UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
EM49 EM 49 – CO CONF NFOR ORMA MAÇÃ ÇÃO O MECÂ MECÂNI NICA CA AULA 1 Introdução ao estudo da conformação mecânica Profa.: Dra. Alexandra de Oliveira França Hayama 2011
CONFORMAÇÃO MECÂNICA 9
EMENTA DO CURSO
9
FATOS HISTÓRICOS
9 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 9
EXEMPLOS MECÂNICA
DE
PROCESSOS
DE
CONFORMAÇÃO
9
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA MECÂN ICA QUANT QUANTO O À TEMPERA TEMPERATURA TURA DE TRABALH TRABALHO O
9
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNI MEC ÂNICA CA QUANTO QUANTO À TEN TENSÃO SÃO APLIC APLICADA ADA
CONFORMAÇÃO MECÂNICA 9
EMENTA DO CURSO
9
FATOS HISTÓRICOS
9 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 9
EXEMPLOS MECÂNICA
DE
PROCESSOS
DE
CONFORMAÇÃO
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA MECÂN ICA QUANT QUANTO O À TEMPERA TEMPERATURA TURA DE TRABALH TRABALHO O
9
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNI MEC ÂNICA CA QUANTO QUANTO À TEN TENSÃO SÃO APLIC APLICADA ADA
CONFORMAÇÃO MECÂNICA 9
EMENTA DO CURSO
9
FATOS HISTÓRICOS
9 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 9
EXEMPLOS MECÂNICA
DE
PROCESSOS
DE
CONFORMAÇÃO
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA MECÂN ICA QUANT QUANTO O À TEMPERA TEMPERATURA TURA DE TRABALH TRABALHO O
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNI MEC ÂNICA CA QUANTO QUANTO À TEN TENSÃO SÃO APLIC APLICADA ADA
EMENTA DO CURSO Fundamentos básicos da teoria da plasticidade dos metais e ligas metálicas →
→
Lingotamento e deformação sólida
→
Laminação
→
Forjamento
→
Extrusão
→
Trefilação
→
Fabricação de tubos
→
Processos de corte, dobra, repuxamento e embutimento de chapas
→
Metalurgia do pó (sinterização)
→
Outros processos de conformação a frio e a quente
Características básicas de máquinas de conformação a frio e a quente →
BIBLIOGRAFIA BÁSICA DIETER, G. E., Metalurgia Mecânica. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1981 →
HELMAN, H.; CETLIN, P. R.; FUNDAÇÃO CHRISTIANO OTTONI, Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2. ed. Rio de Janeiro: Fundação Christiano Ottoni, 1993. →
CONFORMAÇÃO MECÂNICA 9
EMENTA DO CURSO
9 FATOS HISTÓRICOS 9 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 9
EXEMPLOS MECÂNICA
DE
PROCESSOS
DE
CONFORMAÇÃO
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA QUANTO À TEMPERATURA DE TRABALHO
9
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA QUANTO À TENSÃO APLICADA
FATOS HISTÓRICOS ¾
Fabricação significa fazer artigos e mercadorias por processos industriais. ¾ A
fabricação é o maior setor industrial e abrange muitos ramos da indústria.
¾ A
mecanização da indústria iniciou-se com a revolução industrial iniciada na Inglaterra (século XVIII), que consistiu em um conjunto de mudanças tecnológicas com profundo impacto no processo produtivo e em nível econômico e social.
FATOS HISTÓRICOS ¾
O ímpeto inicial foi dado à indústria têxtil, na Inglaterra, pelas grandes invenções de máquinas para fiação e tecelagem. ¾
São fatores que contribuíram para o desenvolvimento industrial: →
A rápida expansão do comércio
A necessidade de produção mais rápida e em grande quantidade.
→
FATOS HISTÓRICOS ¾
No final do século XVIII, e no início do século XIX, máquinas básicas para transformação, conformação e usinagem de metais foram criadas na Inglaterra e no continente europeu. ¾
No início do século XIX, os processos e conceitos rudimentares de produção de peças já eram conhecidos e aplicados. ¾
Foram inventados vários equipamentos como: máquinas de costura, armas de repetição, locomotivas e automóveis.
FATOS HISTÓRICOS ¾ A
demanda de produção da crescente quantidade de bens de consumo, deu impulso ao desenvolvimento e aperfeiçoamento dos processos de conformação, das máquinas e dos sistemas de fabricação. ¾
Aos poucos, o sistema artesanal foi sendo substituído por uma nova organização do trabalho para o aumento da produção. ¾
O trabalho passou a ser dividido. O homem deixou de ter a visão de conjunto do processo de produção porque passou a ser encarregado da realização de apenas partes do trabalho, tornando-se especialista em determinadas tarefas e operações.
FATOS HISTÓRICOS ¾
Rapidamente, as máquinas tomaram conta do setor produtivo. Devido a isso, tornou-se comum o aparecimento de locais em que se concentravam máquinas e grupos de operários, organizados para a fabricação de grandes quantidades de peças, numa produção muito mais rápida e econômica. ¾ Tempos
Modernos (Modern Times) é um filme de 1936 do cineasta britânico Charles Chaplin, que o seu famoso personagem "O Vagabundo“ tenta sobreviver em meio ao mundo moderno e industrializado. Nesse filme Chaplin quis passar uma mensagem social. Ele retrata uma sociedade onde máquina tomam o lugar dos homens, levando-os à criminalidade e à escravidão.
FATOS HISTÓRICOS ¾
Com o desenvolvimento das indústrias, foi intensificada a utilização de novos materiais e de novos processos na fabricação. ¾
Os processos de fabricação estão em constante modificação. Pode-se esperar que processos do presente mudarão nos anos futuros. ¾ A
fabricação depende dos materiais. Os metais muito importantes na fabricação dos dispositivos mecânicos, apresentam um bom balanço entre propriedades mecânicas e economia, para a maioria das aplicações. ¾
Durante o século XX, os plásticos e os materiais compósitos se tornaram importantes nos processos de fabricação, substituindo os metais em algumas aplicações.
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FATOS HISTÓRICOS
9PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 9
EXEMPLOS MECÂNICA
DE
PROCESSOS
DE
CONFORMAÇÃO
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA QUANTO À TENSÃO APLICADA
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO PROCESSOS DE FABRICAÇÃO – MATERIAIS METÁLICOS METALÚRGICOS (TEMPERATURA)
MECÂNICOS (TENSÃO) APLIC. ≥
RUPT.
APLIC. ≤
RUPT.
TAPLIC.< TFUS.
TAPLIC.> TFUS.
USINAGEM TREFILAÇÃO LAMINAÇÃO
METALURGIA DO PÓ
FUNDIÇÃO SOLDAGEM
EXTRUSÃO FORJAMENTO APLIC.: Tensão
aplicada RUPT.: Tensão de ruptura
LINGOTAMENTO TAPLIC.: Temperatura aplicada TFUS.: Temperatura de fusão
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
MATÉRIA PRIMA METÁLICA METALURGIA DO PÓ
FUSÃO FUNDIÇÃO
LINGOTAMENTO
PRODUTO SEMI-ACABADO
CONFORMAÇÃO MECÂNICA
SOLDAGEM
USINAGEM
PRODUTO ACABADO
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EXEMPLOS DE PROCESSOS CONFORMAÇÃO MECÂNICA
DE
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA QUANTO À TENSÃO APLICADA
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS METALÚRGICOS DE DEFINIÇÃO FABRICAÇÃO ¾ Conformação mecânica:
É um processo de fabricação que modifica um corpo sólido por meio de deformação plástica. ¾ Pode exibir altas taxas de produção, mas requer
uso de equipamentos pesados e caros e ferramental adequado. ¾ Exemplos:
trefilação
laminação,
forjamento,
extrusão,
LAMINAÇÃO ¾ Processo no qual modifica-se a geometria/dimensões de um
corpo metálico pela passagem entre dois cilindros laminadores. diminuição da seção
aumento do comprimento
¾ As deformações plásticas são provocadas pela pressão dos
cilindros sobre o material.
FORJAMENTO ¾ Processo no qual modifica-se a geometria e as dimensões
de um corpo metálico pela ação de tensões compressivas.
¾ A ação das matrizes pode ser por meio de golpes (martelos)
ou por ação contínua (prensas hidráulicas, por exemplo). Exemplo: girabrequim
FORJAMENTO
Vídeo: processos de forjamento (a quente)
Vídeo: processo de forjamento (a quente)
FORJAMENTO
O que há de errado com o que este vídeo mostra?
EXTRUSÃO ¾
Processo no qual modifica-se a geometria/dimensões de um corpo metálico pela sua passagem por uma matriz (orifício) que lhe confere sua forma e dimensões finais. Exemplo: fabricação de tubos e perfis.
Força
EXTRUSÃO
Vídeo: Extrusão
TREFILAÇÃO ¾ Processo em que se obtêm produtos com seções de
geometrias diversas pela tração desses produtos por uma matriz que define o perfil do trefilado. Comumente realizado a frio (encruamento) →
Força
Pequenas reduções de seção por passe →
Recozimento intermediário necessário quando a queda de ductilidade associada ao aumento da resistência provoca a queda de conformabilidade. →
Matrizes
TREFILAÇÃO
Vídeo: Trefilação de arame
Vídeo: Trefilação de tubo
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DE
PROCESSOS
DE
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA QUANTO À TEMPERATURA DE TRABALHO
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA QUANTO À TENSÃO APLICADA
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À TEMPERATURA DE TRABALHO ¾ Os
processos de conformação são comumente classificados em operações de trabalho a quente, a morno e a frio. ¾ Trabalho
a quente: é definido como a deformação sob condições de temperatura e taxa de deformação tais que processos de recuperação e recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. ¾ Trabalho
a frio: é a deformação realizada sob condições em que os processos de recuperação e recristalização não são efetivos. ¾ Trabalho
a morno: ocorre recuperação, ou seja, não se formam novos grãos (não há recristalização).
MAS O QUE É RECUPERAÇÃO E RECRISTALIZAÇÃO? ¾
Recristalização: É a formação de um novo conjunto de grãos livres de deformação e que são equiaxiais (isto é, possuem dimensões aproximadamente iguais em todas as direções) no interior de um material deformado a frio e em seguida recozido. Na recristalização há a restauração das propriedades originais do material. Temperatura de recristalização: Para uma liga específica, é a temperatura mínima em que irá ocorrer uma recristalização completa dentro de aproximadamente uma hora. ¾
Trecristalização ~ 0,5 Tfusão Recuperação: processo em que ocorre rearranjo e eliminação parcial dos defeitos (discordâncias) introduzidos durante a deformação plástica, havendo uma restauração parcial das propriedades mecânicas do material aos seus valores antes da ¾
RECUPERAÇÃO E RECRISTALIZAÇÃO
(a) estado encruado
(b) recuperado
(d) totalmente recristalizado
(c) parcialmente recristalizado
(e) crescimento de grão
RECUPERAÇÃO E RECRISTALIZAÇÃO Recristalização: Exemplo - Titânio
100 m
100 m
Laminado a frio até 70%.
Laminado a frio até 70% e recozido a 500oC/45 min. (Recuperação)
Rolo
Rolo
Lingote fundido por feixe eletrônico (estrutura bruta de
Laminação (compressão)
Laminado a frio até 70% e recozido
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À TEMPERATURA DE TRABALHO Exemplos de recristalização do alumínio (Vídeos)
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À TEMPERATURA DE TRABALHO Exemplos de recristalização do cobre (Vídeo)
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À TEMPERATURA DE TRABALHO ¾ Temperaturas consideradas: → → →
Trabalho a Frio: Ttrabalho < Trecristalização, (0 – 0,3 Tfusão) Trabalho a Morno: Ttrabalho ~ Trecristalização, (0,3 – 0,5 Tfusão) Trabalho a Quente: Ttrabalho > Trecristalização, (Acima de 0,5Tfusão)
¾ Cada
um destes trabalhos fornecerá características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão função: → Da matéria prima utilizada como: composição química e estrutura metalúrgica Das condições impostas pelo processo tais como o tipo e o grau de deformação, a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado →
TRABALHO A FRIO (Ttrabalho < Trecristalização) ¾ Características do trabalho a frio:
Menores deformação se comparado ao trabalho a quente →
Encruamento plástica) →
(endurecimento
por
deformação
→
Elevada qualidade dimensional e superficial
→
Equipamentos e ferramentas mais rígidos
TRABALHO A FRIO (Ttrabalho < Trecristalização) ¾ O trabalho a frio é acompanhado do
encruamento do metal (encruamento: endurecimento por deformação) O encruamento é ocasionado pela interação das discordâncias entre si e com outras barreiras (tais como contornos de grão) que impedem o seu movimento através da rede cristalina →
¾ Durante a deformação plástica a frio ocorre um aumento no
número de discordâncias, as quais, em virtude de sua interação, resultam num elevado estado de tensão interna na rede cristalina.
TRABALHO A FRIO (Ttrabalho < Trecristalização) ¾ Um metal cristalino contém em média 106 a 108 cm de
discordâncias por cm3, enquanto que um metal severamente encruado apresenta cerca de 1012 cm de discordâncias por cm3. ¾ O trabalho a frio resulta macroscopicamente num aumento
de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. ¾ Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da
tensão de escoamento e do limite de resistência, bem como no decréscimo do alongamento total (alongamento na fratura).
TRABALHO A FRIO (Ttrabalho < Trecristalização)
Forjamento a frio de chave de boca
TRABALHO A QUENTE (Ttrabalho > Trecristalização) ¾ Características: →
Grandes deformações
→
Baixa qualidade dimensional e superficial
→
Normalmente empregado para “desbaste”
→
Peças grandes e de formas complexas
Contração oxidação →
térmica,
crescimento
de
grãos,
TRABALHO A QUENTE (Ttrabalho > Trecristalização) ¾ Exemplo: ponta de eixo
Material cortado
Primeiro forjamento
Peça sem rebarba
TRABALHO A QUENTE (Ttrabalho > Trecristalização) ¾ O trabalho a quente é a etapa inicial na conformação
mecânica da maioria dos metais e ligas.
¾ Este trabalho requer menos energia para deformar o metal
e proporciona maior habilidade para o escoamento plástico sem o surgimento de trincas.
¾ A estrutura colunar dos grãos grosseiros da peça fundida é
quebrada e refinada em grãos equiaxiais recristalizados de menor tamanho.
¾ A maioria das operações de trabalho a quente é executada
em múltiplos passes ou estágios.
TRABALHO A QUENTE (Ttrabalho > Trecristalização) VANTAGENS DO TRABALHO A QUENTE Menor energia requerida para deformar o metal, já que a tensão de escoamento decresce com o aumento da temperatura →
Aumento da capacidade do material se deformar sem se romper (ductilidade) →
Homogeneização química das estruturas brutas de fusão (por exemplo, eliminação de segregações) em virtude da rápida difusão atômica interna →
Eliminação e refino da granulação grosseira e colunar do material fundido, proporcionado grãos menores, recristalizados e equiaxiais →
TRABALHO A QUENTE (Ttrabalho > Trecristalização) DESVANTAGENS DO TRABALHO A QUENTE Necessidade de equipamentos especiais (fornos, manipuladores, etc.) e gasto de energia para aquecimento das peças →
Reações do metal com a atmosfera do forno, levando à perda de material por oxidação e outros problemas relacionados (por exemplo, metais reativos como o titânio ficam severamente fragilizados pelo oxigênio e tem de ser trabalhados em atmosfera inerte) →
→
Desgaste das ferramentas é maior e a lubrificação é difícil
Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e contração térmicas →
TRABALHO A MORNO (Ttrabalho Trecristalização) ¾ Os processos de deformação a morno objetivam aliar as
vantagens das conformações a quente e a frio.
¾ Dos processos de conformação a morno um dos mais
difundidos e com maiores aplicações industriais é o forjamento. ¾ O trabalho a morno consiste
na conformação de peças numa faixa de temperaturas onde ocorre o processo de recuperação portanto, o grau de endurecimento por deformação é consideravelmente menor do que no trabalho a frio.
Exemplo: Auto-peças forjadas
TRABALHO A MORNO (Ttrabalho Trecristalização) ¾ Com relação ao trabalho a quente o processo a morno
apresenta melhor acabamento superficial e precisão dimensional devido à diminuição da oxidação e da dilataçãocontração do material e da matriz. ¾ A maior desvantagem da conformação a morno com
relação ao processo a quente é o aumento do limite de escoamento que ocorre com o abaixamento da temperatura de deformação. ¾O
aumento da carga de conformação implicará na necessidade de se empregar prensas mais potentes e ferramentas mais resistentes.
TRABALHO A MORNO (Ttrabalho Trecristalização) ¾ Em relação ao trabalho a frio o processo a morno
apresenta redução dos esforços de deformação, o que permite a conformação mais fácil de peças com formas complexas, principalmente em materiais com alta resistência. ¾ A conformação a morno melhora ainda a ductilidade do
material e elimina a necessidade de recozimentos intermediários que consomem muita energia e tempo.
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EMENTA DO CURSO
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FATOS HISTÓRICOS
9 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 9
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DE
PROCESSOS
DE
CONFORMAÇÃO
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CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA QUANTO À TENSÃO APLICADA
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À TENSÃO APLICADA ¾ As operações de conformação mecânica são processos de
trabalho dentro da faixa plástica do metal.
¾ A conformação mecânica para produção de peças metálicas
inclui um grande número de processos que, entretanto, em função dos tipos de esforços aplicados, podem ser classificados em apenas algumas categorias: →
Processos de compressão direta
→
Processos de compressão indireta
→
Processos de tração
→
Processos de dobramento
→
Processos de cisalhamento
PROCESSOS DE COMPRESSÃO DIRETA Cilindro de laminação Peça laminada
Cilindro de laminação
Laminação (Exemplo: placas e folhas metálicas)
Forjamento (Exemplo: bielas)
PROCESSOS DE COMPRESSÃO INDIRETA ¾ Os processos de
trefilação de fios e tubos, extrusão e estampagem profunda são processos de compressão indireta, porque embora as forças aplicadas sejam frequentemente de tração ou compressão, a reação da peça coma matriz produz elevadas forças indiretas de compressão.
Estampagem profunda (Exemplo: usada para formar o corpo de latas de alumínio para bebidas)
PROCESSOS DE COMPRESSÃO INDIRETA Exemplo do processo de estampagem profunda de latas
Vídeo: Estampagem profunda de latas
PROCESSOS DE COMPRESSÃO INDIRETA COMPRESSÃO
Extrusão (compressão) (Exemplo: tubos ou perfis de alumínio para portas ou janelas) COMPRESSÃO
Trefilação (tração) (Exemplo: fabricação de fios)
PROCESSOS DE TRAÇÃO ¾ Nesse processo uma chapa metálica é envolvida em torno do
contorno de uma matriz, e são aplicados esforços de tração.
PROCESSOS DE TRAÇÃO
PROCESSO DE DOBRAMENTO ¾ O dobramento envolve a aplicação de momentos de
dobramento na chapa.
PROCESSO DE CISALHAMENTO ¾O
cisalhamento envolve a aplicação de esforços de cisalhamento que levam à ruptura ou corte do metal.
QUADRO RESUMO DE ALGUNS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
QUADRO RESUMO DE ALGUNS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
QUADRO RESUMO DE ALGUNS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
EXERCÍCIOS 1 – Explique dois processos de conformação quanto à tensão aplicada: a) Processo de compressão direta b) Processo de compressão indireta 2 – Deseja-se fabricar uma panela a partir de uma chapa de alumínio. Entre os processos de conformação apresentados qual pode ser utilizado? Por quê? 3 - Qual a importância do estudo da recristalização para os processos de conformação?
