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4. Forjamento

4.1. Introduo O forjamento antecedeu no tempo a todos os processos de transformao por deformao plstica, sendo certamente conhecido desde 1500 A.C. Trata-se de um processo de deformao plstica de um metal, geralmente a quente, com o auxlio de ferramentas agindo por choque ou por presso, de maneira a se obter uma pea de formato determinado. O forjamento, assim como qualquer outro processo de trabalho mecnico, est associado com uma variao na macroestrutura do metal, o que conduz a um rearranjo das fibras e altera o tamanho do gro. A figura abaixo mostra o fibramento de um metal de um flange produzido por usinagem (a) e forjamento (b). O fibramento no caso (b) muito mais favorvel, promovendo uma maior resistncia flexo no caso do flange ter de suportar alta presso.

Os forjados constituem-se como primeira opo, onde se demande combinaes do tipo: elevada resistncia mecnica com boa ductilidade e tenacidade. Por outro lado s peas forjadas, temperadas e revenidas, normalmente empregadas em componentes sujeitos a altas tenses e deformaes, no podem ser superadas em desempenho, confiabilidade, resistncia fadiga e a cargas sbitas. O forjamento basicamente divide-se em dois tipos:

Forjamento com matrizes abertas ou planas. Neste caso, o metal deforma-se entre as matrizes abertas, podendo fluir para os lados sobre a superfcie da matriz.

Forjamento com matrizes fechadas ou estampos. Neste caso, o metal obrigado a deformar-se de maneira a ocupar o contorno do molde formado por um par de matrizes.

Os metais normalmente usados para o forjamento so o ao, ligas de cobre, o alumnio e o magnsio.

4.2 Pr-aquecimento

A B

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Cada metal ou liga possui um determinado campo de temperatura dentro do qual o forjamento pode ser feito da melhor maneira. Deve ser uma temperatura que associe boa plasticidade e mnima resistncia deformao. Antes de proceder-se deformao, o tarugo deve ser uniformemente aquecido, sem que haja um superaquecimento ou queima do metal. Abaixo, damos os intervalos de temperatura de forjamento dos aos e das ligas no ferrosas.

Material Temperatura.mxima Temperatura mnima

Ao carbono 1200-1000 800-850

Ao liga 1150-1100 825-900

Bronze (Cu+Sn) 850 700

Lato (Cu+Zn) 750 600

Ligas de AL 490-470 300-350

Ligas de Mg 430-370 350-400

4.3. O forjamento em matrizes abertas

Os forjados so feitos por este processo quando:

O forjado muito grande para ser feito em matrizes fechadas.

A quantidade muito pequena para compensar a usinagem de matrizes fechadas.

O formato da pea muito simples. O tamanho dos forjados que podem ser produzidos em matrizes abertas s limitado pela capacidade dos equipamentos de aquecimento, forjamento e manuseio. Contudo, cerca de 80% dos forjados em matrizes abertas, pesam entre 15 e 500 Kgf. Com operadores habilidosos e com a ajuda de vrias ferramentas auxiliares, pode-se produzir formatos relativamente complexos em matrizes abertas. Entretanto, como estas operaes levariam muito tempo, elas se tornariam muito caras. Portanto, forjados complexos s so obtidos em matrizes abertas em circunstncias especiais. A maioria dos forjados em matrizes abertas tem os seguintes formatos: sees redondas, quadradas, retangulares, hexagonais e octogonais, forjadas a partir de um tarugo.

4.3.1 Principais operaes de forjamento com matrizes abertas

Operaes principais do forjamento com matriz aberta: 1 - achatamento; 2 - recalcamento; 3 - alongamento; 4 - puncionado; 5 - dobragem; 6 - corte; 7 - solda;

4.4. O forjamento com matrizes fechadas

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No forjamento em matrizes fechadas, o fluxo do metal contido pelas paredes das matrizes, que formam uma cavidade com o formato da pea. Este tipo de forjamento economicamente empregado para produo de peas em grande quantidade com peso de at 350 Kgf. As matrizes so feitas geralmente em aos liga e tem um custo relativamente elevado, principalmente devido ao trabalho de usinagem das cavidades. A pea obtida, exige pouco trabalho de usinagem para obteno do produto acabado. Como o fluxo do metal que est sendo deformado restringido pelas cavidades das matrizes, a presso ser distribuda em toda massa do metal e no somente na superfcie, fazendo com que o alinhamento das fibras seja mais propcio aumentando, portanto, as propriedades do forjado. Durante o forjamento de uma pea em matrizes fechadas, temos geralmente duas operaes: o forjamento e a rebarbao. Peas simples podem ser forjadas de uma s vez em matrizes com uma nica cavidade e depois rebarbadas.

Na cavidade da matriz inferior coloca-se o produto inicial, previamente aquecido e, atravs da presso exercida pela matriz superior, o metal ir preencher toda a cavidade do estampo, com o excesso de metal (rebarba) sendo comprimido em uma cavidade especial. As rebarbas representam 15 a 20% do peso do forjamento e constituem a garantia de no faltar metal para o preenchimento de toda matriz e obteno de uma pea s. As cavidades do estampo devem ter paredes inclinadas formando ngulos de 5 graus a 8 graus, de maneira a facilitar a extrao da pea. Deve-se tambm evitar cantos vivos, que podem causar acmulo de tenses e, conseqentemente, trincas. No projeto da matriz no se deve esquecer que a pea ao ser formada esta acima da temperatura de recristalizao do metal e, portanto, o metal ir se contrair at atingir a temperatura ambiente. Assim, a matriz deve ser construda maior para que a pea, ao se resfriar, fique nas dimenses projetadas. Depois da obteno da pea na matriz fechada, o forjado levado a uma prensa para o corte da rebarba em uma matriz especial, aps o que pode ser usinado para obteno das dimenses finais. Peas mais complicadas so forjadas em vrias matrizes ou em uma matriz com vrias cavidades, onde a pea obtida por etapas progressivas.

4.5. Mquinas para forjamento Inicialmente o forjamento era executado pelo homem com o malho e a bigorna. Com a entrada da era industrial apareceram os primeiros martelos forjadores mecnicos. Posteriormente, devido a crescente necessidade de produtos mais precisos, e da produo em grande srie, surgiram as prensas, que deformam os metais sem choque, somente por presso. Atualmente, dos equipamentos utilizados em forjarias, podemos distinguir os seguintes: marteletes, martelos, prensas mecnicas e prensas hidrulicas.

4.5.1 Forjamento em marteletes

matriz fechada corte da rebarba

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So usados para peas de tamanho pequeno e caracterizam-se pelo peso das massas que do o golpe sobre a pea que est sendo forjada (at 1t). Os marteletes so postos em movimento por um comando eltrico.

Martelete de mola Na figura acima, temos um esquema simplificado de um martelete de mola. Ao acionarmos o mesmo,

posto em movimento um virabrequim que aciona a biela 1 que est ligada articuladamente com a

mola 2 que pode girar no ponto de apoio 3. Na outra extremidade da mola est ligada a massa 4 que pode deslizar atravs de guias. Ao girar o girabrequim, ocorre a elevao e descida da massa e o

estampo 5 d golpes sobre a pea que se encontra sobre o bigorna 6. O nmero de marteladas por minuto varia de 120 a 300, sendo o peso da massa de golpe de 30 a 250 Kgf. Este tipo de mquina, pela sua rapidez, utilizada para forjamento de peas delgadas, que se esfriam com rapidez, tais como as lminas de facas.

Martelete pneumtico

A figura acima mostra um martelete pneumtico de dupla ao. Este martelete consta de dois

cilindros: O de trabalho 1 e o de compresso 2. Pelo cilindro de trabalho corre o mbolo - massa 3

40

com o estampo 4 preso a ele. O mbolo do cilindro de compresso 5 que posto em movimento pelo

mecanismo de virabrequim e biela 6, comprime o ar que bombeado alternadamente para os orifcios superior e inferior do cilindro de trabalho, provocando assim o movimento do mbolo e o conseqente martelamento. A admisso e o escapamento de ar no cilindro de trabalho efetua-se por meio das

vlvulas 8 que so comandadas por alavancas ou pedais. As vlvulas permitem realizar golpes individuais ou trabalhar automaticamente e parar a massa na posio superior. O peso das peas de golpe varia de 50 a 1000 Kgf dando at 190 golpes por minuto. Este martelete usado para forjamento de peas de at 20 Kgf.

Martelete de frico Abaixo, o esquema de um martelete de frico com prancha, usado inclusive para forjamento com

matriz fechada. Esta mquina de alto rendimento funciona da seguinte maneira: Os roletes de ao 1 so postos em movimento pelo comando eltrico no sentido indicado para elevar a prancha de

madeira 2 e a massa a ela presa, at uma posio superior onde travada pelo freio 3, ao mesmo

tempo em que os roletes deixam livre a prancha. Ao apertar o pedal 4, o freio solta a prancha e se d o golpe. O peso da pea de golpe alcana 3t e a altura de elevao geralmente de at 2m. O problema deste martelete a manuteno constante devido ao desgaste da prancha de madeira.

4.5.2 Forjamento em martelo - pilo Os forjados de peso mdio so obtidos em martelos - piles de ao simples ou dupla, a vapor. Na figura a seguir est esquematizado um martelo pilo a vapor, de dupla ao, com dois apoios.

Na parte superior da armao 1 est preso o cilindro de trabalho 2 pelo qual corre o mbolo com o

brao 3. O extremo inferior do brao est ligado massa 4, com a matriz intercambivel 5, que

martela o metal que se acha sobre a matriz inferior 6. Esta vai colocada sobre a bigorna 7 que uma

pea moldada macia. Por meio da alavanca 8 manejado o mecanismo de distribuio, que pode tambm ser manobrado automaticamente. Nos martelos - piles a vapor com um nico apoio, o peso das peas de golpe (mbolo, brao, massa

e matriz) tem que ser inferior a 2 toneladas. Os martelos de peso maior (at 5t) possuem uma armao de dois apoios e guias para a massa, o que exclui a possibilidade do desvio do brao durante o trabalho. Os martelos - piles so de fcil manejo, podem dar golpes com foras diferentes, manter suspensa a massa e dar golpes seguidos. Estes martelos so utilizados para os mais diversos trabalhos de forja, partindo de tarugos de at 1 tonelada.

41

4.5.3 Forjamento em prensas mecnicas A estampagem a quente em matrizes fechadas pode ser realizada em martelos e marteletes mas, preferencialmente, feita em prensas. As vibraes que se produzem no funcionamento dos martelos mecnicos e a violncia dos choques no permitem adaptar aos mesmos matrizes progressivas para efetuar diversas operaes numa nica vez. Outra vantagem das prensas que elas permitem uma regulagem mais fcil e por conseguinte, produzem um trabalho mais preciso. Finalmente, uma nica pancada de uma prensa produz tanto trabalho quanto vrias pancadas de martelos - piles, eliminando a necessidade de reaquecimento da pea.

Prensa excntrica ou tipo manivela Instalaes modernas de forjamento em matriz fechada so equipadas com prensas tipo manivela de 500 a 18.000 t, com velocidades de recalcamento entre 0,5 a 0,8 m/s. Praticamente no h carga de impacto no sendo, portanto, necessrias fundaes pesadas para sua instalao. A deformao penetra mais profundamente, o que melhora a qualidade do forjado. Considerando que a deformao executada com um simples golpe do cabeote, que as posies extremas do cabeote so precisamente localizadas e que o nmero de cursos por minuto pode ser to alto quanto o do martelo, teremos para a prensa uma maior capacidade produtiva e uma maior preciso do forjado (tolerncia entre 0,2 e 0,5 mm). Alm disso, os ngulos de sada da matriz podem ser reduzidos a 2 ou 3 graus, considerando-se a possibilidade da aplicao de extratores nas matrizes. Prensas tipo manivela permitem ampla mecanizao e mesmo automatizao. A seguir apresentamos o esquema bsico de uma prensa excntrica:

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O motor eltrico 1 transmite o movimento polia 2 montada no

eixo 3, a cuja extremidade est presa a engrenagem 4 que faz

girar a engrenagem maior 5. Esta engrenagem pode girar louca

na rvore de manivelas 6 sempre que a embreagem de

comando pneumtico 7 estiver desacoplada Quando esta estiver atuando, a engrenagem transmitir

movimento rvore de manivelas que, atravs da biela 8, faz com que a massa desloque-se para cima e para baixo. Para parar a prensa desacopla-se a embreagem e aciona-se o freio

10.

Prensa de frico

Para fabricao em grande escala, de pequenas peas, muito usada a prensa de frico como a do

esquema acima. Ela constituda pela bancada 1 onde, na parte superior, montado o eixo 2 com as

rodas de frico 3 e 4, feitas de ferro fundido. Atravs da alavanca 5 pode-se deslocar o eixo de modo que as rodas possam tocar alternadamente o volante 6 coberto com couro.

Conforme a roda giratria que for acoplada ao volante 6, este girar em um sentido e far com que o

parafuso 7 desa ou suba atravs da porca 8, levando consigo a matriz acoplada em 9. Essas prensas tem capacidade entre 80 e 400 t.

4.5.4 Forjamento em prensas hidrulicas So empregadas prensas hidrulicas para forjamento pesados em lingotes com peso entre 1 e 250 t. Diferentemente dos martelos - piles as prensas deformam o metal sem dar golpes, aplicando uma carga esttica. As prensas hidrulicas usadas para forjamento com matriz aberta, podem produzir uma presso entre 500 e 15000 t e as usadas para matriz fechada at 50000 t.

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A figura abaixo d o esquema de uma prensa hidrulica. A armadura da prensa constituda por

quatro colunas 1, que esto presas na base metlica 2 e no travesso superior 3. Neste travesso,

esto montados o cilindro de trabalho 4 e o cilindro de elevao 5.

As colunas da prensas servem de guias para o travesso mvel 6 aonde presa a matriz superior 7.

A matriz inferior 8 presa na base metlica. O travesso mvel est unido com o pisto 9 do cilindro

de trabalho e preso por meio das varetas 10 ao balancim 11 do cilindro de elevao. Para o funcionamento da prensa, a presso da gua no deve ser menor que 200 atm. Esta alta presso originada pelo sistema bomba - acumulador.

A gua utilizada chega ao depsito de admisso 13 e deste enviada atravs da bomba 14 ao

acumulador 15, do qual, atravs do distribuidor 16 chega no cilindro de trabalho ou no de elevao. O acumulador serve para acumular a gua alta presso durante os intervalos de trabalho, mantendo a presso constante no sistema.

4.6. Relaes entre os parmetros que atuam na deformao por forjamento

4.6.1. Clculo da fora de forjamento

Considerando-se uma fora de deformao P atuando sobre a superfcie de um corpo metlico, como

o da figura acima, podemos dizer que, quando a mesma executar uma deformao elementar dh,

neste corpo teremos a realizao de um trabalho elementar dT, onde: dT = Pdh Sabemos que o corpo opor uma resistncia sua deformao, que depender basicamente do material, da temperatura, da velocidade da deformao e das condies de vinculao desse corpo

P

S0

So

S

SfSf

ho

ho

hf

hhf

dh

pea inicial

pea final

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ao molde (matriz aberta ou fechada). Chamaremos esta resistncia de rd, onde: rdP

S , sendo S a

rea da superfcie que est sendo deformada, ou seja, o produto das dimenses a x b (comprimento x largura).

Assim teremos: dT = rd.S.dh Por outro lado sabemos que durante a deformao o volume do corpo permanecer constante, pois no haver alterao em sua densidade, alterando-se apenas, proporcionalmente, suas dimenses, assim: Vo = V = V1 = cte. (V = abh)

Portanto, multiplicando e dividindo por h, teremos: dT rd Vdh

h . .

Para determinarmos o trabalho para a realizao da deformao total, devemos integrar dT.

Assim teremos: T =h

hf

rd Vdh

h0. . rd V

ho

hf. .ln

Por outro lado, se chamarmos a deformao total ho - hf = e, teremos T = P.e

Portanto, igualando em T, teremos: Prd V ho

hf

e

. .ln

rd uma resistncia ideal deformao. Na prtica teremos uma resistncia real Rd =rd

, onde

o rendimento.

Assim a fora necessria para a deformao do material ser: PRd V ho

hf

e

. . ln

Rd tabelado por material. Como exemplo damos a seguir o valor de Rd para a deformao quente de ao, em matrizes abertas. Nos casos de matrizes fechadas Rd, aumenta entre 30% a 60%, dependendo do formato da cavidade.

Percentual de

deformao

Rd (Kgf/mm2)

Martelo

Rd (Kgf/mm2)

Prensa

0 a 10 10 a 15 4 a 6

10 a 20 15 a 20 6 a 12

20 a 40 20 a 30 12 a 22

40 a 60 30 a 36 22 a 28

Acima de 60 36 a 50 28 a 38

4.6.1 Dimensionamento de um martelo para execuo de determinada deformao.

Martelo em queda livre

So

Sfho

hf

e

Q

C

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Se considerarmos um martelo de massa Q executando uma determinada deformao e em um certo corpo podemos dizer que:

Tm v

.

.2

2 , onde:

v = velocidade final da massa de peso Q m = Q/g, onde g a acelerao da gravidade = rendimento, pois parte da energia do choque absorvida pela mquina.

Por outro lado: v g C 2. . , onde C = curso livre do martelo (altura da queda de Q)

Assim: v2 = 2gC, portanto podemos dizer que: TQ g C

g

. . .

.

2

2

T Q C. . Como: T P e . , podemos igualar em T: PQ C

e

. .

Como : PV Rd ho hf

e

. . ln, igualando-se em P , finalmente, vem: Q

V Rd ho hf

C

. . ln

.

Martelo de Dupla ao Em um martelo de dupla ao teremos:

T Q C p A C . . . . . Onde: p = presso de ar ou vapor no pisto do martelo (usualmente de 7 a 9 Kgf/cm2).

A = rea da cabea do pisto. Ad

. 2

4

C = curso livre do martelo (altura de queda) Q = peso da massa do martelo Com o mesmo raciocnio feito para o martelo de simples ao, podemos deduzir que:

QV Rd ho hf p A C

C

. . ln . . .

.

So

Sfho

hf

e

Q

C

p A