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Este documento discute as variáveis importantes na análise de processos de conformação de metais, incluindo a tensão de escoamento e a conformabilidade em diferentes direções. O texto também aborda o impacto de gradientes de temperatura no processo de conformação à quente. Além disso, ele explica como as análises de fluxo metálico, temperaturas e transferência de calor, variações locais de resistência do material ou da tensão de escoamento e tensões, carga de conformação, pressão e energia podem ser feitas.
O que você vai aprender
Tipologia: Resumos
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A razão de produção que pode ser atingida através de um dado processo de fabricação é provavelmente o seu aspecto mais significativo, porque ela indica os aspectos econômicos e a produtividade que pode ser atingida. Nos países industrializados, as indústrias de produção representam cerca de 30 a 40% do produto interno bruto. Consequentemente, a produtividade destas indústrias, isto é, produção de componentes discretos, montagem e produtos por unidade de tempo, é o fator mais importante a influenciar o padrão de vida num país, assim como sua posição competitiva no mercado internacional de bens de produção. A razão de produção ou produtividade pode ser aumentada através da melhoria dos processos de fabricação existentes ou pela introdução de novos processos e máquinas, todos requerendo novos investimentos. Contudo, o mais importante ingrediente para aumento de produtividade reside no ser humano e nos recursos gerenciais, porque boas decisões em investimentos (quando, quanto e em que) são tomadas por pessoas que são bem treinadas e motivadas. Como resultado, o presente e futuro da produtividade na fabricação dentro de uma fábrica, indústria ou nação depende não somente do nível de investimentos numa nova fábrica e equipamentos mas também do nível de treinamento e disposição dos engenheiros e especialistas em fabricação dentro destas entidades.
T odo processo de fabricação deve ser examinado visando (a) seus efeitos ambientais, isto é, em termos de poluição do ar, água e sonora, (b) sua interface com os recursos humanos, isto é, em termos de segurança humana, efeitos fisiológicos e psicológicos e (c) seu uso de energia e recursos materiais, particularmente em termos de escassez de energia e materiais. Consequentemente, a introdução e uso de um processo de fabricação deve antes ser considerados com vistas a estes fatores ambientais.
Processos de conformação de metais incluem (a) processos de conformação maciça como o forjamento, extrusão, laminação e trefilação e (b) Processos de conformação de chapas como dobramento, repuxo e estiramento. Entre o grupo de processos de fabricação discutido anteriormente, conformação de metais representa um grupo altamente significativo de processos para produção industrial, componentes militares e bens de consumo. Um meio comum de classificar os processos de conformação dos metais é considerá-los como conformação a frio (à temperatura ambiente) e a quente (à temperaturas acima da recristalização). Muitos materiais se comportam diferentemente em diferentes temperaturas. Normalmente, a tensão de escoamento de um metal aumenta com o aumento de deformação durante a conformação a frio e com o aumento da taxa de deformação durante a conformação a quente. Entretanto, os princípios gerais que governam a conformação dos metais a várias temperaturas são basicamente os mesmos; portanto classificação dos processos de conformação baseado na temperatura inicial do material não contribui significativamente para o entendimento e melhoria destes processos. De fato, o projeto das ferramentas, máquinas, automação, manuseio de componentes e conceitos de lubrificação podem ser melhor considerados através de classificação baseada não na temperatura mas sim na geometria específica de saída e entrada assim como nas condições do material e da razão de produção. Geometrias complexas, em ambos processos de conformação maciço e de chapas, podem ser obtidos igualmente bem por conformação a frio ou a quente. Evidentemente, devido à menor resistência ao escoamento dos materiais deformados a elevadas temperaturas, as tensões nas ferramentas e as cargas nas máquinas são, relativamente, menores na conformação a quente comparadas àquelas na conformação a frio. Conformação é especialmente atrativa em casos onde (a) a geometria do componentes é moderadamente complexa e o volume de produção é grande, de maneira que o custo do ferramental por unidade produzida possa ser mantido baixo - por exemplo em aplicações automobilísticas; e (b) as propriedades e integridade metalúrgica dos componentes são extremamente importantes, como é o caso de aeronaves de carga, motores a jato e componentes de turbinas. O projeto, análise e otimização de processos de conformação requer (a) conhecimento analítico referente ao fluxo metálico, tensões e transferência de calor assim como (b) informações tecnológicas relacionadas com lubrificação, técnicas de aquecimento e resfriamento, manuseio de materiais, projeto e fabricação de estampos e equipamentos de conformação. Uma quantidade considerável de informações nos aspectos gerais de conformação está disponível na literatura. Alguns dos livros que abrangem este assunto são dados nas referências 1-4 e 1-13 no fim deste capítulo. Outros livros e artigos técnicos tratando de aspectos mais específicos destes assuntos são referenciados no fim de cada capítulo.
REFERÊNCIAS
1-1. Kienzle, O., “ T he Principles of Manufacturing T echnology” (in German), Werkstattstechnik und Maschinenbau, Vol 46 (1956), No. 5, p 204. 1-2. Lange, K., “ T he Investigation of Metal Forming Processes as Part of a T echnical System”, Proc. 10th International Machine Tool Design and Research Conference, Pergamon Press, 1969, p 485. 1.3. Lahoti, G. D., and Altan, T., “ Input/Output Relationships in Metal Forming”, SME Paper EM75-375. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, MI, 1975. 1.4. Backofen, W. A., Deformation Processing, Addison-Wesley, 1972. 1-5. Johnson, W., and Mellor, P. B., Engineering Plasticity, Van Nostrand, 1978. 1-6. Slater, R. A. C., Engineering Plasticity, John Wiley, 1977. 1-7. Blazynski, T. Z., Metal Forming - Tool Profiles and Flow, John Wiley, 1976. 1-8. Prager, W., and Hodge, P. G., Jr., Theory of Perfectly Plastic Solids, Dover Publications, 1968. 1-9. Rowe, G. W., Principles of Industrial Metalworking Processes, Edward Arnold, 1977. 1-10. T homsen, E. G., Yang, C. T ., and Kobayashi, S., Mechanics of Plastic Deformation in Metal Processing, Macmillan Company, 1965. 1-11. Avitzur, B., Metal Forming - Process and Analysis, McGraw-Hill, 1968. 1-12. Dieter, G. E., Jr., Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill, 1961. 1-13. Lange, K. (editor), Study Book of Forming Technology (in German), Vol I, II and III, Springer-Verlag, 1972.
Para uma dada composição de material e uma história de deformação/tratamento térmico (microestrutura), a tensão de escoamento e a conformabilidade nas várias direções (anisotropia), são as mais importantes variáveis na análise de um processo de conformação de metais. Para uma dada microestrutura, a tensão de escoamento, σσσσ , é escrito como função da deformação εεεε ; da taxa de
deformação εεεε&^ e da temperatura θθθθ :
Para formular a Equação Constitutiva, Equação (2.1), é necessário conduzir testes de torção, de deformação plana, de compressão e testes assimétricos de compressão. Durante qualquer destes testes, o trabalho plástico cria um certo aumento em temperatura, o qual deve ser considerado na estimativa e no uso dos resultados do teste. Conformabilidade é a capacidade de o material ser deformado sem apresentar ruptura; isto depende de (a) as condições existentes durante o processo de deformação (tais como temperatura, taxa de deformação, a história anterior de tensão e deformação) e (b) variáveis do material (como a composição química, vazios internos, inclusões e microestrutura inicial). No processo de conformação à quente, gradientes de temperatura no material em deformação (por exemplo devido a resfriamentos locais) também influenciam o fluxo metálico e os fenômenos de ruptura.
T abela 2-1 Variáveis mais significativas num processo de deformação
T abela 2-2 - Classificação dos processos de conformação maciça
Forjamento Laminação Extrusão T refilação
forjamento em estampo fechado sem rebarba
Laminação de chapas Extrusão sem lubrificação T refilação
forjamento em estampo fechado com rebarba
Laminação de perfis Extrusão a quente direta com lubrificação a quente
T refilação com rolos
Cunhagem Laminação de tubos Extrusão hidrostática Calibração de parede “ Ironing” Eletro-recalque Laminação de anéis T refilação de tubos Forjamento por extrusão direta
Laminação rotativa por penetração Forjamento por retro- extrusão
Laminação de engrenagens Indentação Laminação/forjamento Forjamento isotérmico Laminação progressiva de perfis Forjamento de ogiva Laminação superfícial Forjamento em estampo aberto (forjamento livre)
Laminação por torneamento (repuxo) Forjamento orbital Laminação progressiva de tubos Forjamento de sinterizado Forjamento radial Recalque
T abela 2-3 - Classificação dos processos de conformação para chapas
Dobramento e flangeamento reto Dobra simples Calandragem Conformação de contornos lineares Conformação de nervuras linear Conformação por torneamento de perfis lineares
Conformação de recessos rasos Embutimento Conformação com martelo Conformação eletromagnética Conformação por explosão Conformação de degraus
Contorno de superfícies Laminação de perfis Nervuramento Conformação por envelhecimento Conformação por escoamento Conformação e T 6empera em matriz Conformação semi-hidrostática Conformação a vácuo
Repuxo profundo e flangeamento Conformação por torneamento (repuxo em torno) Repuxo profundo Conformação com punções flexíveis (borracha, diafragma, etc.) Hidroconformação
Nos dois casos, as superfícies do material deformado e das ferramentas estão em contato e o atrito entre elas tem grande influência no processo. No forjamento maciço o material inicial é um tarugo, barra ou vergalhão e um aumento considerável na taxa superfície-volume ocorre no componente conformado. Na conformação de chapas, um “ blank” de chapa (platina) é plasticamente deformado numa matriz de forma tridimensional sem qualquer mudança significativa na espessura da chapa original ou nas características superficiais. Processos que se enquadram na categoria de conformação maciça tem as seguintes formas distintas:
Definição: Neste processo um tarugo com volume cuidadosamente controlado é deformado (à quente ou à frio) por um punção a fim de preencher a cavidade do estampo semperda de material. O punção e o estampo podemser compostos de uma ou várias partes. Equipamento: P rensa hidráulica, prensa mecânica com múltiplos golpes Materiais: Aços carbono e ligados, ligas de cobre e alumínio Variações: Forjamento de núcleo, forjamento de precisão, forjamento frio e quente, Forjamento de sinterização Aplicações: Forjamento de precisão, forjamento oco, ajustes, cotovelos, tês, etc.
Figura 2-1 - Conformação com estampo fechado sem rebarbas
Definição: É o processo de conformação à quente no qual uma barra redonda é aquecida eletricamente e pressionada contra uma cavidade ou uma matriz plana. Equipamento: recalcadoras elétricas Material: Aços carbono ou ligados, titânio Aplicações: em pré-conformações ou conformações finais
Figura 2-4 - Eletrorecalque
Definição: Neste processo o punção comprime um tarugo (quente ou frio) confinado numa cavidade comapenas uma passagem de modo que o material do tarugo flui através da passagem na mesma direção do movimento do punção. Equipamento: P rensa mecânica ou hidráulica Materiais: Aços carbono e ligados, ligas de alumínio, cobre, magnésio, e titânio Variações: Conformação com estampo fechado sem rebarbas, forjamento comsinterização Aplicações: Eixos sólidos com cones ou diferentes diâmetros, componentes tubulares com múltiplos diâmetros e furos cônicos ou não circulares. Figura 2-5 - Forjamento por extrusão direta
Definição: Neste processo o tarugo (frio ou quente) é pressionado dentro de uma cavidade fechada por umpunção de área menor que a cavidade, de modo que o material é forçado a escoar em volta do punção na direção oposta ao movimento do punção. Equipamento: P rensas mecânicas ou hidráulicas Materiais: Aços carbono ou ligados, ligas de alumínio, cobre, magnésio ou titânio Variações: Conformação com estampo fechado sem rebarbas, forjamento comsinterização Aplicações: Componentes contendo cavidades fechadas ou em formas de copos com furos cilíndricos, cônicos ou não circulares.
Figura 2-6 - Forjamento por retro-extrusão
Definição: É um processo no qual uma indentação ou “ gravamento” é realizada num bloco quente ou frio através de um punção de área menor do que o bloco. Equipamento: P rensas mecânicas ou hidráulicas Materiais: Aços carbono ou ligados Variações: Indentação ou impressão Aplicações: Fabricação de estampos e moldes com impressões relativamente rasas.
Figura 2-7 – Indentação
Definição: É um processo de forjamento a quente no qual o metal é conformado por golpes de martelo ou por pressão entre uma base plana e umpunção de contorno simples. Materiais: Aços carbono e ligados, ligas de alumínio, titânio e todos materiais forjáveis. Variações: Fojamento de vergalhões, eixos, mandris, anéis, recalcagem entre estampos planos ou curvos. Aplicações: Forjamento de lingotes, grandes forjamentos, pré-conformações
Figura 2-10 - Forjamento com estampo aberto
Definição: É um processo onde o material (quente ou frio) é forjado através de um punção superior com movimento orbital e uma matriz inferior não rotativa. A parte inferior do estampo sobe progressivamente de encontro à superior rotativa. Equipamento: P rensa orbital Materiais: Aços carbono e ligados, aços inoxidáveis, ligas de alumínio e latões e todos os materiais forjáveis Variações: ë também chamado forjamento rotativo ou ainda oscilante. Em certos casos a parte inferior do estampo também tem movimento rotativo. Aplicações: Engrenagens cônicas, garras de embreagens, discos e cubos de rodas, anéis de rolamento, anéis de diversos contornos, vedações de rolamentos.
Figura 2-11 - Forjamento orbital
Definição: É o processo de forjamento (à quente ou à frio) em matriz fechada no qual se usa pré-formas de pós metálicos sinterizados. Equipamentos: P rensas mecânicas ou hidráulicas Materiais: Aços carbono e ligados, aços inoxidáveis, ligas de cobalto, alumínio, titânio e níquel. Variações: conformação com estampo fechado com ou sem rebarba. Aplicações: para forjamento de peças para automóveis, caminhões, e veículos fora-de-estrada.
Figura 2-12 - Forjamento de sinterizados
Definição: Este processo de forjamento a quente ou a frio se utiliza de dois ou mais punções, ou matrizes, que se movem radialmente produzindo componentes sólidos ou tubulares com seções transversais constantes ou variáveis ao longo do comprimento. Equipamento: Máquina de forjamento radial Materiais: Aços carbono ou ligados, ligas de titânio berílio, tungstênio e superligas resistentes a altas temperaturas. Variações: Forjamento Rotativo Aplicações: Redução de diâmetros de lingotes e barras, forjamento de eixos e pontas-de-eixo comdiversos diâmetros, forjamento de canos de armas, produção de componentes tubulares com e semperfil interno.
Figura 2-13 - Forjamento radial
Matriz
Matriz
Peça
