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RESUMO
A máquina de trefilar tem por obje�vo reduzir a seção transversal de um fio ou uma barra, fazendo com que se diminua o diâmetro do material e aumente o seu comprimento. O presente trabalho tem por obje�vo projetar uma máquina de trefilar que seja capaz de fazer com que uma barra de alumínio AA6351 que tem um diâmetro inicial de 13 mm fique com um diâmetro final de 8 mm. Para que seja possível essa redução foi avaliada a tensão de escoamento do material σe =40*|ϕ| 0,3^ que é um valor fornecido pelo fabricante do material. Através da Equação de Hollomann e dos cálculos ob�dos chegou-se a conclusão de que seriam necessários dois passes com um recozimento intermediário para fazer a trefilação, onde no primeiro passe a barra teria seu diâmetro reduzido para 10,35 mm seguindo em seguida para a etapa de recozimento e depois sendo executado o passe final para que assim se consiga o valor desejado de 8 mm. Como este é um processo realizado a frio o material ficará encruado, e com isso as propriedades mecânicas do material também serão alteradas, aumentando sua resistência e com uma tensão de escoamento de saída maior do que a de entrada, uma vez que o material não será recozido após o úl�mo passe.
- INTRODUÇÃO
O processo de trefilação é um dos processos de conformação mais an�gos que se tem conhecimento, os relatos de materiais trefilados vêm desde o an�go Egito, China e outros povos da an�guidade onde as técnicas de fabricar os fios de metais eram empregadas na ourivesaria e na produção de joias ou adornos. Apesar de ser um processo rela�vamente an�go, o conhecimento técnico do processo de trefilação dos metais, e a modelagem �sica e matemá�ca é rela�vamente recente [BESCOW, Arthur B. 2013]. A trefilação é um processo de conformação plás�ca que consiste em passar um fio, tubo ou barra através de uma ferramenta chamada fieira que contem um furo em seu centro com um diâmetro decrescente com um perfil em forma de funil ou cônico por onde passa o fio. Com a passagem do fio pela fieira sua seção é reduzida. Geralmente as peças são de simetria circular, porem podem ser trefilados tubos usando mandris de passagem. A trefilação em geral é um processo realizado a frio, e com isso há o encruamento do material, o que altera as propriedades mecânicas do mesmo. Mas a trefilação também pode ser realizada em processos a quente ou em temperatura ambiente. Como as caracterís�cas mecânicas e dimensionais do material são melhoradas, seu uso é adequado em estruturas que assimilem esforços de fadiga e altas tensões.
- MECÂNICA DA TREFILAÇÃO
Os esforços que fazem com que o material se deforme são realizados por compressão que é exercida pelas paredes do furo da ferramenta sobre o fio, no qual ao passar pela ferramenta sofre um esforço de tração na direção axial do fio que está sendo trefilado. Essa força de tração é de origem externa. Como há uma força de tração externa sendo aplicada sobre o fio e também uma força de compressão exercida pelas paredes da ferramenta sobre o fio o processo de trefilação pode ser classificado como um processo de compressão indireta como mostra a Figura 2.1.
Figura 2 .1: Representação dos esforços sobre o fio quando este passa pela fieira. O processo de trefilação é muito u�lizado para fabricação de arames com os quais são feitos, pregos, cabos, molas, condutores elétricos. A barra que será trefilada é chamada de fio de máquina, e é recomendado fazer uma ponta na barra para que facilite a passagem pela fieira. Ela será presa por garras de tração que irão puxar o material para que assim se consiga chegar ao diâmetro desejado do fio. O mecanismo responsável pelo es�ramento dos fios é chamado de banco de es�ramento, onde junto a ele há uma matriz, o fio máquina que
Figura 5.1: Representação esquemá�ca do funcionamento da fieira.
Figura 5.2: Ferramenta de trefilação (fieira). O cone de entrada é o responsável por guiar o fio até o cone de trabalho e permi�r que o lubrificante acompanhe o fio contribuindo para que haja redução do atrito entre o fio e as paredes do cone de trabalho. No cone de trabalho o fio é então subme�do a uma força de compressão onde há a redução do fio. Nesta etapa o atrito também deve ser minimizado, contribuindo assim para que seja reduzido ao máximo o desgaste que é causado na fieira. O ângulo da fieira é referente ao ângulo do cone de trabalho, como podemos ver na figura 5.3. No cilindro de calibração é onde é feito o ajuste do diâmetro do fio, aqui deve-se controlar a altura do cilindro, pois se esta altura for pequena as operações de re�ficação das fieiras gastas para a obtenção de uma fieira com um diâmetro final maior. O cone de saída deve fazer com que a saída do fio seja livre e não cause danos nas super�cies da fieira e do fio. Os �pos mais comuns de perfis podem ser vistos na figura 5.4.
Figura 5.3: Ângulos de trabalho da ferramenta de trefilação. (α – semi – ângulo do cone de trabalho; β – semi – ângulo de entrada; γ – semi – ângulo de saída; Hc – altura do cilindro de calibração; Dc – diâmetro do cilindro de calibração).
Figura 5.4 – Tipos mais comuns de perfis de fieiras. Da esquerda para a direita: Perfil cônico completo; Perfil cônico (idealização dos outros dois); Perfil em funil curvo. Os materiais usados para a fabricação de uma fieira devem seguir as caracterís�cas a seguir:
- Permi�r que haja trefilação de uma grande quan�dade de fios sem que o desgaste que ocorra na fieira seja acentuado;
- Permi�r que a velocidade de trefilação seja elevada para produzir uma maior quan�dade de material em um menor tempo;
- Permi�r que haja a adoção de elevadas reduções de secção;
- Fazer com que haja uma conferencia constante na calibração do diâmetro do fio;
- A ferramenta deve possuir uma vida ú�l elevada para que não haja a interrupção do trabalho da máquina para que seja feito o controle de dimensões ou a subs�tuição da fieira;
- O fio deve possuir uma super�cie lisa e brilhante durante um longo período de uso. Os materiais que geralmente são usados para os fios são:
- Diamante para fios que tem um diâmetro de 2mm ou inferior;
- Metais duros para fios que tenham diâmetro superior a 2mm. As etapas de fabricação de uma fieira de metal duro são as seguintes:
- Mistura dos pós metálicos;
- Compressão dos pós em uma matriz com a forma próxima da forma final;
- Correção da forma por raspagem;
- Sinterização a uma temperatura elevada e em atmosfera controlada;
- Polimento final. No processo de sinterização a fieira sofre uma redução nas suas dimensões e a densidade do material é elevada. A mudança das dimensões deve ser prevista para que seja deixado um sobremetal com alguns décimos de milímetros o qual é necessário para a etapa final, onde o polimento dá a super�cie do furo da fieira um aspecto espetacular. O metal duro que é empregado na fieira é cons�tuído de 95% de carboneto de tungstênio e de 5% de cobalto, podendo ainda possuir cromo e tântalo. A composição vai depender muito de que �po de metal será trefilado para que sejam exigidas as determinadas propriedades �sicas da fieira. As fieiras feitas com metal duro têm um núcleo de metal duro e um suporte de aço com dimensões que irão depender do diâmetro do fio que se quer trefilar. Os diamantes industriais só são u�lizados para fieiras após o estudo de sua orientação cristalográfica que melhor irá permi�r a furação para um determinado diâmetro, não devem possuir defeitos e devem ter uma resistência mecânica em todas as direções de trabalho assim como dureza suficiente. O diamante tem uma estrutura cristalina cúbica, e sua maior resistência mecânica se dá no quarto eixo de simetria. Essa direção deve coincidir com a direção do eixo do furo da fieira, pois a precisão na direção do furo é de suma importância para a vida ú�l da fieira e para que não haja defeitos no fio que for trefilado. A vida ú�l de uma fieira é es�mada baseando-se em quanto material pode ser trabalhado sem que haja a necessidade de uma re�ficação ou polimento para um diâmetro maior, para um determinado diâmetro de fio trefilado. Observa-se que a relação entre o diâmetro e a vida da ferramenta (medida em aumento do diâmetro do furo por massa de
= ângulo ó�mo em graus; = área inicial [mm²]; = área final [mm²].
- Sistema de Tração
Este sistema é responsável por transformar a força do motor em movimento, um gancho então é preso no carro de es�ramento que por sua vez é preso na esteira da máquina, tracionando a barra e realizando o processo de trefilação. Neste trabalho o projeto foi montado u�lizando um sistema corrente para tracionar o carro e puxar a barra que para ser trefilada, um gancho engata no elo da corrente e traciona até o final do percurso. Base da maquina foi feita u�lizando um perfil em C, funcionando como guia e suporte para o carro garan�ndo o deslizamento da barra de forma perfeita.
9. metodologia
9.1. Definição da Fieira
Para a definição do processo e da maquina máquina, foi considerado nos calculos que a máxima deformação aceita pelo alumínio é de 94% ( φ =0,94) e o fator de atrito, μ , tem o valor de 0,08. Com isso a deformação total pode ser calculada pela Eq. Abaixo:
onde φ (^) total é a deformação total, D 0 é o diâmetro inicial da fieira em mm e D 1 é o diâmetro final da fieira em mm. O número de passes é calculado pela Eq.:
onde N é o número de passes. Como N deu maior que 1 devemos considerar 2 passes, e assim pode-se calcular a deformação por passe:
- Deformação por passe:
- Cálculo dos diâmetros da fieira:
- D 0 =13 _mm
- D 1_ :
- D 2 =8 mm - Cálculo do ângulo ó�mo:
- Cálculo do ϕ (^) A,MÁX,2 :
como ϕ (^) a,Máx,2 > ϕ (^) passe (0,605 > 0,485), os valores acima calculados podem ser utilizados, sem problemas.
Com os valores obtidos para N =2, foi realizamos um esboço das fieiras que deverão ser utilizadas para trefilar a barra de alumínio, sendo a primeira exemplificada nas Figs. 9.1.1 e
9.1.2, a seguir:
Figura 9.1.1 – Fieira do primeiro passe.
Figura 9.1.2 – Detalhe do ângulo do primeiro passe.
Para o segundo passe, a fieira está demonstrada abaixo nas Figs. 9.1.3 e 9.1.4.
onde F 1 é a força para o primeiro passe em kgf , e para o segundo passe:
onde F 2 é a força para o segundo passe em kgf.
Com esses valores, o próximo passo é calcular o grau de esforço, porém, antes é necessário
determinar o valor da tensão na saída de cada fieira:
para o segundo passe:
Os valores obtidos para o grau de esforço, com a 1 =0,44 e a 2 =0,49 são satisfazem o projeto, pois são inferiores a 0,75 que é o valor estabelecido como um limite para evitar o surgimento de defeitos internos resultando em uma boa trefilação.
9.3. Cálculo das Velocidades de Passagem das Barras pelas Fieiras
Como é necessário dois passes o os valores dos diâmetros das fieiras são D 0 =13 mm ,
D 1 =10,35 mm e D 2 =8,00 mm , atribuiremos velocidade de saída na segunda fieira como sendo
0,5 m/s e comprimento inicial da barra de 1 m para a barra de diâmetro D 0 =13 mm. Assim,
para calcular os comprimentos de saída:
onde L 1 e L 2 são os comprimentos de entrada e saída da barra em m. Respec�vamente, L (^) 0= 1
m, L1= 1,577 m e L (^) 2= 2,639 m.
Da lei de conservação da massa:
onde A é a área da seção transversal da barra na saída da fieira em m² , V é a velocidade de
saída da barra da fieira em m/s e é a massa específica em kg/m³ , que não se altera, podendo ser retirada da equação. Estipulando-se uma velocidade final de saída na segunda fieira de, V 2 =0,5 m/s , tem-se :
Agora, pode-se calcular a potência de trefilação:
onde P é a potência em cv. Assim, as potências para o primeiro e segundo passe, são, respectivamente:
Portanto, no primeiro passe será necessário um motor de aproximadamente 4 cv , com uma velocidade de saída na fieira igual a 0,2987 m/s. Já no segundo passe, será necessário um
motor de 5 cv , com uma velocidade de saída na fieira de 0,5 m/s.
9.4. Cálculo do Trilho de Fixação da Máquina Trefiladora
A máquina trefiladora será fixada em um viga em C de espessura igual a 50 mm e largura de 300 mm , em aço SAE 1010, aproveitando as bordas como corrediças para o carro de tração, e fresando sua base para passagem da corrente de tração da garra.
Figura 9.4.1 - Perfil Base Trefiladora
Como a garra de tração da barra está a aproximadamente 200 mm de altura, esta sofre ação de um momento fletor dado por:
onde M é o momento fletor em Nm. Assim, a tensão de flexão é dada pela Eq. (3.13):
onde c é a distância da linha neutra até a superfície da peça em m e o denominador se refere ao momento de inércia de uma seção retangular em m^4. Assim: Para aço SAE 1010, (^) escoamento =180, conferindo um fator de segurança grande em virtude do
aproveitamento de uma viga em C como corrediça para o carro de tração da trefiladora. A baixo tabela com os principais valores calculados:
Número de passes 2 Tensão de escoamento média 19,192 kgf/mm² ϕ (^) passe -0, D 0 13 mm L 0 1000 mm D 1 10,35 mm L 1 1577 mm D 2 8 mm L 2 2639 mm αot 11,49o Força 1 905,78 kgf Força 2 612,16 kgf Velocidade 1 0,298 m/s Velocidade 2 0,5 m/s Potência 1 3,6 cv Potência 2 4,08 cv Potência Total 7,68 cv Tabela 1 – Valores calculados.
Referências bibliográficas
BESKOW, A., PACHECO, J. L., 2012. “Apostila de Processos de Conformação” , URI
Campus de Erechim.
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disponível em: http://pt.scribd.com/doc/51295761/Trabalho-Joao-TECMEC-
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ANEXOS
