Forjamento Explicado: Processo, Tipos e Materiais

O que é Forjamento?

Forjamento é um processo de manufatura envolvendo a conformação de metal através de martelamento, prensagem ou laminação. Estas forças compressivas são entregues com um martelo ou matriz. O forjamento é frequentemente categorizado de acordo com a temperatura na qual é realizado: forjamento a frio, morno ou a quente.

Uma ampla gama de metais pode ser forjada. Metais típicos usados em forjamento incluem aço carbono, aço liga e aço inoxidável. Metais muito macios como alumínio, latão e cobre também podem ser forjados. O processo de forjamento pode produzir peças com propriedades mecânicas excelentes com desperdício mínimo.

O conceito básico é que o metal original é deformado plasticamente para a forma geométrica desejada, dando-lhe maior resistência à fadiga e resistência. O processo é economicamente viável com a capacidade de produzir peças em massa e alcançar propriedades mecânicas específicas no produto acabado.

Forjamento tem sido feito por ferreiros por milênios; os produtos tradicionais eram utensílios de cozinha, ferragens, ferramentas manuais, armas de fio, pratos e joias.

Desde a Revolução Industrial, peças forjadas são amplamente usadas em mecanismos e máquinas onde quer que um componente exija alta resistência; tais forjados geralmente requerem processamento adicional (como usinagem) para alcançar uma peça quase acabada. Hoje, forjamento é uma grande indústria mundial.

História do Forjamento

Forjamento tem sido praticado por ferreiros por milhares de anos. No início, bronze e cobre eram os metais forjados mais comuns, na Idade do Bronze: mais tarde, à medida que a capacidade de controlar a temperatura e o processo de fundição de ferro foi descoberta, o ferro tornou-se o metal forjado primário.

Produtos tradicionais incluem utensílios de cozinha, ferragens, ferramentas manuais e armas de fio. A Revolução Industrial permitiu que o forjamento se tornasse um processo de produção em massa mais eficiente. Desde então, o forjamento evoluiu junto com avanços em equipamentos, robótica, controles eletrônicos e automação.

Forjamento é agora uma indústria mundial com instalações modernas de forjamento produzindo peças metálicas de alta qualidade em uma vasta gama de tamanhos, formas, materiais e acabamentos.

Tipos de Processos de Forjamento

Existem vários métodos de forjamento com diferentes capacidades e benefícios.

• Forjamento por queda (Drop forging)
• Forjamento por laminação (Roll forging)
• Forjamento por prensagem (Press forging)
• Forjamento por upset (Upset forging)
• Forjamento a frio (Cold Forging)
• Forjamento de precisão (Precision forging)
• Forjamento isotérmico (Isothermal forging)

1. Forjamento por Queda

Forjamento por queda deriva seu nome do processo de deixar cair um martelo sobre o metal para moldá-lo na forma da matriz. A matriz refere-se às superfícies que entram em contato com o metal.

Existem dois tipos de forjamento por queda — forjamento a matriz aberta e forjamento a matriz fechada. Matrizes são tipicamente planas em forma com algumas tendo superfícies distintamente moldadas para operações especializadas.

Forjamento a matriz aberta (smith forging)

Forjamento a matriz aberta também é conhecido como forjamento de ferreiro. Um martelo golpeia e deforma um metal em um bigorna estacionária. Neste tipo de forjamento, o metal nunca é completamente confinado nas matrizes — permitindo que flua exceto nas áreas onde está em contato com as matrizes.

É responsabilidade do operador orientar e posicionar o metal para alcançar a forma final desejada. Matrizes planas são usadas, com algumas tendo superfícies especialmente moldadas para operações especializadas. Forjamento a matriz aberta é adequado para peças simples e grandes, bem como componentes metálicos personalizados.

Vantagens do forjamento a matriz aberta:

• Melhor resistência à fadiga e resistência
• Reduz chance de erro e/ou vazios
• Melhora microestrutura
• Fluxo de grão contínuo
• Tamanho de grão mais fino

Forjamento a matriz fechada (impression-die)

Forjamento a matriz fechada também é conhecido como forjamento a matriz de impressão. O metal é colocado em uma matriz e anexado a uma bigorna. O martelo é deixado cair sobre o metal, fazendo com que flua e preencha as cavidades da matriz.

O martelo é cronometrado para entrar em contato com o metal em sucessão rápida em uma escala de milissegundos. Metal em excesso é empurrado para fora das cavidades da matriz, resultando em rebarba (flash). A rebarba esfria mais rápido que o resto do material, tornando-a mais forte que o metal na matriz. Após o forjamento, a rebarba é removida.

Para que o metal alcance o estágio final, ele é movido através de uma série de cavidades em uma matriz:

• Impressão de borda (também conhecida como fullering ou dobra): A primeira impressão usada para moldar o metal em uma forma bruta.
• Cavidades de bloqueio: O metal é trabalhado em uma forma que se assemelha mais ao produto final. O metal é moldado com dobras e filetes generosos.
• Cavidade de impressão final: Estágio final de acabamento e detalhamento do metal na forma desejada.

Vantagens do forjamento a matriz fechada:

• Produz peças até 25 toneladas
• Produz formas quase finais (near net shapes) que requerem apenas pequena quantidade de acabamento
• Econômico para produção pesada

2. Forjamento por Laminação

Forjamento por laminação consiste em dois rolos cilíndricos ou semi-cilíndricos horizontais que deformam uma barra redonda ou chata. Isso trabalha para reduzir sua espessura e aumentar seu comprimento.

Esta barra aquecida é inserida e passada entre os dois rolos cada um contendo uma ou mais ranhuras moldadas — e é progressivamente moldada conforme é laminada através da máquina. Este processo continua até que a forma e tamanho desejados sejam alcançados.

Vantagens do forjamento por laminação automático:

• Produz pouco ou nenhum desperdício de material
• Cria uma estrutura de grão favorável no metal
• Reduz a área de seção transversal do metal
• Produz extremidades cônicas

3. Forjamento por Prensagem

Forjamento por prensagem usa uma pressão ou força lenta e contínua, em vez do impacto usado no forjamento por martelo de queda. O deslocamento mais lento do aríete significa que a deformação atinge mais profundamente para que todo o volume do metal seja uniformemente afetado.

Contrastando, no forjamento por martelo de queda, a deformação é frequentemente apenas no nível da superfície enquanto o interior do metal permanece um pouco não deformado. Controlando a taxa de compressão no forjamento por prensagem, a tensão interna também pode ser controlada.

Vantagens do forjamento por prensagem:

• Econômico para produção pesada
• Maior precisão em tolerâncias dentro de 0,01–0,02 polegada
• Matrizes têm menos inclinação (draft) permitindo melhor precisão dimensional
• Velocidade, pressão e curso da matriz são controlados automaticamente
• Automação do processo é possível
• Capacidade de prensas varia de 500–9000 toneladas

4. Forjamento Upset

Forjamento upset é um processo de manufatura que aumenta o diâmetro do metal comprimindo seu comprimento. Prensas de manivela (crank presses), uma máquina especial de alta velocidade, são usadas em processos de forjamento upset.

Prensas de manivela são tipicamente ajustadas em um plano horizontal para melhorar a eficiência e a troca rápida de metal de uma estação para a próxima. Prensas de manivela verticais ou uma prensa hidráulica também são opções.

Vantagens do forjamento upset:

• Alta taxa de produção de até 4500 peças por hora
• Automação total é possível
• Eliminação do draft de forjamento e rebarba
• Produz pouco ou nenhum desperdício

5. Forjamento a Quente Automático

No forjamento a quente automático, barras de aço de comprimento de moinho são inseridas em uma extremidade da máquina de forjamento à temperatura ambiente, e produtos forjados a quente emergem da outra extremidade. A barra é aquecida com bobinas de indução de alta potência a uma temperatura variando de 1200–1300°C em menos de 60 segundos.

A barra é desincrustada com rolos e cortada em brancos. Neste ponto, o metal é transferido através de vários estágios de conformação que podem ser acoplados com operações de conformação a frio de alta velocidade. Tipicamente, a operação de conformação a frio é deixada para o estágio de acabamento. Fazendo isso, os benefícios do trabalho a frio podem ser colhidos enquanto também se mantém a alta velocidade do forjamento a quente automático.

Vantagens do forjamento a quente automático:

• Alta taxa de produção
• Aceitação de materiais de baixo custo
• Mão de obra mínima necessária para operar máquinas
• Produz pouco ou nenhum desperdício de material (economia de material entre 20–30% sobre forjamento convencional)

6. Forjamento de Precisão (net-shape ou near-net-shape forging)

Forjamento de precisão requer pouca ou nenhuma usinagem final. É um método de forjamento desenvolvido para minimizar o custo e desperdício associados com operações pós-forjamento. Economia de custos é alcançada da redução de material e energia, bem como da redução de usinagem.

7. Forjamento Isotérmico

Forjamento isotérmico é um processo de forjamento onde o metal e a matriz são aquecidos à mesma temperatura. Aquecimento adiabático é usado — não há transferência líquida de massa ou troca térmica entre o sistema e o ambiente externo.

As mudanças são todas devidas a mudanças internas resultando em taxas de deformação altamente controladas. Devido à menor perda de calor, máquinas menores podem ser usadas para este processo de forjamento.

Aplicação do Forjamento

Além de peças de motor e transmissão, forjados são usados para uma ampla variedade de engrenagens, coroas, alavancas, eixos, fusos, juntas esféricas, cubos de roda, rolos, garras, feixes de eixo, suportes de mancais e elos.

• Principalmente produtos forjados são usados em toda indústria mecânica.
• Rotor de turbina, rotor de gerador etc. são produtos forjados.
• Dá maior resistência à fadiga então a maioria de peças móveis como virabrequim, engrenagens de comando de válvulas etc. são feitas por operação de forjamento.
• Forjamento a frio é usado para produzir cinzéis, parafusos etc.
• Estes são usados principalmente em manufatura de ferramentas manuais e ferragens.
• É usado na construção naval em vários trabalhos estruturais.

Vantagens do Forjamento

Forjamento proporciona melhores propriedades mecânicas, ductilidade e resistência à fadiga e impacto porque este processo refina e direciona o fluxo de grão de acordo com a forma da peça. Quase todos os metais, ferrosos e não-ferrosos podem ser forjados.

• Peças fabricadas por forjamento são mais fortes
• É mais confiável e menos custoso
• Oferece melhor resposta ao tratamento térmico
• Oferece propriedades metalúrgicas mais consistentes e melhores
• Oferece ampla faixa de tamanho de produtos
• Requer menos operações secundárias
• Tem grande flexibilidade de design

Desvantagens do Forjamento

• No forjamento a quente é difícil realizar operações secundárias
• Custo de capital é maior
• Procedimentos de segurança de homem e material muito altos precisam ser seguidos