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Notas básicas sobre o forjamento, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Forjamento

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 29/08/2009

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sandor-dangelo-4 🇧🇷

4.6

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Forjamento é o processo de fabricação no qual um tarugo de metal é deformado dentro
das mais variadas formas geométricas e com grandes deformações plásticas. Este
processo de fabricação está dividido em dois grandes grupos - forjamento a frio, quente.
Essa classificação é dependente da temperatura na qual as operações de forjamento
ocorrem. O processo de forjamento a quente distinguem-se pela faixa de temperatura na
qual é realizado, isto é, faixas nas quais ocorre o mecanismos de recuperação e
recristalização.
Já o processo de forjamento a frio caracteriza-se pelo fato de ocorrer abaixo da
temperatura de recristalização, industrialmente, à temperatura ambiente. Além disso, o
processo de forjamento a frio possibilita vantagens como, propriedades mecânicas
melhoradas, superfície final com baixa rugosidade, tolerância dimensional mais fechada
e ainda economia de matéria-prima, já que para uma dada peça, o peso inicial do tarugo
para esse processo de conformação é bem menor quando comparado a outros processos
de conformação, por exemplo o forjamento a quente. Assim, o processo de forjamento a
frio é uma tecnologia promissora para as empresas que buscam redução dos custos de
manufatura.
Comparadas com as peças fundidas, as peças forjadas podem receber dimensões menores
devido a sua maior resistência mecânica. Nas peças forjadas as fibras são orientadas, os
grãos se apresentam com uma estrutura mais fina, as porosidades inexistem, desta forma
estas peças apresentam uma resistência mecânica superior às peças fundidas ou mesmo
usinadas.
A maioria das operações de forja são realizadas a quente. entretanto certos metais podem
ser forjados a frio. 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 prensas de forjar que submetem o metal a uma força compressiva aplicada
relativamente de uma forma lenta.
De uma forma genérica pode-se dividir o forjamento em:
1. Forjamento livre
Forjamento livre é conformar por pressão com ferramentas que se movimentam umas
contra as outras e que não contêm a forma da peça ou somente a contêm em parte.
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.
No forjamento livre manual é comum o uso da bigorna como elemento de apoio. A
bigorna é assentada sobre um bloco de concreto, ferro fundido ou ainda madeira e
também se faz uso de diversas
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.
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Forjamento é o processo de fabricação no qual um tarugo de metal é deformado dentro

das mais variadas formas geométricas e com grandes deformações plásticas. Este processo de fabricação está dividido em dois grandes grupos - forjamento a frio, quente. Essa classificação é dependente da temperatura na qual as operações de forjamento ocorrem. O processo de forjamento a quente distinguem-se pela faixa de temperatura na qual é realizado, isto é, faixas nas quais ocorre o mecanismos de recuperação e recristalização. Já o processo de forjamento a frio caracteriza-se pelo fato de ocorrer abaixo da temperatura de recristalização, industrialmente, à temperatura ambiente. Além disso, o processo de forjamento a frio possibilita vantagens como, propriedades mecânicas melhoradas, superfície final com baixa rugosidade, tolerância dimensional mais fechada e ainda economia de matéria-prima, já que para uma dada peça, o peso inicial do tarugo para esse processo de conformação é bem menor quando comparado a outros processos de conformação, por exemplo o forjamento a quente. Assim, o processo de forjamento a frio é uma tecnologia promissora para as empresas que buscam redução dos custos de manufatura. Comparadas com as peças fundidas, as peças forjadas podem receber dimensões menores devido a sua maior resistência mecânica. Nas peças forjadas as fibras são orientadas, os grãos se apresentam com uma estrutura mais fina, as porosidades inexistem, desta forma estas peças apresentam uma resistência mecânica superior às peças fundidas ou mesmo usinadas. A maioria das operações de forja são realizadas a quente. entretanto certos metais podem ser forjados a frio. 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 prensas de forjar que submetem o metal a uma força compressiva aplicada relativamente de uma forma lenta. De uma forma genérica pode-se dividir o forjamento em:

  1. Forjamento livre Forjamento livre é conformar por pressão com ferramentas que se movimentam umas contra as outras e que não contêm a forma da peça ou somente a contêm em parte. 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. No forjamento livre manual é comum o uso da bigorna como elemento de apoio. A bigorna é assentada sobre um bloco de concreto, ferro fundido ou ainda madeira e também se faz uso de diversas 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.

Forjamento em matriz

O forjamento em matriz usa blocos de matriz cuidadosamente usinados para produzir peças forjadas com tolerâncias dimensionais bastante precisas. Normalmente, para justificar a utilização dessas matrizes relativamente dispendiosas, esse processo é usado para taxas de produção altas. 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. É importante usar sempre uma quantidade de metal suficiente para encher toda a cavidade da matriz. Como é difícil colocar a quantidade exata de metal nos lugares corretos durante o desbaste e a expansão é comum usar-se uma quantidade ligeiramente acima do necessário. Quando a matriz executa a etapa final de acabamento. o excesso de metal escoa para fora da cavidade como uma fita de metal chamada de rebarba de forjamento em matriz fechada. A fim de evitar a formação de uma rebarba muito grande. em geral projeta-se um ressalto conhecido como uma calha de rebarba. A etapa final no forjamento de uma peça em matriz fechada é remoção da rebarba com uma matriz para aparar ou matriz de rebarbação. A rebarba tem duas funções. Como descrito acima. ela atua como uma "válvula de segurança" para o excesso de metal na cavidade da matriz. De maior importância é que a rebarba regula o escape do metal, portanto uma rebarba muito fina aumenta muito a resistência de escoamento do sistema de maneira que a pressão sobe para valores bem altos, assegurando que o metal preencha todos os espaços da cavidade da matriz. O segredo do projeto da rebarba é ajustar de tal forma as suas dimensões de maneira que a extrusão do metal através da abertura estreita para a rebarba seja mais difícil do que preencher os detalhes mais intrincados da matriz. Porém, isso não deve ser feito em excesso para não só criar altas cargas de forjamento, como também evitar problemas com a deformação ou quebra da matriz. O ideal é projetar a rebarba ao mínimo necessário à realização do trabalho. Em forja com matrizes fechadas é extremamente difícil produzir componentes com filetes muito agudos. almas finas e frisos ou arestas muito altas. Além disso, as matrizes de forja devem ser afuniladas para facilitar a remoção das peças acabadas. Este ângulo de saída varia 5°a 7° para superfícies internas e de 7° a 8° para superfícies externas. Aplicações De um modo geral, todos os materiais conformáveis podem ser forjados. Os mais utilizados para a produção de peças forjadas são os aços (comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta), ligas de alumínio, de cobre (especialmente os latões), de magnésio, de níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) e de titânio. 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

dos martelos de forja.

  1. Martelo A peça mais comumente usada dos equipamentos de forja é o martelo de forja. Os dois tipos básicos de martelo são: martelo de queda livre com prancha e o martelo de duplo efeito. No martelo de queda com prancha, a matriz superior e a massa cadente são elevadas por rolos de atrito engrenados à prancha, correntes ou outros mecanismos. Quando a prancha é liberada, a massa cadente cai sob a influência da gravidade para produzir a energia da pancada. A prancha é imediatamente elevada para nova pancada. O forjamento com um martelo é normalmente feito com pancadas repetidas. Os martelos podem atingir entre 60 e 150 pancadas por minuto dependendo do tamanho e capacidade. A energia suprida pelas pancadas é igual à energia potencial devido ao peso da massa cadente e da altura de queda. Os martelos de queda são classificados pelo peso da massa cadente. Entretanto, uma vez que o martelo é uma máquina limitada energeticamente. no qual a deformação se processa até que a energia cinética é dissipada pela deformação plástica da peça de trabalho ou pela deformação elástica das matrizes e da máquina, é mais correto classificar essas máquinas em termos da energia transmitida. Uma capacidade maior de forja é atingida com um martelo de duplo efeito no qual o martelo é acelerado no seu curso descendente por pressão de vapor ou ar comprimido em adição à gravidade. O vapor ou ar comprimido podem também serem usados para elevar o martelo no seu curso ascendente. Nos martelos de queda o choque produzido pela queda da massa é transmitido para toda a estrutura da máquina, bem como para as fundações. O que é um grande transtorno. Para amenizar este fato foram desenvolvidos os martelos de contragolpe, em que a chabota se movimenta ao mesmo tempo que a massa superior encontrando-se ambas no meio do percurso. Desta forma a reação do choque praticamente inexiste e não é transmitida para a estrutura da máquina e fundações. Mas dada a configuração deste tipo de martelo temos como desvantagens:
  • maior desalinhamento entre as partes superior e inferior da matriz;
  • a força de forjamento deve estar localizada no meio da matriz para evitar grandes atritos entre as massas e as guias;
  • não é possível manipular a peça durante o movimento do martelo
  • maiores despesas de manutenção Uma característica comum aos martelos é que em função do forjamento ser feito por meio de golpes, o martelo adquire grande flexibilidade, pois enquanto as prensas são limitadas em termos de força (só podem ser aplicadas se a força requerida for menor que a disponível), nos martelos esta limitação não existe uma vez que o martelo aplicará golpes sucessivos até que a conformação desejada se processe. Desta forma os martelos são mais indicados para o uso com matrizes de múltiplas cavidades em que em um único bloco existem as cavidades para pré- conformação e conformação final. Um outro aspecto relativo aos martelos é que estes requerem em média 400% mais energia, que as prensas, para executar a mesma deformação Desenho da peça para forjamento Definida a linha de aparte já é possível saber a posição da peça na matriz de forjamento. Assim sendo, partindo-se do desenho da peça usinada deve-se incorporar algumas alterações para que seja possível o seu forjamento. Estas alterações são:
  • previsão de sobremetal para usinagem;
  • previsão de ângulos de saída para as superfícies que forem paralela a direção de

forjamento;

  • previsão de raios de concordância para os cantos;