instituto tecnológico de aeronáutica divisão de engenharia
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Extrusão e Forjamento
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação
Dr. Ronnie Rego
Dr. Alfredo R. de Faria
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2
Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
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3
Processos de Fabricação: Estrutura do Curso
Plasticidade Fundamentos da Conformação
Tecnologias de Conformação
Processos Não-Convencionais
Comportamento mecânico
Tipos de Falhas Análise de tensão
e deformação Relações plásticas Escoamento
plástico
Classificação Modelos
preditivos Influências: atrito,
temperatura; taxa de deformação e anisotropia.
Ensaios de conformabilidade
Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento
Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó
F
dx
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4
Conceituação dos processos de conformação de extrusão e forjamento
Objetivos Específicos (para cada processo):1. Prover definições fundamentais sobre o processo e cadeia, suas variantes
tecnológicas e suas aplicações
2. Apontar as influências principais sobre o processo
Objetivo da aula
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5
Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
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6
Processo de conformação plástica em que bloco de metal é forçado a passar através de orifício de matriz por ação de compressão Pressões elevadas aplicadas por
pistão acionado hidráulica ou pneumaticamente
Produção de barras, tubos e perfis de geometria complexa, a partir de material fundido ou laminado
Comumente conduzido a temperaturas elevadas (acima da recristalização)
– Sem processo de encruamento
Extrusão
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7
Processo de conformação plástica em que bloco de metal é forçado a passar através de orifício de matriz por ação de compressão
Extrusão
Curso do PistãoPr
essã
o de
Ext
rusã
o
1
2
34
1- Compressão Inicial2- Breakthrough pressure (Pmax)
3- Escoamento do material extrudado4- Efeito da redução do comprimento (↓escoamento)
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8
Extrusão Direta x Extrusão Indireta
Extrusão
Extrusão Direta
– Pistão age sobre o tarugo forçando-o contra a ferramenta
Extrusão Indireta (Inversa)
– Pistão se mantém fixo, com a ferramenta em sua extremidade
– Recipiente com o tarugo avançam na direção do pistão:
• Atrito inexistente
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9
Curso do PistãoPr
essã
o de
Ext
rusã
o
Extrusão Direta x Extrusão Indireta
Extrusão
DIRETA
INDIRETA
Extrusão Direta
– Ferramental barato
– Necessita lubrificação
– Aparecimento de defeitos
Extrusão Indireta (Inversa)
– Pistão oco: caro e pode flambar
– Exige menos esforço (atrito inexistente)
– Produto mais homogêneo
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Variantes do processo de extrusão: Extrusão por Impacto Pistão desce rapidamente
sobre o tarugo, que é conformado na direção contrária à de movimentação do pistão (similar à extrusão indireta)
Processo usualmente conduzido a frio
Geometria: folga entre pistão e matriz
Extrusão
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Ferramental: Matriz de extrusão Deve suportar altas pressões, choque térmico e oxidação
Extrusão: Equipamento
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Ferramental:1. Material Extrudado
2. Suporte da Matriz
3. Matriz
4. Tarugo
5. Falso Pistão
6. Pistão Acionador
7. Recipiente: Bucha Interna (camisa)
8. Recipiente: Cilindro de Extrusão
Extrusão: Equipamento
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Barras, tubos e perfis de geometria complexa A partir de material fundido ou laminado
Extrusão: Produtos Extrudados / Aplicações
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1. Diâmetro inicial
2. Intensidade da deformação da seção transversal (redução projetada)
3. Geometria da ferramenta
4. Força de compressão
5. Lubrificação (atrito entre material e recipiente)
6. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)
7. Temperatura de trabalho
8. Velocidade do processo
Extrusão: Fatores de Influência
Quantificação por relações geométricas
e de deformação
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Relações geométricas e de deformação na extrusão
Extrusão: Fatores de Influência
MatrizRecipiente
Ai, DiAf, Df
Razão de Extrusão (r) [%]
Deformação principal (φP) [%]
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Geometria da matriz FGES: Força total
FRS: Força de atrito com a matriz (parte cônica)
FSch: Força de cisalhamento (trabalho redundante)
FId: Força ideal de deformação (sem atrito e cisalhamento)
FRW: Força de atrito com o recipiente (parte cilíndrica)
Extrusão: Fatores de Influência
Ângulo ótimo
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Condição de Lubrificação1. Deformação homogênea
– Baixo atrito, extrusão hidrostática, boa lubrificação
2. Atrito aumentado
– Início do trabalho redundante (cisalhamento não resultante em redução)
3. Atrito severo
– Escoamento da parte central e formação de casca na parede do recipiente
4. Extrusão indireta
– Atrito inexistente
Extrusão: Fatores de Influência
1 2
3 4
Zona Morta
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Cálculo da Carga e Pressão de Extrusão “Métodos Analíticos”
Força total de extrusão (Pe) é dada pela soma da força na matriz (Pd) mais força de atrito (Pf): Pe = Pd + Pf
Assumindo tensão de atrito constante (i) a pressão no tarugo (pf) pode ser obtida pela equação de equilíbrio de força pfD2/4 = DiL
A pressão total de extrusão é então pe = pd + pf = pd + 4iL/D Se pe e pd forem medidas acha-sei
Usando teoria de campo (slip-line) pd = 0(a + b lnR), onde a e b são parâmetros dependentes da geometria
Extrusão: Fatores de Influência
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Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
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Trabalho de um material para um formato útil por meio de martelamento ou prensagem Conformação é resultado de
esforço de impacto ou de pressão
Em geral conduzidos a quente
Matriz pode ser aberta ou fechada
Processo aplicado a produções de larga escala (amortizar custo do ferramental)
Forjamento
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Trabalho de um material para um formato útil por meio de martelamento ou prensagem Primeiro dos processo de
conformação: fabricação de espadas (ferreiro)
Avanço: equipamentos mecanizados com a I Revolução Industrial
Forjamento
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Forjamento a Quente Com aquecimento prévio
– Permite altas deformações
– Demanda baixa carga de conformação
– Menor precisão dimensional
Forjamento a Frio– Maior precisão dimensional
– Deformações limitadas
– Demanda alta carga de conformação
Forjamento: Classificações
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Forjamento: Classificações
Forjamento com Matriz Aberta Geometria simples da matriz
(em geral, plana)
Componentes de grande volume e geometria simples
Baixa escala de produção
Preparação para processo de matriz fechada
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Forjamento: Classificações
Forjamento com Matriz Fechada Alta pressão em cavidade fechada
Melhor tolerância dimensional
Alta escala de produção
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Processo conduzido em sequencia de etapas
Forjamento
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Classificação (por Kienzle)1. Limitado pela Energia
– Martelos
2. Limitado pelo Curso
– Prensa mecânica
3. Limitado pela Carga
– Prensa hidráulica
Forjamento: Equipamento
1
2
3
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Limitado pela Energia Por Impacto: Martelo
Efeito da gravidade: restrição da energia potencial (massa e altura do pistão)
Alternativa: Acionamento auxiliado por ar comprimido: energia potencial e cinética
Rápido: pouco tempo de contato (< 10 ms)
Baixo custo do equipamento
Restrito a baixas cargas de conformação (600 ton)
Sem controle de carga e velocidade
Forjamento: Equipamento
Auxílio da pressão do ar: parcela adicional de
energia cinética
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Limitado pelo Curso Por Prensagem: Prensa Mecânica
Conversão de movimento rotativo em alternativo
Curso limitado pela excentricidade dos eixos
Mais lento: esmagamento, não impacto
Alto custo do equipamento
Maior vida útil da ferramenta
Permite altas cargas (12.000 ton)
Forjamento: Equipamento
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Limitado pela Carga Por Prensagem: Prensa Hidráulica
Pressão hidráulica acumulada movimenta pistão em um cilindro
Em qualquer ponto do curso: carga máxima disponível (controlável)
Controle da velocidade → controle da taxa de deformação
Maior precisão dimensional
Permite altas cargas de conformação (50.000 ton)
O mais lento: conformação por esmagamento, não por impacto
O mais alto custo de equipamento
Forjamento: Equipamento
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30
Ferramental: Matriz e Punção Altas tensões de compressão (~ 2000 MPa)
Altas temperaturas (forjamento a quente)
Choque mecânico (martelamento)
Forjamento: Equipamento
Matriz plana Matriz redondaMatriz em “V”
Diferentes geometrias de matriz para forjamento de matriz aberta
• Alta dureza• Elevada Tenacidade• Resistência à Fadiga• Resistência mecânica a Quente• Resistência ao Desgaste
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Geometria de ferramenta para eliminação de defeitos
Forjamento: Equipamento
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32
Geometria de ferramenta para eliminação de defeitos
Forjamento: Equipamento
plate dished swage
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Relação entre deformação efetiva e defeito
Forjamento: Equipamento
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
Ingot Height (mm)
Effe
ctiv
e St
rain
UPPER VOID WITHOUT VOID
VOID POSITION
EFFECTIVE STRAIN0.617
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Distribuição de deformação efetiva
Forjamento: Equipamento
plate dished swage
840 mm 790 mm 820 mm
Deslocamento da matriz superior no instante da eliminação do defeito
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Conclusões:
• Matriz “Dished” é mais eficiente na eliminação de defeitos no centro dos lingote pois apresentou o menor deslocamento final (790 mm);
• Matriz “Dished” requer mais força para o recalque;• Matriz “Swage” obteve resultados intermediários;• Pode-se relacionar eliminação de defeitos com deformação efetiva;• A matriz mais eficiente para a eliminação de defeitos depende da posição dos
defeitos.
Forjamento: Equipamento
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36
1. Dimensões iniciais e dimensões finais planejadas
2. Geometria da ferramenta
3. Força de compressão
4. Atrito entre matriz e componente
5. Propriedades mecânicas acumuladas
6. Temperatura de trabalho
7. Velocidade do processo
Forjamento: Fatores de Influência
Quantificação por relações geométricas
e de deformação
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37
Relações geométricas e de deformação no forjamento (recalque)
Forjamento: Fatores de Influência
hi
hf
Deformação Convencional (e)
Deformação Verdadeira (ε). Sendo
Redução (r) [%]
Relação de Prensagem (S)
di
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Cálculo da Carga e Pressão de Forjamento “Métodos Analíticos”
Forjamento: Fatores de Influência
xx + dx
dxxz
xz
p
p
h
aax
xh (x + dx)h 2xzdx = 0 dx/dx = 2xz/hCritério de escoamento de von Mises: 1 3 = 0´ = p x
Uma vez que 0´ não varia com x, dp/dx = dx/dxAtrito está relacionado à força normal xz =pLogo, dp/p = 2dx/h ln p = 2x/h + ln CNa lateral (x = a) a tensão x é nula p = 0´ ln C = ln 0´ + 2a/h
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Cálculo da Carga e Pressão de Forjamento “Métodos Analíticos”
Forjamento: Fatores de Influência
p = 0´exp[2(a x)/h]Pressão média de forjamento: pmedia = 0´[exp(2a/h) 1]/(2a/h)
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40
Atrito entre matriz e componente Tensões de cisalhamento
criadas na superfície de contato
Efeito: abaulamento do perfil forjado
Anéis: perfil de abaulamento influenciado pela intensidade do atrito
Forjamento: Fatores de Influência
Elevado atritoBaixo atrito
SEM atrito COM atrito
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Velocidade do processoa. Baixa velocidade: prensa hidráulica
– Maior tempo de contato entre matriz e componente, facilitando a refrigeração
– Menores temperaturas
b. Elevada velocidade: prensa mecânica/excêntrica
– Menor tempo de contato, dificultando refrigeração
– Menores gradientes de temperatura
– Deformação mais uniforme, menor abaulamento
Forjamento: Fatores de Influência
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Fechamentos4.
Forjamento3.
Extrusão2.
Introdução1.
Agenda
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Objetivos Específicos
Definições Fundamentais
1
Influências Principais
2 MatrizRecipiente
Ai, DiAf, Df
hf