Entendendo a Forja: Definição, Processo e Tipos

O Que é Forja?

A forja é um processo de manufatura que envolve a conformação de metal através de martelamento, prensagem ou laminação. Essas forças compressivas são aplicadas com um martelo ou matriz. A forja é frequentemente categorizada de acordo com a temperatura em que é realizada: forja a frio, morna ou a quente.

Uma ampla gama de metais pode ser forjada. Metais típicos usados em forja incluem aço carbono, aço liga e aço inoxidável. Metais muito macios como alumínio, latão e cobre também podem ser forjados. O processo de forja 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 atingir propriedades mecânicas específicas no produto final.

A forja tem sido feita por ferreiros por milênios; os produtos tradicionais eram utensílios de cozinha, ferragens, ferramentas manuais, armas de fio, címbalos e joias.

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

História da Forja

A forja tem sido praticada por ferreiros por milhares de anos. Inicialmente, 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 principal metal forjado.

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

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

Tipos de Processos de Forja

Existem vários métodos de forja com diferentes capacidades e benefícios.

• Forja por queda (drop forging)
• Forja por laminação (roll forging)
• Forja por prensagem (press forging)
• Forja por upset (upset forging)
• Forja a frio (cold forging)
• Forja de precisão (precision forging)
• Forja isotérmica (isothermal forging)

1. Forja por Queda

A forja 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 forja por queda — forja a matriz aberta e forja a matriz fechada. Matrizes são tipicamente planas, com algumas tendo superfícies distintamente moldadas para operações especializadas.

Forja a matriz aberta (forja de ferreiro)

A forja a matriz aberta também é conhecida como forja de ferreiro. Um martelo golpeia e deforma um metal em uma bigorna estacionária. Neste tipo de forja, 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 atingir a forma final desejada. Matrizes planas são usadas, com algumas tendo superfícies especialmente moldadas para operações especializadas. A forja a matriz aberta é adequada para peças simples e grandes, bem como componentes metálicos personalizados.

Vantagens da forja a matriz aberta:

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

Forja a matriz fechada (forja por impressão)

A forja a matriz fechada também é conhecida como forja por impressão de matriz. O metal é colocado em uma matriz e fixado 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 na escala de milissegundos. Metal excedente é empurrado para fora das cavidades da matriz, resultando em rebarba (flash). A rebarba resfria mais rápido que o resto do material, tornando-a mais forte que o metal na matriz. Após a forja, a rebarba é removida.

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

• Impressão de arredondamento (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 da forja a matriz fechada:

• Produz peças de até 25 toneladas
• Produz formas quase finais que requerem apenas pequena quantidade de acabamento
• Econômica para produção pesada

2. Forja por Laminação

A forja por laminação consiste em dois rolos cilíndricos ou semi-cilíndricos horizontais que deformam uma barra redonda ou chata. Isso funciona 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 à medida que é laminada pela máquina. Este processo continua até que a forma e tamanho desejados sejam alcançados.

Vantagens da forja por laminação automática:

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

3. Forja por Prensagem

A forja por prensagem usa uma pressão ou força lenta e contínua, em vez do impacto usado na forja por martelo de queda. O deslocamento mais lento do ariete significa que a deformação atinge mais profundamente, de modo que todo o volume do metal é afetado uniformemente.

Contrastantemente, na forja 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 na forja por prensagem, a tensão interna também pode ser controlada.

Vantagens da forja por prensagem:

• Econômica para produção pesada
• Maior precisão em tolerâncias dentro de 0,01–0,02 polegada
• Matrizes têm menos inclinação 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. Forja por Upset

A forja por upset é um processo de manufatura que aumenta o diâmetro do metal comprimindo seu comprimento. Prensas de manivela, uma máquina especial de alta velocidade, são usadas em processos de forja por upset.

Prensas de manivela são tipicamente colocadas 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 da forja por upset:

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

5. Forja a Quente Automática

Na forja a quente automática, barras de aço de comprimento de fábrica são inseridas em uma extremidade da máquina de forja 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 blocos. 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. Ao fazer isso, os benefícios do trabalho a frio podem ser colhidos enquanto também se mantém a alta velocidade da forja a quente automática.

Vantagens da forja a quente automática:

• 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 forja convencional)

6. Forja de Precisão (forja forma-líquida ou quase-forma-final)

A forja de precisão requer pouca ou nenhuma usinagem final. É um método de forja desenvolvido para minimizar o custo e desperdício associados a operações pós-forja. Economias de custo são alcançadas da redução de material e energia, bem como da redução de usinagem.

7. Forja Isotérmica

A forja isotérmica é um processo de forja 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 forja.

Aplicação da Forja

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, garfos, feixes de eixo, suportes de mancais e elos.

• Principalmente produtos forjados são usados em toda indústria mecânica.
• Rotores de turbina, rotores 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 forja.
• Forja a frio é usada para produzir formões, parafusos etc.
• Estes são usados principalmente em fabricação de ferramentas manuais e ferragens.
• É usada na construção naval em vários trabalhos estruturais.

Vantagens da Forja

A forja 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 forja são mais fortes
• É mais confiável e menos custosa
• 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 da Forja

• Na forja a quente é difícil realizar operações secundárias
• Custo de capital é mais alto
• Procedimentos de segurança de homem e material muito altos precisam ser seguidos