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Universidade Federal do Piauí – UFPI
Engenharia Mecânica
Conformação Mecânica
Disciplina: Engenharia e Ciência dos Materiais II
Profª Adiana Nascimento
Introdução
A grande importância dos metais na tecnologia moderna
deve-se, em grande parte, à facilidade com que eles podem
ser produzidos nas mais variadas formas, para atender a
diferentes usos.
Os processos de fabricação de peças a partir dos metais no
estado sólido podem ser classificados em:
- Conformação Mecânica: volume e massa são
conservados;
- Remoção Metálica ou Usinagem: retira-se material
para se obter a forma desejada;
Classificação
Os processos de conformação mecânica podem ser
classificados de acordo com o tipo de força aplicada ao
material:
- Compressão direta: Forjamento, Laminação;
- Compressão indireta: Trefilação, Extrusão, Estampagem;
- Trativo: Estiramento;
- Dobramento: Dobramento(momentos);
- Cisalhamento: Corte.
Classificação
Dobramento
Forjamento
Laminação
Trefilação
Embutimento
(Estampagem)
Profundo
Estiramento
(Tracionamento)
Matriz
Cisalhamento
ExtrusãoExtrusão
Características
Os processos de conformação mecânica alteram a geometria
do material através de forças aplicadas por ferramentas
adequadas que podem variar desde pequenas matrizes até
grandes cilindros, como os empregados na laminação.
As operações de conformação mecânica são processos de
trabalho dentro da fase plástica do metal.
Trabalho mecânico primário _ produção de chapas, tarugos,
barras, etc.
Trabalho mecânico secundário _ produção de objetos
definitivos: fios, peças forjadas, peças estampadas.
Em função da temperatura os processos de deformação
classificam-se em trabalho a quente e trabalho a frio.
Características
Trabalho a quente
É realizado a uma temperatura superior a temperatura de
recristalização
Trabalho a frio
É realizado a uma temperatura inferior a temperatura de
recristalização, ainda que superior a temperatura ambiente.
A temperatura de recristalização é característica de cada
material e é definida como a menor temperatura na qual uma
estrutura deformada de um metal trabalho a frio é restaurada
ou é substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após
a permanência nessa temperatura por um determinado tempo.
Características
METAL TR
(°C)
TF
(°C)
Chumbo 15 327
Zinco 25 420
Alumínio 150 660
Cobre 200 1083
Ferro 450 1536
Níquel 600 1450
Tungstênio 1200 3410
Temperatura de recristalização e temperatura de fusão
Características
Como resultado da deformação mecânica a frio intensa,
ocorrem apreciáveis movimentos das imperfeições cristalinas,
principalmente discordâncias, ao longo dos planos de
deslizamento. Forma-se como que um rendilhado
tridimensional de discordâncias que, juntamente com a
distorção dos planos de escorregamento impedidos de avançar
pelos contornos dos grãos adjacentes, provoca uma desordem
no modelo cristalino normal, tornando mais difícil o
escorregamento ulterior e afetando assim as propriedades
mecânicas. É esse o fenômeno de encruamento.
Características
Vantagens e Desvantagens:
O trabalho a quente permite o emprego de menor esforço
mecânico e, para a mesma quantidade de deformação, as
máquinas necessárias são de menor capacidade que no
trabalho a frio;
A estrutura do metal é refinada pelo trabalho a quente, de
modo que sua tenacidade melhora;
O trabalho mecânico a frio pode alterar sensivelmente as
propriedades mecânicas: resistência e dureza aumentam;
ductilidade diminui;
O trabalho a quente deforma mais profundamente que o
trabalho a frio, devido à continuada recristalização que ocorre
durante o processo;
Características
Vantagens e Desvantagens:
O trabalho a quente exige ferramental de material de boa
resistência ao calor;
Outra desvantagem do trabalho a quente corresponde à
oxidação e formação de casca de óxido;
O trabalho a quente não permite, ainda, a obtenção de
dimensões dentro de estreitas tolerâncias;
O trabalho a frio não apresenta tais desvantagens; além
disso, produz melhor acabamento superficial.
Características
Anomalias que podem ser produzidas pelo trabalho mecânico:
Casca de laranja _ ocorre eventualmente na estampagem de
chapas, é relacionado com o tamanho do material. Caracteriza-
se por uma superfície extremamente rugosa, nas regiões que
sofreram deformação apreciável.
Linhas de distensão _ pode ocorrer em chapas de aços de
baixo carbono, quando o material é deformado na faixa de
escoamento. O defeito corresponde a depressões que
aparecem, em primeiro lugar, ao longo dos planos de máxima
tensão de cisalhamento; à medida que a deformação continua,
as deformações se espalham e acabam se juntando, de modo
a produzir uma superfície áspera.
Laminação: O metal é forçado a passar entre dois cilindros,
girando em sentido oposto, com a mesma velocidade superficial,
distanciados entre si a uma distância menor que o valor da
espessura da peça a ser deformada.
Forjamento: Processo de transformação de metais por
prensagem ou martelamento (é a mais antiga forma de
conformação existente).
Tipos
Extrusão: É um processo de conformação em que um bloco de
metal é forçado a passar através do orifício de uma matriz sob
alta pressão, de modo a ter sua seção transversal reduzida.
Estampagem: Compreende um conjunto de operações, por
intermédio das quais uma chapa plana é submetida a
transformações de modo a adquirir uma nova forma geométrica,
plana ou oca.
Tipos
ExtrusãoExtrusão
Pela laminação, o perfil obtido pode ser o definitivo e a peça
resultante pronta para ser usada; por exemplo, trilhos e vigas; ou
o perfil obtido corresponde ao de um produto intermediário a ser
empregado em outros processos de conformação mecânica,
como por exemplo, tarugos para forjamento e chapas para
estampagem profunda.
As diferenças entre:
- a espessura inicial e a final = redução total (Δh)
- a largura final e inicial = alargamento total (Δb )
- o comprimento final e inicial = alongamento total (Δl)
Δh = h0 –h1
Δb = b1 –b0
Δl = l1 – l0
Laminação
Forças de laminação
Ângulo de contato
cos α = 1 – (h0 – h1)/2R
Como devem passar, na unidade
de tempo, por um determinado
ponto iguais volumes de metal,
pode-se escrever
b0h0v0 = bhv = b1h1v1
Laminação
Onde b é a largura da placa e v a velocidade a uma espessura h
intermediária entre h0 e h1.
Forças de laminação
O ponto neutro (velocidade do cilindro = velocidade da placa). E
o ângulo central γ é chamado de ângulo neutro.
Laminação
A figura mostra que duas forças
principais atuam sobre o metal,
são elas:
- a normal N;
- a tangencial T ( força de atrito).
De AA a D:
_ o movimento da placa é mais
lento que o da superfície dos
cilindros e a força de atrito atua
no sentido de arrastar o metal.
De D a BB:
_ o movimento da placa é mais rápido que o da superfície dos
cilindros, a direção da força de atrito inverte-se, de modo que sua
tendência é opor-se à saída da placa.
Tipos de laminadores
Duo_ composto de dois cilindros de mesmo diâmetro, girando
em sentidos opostos, com a mesma velocidade periférica e
colocados um sobre o outro.
Laminação
Tipos de laminadores
Trio _ três cilindros são dispostos um sobre o outro; a peça é
introduzida no laminador, passando entre o cilindro inferior e o
médio e retorna entre o cilindro superior e o médio. Os modernos
laminadores trio são dotados de mesas elevatórias ou
basculantes.
Laminação
Tipos de laminadores
Quádruo_ compreende quatro cilindros, montados uns sobre
os outros; dois desses cilindros são denominados trabalho(os de
menor diâmetro) e dois denominados suporte ou apoio (os de
maior diâmetro). Estes laminadores são empregados na
laminação e relaminação de chapas que, pela ação dos cilindros
de suporte, adquirem uma espessura uniforme em toda a seção
transversal.
Laminação
Tipos de laminadores
Laminador universal_ em que se tem uma combinação de
cilindros horizontais e verticais; a figura representa o tipo
chamado “Grey”, empregado na laminação de perfilados
pesados;
Laminação
Tipos de laminadores
Laminador Sendzimir_ em que os cilindros de trabalho são
suportados, cada um deles, por dois cilindros de apoio. Este
sistema permite grandes reduções de espessura em cada
passagem através dos cilindros de trabalho.
Laminação
Laminação
Esquema de passes empregado para a laminação de um
trilho ferroviário
Laminação
Órgãos mecânicos de um laminador
As duas estruturas metálicas que constituem a cadeira de
laminação são chamadas gaiolas, as quais por meio de mancais
suportam os cilindros.
Os cilindros de laminação são peças inteiriças, fundidas ou
forjadas que apresentam uma parte central chamada corpo
(pode ser lisa ou apresentar reentrâncias(caneluras)).
Laminação
Órgãos mecânicos de um laminador
Nas extremidades dos cilindros ficam localizados os pescoços
que se apóiam em mancais. Após os pescoços, situa-se o trevo,
que é a parte que recebe o acoplamento para rotação.
No topo da gaiola situam-se parafusos que controlam a elevação
do cilindro superior, de modo a modificar a distância entre os
dois cilindro e permitir reduções diferentes. Esse ajustagem é,
geralmente, motorizado.
A transmissão do movimento de rotação do motor de
acionamento é feita por intermédio de uma caixa de pinhões.
Laminação
Operações de laminação
Adotando-se o critério de classificar os laminadores pela função
que executam, tem-se:
_ laminadores primários (desbaste), têm a função de transformar
os lingotes de metal em produtos intermediários ou semi-
acabados, como blocos, placas e tarugos.
_ laminadores acabadores, geram produtos acabados, tais como
perfilados em geral, trilhos, chapas, tiras etc.
A laminação de desbaste é sempre feita a quente; a laminação de
acabamento é geralmente iniciada a quente e, em casos de perfis
mais simples, como tiras e chapas, terminada a frio.
Laminação
Laminação
Laminação
Laminação de uma chapa de aço:
O lingote depois de aquecido(fornos-poço) à temperatura de
laminação, é levado ao laminador de desbaste.
Admitindo-se que as placas saídas dos desbaste apresentem uma
espessura de 28mm, as reduções serão as seguintes: 50%, 40%,
40%, 35%, 15% e 10%, saindo com uma espessura de 2,5mm.
Forjamento
Processo de transformação de metais por prensagem ou
martelamento.
Equipamentos: os martelos de forja ou martelos de queda e as
prensas.
Nos primeiros, golpes rápidos e sucessivos são aplicados no
metal, enquanto, nos segundos, o metal fica sujeito à ação de
força compressiva de baixa velocidade.
No forjamento por martelamento, a pressão atinge a máxima
intensidade quando o martelo toca o metal.
Na prensagem, atinge-se o máximo valor da pressão pouco
antes que ela seja retirada.
Forjamento
Martelo dupla ação
Neste equipamento, a massa
cadente é conectada a um
pistão contido em um cilindro
no topo do martelo.
Forjamento
O martelamento produz deformação nas camadas superficiais, a
prensagem atinge as camadas mais profundas e a deformação
resultante é mais regular.
As operações de forjamento são realizadas a quente, ou seja, a
temperaturas acima das de recristalização do metal, embora
alguns metais possam ser forjados a frio.
A máxima temperatura de forjamento corresponde aquela em
que pode ocorrer fusão incipiente ou aceleração da oxidação e a
mínima corresponde àquela abaixo da qual poderá começar a
ocorrer encruamento.
Para os aços-carbono, a faixa usual de temperatura é 800º -
1000ºC.
Forjamento
Forças atuantes na deformação
O corpo apresentado na figura abaixo, sujeito a ação da força
externa P. À ação dessa força, opõe-se uma reação interna do
metal, chamada de resistência ideal r, à sua deformação.
No caso da deformação livre(corpo livre que se dilata
lateralmente), o efeito da força P sobre a superfície S0 é um
achatamento livre do corpo. Supondo um achatamento elementar
dh, o trabalho elementar de deformação dT é expresso por
dT = P.dh
Forjamento
Chamando de resistência ideal à deformação de rd tem-se
rd = P/S
Então
dT = rd.S.dh = a.b.rd.dh
onde a e b são as outras dimensões do corpo
Como na deformação o volume permanece constante, tem-se
Vc = a.b.h ou dT = Vc.rd.dh/h
O trabalho total necessário para deformar o corpo de h0 a h1 é
0
1
0
1
][lnh
hdc
h
h dc
hrVT
h
dhrVT
Forjamento
Pela figura anterior, tem-se
S0h0 = S1h1 = Vc (volume constante)
ou
1
1
0
1
0 h
h
S
S
0
1lnS
SrVT
dc
Substituindo na equação do trabalho total, tem-se
Forjamento
No caso da deformação vinculada, ou seja, forjamento em
matriz, o esforço de deformação é maior, pois o material sob
deformação é retido entre as paredes de um molde ou matriz,
além das paredes de uma cavidade perimetral para conter o
material em excesso.
Forjamento
Processos de forjamento
O forjamento é, pois, o processo de deformação a quente em
que, pela aplicação de força dinâmica ou estática, se modifica a
forma de um bloco metálico. Em linhas gerais, o termo
forjamento abrange os seguintes processos de conformação:
- prensagem, em que o esforço de deformação é aplicado de
forma gradual;
- forjamento simples ou livre, em que o esforço de deformação é
aplicado mediante golpes repetidos, com o emprego de matrizes
abertas ou ferramentas simples;
- Forjamento em matriz, que difere do anterior, porque é uma
deformação vinculada, obtida mediante o emprego de matrizes
fechadas;
Forjamento
Processos de forjamento
-recalcagem, em que se submete uma barra cilíndrica à
deformação de modo a transformá-la numa peça determinada;
uma variedade desse processo é a eletro-recalcagem, em que a
barra cilíndrica, em vez de ser previamente aquecida, atinge a
temperatura fixada de deformação na própria máquina de
recalcagem.
Forjamento
Prensagem
O processo é usado para a deformação inicial de grandes
lingotes, resultando produtos a serem posteriormente forjados
ou, então, para forjar os lingotes em grandes eixos, como os de
navio, ou para forjar peças de formas simétricas com seção
circular ou cônica.
As prensas são de grande capacidade, a qual pode atingir
50.000 toneladas; são acionadas hidraulicamente.
A pressão pode ser ajustada por meio de válvula de controle de
pressão. Assim, velocidade de deformação é controlada.
Devido a quase ausência de choque os custos de manutenção é
mais baixo que no martelamento.
O custo inicial de uma prensa hidráulica é, entretanto, maior do
que uma prensa mecânica de mesma capacidade e sua ação é
mais lenta.
Forjamento
Prensagem
Forjamento
Prensagem
Prensagem em matrizes fechadas é empregada na conformação
de peças de metais e ligas não-ferrosas, porque esses materiais
apresentam maior grau de plasticidade, necessária para
preencher as cavidades das matrizes, mediante operação de
esmagamento.
Outra vantagem reside no fato de não se necessitar de grandes
ângulos de saída ou conicidade nas matrizes, apenas 2º a 3º ao
contrário do forjamento em matriz, em que esses ângulos são
pelos o dobro.
Aplicação: na industria aeronáutica em peças de alumínio que,
pela prática eliminação de conicidade, exigem menos usinagem.
Forjamento
Prensagem
As pressões geralmente aplicadas, em t/cm2, variam de:
-0,7 a 2,8 latão
-1,4 a 2,8 alumínio
- 2,1 a 4,2 aço
- 2,8 a 5,6 titânio
Forjamento
Forjamento
Forjamento simples ou livre
Operação preliminar em que, a partir de blocos, tarugos etc.,
procura-se esboçar formas que, em deformações posteriores por
forjamento em matriz ou outro processo, são transformadas em
objetos de formas mais complexas.
Operações de natureza preliminar:
_ esmagamento de um disco metálico
(a) Esmagamento
Forjamento
Forjamento livre
_ conformação de uma flange numa extremidade de uma barra
cilíndrica
(b) Conformação de um flange
Forjamento
Forjamento livre
_ dobramento de uma barra redonda com auxílio de um cilindro
e dobramento de uma placa com o auxílio de uma matriz aberta.
(c) Dobramento de uma barra (d) Dobramento de chapa
Forjamento
Forjamento livre
_ dobramento de uma biela previamente esboçada.
Forjamento
Forjamento livre
_ corte a quente, com auxílio de martelo, bigorna, tenaz e
dispositivo semelhante a machado.
Forjamento
Forjamento livre
_ estiramento de uma barra, a qual, durante a operação, deve
ser girada e deslocada longitudinalmente como está indicado na
figura abaixo. No caso apresentado, a operação consiste em
martelamento livre. Permite a obtenção de seções quadradas,
hexagonais etc.
Forjamento
Forjamento livre
_ perfuração a quente de discos metálicos
Forjamento
Forjamento livre
_ estrangulamento de barra redonda ou de uma placa retangular,
ou seja, confecção de sulcos transversais.
Forjamento
Forjamento em matriz
Realizado em matrizes fechadas, que conformam a peça de
acordo com uma forma definida e precisa.
_Esboçamento, preparo
grosseiro da forma da peça
através de forjamento livre.
_O pedaço esboçado é
colocado sobre uma metade
da matriz, na bigorna.
_A outra matriz está presa ao
martelo.
_Pela aplicação de golpes
sucessivos, o material,
aquecido acima da
temperatura de
recristalização, flui e preenche
a cavidade das duas meias
matrizes.
Forjamento
Forjamento matriz
A matriz possui ainda uma cavidade na sua periferia,
propositadamente confeccionada, e que segue o perfil da peça,
com o objetivo de conter o excesso de material que deve ser
previsto, de modo a garantir total preenchimento da matriz e
produzir uma peça sã.
O volume de material a ser deformado corresponde a todas as
cavidades da matriz.
Na figura seguinte nota-se o preenchimento da cavidade do
molde, formando a rebarba. Com isso, facilita-se a contato
completo das duas metades da matriz e todas as peças são
obtidas com altura constante.
Forjamento
Forjamento matriz
Forjamento
Forjamento matriz
Forjamento convencional
Forjamento
Forjamento matriz
A fase final da operação de forjamento em matriz é o corte da
rebarba, pelo emprego de matrizes especiais de corte ou quebra
de rebarbas.
Forjamento
Matrizes
Sobremetal, para usinagem. O excesso de material é função da
das dimensões da peça. Recomenda-se o emprego da seguinte
regra:
_ para peças de pequenas dimensões, até 20mm de diâmetro ou
largura, - 0,5 a 1,0mm;
_ para peças de dimensões médias, entre 20mm a 80mm de
diâmetro ou largura – 1,0 a 1,5mm;
_ para peças de 80mm a 150mm de diâmetro ou largura, - 1,5 a
2,0mm;
_ para peças de 150mm até 250mm de diâmetro ou largura, -
2,0 a 3,0mm.
Forjamento
Matrizes
Ângulo de saída ou conicidade, para facilitar a retirada da
peça da cavidade da matriz.
_Superfícies internas – 5º a 7º
_ Superfícies externas – 7º a 8º
Para fins práticos procura-se manter constantes os valores
desses ângulos, em torno de 7º.
Forjamento
Matrizes
Concordância dos cantos, devido à possibilidade de ocorrerem
falhas em função da contração que se verifica a partir da
temperatura de forjamento até a temperatura ambiente. Assim,
deve-se evitar cantos vivos, que criam tensões e,
eventualmente, levam o metal a fissurar(2 a 5mm de
profundidade).
Raios de concordância em peças para forjamento em matriz
Forjamento
Matrizes
Tolerância, em função de um possível deslocamento de uma
matriz em relação à outra metade.
e, longitudinal
e1, transversal
Forjamento
Matrizes
Forjamento
Projeto das matrizes
Contração do metal
As matrizes devem ser construídas maiores, porque se isso não
ocorrer a peças resultante apresentará dimensões menores que
as projetadas. Na prática, considera-se os seguintes valores
para a contração:
Aço.......................1,0%( de 1020ºC a 20ºC)
Bronze.................. 0,8%( de 520ºC a 20ºC)
Latão.................... 0,9%( de 520ºC a 20ºC)
Cobre................... 0,8%( de 520ºC a 20ºC)
Ligas leves........... 0,9%( de 420ºC a 20ºC)
Forjamento
Forjamento matriz
Sistema de referência entre as duas meias matrizes
Para uma peça perfeita é necessário que as duas metades da
matriz coincidam, de modo que a cavidade da matriz superior
siga perfeitamente a cavidade da matriz inferior.
(a) por intermédio de
duas colunas opostas
diagonalmente.
(b) e (c) por intermédio
de sedes cônicas ou
inclinadas, na forma
de macho e fêmea.
(a) (b) (c)
Forjamento
Forjamento matriz
Canais de rebarba
A figura abaixo apresenta os tipos e a tabela seguinte dá
recomendações sobre as suas dimensões.
Forjamento
Forjamento matriz
Canais de rebarba
Forjamento
Forjamento matriz
Material das matrizes
Os materiais empregados na confecção das matrizes são aços
especiais – tipo ferramentas – caracterizados por conterem
carbono de médio a alto teor e elementos de liga como cromo,
níquel, molibdênio, tungstênio e vanádio. Exigem tratamento
térmico tanto mais complexo, quanto maior a quantidade e a
porcentagem de elementos de liga presentes.
Forjamento
Recalcagem
Trata-se essencialmente de um processo de conformação a
quente em que uma barra, tubo ou outro produto de seção
uniforme, geralmente circular, tem uma parte de sua seção
transversal alongada ou reconformada.
Forjamento
Recalcagem
Forjamento
Outro tipo de forjamento
Forjamento rotativo
É um processo de redução da área da seção transversal de
barras, tubos ou fios, mediante a aplicação de golpes repetidos,
com o emprego de um ou mais pares de matrizes opostas.
A peça a ser forjada, geralmente, é de forma quadrada, circular
ou apresenta qualquer forma simétrica em seção transversal.
Pelo processo, consegue-se reduzir, por exemplo, tubos a partir
de 35cm de diâmetro e barras a partir de 10cm de diâmetro
aproximadamente.
Normalmente, o processo é aplicado a frio em aços carbono com
0,20% ou menos de carbono. À medida que aumenta o teor de
carbono e elementos de liga, a forjabilidade rotativa diminui.
Forjamento
Outro tipo de forjamento
Forjamento rotativo
Exige tratamento térmico de coalescimento para máxima
deformabilidade. Com o tratamento a redução pode atingir 70%,
enquanto com estrutura normal, a redução só pode atingir 30% a
40%.
Alguns metais e ligas, menos ou pouco dúcteis, como aços-liga
devem ser deformados a quente.
O forjamento rotativo de tubos é feito com os objetivos
seguintes: redução dos diâmetro interno e externo, confecção de
conicidade numa extremidade, melhora da resistência, obtenção
de tolerâncias mais estreitas.
A figura seguinte mostra os métodos de forjamento rotativo.
Forjamento
Outro tipo de forjamento
Forjamento rotativo
(a) Matrizes cônicas, são abertas e fechadas rapidamente.
(b) A bucha gira e o tubo é avança longitudinalmente.(Tornearia)
Exercícios
Qual a classificação dos processos de conformação de acordo
com o tipo de força aplicada? Cite exemplos.
Defina temperatura de recristalização?
Em que consiste a laminação?
Quais os tipos de laminadores?
Em que consiste o forjamento?
Comente os processos de forjamento?
Estampagem
Realizada normalmente a frio, compreende um conjunto de
operações, por intermédio das quais uma chapa plana é
submetida a transformação de modo a adquirir uma nova forma
geométrica, plana ou oca.
A deformação plástica é realizada com o emprego de prensas de
estampagem, com o auxílio de dispositivos especiais chamados
estampos ou matrizes.
Compreende as seguintes operações:
_corte;
_ dobramento ou encurvamento;
_ estampagem profunda(pode ser realizada eventualmente a
frio).
Estampagem
Corte de chapas
O processo correspondente à obtenção de formas geométricas
determinadas, a partir de chapas, submetidas à ação de uma
ferramenta ou punção de corte, aplicada por intermédio de uma
prensa que exerce pressão sobre a chapa apoiada numa matriz.
No instante em que o punção penetra da matriz, o esforço de
compressão converte-se em esforço de cisalhamento e ocorre o
desprendimento brusco de um pedaço do material.
s_ espessura da chapa;
d_ diâmetro do punção;
s/d_ valor máximo de
1,2( para chapa de aço
e punção de aço
temperado);
_ a espessura da chapa
a ser cortada deve ser
igual ou menor que o
diâmetro do punção.
Estampagem
Corte de chapas
Matriz para corte
Principais componentes de uma matriz de corte:
A folga entre o punção e a
matriz depende da espessura
da chapa a ser submetida ao
corte e do tipo de material (ver
gráfico seguinte).
Estampagem
Corte de chapas
Matriz para corte
Quanto menores a espessura da chapa e o diâmetro
do punção, menor a folga; e vice-versa.
Aço duro
Aço doce
e latão
Alumínio e
metais leves
Estampagem
Corte de chapas
Matriz para corte
O punção deve apresentar seção conforme o contorno desejado
da peça a extrair da chapa; do mesmo modo, a cavidade da
matriz.
Estampagem
Corte de chapas
Esforço necessário para o corte
Q = p.e.σc
Onde
Q = esforço de corte ou de cisalhamento, em kgf;
p = perímetro da figura, mm;
e = espessura da chapa, mm;
σc = resistência ao cisalhamento do material, kgf/mm2.
Como
σc = 3/4 a 4/5 σt
σt = resistência à tração do material.
Estampagem
Corte de chapas
Puncionadeira CNC
Estampagem
Dobramento e encurvamento
Na figura abaixo as fases de operações simples de dobramento,
nas quais se procura manter a espessura da chapa ou evitar
qualquer outra alteração dimensional.
Estampagem
Dobramento e encurvamento
Em operações mais simples de dobramento, para obtenção de
elementos relativamente curtos, usam-se matrizes, montadas
em prensas de estampagem. Principais elementos de uma
dessas matrizes:
Estampagem
Dobramento e encurvamento
No dobramento dois fatores são importantes: o raio de curvatura
e a elasticidade do material. Devem-se evitar cantos vivos, para
o que devem ser fixados raios de curvatura que correspondem
de 1 a 2 vezes a espessura da chapa para materiais moles e de
3 a 4 vezes a espessura para materiais duros.
No caso de materiais duros, devido aos característicos de
elasticidade dos metais, é comum que, depois de realizado o
esforço de dobramento, a chapa tenda a volta para sua forma
primitiva, de modo que se recomenda se construir as matrizes
com ângulos de dobramento mais acentuados, além de realizar-
se a operação em várias etapas.
Estampagem
Dobramento e encurvamento
Determinação da linha neutra
Na obtenção de um elemento dobrado deve-se conhecer as
dimensões exatas da chapa.
Inicialmente, procede-se à determinação da linha neutra do
elemento dobrado, ou seja, a linha da seção transversal cuja
fibra correspondente não foi submetida a nenhum esforço, quer
de tração ou de compressão e que, em consequência, não
sofreu qualquer deformação.
Na determinação dessa linha neutra considere a figura seguinte:
Estampagem
Dobramento e encurvamento
Determinação da linha neutra
Uma tira de chapa do material que vai ser dobrado é submetida
a um dobramento preliminar. Seu comprimento é c e a sua
espessura e; dobrada a tira, mede-se os comprimentos a e b e o
raio r. Admitindo-se que o valor y corresponda à distância da
linha neutra, tem-se
c = a + b + π/2 ( r + y)
2c = 2a + 2b + πr + πy
Logo
y = [2(c – a – b)/ π] – r
Estampagem
Dobramento e encurvamento
Determinação da linha neutra
A linha neutra geralmente está situada na metade da seção
transversal quando a espessura da chapa é no máximo de um
milímetro. Em espessuras superiores, admite-se que a linha
neutra se situe a 1/3, aproximadamente, da curva interna.
Estampagem
Dobramento e encurvamento
Esforço necessário para o dobramento
Suponha-se uma chapa metálica colocada sobre uma matriz de
dobramento e sujeita ao esforço de dobramento.
P = (2. σf. b.e2)/3l
P = força necessária para o
dobramento, kgf
σf = tensão de flexão necessária
para obter a deformação
permanente, kgf/mm2 (admite-se
σf = 2σt )
σt = limite de resistência à tração,
kgf/mm2
b = largura da chapa, mm
e = espessura da chapa, mm
l = distância entre os apoios, mm
Estampagem
Encurvamento
A operação de encurvamento segue, em linhas gerais, os
mesmos princípios e conceitos explicados na operação de
dobramento. Geralmente, curvatura total, como a figura abaixo
mostra, exige várias etapas.
Estampagem
Estampagem profunda
É o processo de estampagem em que as chapas metálicas são
conformadas na forma de copo, ou seja, um objeto oco. As
aplicações mais comuns correspondem a cápsulas, carrocerias
e pára-choques de automóveis, estojos, tubos etc.
A figura seguinte permite estudar o comportamento das fibras do
material quando submetido ao processo de estampagem
profunda. O material está representado por um disco metálico A
de diâmetro D, do qual se originou o cilindro oco B, de diâmetro
d e altura h.
Admite-se que a espessura da chapa permanece constante.
Estampagem
Estampagem profunda
O disco do fundo do cilindro B
também não sofreu qualquer
alteração.
A parede cilíndrica, entanto, ficou
deformada, porque antes constituía a
curva circular h0, limitada pelos
diâmetros D e d.
Essa deformação está representada
pelas áreas hachuradas S0 e δ,
correspondentes, respectivamente,
ao elemento S0 da coroa de largura
h0 antes da deformação e ao
elemento δ na parede do cilindro B,
que resulta da mudança durante a
estampagem do elemento S0.
Estampagem
Estampagem profunda
Ao mesmo tempo que passa da forma trapezoidal para a forma
retangular δ, o elemento S0 dobra-se de 90º, resultando no
cilindro uma altura h maior que a altura h0 do elemento
trapezoidal.
Cada elemento estará solicitado, durante a estampagem, por
forças radiais de tração e forças tangenciais de compressão.
Estampagem
Estampagem profunda
Matriz para estampagem profunda
Estampagem
Estampagem profunda
Desenvolvimento de um elemento para estampagem
profunda
Como no caso do dobramento de chapas, é necessário, a partir
de um determinado desenho de peça a ser estampada,
conhecer-se o disco de chapa que será o ponto de partida para
o objeto estampado.
O método a ser exposto, resulta de experiências sucessivas,
aplica-se somente a objetos ocos com forma geométrica regular
ou com seção circular.
Para objetos mais irregulares, utiliza-se o método da tentativa e
erro.
Estampagem
Estampagem profunda
Desenvolvimento de um elemento para estampagem
profunda
Cálculo para objetos ocos de forma retangular:
onde,
D = diâmetro do disco inicial
d = diâmetro do cilindro copo
h = altura do copo
dhdD 42
Estampagem
Estampagem profunda
Operações de reestampagem
A redução teórica máxima que se obtém numa operação de
estampagem é cerca de 50% e mesmo nas condições mais
favoráveis não ultrapassa 60%. Assim, é praticamente
impossível obter-se, numa única operação de estapagem
profunda, um objeto oco com altura muito maior que o diâmetro.
Recorre-se, então, as operações de reestampagem, de vários
tipos como mostra a figura abaixo.
Estampagem
Estampagem profunda
Prensas de estampagem
As prensas de estampagem
podem ser:
_mecânicas, em que o
volante é fonte de energia, a
qual é aplicada por
manivelas, engrenagens,
excêntricos;
_hidráulica, em que a
pressão hidrostática aplicada
contra um ou mais pistões
fornece a energia para o
esforço de deformação.
Extrusão
É um processo de conformação em que um bloco é forçado a
passar através do orifício de uma matriz sob alta pressão, de
modo a ter sua seção transversal reduzida.
Produz, geralmente, barras cilíndricas ou tubos; porém, formas
de seção transversal mais irregulares podem ser conseguidas
em metais mais facilmente extrudáveis como o alumínio.
Normalmente a extrusão é realizada a quente, devido ao grande
esforço necessário para a deformação; porém, como se verá
mais adiante, aplica-se também os processos de extrusão a frio.
A figura seguinte apresenta os dois tipos básicos de extrusão:
Extrusão
O bloco metálico é
colocado numa câmera e
forçado através do orifício
da matriz pelo êmbolo.
O êmbolo é oco e a ele
está presa a matriz; a
extremidade oposta da
câmera é fechada com uma
placa. O esforço necessário
à deformação é menor.
Extrusão
A figura abaixo representa o processo de extrusão de tubos.
O equipamento utilizado na extrusão consiste de prensas
horizontais, com capacidades normais de 1.500 a
5.000toneladas, embora prensas maiores sejam utilizadas.
Os metais e ligas extrudados compreendem aço, alumínio e
suas ligas, cobre e suas ligas etc. Alumínio e latão podem ser
extrudados de modo a produzir seções estruturais relativamente
complexas.
Extrusão
Extrusão a frio
Na extrusão traseira, o metal se movimenta em direção oposta à
do punção.
Extrusão
Extrusão a frio
Na extrusão dianteira, o metal se movimenta na mesma direção
do punção.
Extrusão
Extrusão a frio
Tipo Hooker, para produção de objetos longos e ocos.
Processo ironing, em que se procura, mediante pressão radial,
dimensionar as peças dentro das tolerâncias exigidas.
Extrusão
Os aços-carbono, de carbono até aproximadamente 0,20%, são
muito fáceis de extrudar a frio, e exemplos de peças obtidas
incluem, entre outros: pinos de pistões, retentores de molas de
válvulas etc.
A medida que o teor de carbono cresce, a extrusão a frio torna-
se mais difícil.
Os aços de carbono mais elevado exigem um tratamento térmico
de esferoidização, para conferir ao metal estrutura mais
adequada à extrusão.
Com esses aços de alto teor de carbono, produz-se, por
extrusão a frio, apoios de suspensão dianteira, porcas, eixos de
motores e geradores etc.
Os aços-liga, são ainda mais difíceis de extrudar a frio e a
esferoidização prévia é quase sempre necessária.
Extrusão
Vários princípios devem ser considerados ao planejar-se a
utilização do processo. Como exemplo:
_ o projeto das peças e das matrizes deve ser tal que o metal se
deforme apenas por esforços de compressão, visto que tensões
de tração ou combinadas podem levar à fratura;
_ a deformação do metal deve ser processada de modo
uniforme; por exemplo, a base de uma extrusão dianteira não
deve ser mais fina que a espessura da parede.
Na extrusão a frio são usadas geralmente prensas verticais
mecânicas; empregam-se, entretanto, prensas hidráulicas para
peças maiores.
Extrusão
Forças de extrusão
Chamando relação de extrusão a relação entre a área da seção
transversal inicial A0 e a área da seção transversal final Af, ou
seja,
R = A0/Af
A pressão de extrusão é aproximadamente uma função linear do
logaritmo natural de R. Assim, a força de extrusão P é expressa
por
P = kA0lnA0/Af
Os valores de K são dados na figura seguinte, para o campo
usual de temperaturas.
Extrusão
Forças de extrusão
Estiramento(trefilação)
Aplica-se a operação em fios e arames, ou seja, em produtos de
seção muito menor que o comprimento, e em tubos.
Para a produção de fios e arames, parte-se de um produto semi-
acabado denominado fio-máquina, geralmente laminado, de
seção circular e de diâmetro não superior a 6,35mm.
Permite espaço
para o lubrificante
Verifica-se a redução
do diâmetro
Estiramento(trefilação)
A maioria das matrizes para estiramento é feita de metal
duro(carboneto de tungstênio).
O fio-máquina a ser estirado(ou trefilado) é inicialmente
decapado.
Geralmente, reveste-se o fio-máquina ou barra com cal, que
atua como absorvente e portador do lubrificante no estiramento
a seco e como neutralizador de qualquer ácido remanescente da
operação de decapagem.
No processo de estiramento à seco, o lubrificante utilizado
consiste em graxa ou pó de sabão.
No estiramento úmido, o fio é submerso num fluido lubrificante
especial ou numa solução alcalina de sabão.
Estiramento(trefilação)
A figura abaixo apresenta esquematicamente quatro métodos
para estirar (a frio) tubos.
Os tubos, depois de produzidos por extrusão ou mandrilagem a
quente, são estirados a frio com o objetivo de obter tolerâncias
dimensionais mais estreitas, melhor acabamento superficial,
melhores propriedades mecânicas e redução de suas paredes.
