material é pressionado por um punção contra uma matriz, como acontece com os utensílios domésticos e latas de bebidas. Os materiais utilizados devem ter grande plasticidade, alta ductilidade e uma baixa taxa de encruamento. Os melhores resultados são obtidos quando o metal possui um tamanho de grão pequeno e uniforme. Chapas metálicas conformadas na forma de “copo” objeto oco. 68 Matrizsuperfície lisa e bem acabadamenor atritomenor desgaste ferramentas. Lubrificantereduz atrito. 69 Prensas de Estampagem -Mecânicas e Hidráulicas Principais componentes de uma prensa hidráulica de dupla ação para estampagem. 70 Extrusão Processo de conformação em que um bloco de metal (tarugo ou billet) é forçado a passar através de um orifício de uma matriz sob alta pressão e alta temperatura de trabalho, de modo a se obter suas seção reduzida (perfil extrudado). -Barras cilíndricas ou tubos -Realizado à quente 71 Formas das Matrizes Em geral, a configuração das formas chamadas de matrizes de extrusão, é transversal e vazada. Em função de sua construção sólida e resistente, a geometria da matriz não se altera pelo uso contínuo, tendo assim uma vida útil longa. Os produtos extrudados tem seção transversal constante, com dimensões bastante precisas, podendo no caso de peças compridas serem cortadas ou fatiadas de acordo com a necessidade de uso. 72 Tipos de Extrusão 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. 73 Tipos de Extrusão Destacam-se os métodos mais usuais: -Extrusão Indireta (reversa, invertida) : a matriz se desloca na direção do tarugo -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. -Extrusão Lateral : o material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara. Os eixos do punção e da peça tem diferentes direções ( ângulo reto). 74 Temperatura de Trabalho O processo de extrusão é executado de duas maneiras distintas dependentes da temperatura e da ductilidade: Extrusão à Quente - A extrusão a quente, é semelhante ao processo de injeção, onde o produto é injetado a alta pressão e temperatura numa forma vazada ou passa através de um molde de injeção contínua, tomando a forma de peça sólida semi acabada ou também a forma de vergalhão, para ser cortado (fatiado) no comprimento desejado. Extrusão à Frio - é semelhante ao processo de extrusão a quente e é a ductilidade do material a ser trabalhado o principal parâmetro na escolha do processo. 75 Notas Gerais: Pode-se dizer que a extrusão é a produção semi-contínua dos componentes fabricados, pois, as peças em geral são bastante longas e seu comprimento é limitado pela quantidade de material inserido na cavidade onde age o pistão injetor. Em função da natureza da fabricação, as peças extrudadas são semi-acabadas não necessitando assim posteriores usinagens. Existe ainda um sistema chamado híbrido, que é a combinação da extrusão por injeção combinada com operações de forjamento, em geral executada a frio. 76 Utilização Os produtos resultantes do processo de extrusão: Perfis Trilhos Tubos Peças arquitetônicas Engrenagens. Em operação combinada com forjamento pode gerar componentes para automóveis, bicicletas, motocicletas, maquinário pesado e equipamento de transporte. 77 Materiais mais Utilizados: Os materiais mais utilizados no processo de extrusão podem ser o Alumínio, cobre, aço, magnésio, chumbo e polímeros em geral. Os produtos extrudados tem seção transversal constante com dimensões bastante precisas, podendo no caso de peças compridas serem cortadas ou fatiadas de acordo com a necessidade de uso. 78 Principais defeitos na Extrusão 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. 79 Principais defeitos na Extrusão Trinca superficial : ocorre quando a temperatura ou a velocidade de extrusão é muito alta. Estas causam um aumento significativo da temperatura da superfície, causando tricas 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 tende 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. 80 Trefilação É uma operação em que a matéria-prima é estirada através de uma matriz em forma de canal convergente (fieira ou trefila) por meio de uma força trativa aplicada do lado de saída da matriz. A simetria circular é muito comum nas peças trefiladas, mas não obrigatória – depende da seção de saída da matriz. Parte-se do produto semi- acabado chamado fio-máquina 81 Trefilação Bancos de Tração Produtos Trefilados Tubo Galvanizado Tubo Mecânico Tubo Galvanizado Vergalhão Fios de Cobre e Bronze Cabos Flexíveis 83 Trefilação 84 Equipamento A fieira é o dispositivo básico da trefilação e compõe todos os equipamentos trefiladores. É dividida em quatro zonas: Zona de entrada Zona de redução (ângulo de abordagem) Zona cilíndrica (acabamento crítico) Zona de saída 85 Materiais para Fabricação das Matrizes Os materiais para fabricação de matrizes dependem das exigências do processo e do material a ser trefilado. Mais utilizados: Carbonetos sinterizados Metal duro Aços de alto C revestidos com Cr Aços especiais Ferro fundido Cerâmicos Diamante 86 Trefilação de Arames Um dos usos mais comuns da trefilação é a produção de arames de aço. A trefilação, nesse caso, é precedida de algumas etapas preparatórias que eliminam as impurezas superficiais, por meios físicos e químicos. Matéria-prima – fio-máquina Descarepação – física e química Lavagem Recobrimento Secagem Trefilação 87 Alguns Defeitos Os defeitos nos produtos trefilados podem resultar de defeitos na matéria-prima ou do processo de deformação. Descascamento Rupturas centrais 88 89 90 Referência Bibliográfica CHIAVERINI, Vicente, Tecnologia Mecânica, 2 edição, V.II.-1986. JR, Willian D. Callister, Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução, 5 edição-2002. Apostila do curso “ Entrega/Recebimento de Poço Submarino- Operações Conjuntas entre UEP, Sondas e Barcos Especiais” - PETROBRAS-Março de 2008. Apostila do Curso “Tubulações Industriais”- PETROBRAS-Abril- 2008. Apostila do curso de “Programa de qualificação de operadores de abastecimento”-PETROBRAS-2005.