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TEM II
Curso: Técnico em Mecânica Professor: Golfieri Mogi Mirim
2010
- Nome: Rogivan Carvalho Cardoso – 2º MA – Nº.
- Introdução............................................................................................................ Índice
- Apresentação.......................................................................................................
- Aplicações............................................................................................................
- Descrição do processo.........................................................................................
- Tipos de extrusão.................................................................................................
- Extrusão direta.....................................................................................................
- Extrusão indireta...................................................................................................
- Extrusão lateral....................................................................................................
- Extrusão hidrostática............................................................................................
- Cálculos de processamento.................................................................................
- Parâmetros Físicos..............................................................................................
- Forças Envolvidas na Extrusão...........................................................................
- A prática no desenvolvimento..............................................................................
- Extrusão a quente................................................................................................
- Extrusão a quente - Projetos de matrizes e materiais.........................................
- Extrusão a frio......................................................................................................
- Extrusão por impacto...........................................................................................
- Extrusão de tubos................................................................................................
- Defeitos de Extrusão...........................................................................................
- Defeitos superficiais..........................................................................................
- Matrizes - Ferramentas – Modelos.....................................................................
Conclusão........................................................................................................... 26
Bibliografia.......................................................................................................... 27
Extrusão
Introdução: A extrusão consiste em fazer passar o material através de um orifício com forma mais ou menos complexa (fieira), de modo a fazer com que o material adquira uma secção transversal igual à do orifício. Formas resultantes: 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. Características: dependo da ductilidade do material a extrudar o processo pode ser feito a frio ou a quente, em altas temperaturas. A extrusão pode ser combinada com operações de forjamento, sendo neste caso denominada extrusão fria. 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, etc. 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.
Apresentação
Extrusão 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.
n°
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 de Eletro-Eletrônico (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 diminuição do tamanho de grão e um alongamento dos mesmos, aumentado a resistência mecânica após o tratamento térmico das peças.
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, carrinhos de armazenamento, forno de tratamento térmico e máquina embaladora, 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 se tratam de linhas onde são fabricadas peças grandes e utilizam tarugos pesados.
n°2 n°
n°4 (^) n°
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, deixá-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 extrusão 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.
n°
- Extrusão Indireta ou Inversa :
Trata-se do processo de extrusão onde a matriz, que é fechada, e o container, estão fixos. O pistão, que dará o aperto no tarugo que será extrusado, sempre é móvel, no entanto no processo de extrusão inversa o metal ao invés de escoar pela parte interna da matriz e sair do seu lado posterior, retorna sobre o pistão formando um copo ou um cartucho, por exemplo.
n°
O material do tarugo é forçado através de abertura lateral da câmara. Os eixos do punção e da peça têm diferentes direções (ângulo reto).
n°
- (^) 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.
n°
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.
Af = área de seção transversal do tarugo após a extrusão
K = constante de extrusão.
A força máxima de atrito entre o tarugo e a câmara é obtida por:
Fa = U.l 0 .K,
Onde:
U = perímetro interno do container l 0 = comprimento inicial do tarugo = coeficiente de atrito K = Constante de extrusão.
Levando em consideração que o atrito é uma força a ser superada durante o processo, a força máxima de extrusão é calculada por:
Fmax=F+Fa
A Constante de Extrusão (K) para alguns metais pode ser analisada através do
gráfico:
N°
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 90^0 ).
N°
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.
A prática no desenvolvimento:
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 croqui 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 à matriz ou o perfil de alumínio.
Um desenho técnico deve possuir todas as medidas necessárias para a confecção de um perfil extrusado, bem como, as tolerâncias dimensionais aceitáveis, sejam elas oriundas de Norma Técnicas, 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 se considera 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 às 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 eletroerosão por penetração, também a eletroerosão 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 eletroerosão, 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.
Processo quente e frio:
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:
n°
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.
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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 em relação à extrusão a quente:
- 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.
n°
Defeitos de Extrusão:
Apesar de todos os possíveis controles operacionais existentes, defeitos podem aparecer, são eles:
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.
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 à 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.
BOLHAS
As bolhas podem ser originárias de vários motivos, desde 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 tanto 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.
CASCA DE LARANJA
O defeito de casca de laranja pode ser ocasionado pelo puller, no momento 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 "enrugamento" do perfil. Percebe-se este defeito com mais freqüência em peças (tubos) com paredes grossas e em vergalhões.
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 estender por toda a peça extrusada 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.
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 visível 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.
