FORJAMENTO
FORJAMENTO DEFINIÇÃO: Processo de obtenção de peças metálicas por deformação plástica, a quente ou a frio, por meio de ferramentas animadas de movimentos de translação, agindo por choque ou por pressão. O forjamento também pode ser utilizado como um meio para conferir a determinados metais as características mecânicas pretendidas, através de uma combinação adequada de tratamentos térmicos e mecânicos. CAMPO DE APLICAÇÃO: • Só permite obter peças de forma relativamente simples, necessitando de um ângulo de saída adequado (5º no alumínio e 3º nos aços, no mínimo); • Permite a obtenção de peças de pesos muito diversificados (desde as centenas de gramas até às centenas de toneladas); • Pode ser aplicado tanto em pequenas como em grandes séries; • As principais áreas de aplicação são: Indústria automóvel; Industria naval; Indústria aeronáutica; Caminhos-deferro. VANTAGENS DO USO DE PEÇAS FORJADAS: • O trabalho mecânico ressolda os ocos existentes no lingote de base, tais como micro-rechupes e chochos, tornando o material mais compacto; • O trabalho mecânico destrói a estrutura irregular e grosseira da fundição, substituindo-a por uma estrututa fina e uniforme, mais resiliente, menos susceptível de ruptura frágil; • O trabalho mecânico a desenvolver sobre o material pode ser realizado de forma a incrementar as suas propriedades nas direcções em que se pretende uma maior resistência à fadiga (anisotropia), alinhando as heterogeneidades insolúveis e desenvolvendo uma certa “fibragem”; • Ao contrário da maquinagem e da fundição, as fibras do material não são cortadas nem ficam dispersas (desordenadas); • As peças forjadas, principalmente as estampadas, apresentam no fim do processo uma forma muito próxima da forma final pretendida, necessitando de maquinagem muito reduzida com pouco desperdício de material; • O forjamento permite altas cadências de produção, com máquinas praticamente universais (prensas); actualmente o forjamento a frio ganha terreno devido à alta qualidade e baixo custo das peças que produz, de pequenas dimensões em geral. INCONVENIENTES DO FORJAMENTO: • Preço e desgaste das ferramentas; • Não permite a realização de formas geométricas complexas. TÉCNICAS DE FORJAMENTO: As técnicas de forjamento podem classificar-se em: • Forjamento em matriz aberta (forjamento livre ou universal ou simplesmente forjamento); forjamento); • Forjamento em matriz fechada (estampagem). O forjamento em matriz aberta é realizado entre ferramentas de matrizes planas ou de formas muito simples. É geralmente usado para grandes peças ou para pequenas séries. Esta técnica é frequentemente usada para preparar a forma da peça (esboço) para o posterior forjamento em matriz fechada (estampagem) ou maquinagem. Na estampagem a peça é deformada entre duas metades de matiz que dão a forma final ao produto. A peça é deformada sob alta pressão numa cavidade fechada podendo ser produzidas peças forjadas mais complexas que no caso da matriz aberta, mais precisas e com tolerâncias dimensionais mais apertadas. MATERIAIS E TEMPERATURAS DE FORJAMENTO O aquecimento das peças é indispensável, já que de outra forma verificar-se-ia encruamento do material, com o consequente endurecimento, perda de tenacidade e possível rotura ou fissuração (deterioração das propriedades mecânicas). A taxa de deformação seria substancialmente menor, com o consequente incremento do número de ciclos de trabalho (etapas de deformação); As temperaturas aconselhadas (e as mínimas) para cada um dos materiais trabalhados por este processo poderão ser PFAB2 – CONFORMAÇÃO PLÁSTICA – MDC – ISEP 2007
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observadas na tabela seguinte; Material Aço Titânio Cobre Latão forjável
Temperatura aconselhada (mínima) 1200 (800) 950ºC (850) 900ºC (700) 750ºC (550)
Material Alumínio Duralumínio Magnésio
Temperatura aconselhada (mínima) 500ºC (300) 420ºC (300) 350ºC
EQUIPAMENTOS Martelos Pilões / Malhos • • • • •
Movidos por ar comprimido ou accionamento mecânico; Utilizados para forjamento médio ou ligeiro (f = 3 a 12ton); Estrutura de 1/2 montantes, consoante a pressão de fecho a utilizar; Apresenta como vantagem essencial o baixo preço de aquisição; Apresenta como desvantagens: Baixa precisão; Problemas inerentes ao impacto (ruído, vibrações); Pressões de fecho limitadas;
Prensas Mecânicas • • • •
•
Forjamento até 8.800 ton; Baseadas em sistemas de excêntrico ou de fricção; Mais apropriados a forjamento de pequenas profundidades (baixo curso); Vantagens: Substituição do impacto (malhos) pelo esmagamento; A vida das matrizes é prolongada; Desvantagens: Custo inicial elevado (quando comparado com os malhos); Curso de trabalho limitado;
Prensas Hidráulicas • •
• •
Accionadas por óleo (ou água); A corrediça é accionada por cilindros ou pistões hidráulicos que formam parte de um sistema hidráulico de alta pressão; Permite pressões de fecho até cerca de 50.000 ton; Principais vantagens: Velocidade de aproximação em vazio mais elevada que a velocidade de trabalho sobre o metal; Possibilidade de regulação da pressão hidráulica em qualquer ponto do curso de deslocamento através de válvulas; A velocidade de deformação pode ser ajustada ao longo do curso, em função da resistência oferecida pelo metal; Permite regular o choque transmitido à ferramenta e peças (maior temperatura das peças);
Fornos: A operação de forjamento propriamente dita é precedida de um aquecimento executado num forno.
Valores típicos de velocidade para os diferentes equipamentos de forja: 26 PFAB2 – CONFORMAÇÃO PLÁSTICA – MDC – ISEP 2007
FORJAMENTO Equipamento Prensa Hidráulica Prensa mecânica Prensa de parafuso Martelo Pilão Gravidade Impacto / Motorizado Martelo contra-golpe
Velocidade m/s 0.06–0.30 0.06–1.5 0.6–1.2 3.6–4.8 3.0–9.0 4.5–9.0
O tempo de vida útil das ferramentas de forjamento (matrizes) depende: Da temperatura a que são aquecidas as peças a deformar; o Da taxa de deformação imposta; o o Do material em que são realizadas; Do material trabalhado (mais ou menos abrasivo); o Do atrito; o o Etc.
FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA (operações elementares em construção unitária) 1. ESTIRAR: O material é deformado de forma a diminuir a secção e aumentar o comprimento, numa direcção perpendicular à do movimento da ferramenta/prensa; 2. NERVURAR: Visa a demarcação de zonas que irão possuir diferentes secções no formato final da peça; 3. ESTIRAR SOBRE MANDRIL: Prolongamento do comprimento e simultânea diminuição da espessura em peças previamente furadas, nas quais é enfiado um mandril que serve de suporte à acção de deformação; 4. ESTIRAR À BIGORNA: Idêntico ao anterior, com a diferença do estiramento se dar na direcção tangencial e não segundo uma geratriz; 5. ENCALCAMENTO: Redução do comprimento au-mentando a secção da peça. É uma operação delicada devido ao fenómeno de encurvadura, pelo que deve ser convenientemente alternada com operações de estiramento; 6. SECCIONAR OU CORTAR: Eliminar extremidades irregulares; 7. FURAR: Executar furos com o auxílio de punção e matriz, com ou sem extrusão; 8. FECHAR: Encurvar extremidades de tubos, através de sucessivas operações suaves de deformação.
EXEMPLOS DE PEÇAS OBTIDAS POR FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA: Peças de revolução maciças, tais como eixos simples de laminadores ou veios de turbinas; • Peças de revolução realizadas com mandril, ocas, tais como reservatórios de pressão, tubos, etc. • Peças de revolução de fraca espessura (discos), obtidas por encalcamento; • Peças mais complexas, tais como cambotas, âncoras de navios, etc. •
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TÉCNICA DO FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA As peças de grandes dimensões e elevada exigência em características mecânicas, tais como árvores de turbinas hidráulicas, árvores de britadeiras gigantescas.. cambota de grandes motores diesel usados em centrais termoeléctricas e na produção marítima. são em geral obtidas por forjamento universal a partir de lingotes que atingem centenas de toneladas de peso, vindos directamente da aciaria. A figura ao lado mostra o aspecto de um desses lingotes. em corte. A cabeça e o pé do lingote (ricos em defeitos) são eliminados por seccionamento. No entanto, persistem certos defeitos que a operação de forjamento tem de eliminar: • Microrechupes e rechupes resultantes de contracções térmicas ao longo do lingote. • Segregações marcadas pelas diferenças de composição química (concentração de certos elementos tais como C, S, P,...). • Zona basáltica - os cristais próximos da pele do lingote são alongados e orientados perpendicularmente à superfície. No início do forjamento estes cristais têm tendência a perder coesão, o que pode provocar defeitos superficiais. O forjamento comporta, em geral, as seguintes duas gamas de operações: • Esboçagem - consiste numa sucessão de operações de estiramento é encalcamento em que se procura: provocar o desaparecimento da zona basáltica e dos rechupes. atenuar a heterogeneidade da composição química (segregação). As inclusões tendem a alinhar-se no sentido do alongamento do metal dando origem à fibragem. • Acabamento - Procura-se dar à peça uma forma geométrica exterior o mais próxima possível da sua forma final, a fim de limitar ao mínimo as operações de maquinagem. Caso Prático
Considerar o fabrico de um rotor em aço de turbina. Deverão considerar-se os seguintes dados: a. b. c. d. e. f. g.
Pressão de fecho da prensa: 7.500 ton Peso do lingote de partida: 190 ton Diâmetro médio inicial: 2,54 m Comprimento inicial: 6,7 m Temperatura de aquecimento: 1.200ºc Diâmetro final máximo: 1,59 m Comprimento final máximo: 10,3 m
Etapas de deformação: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
Estiramento até Ø=2270mm Corte da zona da cabeça Corte da zona do pé Encalcamento até Ø=2490mm Estiragem até Ø=2270mm Encalcamento até Ø=2490mm Estiramento até Ø=1670mm Nervuramento para vários diâmetros Estiramento das zonas intermédias Estiramento final para as cotas de forjamento Acabamento
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Perdas: a. b. c. d.
Peso da peça em bruto já forjada: 114 ton Peso da cabeça cortada: 35 ton Peso do pé cortado: 27 ton Perdas ao fogo: 14 ton
FORJAMENTO
FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA (Estampagem) A estampagem é uma técnica que consiste em moldar, sob efeito de choque ou pressão, um esboço de material, geralmente aquecido a elevada temperatura. em matrizes convenientemente gravadas. Os esboços de onde se parte podem ser obtidos por laminagem, extrusão ou forjamento em matriz aberta. A estampagem é particularmente adaptada para os seguintes casos: • Fabricação em grande série, pois a constância das formas e das características metalúrgicas é interessante para as operações de maquinagem subsequentes. • Fabricação de peças fortemente solicitadas e de alta fiabilidade (Poderão ser obtidas tolerâncias dimensionais apertadas (50 – 75μm), com rugosidades superficiais (R a) na ordem dos 0.2 – 0.8 μm). • Fabricação de peças de geometria complexa que necessitariam de muita matéria prima e tempo de maquinagem elevado se fossem exclusivamente obtidas por arrancamento de apara. A rugosidade e tolerâncias dimensionais melhoram com o incremento da pressão de fecho do molde. Aspectos negativos da estampagem: • Elevado custo dos equipamentos e ferramentas (só justificado em grandes séries). • Desgaste rápido das ferramentas. • Problemas frequentes de acabamento superficial das peças por oxidação (trabalho a quente).
Aspecto das peças obtidas por forjamento em estampagem
As peças típicas obtidas por estampagem têm uma característica comum: uma das dimensões é normalmente superior às outras duas:
Concepção e fabrico de peças estampadas
Poderemos subdividir o processo de fabricação de peças estampadas nas seguintes fases: Projecto • Definir desenho da peça em bruto; • Seleccionar os meios de produção a utilizar; • Determinar as dimensões do esboço; • Estudar a sequência das operações de deformação e as respectivas ferramentas; Fabricação • Preparação do esboço; • Aquecimento do esboço em forno apropriado; • Estampagem, a qual pode ter operações suces-sivas de deformação e eventuais rebarbagens; • Tratamento térmico que confere às peças as características mecânicas desejadas; • Acabamento final, o qual compreende as seguin-tes etapas: Limpeza por decapagem e granalhagem; Rebarbagem; Desempeno; Controlo dimensional final.
Exemplo de uma biela obtida em várias operações de estampagem e respectiva matriz
A matriz ao lado tem quatro cavidades e a peça é obtida de forma sequencial (1 a 4). No final é retirada a rebarba. A figura mostra também as fibragem obtida (em esquema) com este processo. Este processo (uma matriz para várias operações sequenciais) é adequado para séries médias. Para pequenas séries apenas a última fase seria obtida por estampagem, com as outras fases a serem obtidas pelo forjamento em matriz aberta. Para grandes séries poder-se-ia montar uma sequência de matrizes cada uma para cada operação ou uma matriz para operações simultâneas. PFAB2 – CONFORMAÇÃO PLÁSTICA – MDC – ISEP 2007
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Rebarba
A rebarba actua como uma reserva de material que é colocado a mais no processo por forma a evitar deficiências de enchimento do molde e, portanto, produção de peças deficientes (mal cheias). A matriz possui, na folga de escoamento da matriz, um sulco de rebarba, o qual possui as seguintes funções: • Válvula de segurança para o excesso de metal na cavidade da matriz; • Incrementa a pressão de enchimento do molde, assegurando o seu total enchimento, uma vez que a existência do sulco permite uma passagem suficientemente estreita (pouca folga); • Controla a dimensão da rebarba; • Evita a degradação das matrizes devido a excesso de pressão. O segredo de um bom dimensionamento do sulco da rebarba consiste em dificultar a extrusão do metal através da abertura estreita da rebarba, por forma a que este escoamento seja mais difícil do que o preenchimento total da cavidade da matriz. DEFEITOS DE FORJAMENTO • Formação de fissuras superficiais devido a deformação excessiva a baixa temperatura; • Formação de fissuras junto à zona da rebarba Este defeito é tanto mais comum quanto maior for a diferença entre a espessura da rebarba relativamente à espessura do esboço, podendo ser evitado aumentando a espessura da rebarba ou posicionado a zona de rebarba numa posição menos crítica. Pode ser corrigido pelo rebarbamento a quente ou por um recozimento (alivio de tensões) antes do rebarbamento a frio; • Formação de fissuras no interior das peças devido a tensões de tracção; • Formação de dobras devidas ao atrito do metal nas matrizes e que não se unem novamente durante o processo; • Formação de vazios devido a mau enchimento ou bolhas de lubrificante aprisionadas; • Impressão fraca, devido a falta de material para encher a matriz, temperatura demasiado baixa ou mau projecto das matrizes; • Descentramentos devidos ao desalinhamento das matrizes, folgas no guiamento exageradas devido a desgaste ou má montagem; colocação do material no interior da cavidade incorrecta. OUTRAS PROCESSOS DE FORJAMENTO Forjamento com rolos
Moldação
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FORJAMENTO
COMPARAÇÃO DO FORJAMENTO POR MARTELAMENTO COM O FORJAMENTO POR PRENSAGEM O forjamento por martelamento é feito aplicando-se golpes rápidos e sucessivos no metal. Desse modo, a pressão máxima acontece quando o martelo toca o metal, decrescendo rapidamente de intensidade à medida que a energia do golpe é absorvida na deformação do material. O resultado é que o martelamento produz deformação principalmente nas camadas superficiais da peça. o que dá uma deformação irregular nas fibras do material. No forjamento em prensa o metal fica sujeito à acção da força de compressão a baixa velocidade e a pressão atinge seu valor máximo pouco antes de ser retirada, de modo que as camadas mais profundas da estrutura do material são atingidas no processo de conformação. A deformação resultante é, então, mais regular do que a produzida pela acção dinâmica do martelamento. COMPARAÇÃO COM OUTROS PROCESSOS DE FABRICO Relativamente à fundição • O forjamento dá origem a peças com melhores características mecânicas, devido ao trabalho a frio e a quente • O forjamento elimina defeitos metalúrgicos, enquanto a fundição é um processo gerador por excelência de defeitos tais como chochos, rechupes, mal cheios e poros • O forjamento cria direcções preferenciais de resistência, devido ao alinhamento de fibras e refina o grão • O forjamento não necessita de um controlo de defeitos tão moroso e caro como o empregue na fundição • O forjamento requer um menor cuidado com as temperaturas envolvidas no processo, já que a fundição poderá gerar segregações com facilidade • A fabricação de peças com boas propriedades mecânicas e formas complexas exige um longo processo produtivo e um exaustivo processo de controlo, o que não acontece com as peças obtidas por forjamento Relativamente à soldadura • O forjamento apresenta custos menores para altas cadências de produção • Os elevados custos iniciais das ferramentas para o forjamento são facilmente absorvidos pela poupança de material conseguida e pela exiguidade dos custos de inspecção associados • As peças forjadas possuem um menor índice de porosidades • As peças forjadas apresentam melhores propriedades mecânicas • A estrutura das peças forjadas é mais homogénea, devido a um aquecimento mais uniforme, situação que não se verifica na soldadura • A peças forjadas não possuem ocos que possam estar na origem de fendas de fadiga • O custo de inspecção na soldadura é grande, sendo praticamente inexistente no forjamento • A montagem das peças soldadas implica uma preparação muito cuidada das juntas, situação que incrementa o custo das peças assim ligadas, tornando o processo mais complexo que o forjamento Relativamente à maquinagem • A dimensão das peças maquinadas está limitada pelos formatos e dimensões dos produtos standard existentes no mercado. O forjamento poderá, para determinadas dimensões, ser o único processo disponível para a realização de peças (dimensões apreciáveis) • As peças maquinadas são mais sujeitas a fenómenos de fadiga, já que corta a fibragem do material • Em contrapartida, o forjamento permite a orientação das fibras na direcção de maior solicitação das peças • O forjamento permite uma poupança considerável de material em peças ocas, furadas ou com grandes diferenças de secção, gerando muito menor desperdício
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