Prévia do material em texto

TREFILAÇÃO 
O processo de trefilação consiste em fazer passar o material através de uma ferramenta, utilizando-se uma força de tração aplicada na saída da matriz. Apesar das forças aplicadas serem de tração, as forças que efetivamente promovem a conformação são compressivas, resultantes da reação entre a matriz e o material. O processo de trefilação é sempre realizado a frio, mas deve-se considerar que existe um certo aumento de temperatura durante a operação, em função tanto das deformações internas sofridas pelo material bem como pelo atrito gerado entre o material e a superfície da ferramenta. Apesar disto esta temperatura não afeta as propriedades do material.
 Como a trefilação é feita a frio sofre o efeito de encruamento, tornando-se mais duros e resistentes. Combinado com o tratamento térmico adequado pode-se obter resistências mecânicas de até 3000 MPa. O processo de trefilação reduz o material a um diâmetro que não se pode conseguir com outro processo
Esquema de redução de diâmetro em fieira por trefilação
O processo de trefilação é utilizado para a fabricação dos seguintes produtos: 
•Barras maciças assimétricas; 
•Vergalhões; 
•Arames; 
•Fios; 
•Tubos.
 Os materiais que tradicionalmente são fabricados pelo processo de trefilação são: 
 •Ligas de aços, com carbono desde 0,08 até 1,00%;
 •Ligas de cobre;
 •Ligas de alumínio;
 Os materiais normalmente utilizados para trefilação, ou seja, os materiais de partida, são:
•Peças pré-fabricadas; 
•Produtos laminados = barras, tubos, fio máquina, etc; 
•Produtos extrudados = barras, tubos, etc;
Vantagens e Limitações do Processo
As principais vantagens do processo de trefilação são: 
 
Precisão dimensional: Detém dimensões mais uniformes e grande precisão dimensional, podendo chegar até a centésimos de milímetro.
 Acabamento superficial: Obtenção de superfícies mais perfeitas, com baixa rugosidade superficial;
 Propriedades mecânicas: Por ser laminado a frio é possível de ser obtidas melhores propriedades mecânicas que o simplesmente laminados.
 
A principal limitação do processo é: O processo de trefilação é pouco versátil, permitindo a obtenção somente de itens com seções aproximadamente circulares (circulares, ovalizadas, sextavadas, etc.). Seções mais complexas tenderiam a se deformar durante a conformação, perdendo tanto a forma como a precisão, pois o material é tracionado e não empurrado, como no caso da extrusão.
Máquinas de Trefilação Máquinas de Trefilar sem Deslizamento 
Contém um sistema de tração do fio, para conduzi-lo através do furo da fieira, constituído de um anel tirante que primeiro acumula fio trefilado para depois permitir o seu movimento em direção a uma segunda fieira. Nesta, o fio passa por um segundo anel tirante que também acumula fio trefilado. Devido ao aumento do comprimento do fio após a passagem por cada fieira, as velocidades dos anéis são diferentes e de valor crescente, para a compensação desse aumento de comprimento. Essas diferenças de velocidades nem sempre são atingidas com precisão, o que torna necessário a acumulação do fio nos anéis para atuar como reserva de fio.
Esquema de Máquinas de Trefilação Máquinas de Trefilar sem Deslizamento
Máquina de Trefilar com Deslizamento 
Para a trefilação de fios metálicos de pequenos diâmetros, as máquinas com deslizamento são as mais utilizadas.
Esquema de Máquina de Trefilar com Deslizamento
a) O fio parte de uma bobina, passa por uma roldana e se dirige alinhado á primeira fieira; 
b) Na saída da fieira o fio é tracionado por um anel tirante, no qual dá certo número de voltas, em forma de hélice cilíndrica de passo igual ao diâmetro do fio, de tal modo que no início da hélice o fio fique alinhado com a primeira fieira e no fim da hélice com a segunda fieira; 
c) O movimento do fio na forma de hélice provoca o seu deslizamento lateral no anel; 
d) O segundo anel faz o fio passar pela segunda fieira, porém girando a uma velocidade maior do que a do primeiro anel, para compensar o aumento do comprimento do fio; e) O sistema prossegue dessa forma para as demais fieiras e anéis.
Na operação final de bobinamento deve-se fazer variar continuamente a velocidade angular do carretel para cada camada de fio enrolado, pois a velocidade periférica deve ser mantida constante. Esse controle de velocidade tem que ser muito parecido para os fios finos (diâmetros menores de 1,5mm), pois as variações de velocidades são muito pequenas. Além do controle da velocidade variável para cada camada, deve-se ainda controlar a colocação do fio em cada camada com um movimento de velocidade lateral constante, de acordo com cada diâmetro de fio trefilado a ser bobinado.
Ferramentas de Trefilação
A fieira, ou ferramenta de trefilar, é constituída de quatro regiões distintas, ao longo do furo interno.
O cone de entrada tem a finalidade de guiar o fio em direção ao cone de trabalho e permitir que o lubrificante acompanhe o fio e contribua na redução do coeficiente de atrito. No cone de trabalho ocorre a redução, sendo, portanto, a região onde é aplicada ao fio o esforço de compressão. No cilindro de calibração ocorre o ajuste do diâmetro do fio: é objeto de controle a altura desse cilindro, pois, quando essa altura é pequena, facilita as operações de retificação das fieiras gastas. O cone de saída deve proporcionar uma saída livre do fio sem causar danos nas superfícies da fieira e do fio.
Efeito do Tratamento Térmico 
Em relação à condição de tratamento térmico os aços trefilados podem ser fornecidos nas seguintes condições: 
•TREFILADOS: fornecidos no estado bruto, na forma com que foram trefilados. Apresenta certa resistência mecânica e dureza, associada ao encruamento sofrido durante a deformação. 
•RECOZIDOS: são aços que foram recozidos para eliminar a estrutura encruada. Apresentam elevada ductilidade. Típico em aço de baixo carbono ou aço ligado que ainda será conformado (Ex: aço mola) 
•TEMPERADOS E REVENIDOS: alguns aços de médio e alto carbono, ou ligados, são temperados e revenidos para obtenção de uma estrutura martensita revenida, muito mais resistentes e principalmente apresentam um campo elástico amplo, típico em aços molas onde se deseja uma elevada tensão de escoamento.
•PATENTEADOS: o patenteamento é um processo de tratamento térmico tipicamente utilizado para a fabricação de aços de médio e elevado carbono, ligados ou não. O objetivo é obter uma estrutura formada por perlita fina que oferece uma melhor combinação entre a resistência mecânica e a ductilidade, como em fios para fabricação de cabos de aço ou fio música. O processo consiste nas seguintes etapas: 
 Aquecimento: Realizado acima da temperatura crítica, para promover uma completa recristalização em um forno de atmosfera controlada, de forma contínua; 
	Resfriamento: Realizado em banho de chumbo fundido, a uma taxa controlada, até aproximadamente 300º C, afim de se conseguir uma transformação isotérmica. 
Lubrificação
A lubrificação no processo de trefilação é fundamental e necessária, no sentido de:
•Reduzir o atrito entre a fieira e o material que está sendo trefilado;
•Reduzir a força de trefilação;
•Melhorar a produtividade do processo;
•Reduzir o desgaste da fieira, aumentando sua vida útil;
•Melhorar o acabamento e a precisão dimensional do material;
	A lubrificação pode ser feita através das seguintes maneiras:
Via seca = são utilizados graxas, pó de sabão ou estearato de zinco; 
Via úmida = são utilizados óleos especiais, sebo ou sabão. Neste caso a matriz fica toda imersa num fluido lubrificante.
 
Em geral, o processo de trefilação utiliza taxa de conformação elevadas, ainda mais no processo de arames finos. Nestes casos, o desempenho dos lubrificantes torna-se essencial para atingir a qualidade do produto final. O atrito presente no processamento é responsável pela geração de calor, especialmente para a trefilação de materiais abaixo da temperatura de recristalização, quando a quantidade de energiade deformação transformada e dissipada sob a forma de calor pode chegar a cerca de 90%. Uma expressão simples para a estimativa do aumento de temperatura devido à energia de deformação pode ser calculada por: 
Onde: ΔT = incremento de temperatura (K) Y = limite médio de resistência do material (MPa) cp = calor específico do material ρ = densidade do material (kg/m3 ) Ai e Af = seção inicial e final (m2 ) A equação não considera os efeitos da taxa de conformação nem da extração de calor pelo lubrificante ou por um sistema de resfriamento externo qualquer. 
Defeitos Típicos de Produtos Trefilados
Os produtos trefilados podem ainda apresentar os seguintes defeitos, principalmente fraturas, como mostrados abaixo:
A) diâmetro escalonado: causado por partículas duras retidas na fieira e que se são desprendidas após o processo; 
B) Fratura irregular com estrangulamento: causada pelo esforço excessivo devido à lubrificação ineficiente, excesso de espiras no anel tirante, anel tirante com aspecto rugoso ou com diâmetro irregular, redução excessiva;
 C) Fratura com risco lateral ao redor da marca de inclusão: causada por partícula dura no interior do fio inicial proveniente da laminação ou extrusão;
D) Fratura com trinca: causada por trincas de laminação e geralmente aberta em duas partes; 
E) Marcas em V ou fratura em ângulo: causadas pela redução grande e parte cilíndrica pequena com inclinação do fio na saída; ruptura de parte da fieira com inclusão de partículas no contato fio-fieira; inclusão de partículas duras;
 F) Ruptura em forma de taça-cone: causada pela redução pequena e ângulo de fieira muito grande, com acentuada deformação da parte central.
EXTRUSÃO 
O processo de extrusão é bastante utilizado na formação de peças plásticas e de alumínio.
Muitas vezes, as peças fabricadas são concebidas para ser de certo padrão de corte transversal complexo, com acessórios, flanges, saliências, e arestas planas que devem ser integrados em uma forma particular, com tolerâncias específicas no produto acabado. A fabricação destas formas especializadas ou seções transversais é geralmente realizada usando um processo de extrusão. Este processo utiliza calor, pressão e arrefecimento para produzir um semilíquido, pasta ou para ser forçado através de um molde, e após emergir, endurecer a uma têmpera designada.
O processo de extrusão é utilizado mais frequentemente para formar plástico e peças de alumínio e outros estilos de produtos. No entanto, cerâmicas, metais pesados, ligas, além de alimentos como massas, também são moldados e fabricados através do processo de extrusão. Essencialmente, contanto que um material possa ser facilmente liquefeito, ele pode ser extrudado.
praticamente qualquer forma de seção transversal vazada ou cheia pode ser produzida por extrusão. Como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados têm seção transversal constante.
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
 
Os parâmetros geométricos da extrusão são: 
· O Ângulo da Matriz α.
· A Relação de Extrusão que é o quociente entre as áreas das seções transversais do tarugo A0 e do produto extrudado Af.
 O diâmetro do círculo circunscrito DCC que é o diâmetro do menor círculo no qual se inscreve a seção transversal.
A complexidade da extrusão é medida pela relação entre o perímetro da seção do produto extrudado e a área da seção transversal.
 
Esta relação é denominada fator de forma.
Parâmetros Físicos
 
Força de extrusão
 
A força requerida para o processo depende da resistência do material, da relação de extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e outras variáveis como a temperatura e a velocidade de extrusão.
 
A força pode ser estimada pela fórmula:
Os valores de k são dados na figura abaixo, para o campo usual de temperaturas:
Outras Variáveis do Processo
 
Têm papel de influência no processo outras variáveis, entre as quais se destaca: 
· Temperatura do tarugo.
· Velocidade de deslocamento do pistão.
· Tipo de lubrificante.
 
Fluxo do Metal
 
O fluxo do metal determina a qualidade e as propriedades mecânicas do produto final.
 
O fluxo do metal é comparável ao escoamento de um fluido num canal. Os grãos tendem a alongar-se formando uma estrutura com orientação preferencial. O fluxo inadequado pode causar inúmeros defeitos.
 
A técnica de observação do fluxo consiste em seccionar o tarugo ao longo de seu comprimento e marcar uma das faces com um quadriculado. As duas metades são então colocadas juntas na câmara e extrudadas. Após a extrusão as partes são novamente separadas para exame.
 
Na figura abaixo pode ser observado o resultado desta técnica, para três situações típicas da extrusão direta para matriz quadrada (ângulo da matriz de 900).
As zonas mortas nas figuras b e c, onde o metal fica praticamente estacionário nos cantos. A situação é similar ao escoamento de fluido num canal com cantos vivos e curvas.
  
Velocidades
 
As velocidades do pistão podem chegar até 0,5m/s. Geralmente, velocidades menores são recomendadas para o alumínio, magnésio e cobre, e velocidades mais altas para aços, titânio e ligas refratárias.
 
Tolerâncias
 
As tolerâncias na extrusão estão na faixa de 0,25 - 2,5 mm e aumentam com as dimensões da seção transversal.
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 camadade 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 zircônia 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 frequentemente 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.
Bibliografia
https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840793/LOM3079/A3PIM.pdf
http://mmborges.com/processos/Conformacao/cont_html/trefilacao.htm
http://joinville.ifsc.edu.br/~anael.krelling/Tecnologia%20em%20Mecatr%C3%B4nica/PFB64/5%20-%20Trefilacao.pdf
https://www.mecanicaindustrial.com.br/337-processo-de-extrusao/
http://mmborges.com/processos/Conformacao/cont_html/extrusao.htm