Forjamento
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Processo semelhante à conformação, diferenciado pelo fato de que este acontece por impacto. A matéria-prima é colocada na parte inferior do molde, então a parte superior desce em alta velocidade e atinge a matéria-prima.
A rápida deformação plástica do material beneficia as propriedades mecânicas da peça, gerando encruamento superficial.
Lembrando processo muito utilizado na caldeiraria.
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Definição de Forjamento
Forjamento é o nome genérico de operações de conformação mecânica efetuadas com esforço de compressão sobre um material dúctil, de tal modo que ele tende a assumir o contorno ou perfil da ferramenta de trabalho. Dependendo do tipo de processo adotado no forjamento, pode-se gerar mínima perda de material e boa precisão dimensional. Diversas técnicas produtivas são adotadas para se conseguir forjar peças e melhorar as características metalúrgicas, algumas dessas técnicas são milenares, com baixo grau tecnológico, caros e demorados e outras técnicas são de ultima geração. Nestas técnicas mais modernas é comum o uso de programas computacionais complexos, que proporcionam ganho de tempo e redução de desperdício de energia e material, conhecidos como CAD/CAM. Quando peças são forjadas procura-se alterar principalmente a elasticidade e a plasticidade dos metais. Entenda elasticidade como sendo a capacidade que um determinado material tem de se deformar, ao ser aplicado um esforço sobre ele, e de voltar a sua forma inicial quando o esforço deixar de existir (lembre-se da borracha), e entenda plasticidade como sendo a capacidade que um dado material tem de se deformar e manter esta deformação, alterando seu aspecto definitivamente.
No forjamento é fundamental ter precisão na quantidade de material:
Pouco material implica falta de enchimento da cavidade. Muito material causa sobrecarga no ferramental, com a probabilidade de danos ao mesmo e ao maquinário.
Por que forjar uma peça?
Na usinagem há perdas 74% em volume do material, já na conformação as perdas são de 6% em volume.
A tecnologia de forjamento moderna pode ser dividida em três categorias abrangentes de acordo com a capacidade da máquina usada diferindo muito em sua aplicação na indústria.
Forja Pesada
Trata-se de prensas de enormes proporções, que exigem elevado número de operadores, além de uma mão de obra especializada, motivos pelos quais são apropriadas apenas para produção de peças de grandes dimensões para uso bastante específico. A força das prensas utilizadas em forja pesada varia entre 3000 e 15000 toneladas. Uma prensa de 6000 toneladas pode estirar lingotes com cerca de 2,5 m de diâmetro e 120 toneladas.
Forja Média
As ferramentas da forja média são as prensas de forjamento de 1000 a 1500 toneladas. Diferem das forjas pesadas por suas dimensões reduzidas e maior rapidez de trabalho. Podem dar de 30 a 150 golpes por minuto conforme sua capacidade.
Forjas de pequeno porte
Dividido basicamente em estampagem e prensas mecânicas horizontais. A estampagem consiste na conformação através de choques ou na aplicação de pressão sobre o metal contra uma matriz entalhada.
Temperaturas de Forjamento
♦ Forjamento a quente
- Formação de rebarba - Exige acabamento final
No forjamento a quente, o processo ocorre a uma temperatura acima da temperatura de recristalização do material. Na etapa de conformação final, ocorre a formação de rebarba, devido ao excesso de material. No forjamento convencional a quente o peso do forjado pode atingir o dobro do usinado, e sua rebarba representa de 20 a 40% de seu peso, aumentando os custos com a compra de material, sua manipulação, armazenagem, aquecimento até temperatura de forjamento e usinagem.O processo de forjamento a quente geralmente começa pelo corte das barras, em guilhotina, para obtenção dos tarugos. Os tarugos passam por um forno contínuo para serem aquecidos e posteriormente forjados em prensa. O forjamento deverá ocorrer em duas ou mais etapas que permitam o preenchimento adequado das matrizes. As rebarbas do forjado são retiradas, em uma operação de corte, imediatamente após o forjamento. Após o corte, os forjados são tratados termicamente para obter-se uma microestrutura adequada à usinagem.
♦ Forjamento a frio
- Não há remoção de material - Elevada precisão dimensional
Forjamento a Frio de um Eixo Dentado no Aço 16 MnCr5. (Temperatura em Kelvin)O forjamento a frio consiste em um amassamento de um corpo rígido, que é levado a uma forma desejada pelo deslocamento relativo das partículas do material sólido. O volume do material que participa da conformação permanece inalterado, portanto não há perda de material.
Extrusão ou Recalque
♦ Extrusão é um processo de conformação na qual um bloco metálico é posto em uma matriz e por meio de um estampo, sujeito a uma compressão tão elevada que o material é forçado a escoar através de um orifício.♦ Recalque consiste em uma operação mais simples de forjamento, onde que duas ferramentas planas compactam o bloco metálico até assumir as formas da matriz.O Forjamento
♦ Economia do Material: Uma das vantagens fundamentais deste processo de produção está na economia de material, devido às formas finais, em comparação aos costumeiros métodos de usinagem (torneamento, fresagem, etc...), principalmente quando são usados materiais não-ferrosos com alumínio e suas ligas, cobre e suas ligas.
♦ Precisão: Conceitualmente, no forjamento a frio a peça assume a forma da matriz, com o desenvolvimento de novas técnicas de fabricação de ferramentas e processos de fabricação obtém-se precisão de até 0.01 mm.
♦ Rugosidade: A precisão é diretamente ligada ao grau de precisão da ferramenta, já a rugosidade é ligada diretamente ao polimento da matriz e qualidade do lubrificante. A rugosidade chega a 10 micros, ou seja lapidado.
♦ Matéria – Prima: Para a utilização dos processos de extrusão a frio servem todos os materiais metálicos que apresentam bom potencial de conformabilidade e destacada plasticidade. Eles devem suportar os maiores graus de deformação sem romper. Entre eles se incluem os não-ferrosos como o chumbo, o estanho, o cobre e suas ligas.
Forjamento em Matriz Aberta ou Forjamento Livre
O material é conformado entre matrizes planas ou de formato simples, que normalmente não se tocam. É usado geralmente para fabricar peças grandes, com forma relativamente simples (p. ex., eixos de navios e de turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, excêntricos, ferramentas agrícolas, etc.) e em pequeno número; e também para pré-conformar peças que serão submetidas posteriormente a operações de forjamento mais complexas. Como exemplos de peças produzidas por este processo têm-se eixos de navios e de turbinas, ganchos, correntes, âncoras, alavancas, etc.O forjamento livre se divide em operações unitárias e operações unitárias mais comuns.
São operações relativamente simples de conformação por forjamento, empregando matrizes abertas ou ferramentas especiais, podendo ter as finalidades de: - Produzir peças acabadas de feitio simples - Redistribuir a massa de uma peça bruta para facilitar a obtenção de uma peça de geometria complexa por posterior forjamento em matriz.
a) Recalque ou recalcamento:Compressão direta do material entre um par de ferramentas de face plana ou côncava, visando primariamente reduzir a altura da peça e aumentar a sua secção transversal.
b) Estiramento: Visa aumentar o comprimento de uma peça à custa da sua espessura.
c) Encalcamento:Variedade de estiramento em que se reduz a secção de uma porção intermediária da peça, por meio de uma ferramenta ou impressão adequada.
d) Rolamento:Operação de distribuição de massa ao longo do comprimento da peça, mantendo-se a secção transversal redonda enquanto a peça é girada em torno do seu próprio eixo.
e) Caldeamento:Visa produzir a soldagem de duas superfícies metálicas limpas, postas em contato, aquecidas e submetidas a compressão. Como por exemplo, a confecção de elos de corrente.
f) Alargamento Aumenta a largura de uma peça reduzindo sua espessura.
g) Furação:
Abertura de um furo em uma peça, geralmente por meio de um punção de formato apropriado.
Operações unitárias mais comuns
a) Extrusão: O material é forçado a passar através de um orifício de secção transversal menor que a da peça.
b) Laminação de forja:Reduz e modifica a secção transversal de uma barra passando-a entre dois rolos que giram em sentidos opostos, tendo cada rolo um ou mais sulcos de perfil adequado, que se combina com o sulco correspondente do outro rolo.
c) Cunhagem:Geralmente realizada a frio, empregando matriz fechada ou aberta, visa produzir uma impressão bem definida na superfície de uma peça, sendo usada para fabricar moedas, medalhas talheres e outras peças pequenas, bem como para gravar detalhes de diversos tipos em peças maiores.
d) Fendilhamento:Consiste em separar o material, geralmente aquecido, por meio de um mandril de furação provido de gume; depois que a ferramenta foi introduzida até a metade da peça, esta é virada para ser fendilhada do lado oposto.
e) Expansão:Visa alargar uma fenda ou furo, fazendo passar através do mesmo uma ferramenta de maiores dimensões ; geralmente se segue ao fendilhamento. Como etapas de forjamento podem ser ainda executadas operações de corte, dobramento, curvamento, torção, entalhamento, etc.
Forjamento em Matriz Fechada
O material é conformado entre duas metades de matriz que possuem, gravadas em baixo-relevo, impressões com o formato que se deseja fornecer à peça. A deformação ocorre sob alta pressão em uma cavidade fechada ou semi-fechada, permitindo assim obter-se peças com tolerâncias dimensionais menores do que no forjamento livre. Nos casos em que a deformação ocorre dentro de uma cavidade totalmente fechada, sem zona de escape, é fundamental a precisão na quantidade fornecida de material: uma quantidade insuficiente implica falta de enchimento da cavidade e falha no volume da peça; um excesso de material causa sobrecarga no ferramental, com probabilidade de danos ao mesmo e ao maquinário. Dada à dificuldade de dimensionar a quantidade exata fornecida de material, é mais comum empregar um pequeno excesso. As matrizes são providas de uma zona oca especial para recolher o material excedente ao término do preenchimento da cavidade principal. O material excedente forma uma faixa estreita (rebarba) em torno da peça forjada. A rebarba exige uma operação posterior de corte (rebarbação) para remoção.Quanto às propriedades mecânicas dos produtos forjados estão limitadas à temperatura de trabalho, isto é, entre os forjados a frio e a quente. Verificou-se anteriormente que o trabalho a frio proporciona ao produto conformado limites de resistências maiores e ductilidades menores. Os forjados a frio se apresentam com índice de rugosidades bem menor.
Equipamentos utilizados para forjar
Basicamente existem duas grandes famílias de equipamentos para forja, as prensas eos martelos e cada um deles se subdividem de forma genérica em alguns tipos peculiares.
1. Prensas de fuso
São constituídas de um par porca/parafuso, com a rotação do fuso, a massa superior sedesloca, podendo estar fixada no próprio fuso ou então fixada à porca que neste caso deveser móvel, dando origem a dois sub-tipos de prensas; as de fuso móvel; e as de porca móvelLigado ao fuso há um disco de grande dimensão que funciona como disco de inércia,acumulando energia que é dissipada na descida. O acionamento das prensas de fuso podem ser de três tipos:
• através de discos de fricção;
• por acoplamento direto de motor elétrico;
• acionado por engrenagens.
2. Prensas excêntricas ou mecânicas
Depois do martelo de forja, a prensa mecânica é o equipamento mais comumenteutilizado. Pode ser constituído de um par biela/manivela, para transformar um movimentode rotação, em um movimento linear recíproco da massa superior da prensa.Para melhorar a rigidez deste tipo de prensa algumas variações do modelobiela/manivela foram propostos assim nasceram as prensas excêntricas com cunha e asprensas excêntricas com tesoura conforme mostra a figuraPrensas excêntricas com cunha e com tesoura que tem a finalidade de serem maisrígidas que uma prensa excêntrica convencional.O curso do martelo neste tipo de prensa é menor que nos martelos de forjamento e nasprensas hidráulicas. O máximo de carga é obtido quando a massa superior está aaproximadamente 3mm acima da posição neutra central. São encontradas prensasmecânicas de 300 a 12.000 toneladas. A pancada de uma prensa é mais uma aplicação decarga crescente do que realmente um impacto. Por isto as matrizes sofrem menos e podemser menos maciças. Porem o custo inicial de uma prensa mecânica é maior que de ummartelo.
3. Prensas hidráulicas
As prensas hidráulicas são máquinas limitadas na carga, na qual a prensa hidráulicamove um pistão num cilindro. A principal característica é que a carga total de pressão étransmitida em qualquer ponto do curso do pistão. Essa característica faz com que asprensas hidráulicas sejam particularmente adequadas para operações de forja do tipo deextrusão. A velocidade do pistão pode ser controlada e mesmo variada durante o seu curso.A prensa hidráulica é uma máquina de velocidade baixa, o que resulta em tempos longos decontato com a peça que pode levar a problemas com a perda de calor da peça a sertrabalhada e com a deterioração da matriz. Por outro lado. a prensagem lenta de uma prensahidráulica resulta em forjamento de pequenas tolerâncias dimensionais. As prensashidráulicas são disponíveis numa faixa de 500 a 18.000 toneladas, já tendo sidoconstruídas, também, prensas hidráulicas de 50.000 toneladas. O custo inicial de umaprensa hidráulica é maior do que o de uma prensa mecânica da mesma capacidade. Sãodisponíveis na literatura técnica fatores para conversão entre a capacidade das prensas e dosmartelos de forja.
4. Martelo
A peça mais comumente usada dos equipamentos de forja é o martelo de forja. Osdois tipos básicos de martelo são: martelo de queda livre com prancha e o martelo de duploefeito. No martelo de queda com prancha, a matriz superior e a massa cadente são elevadaspor rolos de atrito engrenados à prancha, correntes ou outros mecanismos. Quando aprancha é liberada, a massa cadente cai sob a influência da gravidade para produzir aenergia da pancada. A prancha é imediatamente elevada para nova pancada. O forjamentocom um martelo é normalmente feito com pancadas repetidas. Os martelos podem atingirentre 60 e 150 pancadas por minuto dependendo do tamanho e capacidade. A energiasuprida pelas pancadas é igual à energia potencial devido ao peso da massa cadente e daaltura de queda. Os martelos de queda são classificados pelo peso da massa cadente.Entretanto, uma vez que o martelo é uma máquina limitada energeticamente. no qual adeformação se processa até que a energia cinética é dissipada pela deformação plástica dapeça de trabalho ou pela deformação elástica das matrizes e da máquina, é mais corretoclassificar essas máquinas em termos da energia transmitida.Uma capacidade maior de forja é atingida com um martelo de duplo efeito no qual omartelo é acelerado no seu curso descendente por pressão de vapor ou ar comprimido emadição à gravidade. O vapor ou ar comprimido podem também serem usados para elevar omartelo no seu curso ascendente. Nos martelos de queda o choque produzido pela queda damassa é transmitido para toda a estrutura da máquina, bem como para as fundações. O queé um grande transtorno.Para amenizar este fato foram desenvolvidos os martelos de contragolpe, em que achabota se movimenta ao mesmo tempo que a massa superior encontrando-se ambas nomeio do percurso. Desta forma a reação do choque praticamente inexiste e não étransmitida para a estrutura da máquina e fundações. Mas dada a configuração deste tipo de martelo temos como desvantagens:
• maior desalinhamento entre as partes superior e inferior da matriz;
• a força de forjamento deve estar localizada no meio da matriz para evitar grandes atritos entre as massas e as guias;
• não é possível manipular a peça durante o movimento do martelo;
• maiores despesas de manutenção
Uma característica comum aos martelos é que em função do forjamento serfeito por meio de golpes, o martelo adquire grande flexibilidade, pois enquanto as prensas são limitadas em termos de força (só podem ser aplicadas se a forçarequerida for menor que a disponível), nos martelos esta limitação não existe umavez que o martelo aplicará golpes sucessivos até que a conformação desejada seprocesse. Desta forma os martelos são mais indicados para o uso com matrizesde múltiplas cavidades em que em um único bloco existem as cavidades para pré - conformaçãoe conformação final.Um outro aspecto relativo aos martelos é que estes requerem em média400% mais energia, que as prensas, para executar a mesma deformação
Defeitos no processo de Forjamento
Os produtos forjados também apresentam defeitos típicos. Eles são:
• Falta de redução – caracteriza-se pela penetração incompleta do metal na cavidade da ferramenta. Isso altera o formato da peça e acontece quando são usados golpes rápidos e leves do martelo.
• Trincas superficiais – causadas por trabalho excessivo na periferia da peça em temperatura baixa, ou por alguma fragilidade a quente.
• Trincas nas rebarbas – causadas pela presença de impurezas nos metais ou porque as rebarbas são pequenas. Elas se iniciam nas rebarbas e podem penetrar na peça durante a operação de rebarbação.
• Trincas internas – originam-se no interior da peça, como conseqüência de tensões originadas por grandes deformações.
• Gotas frias – são descontinuidades originadas pela dobra de superfícies, sem a ocorrência de soldagem. Elas são causadas por fluxos anormais de material quente dentro das matrizes, incrustações de rebarbas, colocação inadequada do material na matriz.
• Incrustações de óxidos – causadas pela camada de óxidos que se formam durante o aquecimento. Essas incrustações normalmente se desprendem ma, ocasionalmente, podem ficar presas nas peças.
• Descarbonetação – caracteriza-se pela perda de carbono na superfície do aço, causada pelo aquecimento do metal.
• Queima – gases oxidantes penetram nos limites dos contornos dos grãos, formando películas de óxidos. Ela é causada pelo aquecimento próximo ao ponto de fusão.
Defeitos de Forjados
DefeitoDescriçãoProblemaDescontinuidadesuperficialAbertura superficial decorrente de projeto ou moldes inadequadosIniciação de trincas
Inclusão de AreiaPreparação inadequada do moldeUsinagem dificultada, iniciação de trincasPorosidadeInadequação de moldagem de macharia ou de fusãoAparência inadequada, perdade resistência
Trinca a QuenteProjeto inadequado, molde e/ou macho muito rígidosIniciação de trincasRechupesProjeto inadequado de fundiçãoQuebraJunta FriaMetal com Fluidez deficientePerda de ResistênciaGranulação GrosseiraSuperaquecimento, dimensão inadequada do lingote, projeto de ferramental inadequadoQuebraSuscetibilidade à fadiga, perda depropriedades dependendo dadireção do esforçoDobrasCaldeamento deficiente das superfícies gerando descontinuidadeAparecimento de concentradoresde tensões podendo ocasionartrincas
TrincasDescontinuidade interna/externa com diversas possibilidades de origemQuebra
Vantagens e Desvantagens do Processo de Forjamento
Vantagens
♦ Controlando a deformação durante o processo de forjamento, pode-se melhorar as propriedades mecânicas da peça produzindo um alinhamento direcional, melhorando assim propriedades de tensões, ductibilidade, impacto e resistência a fadiga.
♦ As fibras podem ser alinhadas na direção em pontos onde ocorrem máximas tensões.
♦ Menor custo de fabricação, pois se tem a mínima perda de material.
Desvantagens
♦ As peças a serem forjadas geralmente necessitam de usinagem antes do processo de forjamento
♦ Os equipamentos são muito caros
De um modo geral, todos os materiais conformáveis podem ser forjados. Os mais utilizados para a produção de peças forjadas são os aços (comuns e ligados, aços estruturais, aços para cementação e para beneficiamento, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, aços ferramenta), ligas de alumínio, de cobre (especialmente os latões), de magnésio, de níquel (inclusive as chamadas superligas, como Waspaloy, Astraloy, Inconel, Udimet 700, etc., empregadas principalmente na indústria aeroespacial) e de titânio. O material de partida é geralmente fundido ou, mais comumente, laminado - condição esta que é preferível, por apresentar uma microestrutura mais homogênea. Peças forjadas em matriz, com peso não superior a 2 ou 3 kg, são normalmente produzidas a partir de barras laminadas; as de maior peso são forjadas a partir de tarugos ou palanquilhas, quase sempre também laminados, e cortados previamente no tamanho adequado. Peças delgadas, como chaves de boca, alicates, tesouras, tenazes, facas, instrumentos cirúrgicos, etc., podem ser forjadas a partir de recortes de chapas laminadas.
--187.25.24.0 (discussão) 03h56min de 9 de abril de 2009 (UTC)kelline