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PROCESSO DE FABRICAÇÂO
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Prof. Eng. Mec. Norberto Moro Téc. Mec. André Paegle Auras
Prensas hidráulicas verticais são geralmente usadas para extrusão a frio. Elas têm usualmente menor capacidade daquelas usadas para extrusão a quente, mas ocupam menos espaço horizontal.
Prensas excêntricas são também usadas para extrusão a frio e por impacto, e são indicadas para produção em série de pequenos componentes.
Operações de múltiplos estágios, onde a área da seção transversal é progressivamente reduzida, são efetuadas em prensas especiais.
1.1 Tipos de extrusão
São basicamente dois tipos de extrusão, a direta e a indireta. Mas há ainda duas variações: a lateral e a hidrostática.
Direta: Este é o processo básico, denominado direto. Um tarugo cilíndrico é colocado numa câmara e forçado por um atuador hidráulico através de uma matriz. A abertura da matriz pode ser circular ou de outro formato. Para proteger o pistão da alta temperatura e abrasão resultantes do processo, emprega-se um bloco de aço chamado falso pistão entre o material e o êmbolo. Utiliza-se ainda um pedaço de grafite entre o falso pistão e o material, para garantir que todo material passe pela matriz, não deixando nenhuma sobra.
Extrusão direta Variação: extrusão lateral
Indireta: Também conhecida por reversa ou invertida, a matriz se desloca na direção do tarugo. Como não há movimento relativo entre o tarugo e as paredes da câmara, as forças de atrito e pressões necessárias são menores do que na extrusão direta. Por outro lado, como o êmbolo é furado, as cargas a serem utilizadas são limitadas e não é possível obter perfis com formatos complexos.
Extrusão indireta
Hidrostática: O diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da câmara, que é preenchida por um fluído hidráulico. A pressão (da ordem de 1400 MPa) é transmitida ao tarugo através de um pistão. Não há fricção nas paredes da câmara. O método foi desenvolvido nos anos 50 e evoluiu para o uso de uma segunda câmara pressurizada mantida a uma pressão mais baixa. É a chamada extrusão fluido a fluido, que reduz os defeitos do produto que acabou de ser extrudado (oxidação, etc). Essa extrusão aumenta a ductilidade do material, portanto materiais frágeis podem se beneficiar desta forma de extrusão. Entretanto as vantagens essenciais do método são: baixa fricção; pequenos ângulos de matriz; altas relações de extrusão. A extrusão hidrostática é realizada usualmente a temperatura ambiente, em geral usando óleo vegetal como meio, 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. Podem ser extrudados por este método uma grande variedade de metais e polímeros, formas sólidas, tubos e outras formas vazadas como favo de abelha e perfis.
Extrusão hidrostática
1.2 Parâmetros de Extrusão
Os parâmetros de extrusão se dividem em geométricos e físicos.
A) Os parâmetros geométricos da extrusão são:
*O ângulo da matriz ;
*A relação de extrusão: é o quociente entre as áreas das seções transversais do tarugo Ao (área inicial) e do produto extrudado Af (área final);
1.3 Fluxo de 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 uma situação hipotética de extrusão direta numa matriz quadrada (ângulo da matriz de 90°).
Observe 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. Por isso, o projeto de matrizes requer experiência considerável. Dois exemplos de configurações são mostrados na figura abaixo.
Os diferentes tipos de matrizes têm suas características similares, procurando simetria da seção transversal, evitar cantos vivos e mudanças extremas nas dimensões dentro da seção transversal. Abaixo temos figura mostrando o que devemos evitar e o que devemos ter em uma matriz, para que haja um bom fluxo do material.
1.4 Extrusão a quente
É feita em temperatura elevada para ligas que não tenham suficiente ductilidade 2 a temperatura ambiente, de forma a reduzir as forças necessárias. Apresenta alguns problemas, como todo o processo de alta temperatura:
(^2) Ductilidade é a propriedade pelo qual o material pode deformar-se sem sofrer ruptura.
1.5 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. Praticamente todos os materiais usados na extrusão a quente podem ser utilizados na extrusão a frio, mesmo os aços. Entretanto, deve-se considerar que a extrusão de um certo perfil pode ser realizada a quente mas não a frio, tendo que ser alterado os parâmetros de extrusão (velocidade, ângulo da matriz, etc). Embora componentes extrudados a frio sejam em geral mais leves, fabricam-se componentes de até 45 kg e com comprimentos de até 2m. Metais obtidos por metalurgia do pó são também extrudados a frio.
Vantagens e desvantagens da extrusão a frio em relação à extrusão a quente Vantagens Desvantagens
Melhores propriedades mecânicas resultantes do encruamento, desde que o calor gerado pela deformação não recristalize o metal.
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. 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.
1.6 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:
1.7 Exercícios
2.2 Equipamentos
Pode-se classificar os equipamentos para trefilação em dois grupos básicos: a) Trefiladoras de bancada – utilizadas para produção de componentes não bobináveis, como barras e tubos; b) Trefiladoras de tambor – utilizada para produção de componentes bobináveis, ou seja, arames. As trefiladoras de tambor ainda podem ser classificadas em três grandes grupos, a saber: simples (1 só tambor) - para arames grossos; duplas - para arames médios; e múltiplas (contínuas) - para arames médios a finos.
Figura: Trefiladora de bancada
Figura: Trefiladora de tambor
Figura: Trefiladora de tambor
2.3 Trefilação de tubos
Os tubos podem ser trefilados de quatro modos: sem apoio interno (rebaixamento ou afundamento – figura a); com mandril passante (figura b); com bucha interna (figura c); com bucha flutuante (figura d).
propriedades mecânicas desejadas. Os dois principais tratamentos utilizados são:
Tratamento Recozimento Patenteamento
Indicação
Principalmente para arames de baixo Carbono.
Aços de médio a alto carbono (C > 0,25%).
Tipo Subcrítico, entre 550° e 650° C.
Aquecimento acima da temperatura crítica (região ) seguido de resfriamento controlado, ao ar ou em banho de chumbo mantido entre 450 e 550°C.
Objetivo Remover efeitos do encruamento.
Obter uma melhor combinação de resistência e ductilidade que a estrutura resultante (perlita fina ou bainita) fornece.
Análise da trefilação de arames A) Carga: Para cada passe de trefilação, a carga necessária pode ser estimada pela seguinte expressão:
OBSERVAÇÃO: Para cada redução dada existe um valor ótimo do ângulo de abordagem ( ), que é aquele que minimiza a carga e conseqüentemente o trabalho total de trefilação, Wt. Quanto maior é , menor será a área de contato, e conseqüente menor atrito (Wa). Quanto maior é , maior será a força para a conformação porque maior é a redução (Wr).
B) Modos especiais de deformação na trefilação: a - Se o ângulo de abordagem da trefila é superior a um certo valor crítico cr ocorre um cisalhamento interno no material, separando-se uma zona que adere a fieira e forma uma falsa matriz (zona morta) através da qual prossegue a trefilação. O valor crítico é dado por:
b - Se o ângulo de abordagem excede um outro valor crítico,
a zona morta formada não adere à fieira e sim desliza para trás (descansamento); a camada superficial da peça se destaca e o núcleo da mesma deixa de se deformar, atravessando a trefila com velocidade de saída igual à de entrada. Veja na figura abaixo as condições de fluxo em relação aos ângulos críticos.
Conformação de chapas é o processo de transformação mecânica que consiste em conformar uma chapa à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção. Na operação ocorrem alongamento e contração das dimensões de todos os elementos de volume. A chapa, originalmente plana, adquire uma nova forma geométrica.
Classificação dos Processos: A conformação de chapas metálicas finas pode ser classificada através do tipo de operação empregada. As principais são: corte em prensa, dobramento e estampagem profunda, que também é conhecida por repuxo ou embutimento.
Máquinas utilizadas: A maior parte da produção seriada de partes conformadas a partir de chapas finas é realizada em prensas mecânicas ou hidráulicas. Nas prensas mecânicas a energia é geralmente, armazenada num volante e transferida para o cursor móvel no êmbolo da prensa. As prensas mecânicas são quase sempre de ação rápida e aplicam golpes de curta duração, enquanto que as prensas hidráulicas são de ação mais lenta, mas podem aplicar golpes mais longos. As prensas podem realizar o trabalho em uma só operação ou operações progressivas. Algumas vezes pode ser utilizado o martelo de queda na conformação de chapas finas. O martelo não permite que a força seja tão bem controlada como nas prensas, por isso não é adequado para operações mais severas de conformação. As ferramentas básicas utilizadas em uma prensa de conformação de peças metálicas são o punção e a matriz. O punção, normalmente o elemento móvel, é a ferramenta convexa que se acopla com a matriz côncava. Como é necessário um alinhamento acurado entre a matriz e o punção, é comum mantê-los permanentemente montados em uma sub-prensa, ou porta matriz, que pode ser rapidamente inserida na prensa. Geralmente, para evitar a formação de rugas na chapa a conformar usam-se elementos de fixação ou a ação de grampos para comprimir a chapa contra a matriz. A fixação é conseguida por meio de um dispositivo denominado anti-rugas ou prensa-chapas, ou ainda, em prensas de duplo efeito por um anel de fixação (veja o prensa chapas na figura da página 30).
3.1 Corte de chapas
Destina-se à obtenção de formas geométricas, a partir de chapas submetidas à ação de pressão exercida por um punção ou uma lâmina de corte. Quando o punção ou a lâmina inicia a penetração na chapa, o esforço de compressão converte-se em esforço cisalhante (esforço cortante) provocando a separação brusca de uma porção da chapa. No processo, a chapa é deformada plasticamente e levada até a ruptura nas superfícies em contato com as lâminas.
Tipos de corte: Dependendo do tipo de corte, são definidos diversos grupos de operações da prensa, conforme listagem abaixo:
Os principais parâmetros a serem considerados nestas operações são: folgas entre punção (macho) e matriz; aproveitamento máximo da chapa (layout); forças envolvidas na operação; dimensionamento da matriz; e escolha de molas para prensa. Destes veremos apenas os três primeiros.
Layout da chapa: O estudo econômico, também chamado de layout de tira, é o estudo que proporciona o aproveitamento máximo da chapa ou, em outras palavras, a obtenção da maior quantidade de peças em uma mesma chapa. Este estudo visa encontrar a melhor distribuição das peças na chapa bem como calcular as distâncias ótimas entre as várias peças. No exemplo abaixo, o aproveitamento de chapa do layout B é melhor que do layout A, o que significa uma produtividade 50% maior.
Folga entre punção e matriz: A aresta de corte apresenta em geral três regiões: uma rugosa (correspondente à superfície da trinca da fratura), uma lisa (formada pelo atrito da peça com as paredes da matriz) e uma região
