Entendendo Processos de Conformação: Tipos, Aplicações e Benefícios

A conformação é uma das técnicas de manufatura importantes na engenharia moderna. Quase muitos objetos usados em nosso dia a dia são fabricados por métodos ou processos de conformação.

Alguns exemplos são a esfera usada em caneta esferográfica, válvulas hidráulicas e pneumáticas, tubos de pasta de dente, vasilhames de cozinha, correntes, pás de ventilador, etc.

A conformação de metais é amplamente usada ao redor do globo devido às suas vantagens positivas como custo-efetividade, propriedades mecânicas melhoradas, alta resistência, produtividade aumentada e economia de material melhorada.

A conformação encontrou aplicações em muitos campos como aeroespacial, automotivo e indústrias de defesa.

Um veículo automóvel típico usa partes como aros de roda, carroceria, chassi, válvulas feitas por método de conformação.

Neste artigo, estudaremos o que é Conformação e quais são os diferentes tipos de processos de Conformação em detalhes. Em seguida, também veremos vantagens, desvantagens e aplicações.

Histórico do Processo de Conformação

A descoberta de um pingente de cobre no norte do Iraque por volta de 8.700 a.C. foi estabelecida como a primeira operação conhecida de mineração e trabalho industrial de metal. Mineração de cobre foi documentada nas Américas já em 4000-5000 a.C. no Lago Michigan.

Os metais tornaram-se cada vez mais significativos para suas civilizações individuais ao longo do tempo, tornando-se essenciais para operações de construção, e o trabalho com metais tornou-se um componente importante da sociedade.

A arte de trabalhar com metal agora abrange uma ampla gama de profissões e indústrias.

Conformação e modelagem de metais é especialidade para muitas pessoas. Desde tempos antigos, técnicas evoluíram significativamente, e máquinas agora realizam a maior parte da modelagem de metais.

Por exemplo, conformação por rolos é realizada usando equipamentos de conformação por rolos de alta qualidade. Conformação por rolos é um método de dobrar uma tira contínua de metal em uma certa forma.

Uma máquina de conformação por rolos é composta por uma série de rolos que dobram o metal em forma em movimento contínuo. Apenas uma pequena porção do metal é dobrada por cada par de rolos, também conhecidos como fios. O metal é rolado até atender aos requisitos.

A evolução do trabalho com metais pode ser vista na arte da fabricação de rolos. O uso de máquina de conformação por rolos e outros equipamentos são exemplos de como a indústria de trabalho com metais progrediu através do tempo.

O que é Processo de Conformação?

Conformação de metais é um processo de fabricação de componentes de formas desejadas deformando o material plasticamente, pela aplicação de força compressiva, força de flexão ou cisalhamento, força de tração, ou combinações de todas estas forças juntas, sem adicionar ou remover material.

Tipos de Processo de Conformação

Processo de Conformação foi classificado em dois grupos: Conformação de volume (Bulk-forming) e Conformação de chapas metálicas (Sheet metal forming).

Adiante, a classificação detalhada do processo de conformação conforme o layout acima.

Agora conheceremos todos os tipos em detalhes.

#1. Conformação de Volume (Bulk Forming)

Conformação de volume é um método de produção de materiais com grandes volumes de produtos cuja área superficial é menor que a razão de volume.

Aqui, para realizar a usinagem, forças de tração, compressivas, de cisalhamento, ou combinação de quaisquer duas é processada.

É realizada em maquinário que possui um conjunto de ferramentas e matrizes. O uso de uma ferramenta e a própria matriz nos fazem entender que a matriz tem a mesma forma que a saída a ser produzida e a ferramenta é pressionada contra a matriz para gerar a forma no material.

A conformação de volume envolve processos chamados Laminação, Forjamento, Extrusão e Trefilação como seus processos de trabalho.

1.1 Laminação

Laminação é um processo de conformação típico usado para fabricar produtos semi-acabados como vergalhões, chapas, placas, e produtos acabados como perfis angulares, perfis U e perfis. Laminação pode ser feita a quente e a frio.

Neste processo, o billet na forma de placa é comprimido entre dois rolos que giram em direções opostas, reduzindo assim a espessura do billet e fabricando-o em nova forma. Os rolos rotativos puxam a placa para o espaço e a comprimem. O produto final é o tamanho reduzido do billet.

Uma variedade de laminadores evoluíram ao longo do tempo para produção de diferentes artigos formados. Cada um é descrito abaixo.

1.2 Laminador de Dois Cilindros (Two-High Rolling Mill)

O Laminador de Dois Cilindros é construído com três suportes separados com dois rolos horizontais empilhados um sobre o outro.

Um ou ambos os rolos são ajustáveis neste tipo de laminador. O metal é passado entre dois rolos que giram na mesma velocidade mas em direções diferentes durante a operação.

1.3 Laminador de Três Cilindros (Three-High Rolling Mill)

No caso do Laminador de Três Cilindros, existem três rolos, um sobre o outro. Dois rolos serão usados por vez para uma única passagem. Neste caso, a direção do rolo não será alterada.

A chapa será realocada para os dois rolos inferiores para uma redução adicional uma vez que os dois rolos superiores tenham sido usados para a primeira redução. Este ciclo é repetido até a redução desejada ser alcançada.

1.4 Laminador de Quatro Cilindros (Four-High Rolling Mill)

O Laminador de Quatro Cilindros consiste em dois rolos pequenos usados para reduzir espessura e dois rolos grandes de apoio usados para suportar os rolos pequenos.

Como a área de contato rolo-chapa é reduzida com rolos curtos, a força de laminação requerida é diminuída.

Os grandes rolos de apoio são necessários para diminuir a deflexão elástica dos rolos pequenos quando a chapa passa entre eles.

1.5 Laminador Cluster (Cluster Mill)

Um Laminador Cluster é composto por dois rolos de trabalho e quatro ou mais rolos de apoio.

O número de rolos de apoio ou suporte necessários é determinado pela quantidade de suporte necessária para os rolos de trabalho (pequeno diâmetro). Laminadores cluster são normalmente empregados em operações de laminação a frio.

1.6 Laminação de Anéis (Ring Rolling)

Laminação de Anéis é um método de conformação que envolve laminar um componente de anel de parede grossa de diâmetro menor em um anel de parede fina de diâmetro maior.

À medida que o anel de parede grossa é comprimido, o material deformado alonga, causando o aumento do diâmetro do anel.

1.7 Forjamento

Forjamento é um método de conformação de volume no qual forças compressivas e de tração são aplicadas a uma peça ou billet para fabricá-lo em produto final usando um par de ferramentas chamadas matriz e punção.

Matrizes abertas ou fechadas podem ser usadas para forjamento. Na maioria dos casos, forjamento em matriz aberta é usado para moldar matérias-primas em forma adequada para posterior conformação ou usinagem.

Neste processo, o billet é comprimido entre duas matrizes. As matrizes contêm um contorno moldado que deve ser gerado no produto final. Na compressão do billet entre um par de matrizes, a forma é impartida no billet, obtendo-se assim o produto final.

1.7.1 Forjamento em Matriz Aberta

Para operações como estiramento, afinamento, etc., Forjamentos em Matriz Aberta são feitos com um par de matrizes de faces planas.

Forjamento em matriz aberta é uma tecnologia vital em variedade de indústrias.

Permite o formato bruto e acabamento de metais, notavelmente aço e ligas de aço. Necessita matriz com lados abertos que permite a peça mover-se livremente lateralmente quando golpeada. Este design também permite forjamento de peças muito grandes.

1.7.2 Forjamento em Matriz Fechada

Forjamento em Matriz Fechada é realizado comprimindo um billet de matéria-prima em uma cavidade produzida entre duas matrizes moldadas.

A forma da cavidade da matriz é alcançada pela formação de produtos. Formação em matriz fechada é usada para fabricar peças de válvulas, peças de bombas, pequenas engrenagens, bielas, chaves de fenda, etc.

1.7.3 Cunhagem (Coining)

O processo de cunhagem é a aplicação de tensão compressiva na superfície da matéria-prima para impartir formas únicas do punção de cunhagem.

Exemplos são moedas e medalhas de metal cunhadas.

1.7.4 Forjamento por Impressão (Impression Die Forging)

No Forjamento por Impressão, as superfícies da matriz têm uma forma que é impartida à peça durante a compressão, restringindo grandemente o fluxo do metal. O material distorcido adicional fora da impressão da matriz é referido como rebarba (flash). Isso será removido depois.

Forjamento por impressão é incapaz de produzir produtos com tolerâncias apertadas.

Para atingir as precisões requeridas, usinagem é geralmente necessária.

O processo de forjamento produz a forma fundamental do item, com usinagem adicional realizada naquelas partes que requerem acabamento de precisão, como furos e roscas.

1.7.5 Forjamento Sem Rebarba (Flash Less Forging)

Na técnica de Forjamento Sem Rebarba, a peça é totalmente limitada dentro da matriz em forjamento sem rebarba, e nenhuma rebarba é produzida. A quantidade de peça inicial utilizada deve ser precisamente gerenciada para que corresponda ao volume da cavidade da matriz.

Esta técnica de forjamento sem rebarba é apropriada para fabricar geometrias de peças básicas e simétricas, bem como materiais de trabalho como Al, Mg e suas ligas, devido às demandas.

1.7.6 Forjamento por Rolos (Roll Forging)

Forjamento por Rolos é um método de modelagem usado para diminuir a seção transversal de um bastão cilíndrico ou retangular passando-o através de um conjunto de rolos opostos com ranhuras correspondentes em relação à forma desejada do item final. Embora também combine laminação e forjamento, é categorizado como operação de forjamento.

Neste processo, os rolos giram parcialmente dependendo do grau de deformação. Produtos forjados por rolos são frequentemente mais fortes e têm a estrutura de grão requerida comparado à usinagem do mesmo item.

1.7.7 Forjamento Orbital (Orbital Forging)

No Forjamento Orbital, a forma é impartida ao material neste método por uma matriz superior cônica que é sincronamente rolada e empurrada no trabalho. Uma matriz inferior é usada para suportar o trabalho.

Devido ao eixo inclinado do cone, apenas uma pequena porção da superfície da peça é comprimida em qualquer ponto do processo de conformação.

A região sob compressão circula à medida que a matriz superior gira. Há uma redução significativa na demanda de carga de prensa causada por contato de deformação parcial em qualquer etapa de conformação.

1.7.8 Forjamento Isotérmico (Isothermal Forging)

Forjamento Isotérmico é uma técnica de forjamento a quente na qual o trabalho é mantido a alta temperatura durante o processo de conformação. As matrizes de forjamento também são mantidas na mesma alta temperatura. Eliminando o frio do trabalho entrando em contato com as superfícies frias da matriz, o metal flui mais facilmente e o esforço requerido é reduzido.

A técnica é mais cara que forjamento tradicional e é tipicamente usada para metais difíceis de forjar como Ti, superligas, e formas de componentes complexas. Para evitar oxidação rápida do material da matriz, a operação é realizada em vácuo ou ambiente inerte.

1.8 Extrusão

Extrusão é um procedimento de conformação de volume que envolve forçar ou comprimir metal de trabalho através de um orifício da matriz para produzir uma forma de seção transversal desejada.

Extrusão é tipicamente distribuída em dois modos de trabalho: Direta ou extrusão avanço e Indireta ou extrusão recuo.

1.8.1 Extrusão Direta ou Avanço

Na extrusão direta, um billet metálico é primeiro carregado no container. O container tem um orifício da matriz de contorno moldado. Um aríete é então usado para forçar o billet metálico através do orifício da matriz para produzir o artigo.

Produtos extrudados incluem tubos, latas, copos, pequenas engrenagens, eixos, etc.

Alguma porção do billet sempre permanece no final de cada extrusão e é chamada de toco (butt).

1.8.2 Extrusão Indireta ou Recuo

Em vez de ser montada no container, a matriz é montada no aríete. O metal flui através do orifício da matriz no lado do aríete na direção oposta ao movimento do aríete enquanto é comprimido pelo aríete.

Não há atrito no contato pois não há movimento relativo entre o billet e o container, logo a força do aríete é menor que na extrusão direta.

1.9 Trefilação (Wire Drawing)

O processo de trefilação é usado para fazer fios de pequeno diâmetro a partir de vergalhões reduzindo seu diâmetro e esticando seu comprimento com força de tração.

Trefilação é usada para fazer cordas musicais. Trefilação de tubos pode criar tubos sem costura.

Neste processo, uma barra ou vergalhão é puxado através de um orifício da matriz para formar a espessura desejada do fio, reduzindo sua área de seção transversal.

2. Extrusão por Impacto

Extrusão por impacto é sempre realizada a frio. Extrusão por impacto recuo permite paredes muito finas. Fabricação de tubos de pasta de dente, por exemplo, ou caixas de bateria.

É feita em velocidades maiores e com cursos mais curtos. Pressão de impacto, em vez de exercer pressão, é usada para extrusar o billet através da matriz. Contudo, impacto pode ser realizado por extrusão avanço, recuo ou combinação de ambas.

2.1 Extrusão Hidrostática

Na técnica de extrusão hidrostática, o billet é cercado por fluido dentro do container durante o processo, e o fluido é pressurizado pelo movimento avançado do aríete. Devido ao fluido, não há atrito dentro do container, e atrito no orifício da matriz é mínimo. Fluidos e métodos especiais devem ser empregados ao trabalhar em altas temperaturas.

A ductilidade de um material aumenta quando há pressão hidrostática sobre ele e sem atrito. Como resultado, esta abordagem pode ser utilizada em metais muito frágeis para procedimentos de extrusão tradicionais.

Este método é usado em metais dúcteis, com grandes razões de redução concebíveis.

#2. Conformação de Chapas Metálicas (Sheet Metal Forming)

Conformação de chapas metálicas envolve a aplicação de forças de tração e cisalhamento para fabricar chapas, placas e tiras em uma forma desejada possível usando um conjunto de ferramentas. O punção e a matriz são usados como ferramentas no processo de fabricação.

Conformação de chapas metálicas está associada a operações: Dobramento, Estiramento, Cisalhamento, Corte (Blanking), e Perfuração (Punching) para produzir os materiais.

O método de conformação de chapas usa técnicas de deformação plástica de chapas como Estiramento Profundo (Deep Drawing), Corte, Dobramento, Bainha (Hemming), Flangeamento (Flanging), Enrolamento (Curling), Estiramento por Estiramento (Stretch Forming), Estampagem (Stamping).

2.1 Estiramento Profundo (Deep Drawing)

Estiramento profundo é um processo de chapa metálica no qual a chapa é forçada em uma cavidade oca usando forças de tração e compressivas sem alterar sua espessura.

Neste processo, a chapa é colocada sobre a abertura da matriz e empurrada para dentro com um punção. Um prensador de branco (blank holder) é usado para manter a chapa plana na superfície da matriz.

Em muitos casos, a alteração requerida para criar aquela parte será substancial (a razão de estiramento é muito alta). Em tais casos, a conformação completa da parte necessitará de mais de uma etapa de estiramento profundo.

Quaisquer etapas adicionais de estiramento requeridas para completar a operação de estiramento são referidas como Re-estiramento (Redrawing).

2.2 Dobramento de Chapa (Sheet Bending)

Dobramento de chapa é definido como deformação do metal em torno de um eixo reto. O metal na borda interna do plano neutro é comprimido enquanto o metal nas bordas externas do plano neutro é esticado durante a operação de dobramento. A espessura da chapa metálica não muda como resultado do dobramento.

2.3 Estiramento ou Formação por Estiramento (Stretch Forming)

Formação por estiramento é um processo de conformação de chapa metálica no qual a chapa é intencionalmente esticada e dobrada ao mesmo tempo para alterar sua forma.

A chapa é segura em ambas as extremidades por garras ou contas de estiramento e então esticada por punção, causando tensão na chapa acima de seu limite de escoamento e fabricando-a na forma desejada.

O metal foi plasticamente distorcido quando a deformação é liberada. O impacto combinado de estiramento e dobramento causa a peça a ter menor retorno elástico (spring back).

Videoaula do Processo de Conformação de Metais

[Vídeo incorporado do YouTube não reproduzível em formato texto]

Aplicações do Processo de Conformação de Metais

A técnica de conformação de metais é usada para produzir tubos sem costura, vergalhões e anéis de turbinas. Também é usada para criar fornos de cimento.

Este processo de conformação pode ser usado para criar mancais, chapas, folhas de aço e numerosos componentes para um automóvel.

Este método também é usado para fabricar componentes de mísseis e aeronaves e também para fabricar dobradiças, parafusos e pregos.

Vantagens do Processo de Conformação de Metais

As seguintes vantagens dos processos de conformação são as seguintes:

• Artigos com resistência aumentada.
• Desperdício de material muito baixo.
• Componentes menores com alta resistência podem ser fabricados.
• Artigos produzidos são precisos em dimensões.
• Taxa uniforme de conformação.
• Ótimo acabamento superficial.
• Menor tempo de usinagem comparado ao método convencional de remoção de metal.
• Propriedades mecânicas melhoradas.

Desvantagens do Processo de Conformação de Metais

As seguintes desvantagens dos processos de conformação são as seguintes:

• Requisito de potência é alto.
• Há requisito de forças mecânicas altas.
• Endurecimento por deformação do material de trabalho é um limite para a quantidade de conformação.
• Material frágil não pode ser fabricado neste processo.
• Há também uso de processo de tratamento térmico na conformação de metais às vezes.