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1. INTRODUÇÃO
Forjamento é um processo de conformação mecânica, que resulta em uma mudança permanente nas dimensões finais e nas características metalúrgicas de uma peça, de tal modo que ele tende a assumir o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho (Metal Mundi, 2010).
Atualmente existe um variado maquinário capaz de produzir peças das mais variadas formas e tamanhos, desde alfinetes, pregos, parafusos e porcas até rotores de turbinas e asas de avião (Engemec, 2010).
A maioria das operações de forjamento é executada a quente; contudo, uma grande variedade de peças pequenas, tais como parafusos, pinos, porcas, engrenagens, pinhões, são produzidas por forjamento a frio (Engemec, 2010).
Na economia em 2004, a produção nacional de fundidos e forjados foi de 162,4 mil toneladas, enquanto o consumo foi de 135,9 mil toneladas. No entanto, na composição desses números, a maior parte pertence aos fundidos (Revista alumínio, 2008).
Com o objetivo de mostrar ao leitor este processo bastante utilizado na conformação de metais, porem pouco difundido procurou-se elaborar um trabalho simples e acessível porem de acordo com as normas técnicas vigentes, da ABNT (NBR 6023).
2. FORJAMENTO- DEFINIÇÃO E HISTORIA
O forjamento é o processo conformação mecânica pelo qual o metal é aquecido e moldado por deformação plástica com a adequada aplicação da força de compressão. O método de forjamento antecede o processo de soldagem. Forjar um determinado tipo de material refina a estrutura de grãos e melhora as propriedades físicas do metal. Materiais com sinais de forjamento são mais consistentes, não apresentam porosidade, rachaduras e outros defeitos. Também as operações de revestimento, como metalização ou pintura são simples devido a uma boa superfície, que precisa de muito pouca preparação. Metais forjados possuem rendimento de alta resistência ao peso e a pressão. (Manutencaoesuprimentos, 2010)
O forjamento, geralmente realizado a quente, é responsável pela produção de grande parte dos elementos e componentes mecânicos. A combinação de formas adequadas com excelentes propriedades obtidas com este processo tem garantido sua permanência entre os mais empregados, por isso são empregos, freqüentemente, na concepção das partes de aeronaves. Além disso, para peças de grandes dimensões, somente o forjamento permite a obtenção das formas e propriedades requeridas, e com uma perda mínima de material, oferecendo assim um menor custo de fabricação.
Acredita-se que os forjamentos mais antigos tenham se iniciado no Egito e na Ásia por volta de 4.000 a.C. ou provavelmente ainda antes. Ferro e bronze fundidos foram forjados por esses homens da antigüidade para produzir ferramentas manuais, instrumentos e armas grosseiras, como facas, adagas e lanças. A substituição do braço do ferreiro ocorreu nas primeiras etapas da Revolução Industrial. Atualmente existem variados equipamentos de forjamento para a produção de peças das mais variadas geometrias (Worldlingo, 2010).
Figura - Artesão forjando uma peça na bigorna
Fonte: Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC Rio<http://www.dema.puc- rio.br/download/MET%201836%20-%207.pdf.acesso> em 13 maio 2010
O metal é sempre mais forte na direção de sua estrutura granular. O forjamento permite que os grânulos sejam alinhados na direção do instrumento. O corte da usinagem do instrumento normalmente avança contra o grão, e dessa forma enfraquece o instrumento. Além disso, uma vez que o forjamento é criado pela pressão e não pela usinagem, muito menos material é perdido no processo. Com base nessas vantagens, os forjados são geralmente mais fortes do que os Instrumentos usinados.
A desvantagem do forjamento é que as altas temperaturas necessárias no processo podem provocar uma rápida oxidação, o que produz um acabamento
comportamento do material com o qual se está trabalhando, ou seja, conhecer a tensão de escoamento, as perdas por oxidação, o alongamento e as zonas de transformação de fase em função da temperatura. Todos esses parâmetros devem ser conhecidos para se evitar defeitos e otimizar o processo.
O efeito da distribuição da temperatura, taxa de deformação, geometria do instrumento e fricção são aspectos críticos no conjunto do processo de forjamento. Tanto a temperatura de acabamento mantida durante o forjamento como a forma de resfriamento tem um efeito sobre o produto. O resfriamento rápido de um produto que estiver a uma temperatura alta resultará em excessiva dureza do produto, aumentando dessa forma as tensões internas. Recomenda-se que seja empregado um tratamento de recozimento antes da usinagem da peça forjada. O recozimento consiste no aquecimento da peça seguido de um lento resfriamento em um forno de recozimento para amaciar o instrumento.
4. CLASSIFICAÇÃO QUANTO À TEMPERATURA
Todas as informações a seguir foram tiradas de< http://www.ebah.com.br/ trabalho- sobre-forjamento-pdf-a19817.html>
4.1. Forjamento a frio
Forjamento a frio, é uma deformação plástica de metais, sem aquecimento, onde o material é forçado por compressão, a fluir entre uma matriz e um macho, resultando na obtenção de peças com forma e tolerâncias de precisão.
É um método usado para mover, sem remover o metal. Esta tecnologia já provou ser altamente econômica. Suas aplicações estão crescendo rapidamente e seu potencial e desenvolvimento para peças com formas geométricas mais complexas, fabricadas com matérias-primas que permitem maior grau de deformação.
O trabalho a frio é acompanhado do encruamento do metal, que é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras – tais como contornos de grão – que impede 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. Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material.
a morno apresenta redução dos esforços de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. A conformação a morno melhora ainda a ductilidade do material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem muita energia e tempo.
4.3. Forjamento a quente O processo de forjamento a quente distingue-se do realizado a morno pela faixa de temperatura na qual é realizado, isto é, faixa de temperatura em que ocorrem os mecanismos de recuperação e recristalização.
Este trabalho não só requer menos energia para deformar o metal e proporciona maior habilidade para o escoamento plástico sem o surgimento de trincas como também ajuda a diminuir as heterogeneidades da estrutura dos lingotes fundidos devido às rápidas taxas de difusão presentes às temperaturas de trabalho a quente. As bolhas de gás e porosidades são eliminadas pelo caldeamento destas cavidades e a estrutura colunar dos grãos grosseiros da peça fundida é quebrada e refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor tamanho.
As variações estruturais devido ao trabalho a quente proporcionam um aumento na ductilidade e na tenacidade, comparado ao estado fundido. Geralmente, a estrutura e propriedades dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes ao longo da seção reta como nos metais trabalhados a frio e recozidos, já que a deformação é sempre maior nas camadas superficiais. O metal possuirá grãos recristalizados de menor tamanho nesta região. Como o interior do produto estará submetido a temperaturas mais elevadas por um período de tempo maior durante o resfriamento do que as superfícies externas podem ocorrer crescimento de grãos no interior de peças de grandes dimensões, que resfriam vagarosamente a partir da temperatura de trabalho.
A maioria das operações de trabalho a quente é executada em múltiplos passes ou estágios; em geral, nos passes intermediários a temperatura é mantida bem acima do limite inferior do trabalho a quente para se tirar vantagem da redução na tensão de escoamento, embora com o risco de um crescimento de grão. Como, porém, deseja-se usualmente um produto com tamanho de grão pequeno, a temperatura dos últimos passes (temperatura de acabamento) é bem próxima do limite inferior e a quantidade de deformação é relativamente grande. Pequenos tamanhos de grãos darão origem a peças com melhor resistência e tenacidade.
Para se obter peças forjadas com boa qualidade, o processo precisa ser completado a uma temperatura definida para cada tipo de material.Isso fica visível se o forjamento for realizado a temperaturas abaixo das estabelecidas, conforme tabela 01, pois o material pode ficar encruado e a peça sujeita a fissuramento. O encruamento pode ser eliminado por recozimento, mas as fissuras não.
Tabela 01- Faixa de temperatura de conformação a quente dos materiais mais comuns Material Temperatura (°C) Ligas de Alumínio 320 - 520 Ligas de Cobre (latões) 650 - 850 Aço de baixo teor de C 900 - 1150 Aço Médio teor de C 850 - 1100 Aço Alto teor de C 800 - 1050 Aço liga com Mn ou Ni 850 - 1000 Aço liga com Cr ou Cr-Ni 870 - 1100 Aço Inoxidável (18/8) 850 - 1050 Aço Inoxidável (18/8) 750 - 1100
Fonte: FILHO, Ettore B.[et al]. Conformação Plástica dos Metais. São Paulo:Unicamp 5ed.
Na conformação a quente deve-se se tomar cuidado com as quedas de temperatura, não deixando ultrapassar o limite inferior da tabela.
Esta queda de temperatura pode ocorrer devido ao esfriamento da peça em contato com o ar (radiação) e a transmissão de calor da peça para a ferramenta fria. Sendo que os fatores que influem na transmissão do calor são tempo de contato peça ferramenta e a superfície da peça.
Durante a conformação ocorre também um aquecimento da peça devido à energia de deformação, porem menos importante do que as perdas acima mencionadas somente em casos de aços de alta liga, submetido à elevada conformação, é possível que este aquecimento se sobreponha ao esfriamento.
6. MATRIZES ABERTAS E MATRIZES FECHADAS
Matrizes são peças, usualmente de aço ferramenta, que entram em contato com o metal durante o forjamento. Comumente se classifica a operação em pauta em forjamento em matrizes abertas e em matrizes fechadas; no caso do forjamento em matrizes abertas, a restrição ao movimento lateral do metal sendo comprimido é pequena, e as matrizes têm geometria bastante simples (Fundamentos da conformação mecânica dos metais, 1993). 6.1. Matrizes aberta Nos forjamentos realizados em matrizes abertas as matrizes normalmente têm formatos de geometria básica e bem simples. Uma parte da matriz fica presa na parte superior do martelo de forja e a outra parte da matriz fica fixa na parte inferior do equipamento, não havendo nenhuma outra parte nas laterais da peça que venha a restringir ou impedir a deformação, deixando este espaço livre para a deformação do metal. No forjamento em matrizes abertas da-se o golpe vira-se a peça a 90º e volta-se a bater, quando for possível e o processo for por martelamento, quando for por prensagem a deformação ocorre um único aperto. São utilizadas para a produção de peças grandes e em lotes produtivos pequenos. A moldagem livre é apropriada para a confecção de peças de tamanhos diversos, que devem receber formas simples e lisas com superfícies planas ou uniformemente redondas. Para o forjamento de peças pesadas de um tamanho da ordem de 100 toneladas a moldagem livre é a única possibilidade de fabricação. O forjamento livre pode ser realizado com o auxílio da força muscular, quando então é denominado forjamento livre manual, ou com o auxílio, das prensas ou máquinas de forjar, neste caso recebe a denominação de forjamento livre a máquina. Tanto numa situação quanto outra, o formato da peça, assim como suas dimensões são obtidas pela habilidade do forjador em manipular as máquinas e as ferramentas sendo, portanto, uma operação a ser realizada por profissional especializado.
Nas situações em que as peças já não são tão pequenas, ou ainda que se deseje maior produção o forjamento livre pode ser realizado com máquinas, neste caso a única mudança é que a força para a deformação não é mais muscular, ela é produzida por uma máquina, mas todo o controle da forma, dimensão e deformação é levado a cabo pelo forjador baseado na sua habilidade e conhecimento.
Figura - Desenho esquemático do forjamento livre
Fonte: Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC Rio<http://www.dema.puc-rio.br/ download/MET%201836%20-%207.pdf.acesso> em 13 maio 2010
6.2. Matrizes fechadas
No forjamento em matrizes fechadas, uma parte da matriz fica presa na parte de cima do martelo de forja e a outra parte fica fixa na parte de baixo do equipamento, só que neste caso, a matriz se fecha por completo quando forjamento ocorre, enclausurando completamente o metal que será forjado e o metal adquire a forma que foi esculpida na matriz, ou seja, ele recebe esforço e se deforma em todas as direções, inclusive nas laterais, diferente do processo anterior.
Neste tipo de forjamento deixa-se uma região pré-determinada na matriz para receber o excesso de material que é deslocado para uma cavidade extra na matriz e posteriormente eliminado, este excesso de material chama-se de rebarba.
Este tipo de forjamento exige muito mais das matrizes, porque esforços são aplicados, sobre as mesmas, em todas as direções. Devido a essas condições de trabalho é necessário que essas matrizes apresentem alta dureza, elevada tenacidade, resistência à fadiga, alta resistência mecânica a quente e alta resistência ao desgaste. Este tipo de matriz é muito mais caro que o anterior.
Em geral, na forja em matriz, o tarugo é primeiro desbastado e esquadrinhado para ajustar o metal nas posições corretas na matriz para o forjamento subseqüente. O tarugo pré-moldado é então colocado na cavidade da matriz de forja em bruto para atingir uma forma próxima à desejada. A maior parte da mudança da forma ocorre quase sempre nessa etapa. Em seguida a peça é transferida para uma matriz de acabamento, onde é forjada para a forma e dimensões finais.
Normalmente a cavidade de forja em bruto e a cavidade de acabamento são usinadas no mesmo bloco de matriz. Com freqüência, são feitos o desbaste e a expansão do metal nos extremos do bloco da matriz.
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.Usam-se duas classes básicas de equipamentos para a operação de forja: o martelo de forjar que aplica golpes de impacto rápidos sobre a superfície do metal; e as
original durante a conformação. Pode se produzir peças mais complexas pelo forjamento em matriz fechada do que pelo outro método.
7.1.1. 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 subtipos 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 pode ser de três tipos:
- através de discos de fricção;
- por acoplamento direto de motor elétrico;
- acionado por engrenagens.
Figura -esquema de uma prensa de fuso
Fonte:< http://wagner-nascimento.blogspot.com/>
7.1.2. 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. 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 3 mm 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.
Figura -esquema de uma prensa mecânica
Fonte: www.dragrace.com.br/forum/attachment.php?attachmentid=931&d...>acesso 16/05/ 7.1.3. 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. 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.
Figura -esquema de uma prensa hidráulica
Fonte: www.dragrace.com.br/forum/attachment. Php?Attachmentid=931&d...>acesso 16/05/
7.2. Martelo de forja ou martelo de queda
Neste tipo de equipamento a força é aplicada por impacto gerado por grandes cilindros atuadores (rams), podendo ser impulsionado por vapor ou ar comprimido.
O forjamento por martelamento é feito utilizando-se um martelo de forja, especial para a deformação de variados tipos de materiais. Com a aplicação de força em batidas ou pancadas, o martelo de forja atinge a superfície que se deseja moldar, podendo ou não gerar pontos de tensão. O interessante é que o método de forjamento pode ser aplicado em peças com massa que varia entre poucos quilos até toneladas, não importa seu tamanho e a altura em que esteja.
Figura esquema de um martelo de forja
Fonte: Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC Rio<http://www.dema.puc-rio.br/ download/MET%201836%20-%207.pdf.acesso> em 13 maio 2010
7.3. Outros processos de forjamento
Figura -cilindros de forjamento
Fonte:< http://www.ebah.com.br/forjamento-pdf-a27163.html>
Este processo é usado para aumentar o comprimento de barras, reduzir o seu diâmetro ou modificar sua secção transversal conforme desejado. É um processo simples, com as vantagens de ser rápido na conformação preliminar de peças que serão recalcadas ou, forjadas em matriz, ou mesmo, para a fabricação de objetos com formas já definidas.
8. OPERAÇÕES UNITÁRIAS MAIS COMUNS
Todas as informações a seguir foram retiradas de< http://construtor.cimm.com.br/cgi- win/construt. cgi?Configuradorresultado+1120>
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.
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.
Estiramento : Visa aumentar o comprimento de uma peça “à custa” da sua espessura
Encalcamento (ingl. fullering): Variedade de estiramento em que se reduz a secção de uma porção intermediária da peça, por meio de uma ferramenta ou impressão adequada.
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.
Alargamento : aumenta a largura de uma peça reduzindo sua espessura.
Furação : Abertura de um furo em uma peça, geralmente por meio de um punção de formato apropriado.
Extrusão : O material é forçado a passar através de um orifício de secção transversal menor que a da peça.
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.
Caldeamento : Visa produzir a soldagem de duas superfícies metálicas limpas, postas em contato, aquecidas e submetidas a compressão.
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.
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.
- (^) Trincas Superficiais : Rachaduras que aparecem na superfície da peça, isto se deve ao excessivo trabalho na superfície da peça em temperatura baixa ou por fragilidade aquente inerente ao material (metal).
- Trincas^ nas^ Rebarbas^ :^ Rachaduras^ que^ aparecem^ na^ região^ das^ rebarbas,após^ o rebarbamento que é a retirada do excesso de metal do forjamento, aparecem porque o metal apresenta impurezas oriundas da fundição ou porque o as rebarbas são pequenas e migram das rebarbas para a peça forjada, outro motivo, é que quando ao se rebarbar o esforço aplicado é muito lento, não cortando, mas sim arrancando a rebarba.
- Trincas^ Internas^ : Rachaduras que aparecem na parte interna da peça, isto ocorre devido às tensões originárias por grandes deformações, elevadas temperaturas de trabalho e impurezas presentes no metal.
- Gota Fria: Aparente rachadura que apresenta o formato de uma ruga na superfície da peça e pode ser mais ou menos profunda, isto ocorre devido à baixa temperatura de forjamento do metal ou da baixa temperatura de trabalho da matriz.
- Incrustações de óxidos – causadas pela camada de óxidos que se formam durante o aquecimento.Essasincrustações normalmente se desprendem, mas, 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.
CONCLUSÃO
O forjamento é um processo de manufatura amplamente usado, pois, dependendo do tipo de processo, pode gerar mínima perda de material, boa precisão dimensional e melhorar as propriedades mecânicas da peça conformada. Este processo é dividido em dois grupos dependendo dos equipamentos de trabalho: forjamento por prensagem e forjamento por martelameto.
O forjamento por prensagem tem a vantagem de ser mais econômico do que o forjamento por impacto, e, por ter grandes tolerâncias dimensionais, em relação ao por martelamento.
Além dos equipamentos a serem utilizados é necessário um conhecimento bem detalhado do comportamento do material com o qual se está trabalhando para se evitar defeitos e otimizar o processo de forjamento.
Seu estudo é fundamental para o técnico em mecânica, ao qual se oferece mais uma opção no sentido de processamento de materiais metálicos para as diversas aplicações industriais.
