Extrusão apresentação

Prévia do material em texto

Extrusão
Extrusão
 Extrusão é um dos processos de conformação mecânica;
 Consiste em forçar o material contra um orifício, presente na matriz, por
meio da compressão.
 Como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados
possuem seção transversal constante.
Extrusão
 Deve-se observar neste processo algumas propriedades do material, tais como
a ductibilidade;
 Dependendo da ductilidade do material a ser extrudado, o processo a ser
utilizado pode ser a frio ou a quente;
 Por possuírem sua seção transversal constante, esse produto é considerado
como uma peça semiacabada.
 Os produtos mais comuns fabricados a partir do processo de conformação são:
quadros de janelas e portas, trilhos, barras e tubos de várias seções
transversais.
Extrusão
 Comumente, no processo de extrusão, é conduzido a elevadas temperaturas, 
acima da recristalização;
 Não ocorre o processo de encruamento. 
Extrusão
 Extrusão trabalho a Quente e Extrusão trabalho a Frio:
 O tipo de material define qual tipo de trabalho será empregado na extrusão,
observando-se as condições de atrito, a temperatura que será submetido o
material, e a de acordo com a seção que se deseja obter.
 Aços, por exemplo, um metal duro, passa pelo processo de extrusão a quente.
 O trabalho a quente também provoca alguns problemas, tais como a oxidação
dos blocos de metal e das ferramentas de extrusão. Por isso, deve-se utiliza a
mínima temperatura necessária para levar o metal a suas características
plásticas.
Extrusão
 Etapas do processo:
1. É fabricado os lingotes ou os tarugos de seção circular;
2. Nesses, realiza-se o aquecimento uniforme (Para trabalhos a quente);
3. O lingote ou tarugo é levado até a câmera de extrusão. Para extrusão por
trabalho a quente, essa etapa deve ser realizada rapidamente a fim de
evitar a oxidação na superfície do metal aquecido;
4. Extrusão.: O pistão, por elevada pressão, comprime o tarugo ou lingote
contra a matriz, forçando a passagem de material pelo perfil, resultando
no perfil extrudado;
5. Retorno do pistão e retida dos restos do tarugo ou lingote.
Extrusão
 Exemplos de produtos extrudados:
Extrusão
 Equipamento: 
 O equipamento básico de extrusão é uma prensa hidráulica, de forma que é 
possível controlar a velocidade e curso do pistão e podendo trabalhar com 
vários perfis, de acordo com o que se deseja fabricar.
Extrusão
 Equipamentos:
 Prensas hidráulicas verticais são geralmente
usadas para extrusão a frio.
 Sua vantagem se deve por ocuparem menos
espaço horizontal, porém não possuem a
mesma capacidade das que utilizam
extrusão a quente.
Extrusão
 Equipamentos:
 Outros tipos de prensas são as excêntricas e as especiais; 
 As Excêntricas também extrudam a frio e por impacto. 
Estas são indicadas para produção em série, para 
componentes de pequena dimensão. 
 As Especiais realizam operações de múltiplo estágios, nas 
quais as seções transversais são progressivamente 
reduzidas.
Extrusão
 Equipamentos:
 Matriz de extrusão:
Extrusão
 Extrusão Direta: 
 O pistão age diretamente sobre o tarugo forçando-o contra a matriz, de forma 
a forçar sua passagem pelo orifício.
Extrusão
 Extrusão Indireta: 
 O pistão se mantém fixo com o orifício de passagem da peça em sua 
extremidade, assim o recipiente com o tarugo avança na direção do pistão.
 A vantagem da extrusão indireta é que as forças de atrito e pressões 
necessárias são menores se comparada a extrusão direta;
 Por outro lado as cargas utilizadas são limitadas e não é possível extrudar 
perfis complexos.
Extrusão
 Vantagens e Desvantagens;
 Extrusão Direta x Indireta:
Direta:
Vantagens: 
 Baixo custo das ferramentas
Desvantagens: 
 Necessita de boa lubrificação
 Sujeito frequentes aparecimentos de 
defeitos;
Indireta:
Vantagens: 
 Exige menos esforço das força e pressão 
necessária;
 Produz um produz mais homogêneo 
Desvantagens: 
 Utiliza um pistão Oco, de alto custo e que 
pode flambar;
 Limitação das cargas empregadas.
Extrusão
 Extrusão Hidrostática:
 Utilizada desde os anos 50, esse método de extrusão reduziu os defeitos 
comuns de produtos recém extrudados;
 Nessa extrusão, o tarugo possui um diâmetro menor que o diâmetro da 
câmara, essa que é preenchida com fluido hidráulico;
 Um pistão provoca uma elevada pressão (Por volta de 1,5 Gpa) no tarugo;
 Devido ao fluido hidráulico, não existem forças de atritos contra a câmara, 
uma das vantagens desse processo;
Extrusão
 A Extrusão Hidrostática é perfeita para materiais frágeis, já que proporciona o aumento da 
ductilidade do material;
 Além disso, o método proporciona uma baixa força de atrito, utiliza ângulos pequenos de 
matriz e proporciona altas relações de extrusão;
 Em temperatura ambiente, utiliza-se normalmente
óleo vegetal como fluido, devido a qualidade de
viscosidade e lubrificação;
 Em altas temperaturas, utiliza-se ceras e vidros,
o que garantem o isolamento térmico.
 Uma grande variedades de metais e polímeros se beneficiam desse tipo de extrusão, tais 
como Formas sólidas, tubos, geometrias vazadas complexas (estruturas hexagonais).
Esforços aplicados
Nos próximos slides iremos discutir sobre como encontrar a pressão necessária
para realizar o processo de extrusão. Existem 3 métodos de encontrar esse valor:
• Método da deformação homogêneo
• Método de blocos
• Solução através do limite superior
Inicialmente iremos é levado em consideração que a deformação é homogênea e
que não há a existênciafalar sobre o método da deformação homogêneo para
encontrar a pressão de extrusão (𝑃 ). Ela é a força necessária para executar a
operação divida pela área da seção transversal do cilindro. Nesse método de atrito.
Método da deformação homogêneo
 Essa equação tem como base a curva tensão deformação. Através da curva é
possível demonstrar que a energia por unidade de volume necessária para
uma deformação uniaxial por tração de uma barra de metal sem a
deformação inicial é dado por essa expressão:
𝑈 = 𝜎𝑑𝑒
𝑈 = trabalho por unidade de volume
𝜎 = tensão
𝑒 = deformação
Método da deformação homogêneo
 Levando em consideração que pode utilizar uma equação semelhante à
anterior utilizando a deformação logarítima 𝜀 e que a tensão aplicada
coincida instante a instante com a tensão de escoamento Y. A energia será
calculada:
𝑈 = 𝑌𝑑𝜀
Método da deformação homogêneo
Método da deformação homogêneo
 Se o material for “não-encruável” (Y=cte), ou se operar com um valor médio
𝑌 da tensão de escoamento a expressão ficará:
𝑈 = 𝑌 ∫ 𝑑𝜀 = 𝑌𝜀 = 𝑌𝑙𝑛
 Onde 𝑙 e 𝑙 são comprimentos final e inicial da barra sob tração.
Método da deformação homogêneo
 O trabalho para ocorrer a deformação homogênea de um volume será:
𝑈 = 𝑉 𝑌(𝜀)𝑑𝜀 = 𝑉𝑌𝑙𝑛
𝑙
𝑙
Como o intuito é encontrar a Pressão de extrusão, que será uma tensão,
chegaremos a essa equação:
𝑈 = 𝜎 (𝐴 𝑙 ) = 𝑉𝑌 𝑑𝜀
Método da deformação homogêneo
 Como o volume da tira irá continuar constante durante o processo de
deformação, obtém –se:
𝑃 = 𝜎 = 𝑌𝑙𝑛
𝑙
𝑙
= 𝑌𝑙𝑛
𝐴
𝐴
Método de blocos
 Outra forma de encontrar a Pressão de extrusão é utilizando o método de
blocos. Esse método baseia-se em considerações de equilíbrio realizadas
sobre um elemento que está sendo deformado. A descrição do processo de
deformação é idealizada na figura abaixo:
Método de blocos
 As três forças que devem ser consideradas, cujas as forças nas componentes
axiais são:
Força originada pelas tensões longitudinais:
𝜎 + 𝑑𝜎 𝐷 + 𝑑𝐷 − 𝜎 𝐷
Força originada pela pressão aplicada pela matriz
𝑝 𝜋𝐷
𝑑𝑥
𝑐𝑜𝑠𝛼
𝑠𝑒𝑛 ∝
Força originada pelas tensões de atrito
𝜇𝑝 𝜋𝐷
𝑑𝑥
𝑐𝑜𝑠𝛼
𝑠𝑒𝑛 ∝
Método de blocos
Método de blocos
 As condições de equilíbrio implica que, desprezando-se os produtos infinitesimais:
𝜎 𝐷𝑑𝐷
2
+
𝐷 𝑑𝜎
4
+ 𝑝 𝐷𝑑𝑥 𝑡𝑔 ∝ + 𝜇𝑝𝐷𝑑𝑥 = 0
Como:
𝑑𝐷 = 2𝑑𝑥 𝑡g ∝
A equação poderá ser escrita:
𝐷𝑑𝜎+ 2 𝜎 + 𝑝 1 + 𝜇𝑐𝑡𝑔 ∝ 𝑑𝐷 = 0
Método de blocos
 Empregando o critério de Tresca para fazer a relação de 𝜎 e 𝑝.Este critério
estabelece para o estado de tensões atuante (estado de compressão
hidrostático com simetria axial, mais uma tensão uniaxial) a seguinte
expressão:
𝜎 − 𝜎 = 𝑌
 Para esse caso o 𝜎 = 𝜎 , para os ângulos pequenos, é possível aceitar que p
seja tensão principal 𝜎 = −𝑝. Em consequência:
𝜎 + 𝑝 = 𝑌
Método de blocos
 Substituindo na equação e chamando 
𝐵 = 𝜇𝑐𝑡𝑔𝛼
 Obtém-se a equação diferencial:
𝑑𝜎
𝐵𝜎 − 𝑌(1 + 𝐵)
= 2
𝑑𝐷
𝐷
 Admitindo 𝑌 = 𝑌 = constante e 𝜇 constante em toda a região de contato, a equação acima
pode ser integrada e obtendo-se:
𝜎 = 𝑌
1 + 𝐵
𝐵
1 −
𝐷
𝐷
Método de blocos
 Substituindo os diâmetros por área e fazendo com o 𝜎 = 𝜎 = −𝑝
𝑝 = 𝑌
1 + 𝐵
𝐵
𝐴
𝐴
− 1
 Essa equação é baseada para matrizes de ângulo pequeno eram aceitáveis na
maioria dos processos de trefilação, esta circunstância não é frequente nos
processos de extrusão. E é possível notar que a equação obtida pelo método
da deformação homogênea é um caso particular da equação obtida pelo
método dos blocos.
Solução através do limite superior
 Outra forma de calcular a pressão de extrusão é utilizando a solução através
do limite superior. Para obter a solução utilizando esse método para qualquer
for o processo, será necessário obter uma descrição da geometria de
deformação através de um campo de velocidade cinematicamente admissível.
Uma vez selecionado esse campo é possível calcular a força necessária para
que o material siga tal esquema de deformação. O material segue o esquema
de deformação que necessita da mínima energia para que seja implantado.
Existem diferentes soluções propostos por diversos autores, o utilizado será o
de B. Avitzur, baseado no campo de velocidades, cuja a expressão analítica é:
𝑉 = −𝑣 𝑟
𝑐𝑜𝑠𝜃
𝑟
Solução através do limite superior
 Esse campo de velocidade consiste em um campo esférico radial, sendo a
zona de deformação limitada pelos setores esféricos, concêntricos 𝜏 e 𝜏 ,
cujos centros coincidem no vértice 0 do cone da matriz.
 Com o campo de velocidade, a determinação do campo de velocidades de
deformação, é agora um problema matemático. A partir do campo de
velocidades de deformação, é possível calcular a energia necessária para
deformar a barra de um certo raio inicial 𝑅 até o raio final 𝑅 . No modelo é
admitido que as alterações geométricas ocorram apenas na zona 2, único
volume submetido à deformação plástica, não existindo deformações na zona
3 e 1. Assim, tem-se como consequência que o material é considerado rígido
nestas zonas e seu movimento não acarreta gasto de energia.
Solução através do limite superior
 Nesse modelo serão consideradas três fontes de dissipação de energia:
1. Energia de deformação interna (trabalho útil)
2. Energia perdida nas superfícies onde existem descontinuidades em velocidade
3. Energia perdida por atrito na interface matriz-barra
 Realizando os cálculos necessários para avaliar estas energias consumidas e 
igualando estes resultados ao trabalho desenvolvido pela tensão de trefilação
aplicada, obtém-se para esta tensão a seguinte expressão:
𝜎 = 𝑌2𝑓 𝑎 ln
𝑅
𝑅
+
2𝑌
3
𝑎
𝑠𝑒𝑛 ∝
− 𝑐𝑡𝑔 ∝ +𝑚 𝑐𝑡𝑔 ∝ ln
𝑅
𝑅
+ 𝑚
𝐿
𝑅
Solução através do limite superior
 Substituindo o 𝜎 = −𝑝 chega-se à expressão final:
𝑝 = −𝑌2𝑓 𝑎 ln
𝑅
𝑅
−
2𝑌
3
𝑎
𝑠𝑒𝑛 ∝
− 𝑐𝑡𝑔 ∝ +𝑚 𝑐𝑡𝑔 ∝ ln
𝑅
𝑅
+ 𝑚
𝐿
𝑅
Outros autores utilizando como base a solução através do limite superior junto com 
outros métodos de cálculos (alguns semi-empíricos), têm mostrado que a pressão de 
extrusão através dessa equação:
𝑝 = 𝐴 + 𝐵𝑙𝑛
𝐴
𝐴
Onde A e B dependem do material a ser extrudado e das condições de extrusão 
(atrito, ângulo da matriz e etc.). Essas constantes podem ser obtidas na literatura 
especializadas.
Defeitos de extrusão
 Dependendo das condições e do material extrudado, podem ocorrer vários 
tipos de defeitos, que afetam a resistência e qualidade do produto final.
 No processo de extrusão, a deformação não é uniforme. Como o núcleo do 
material extrudado se move mais rapidamente que a periferia, forma-se uma 
“zona morta” na superfície externa do tarugo.
 A seguir veremos os principais tipos de defeitos de extrusão:
Defeitos de extrusão
 Cachimbo ou anel de óxido: Quando a maior parte do tarugo já passou pela 
matriz, o fluxo do metal tende a arrastar óxidos e impurezas superficiais para 
o centro do tarugo, como em um funil. Formando então linhas internas em 
forma de um anel que podem se estender até um terço da parte extrudada e 
deve ser eliminado por corte.
 Formas de evitar:
• Não extrudar o tarugo até o fim;
• Aquecer o recipiente a uma temperatura 50ºC menor que a temperatura 
do tarugo;
• Não deixar o diâmetro do produto extrudado ultrapassar o valor a partir 
do qual o anel de óxido começa a aparecer;
• Tratar quimicamente o tarugo antes da extrusão.
Defeitos de extrusão
 Formação de cavidade: Devido à diferença de velocidade entre o núcleo do 
tarugo e a periferia, na etapa final do processo começa a se formar uma 
cavidade no centro da superfície do material em contato com o pistão. Essa 
cavidade cresce gradualmente em diâmetro e profundidade, transformando a 
barra emergente em tubo e, então, essa porção deverá ser descartada. Esse 
defeito é semelhante a um rechupe interno e pode representar uma perda 
significativa de material.
 Formas de evitar:
• Descartar a porção final do produto.
Defeitos de extrusão
 Arrancamento ou trincas superficiais: Ocorre quando o produto passa muito 
rapidamente pela matriz ou em altas temperaturas. As altas velocidade 
causam um aumento significativo na temperatura da superfície, causando 
trincas e rasgos. Os defeitos são intergranulares e ocorrem principalmente em 
ligas de alumínio, magnésio e zinco, embora possam ocorrer em ligas de alta 
temperatura.
 Formas de evitar:
• Diminuir a velocidade da extrusão;
• Diminuir a temperatura do tarugo.
Defeitos de extrusão
 Trincas internas: 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.
 Formas de evitar: 
• Diminuir a relação de extrusão.
Defeitos de extrusão
 Bolhas: Podem ser causadas pela presença de hidrogênio e materiais 
provenientes da fundição do lingote ou por ar contido dentro do recipiente da 
prensa.
 Formas de evitar:
• Eliminar gases dissolvidos no metal líquido durante a fundição do lingote.