Forjamento – Processo, classificação e métodos

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O forjamento é um processo de fabricação que molda metais por meio de martelamento, prensagem ou laminação. Suas origens remontam à Mesopotâmia, no início de 4000 a.C. O processo evoluiu naturalmente a partir da simples martelagem, pois os primeiros seres humanos descobriram que o aquecimento do metal facilitava sua modelagem. Os ferreiros usavam fornos para aquecer metais, o que lhes permitia fabricar armas e ferramentas, como espadas e implementos agrícolas.

Ao longo dos séculos, o forjamento passou por avanços significativos para atender às demandas dos setores modernos. Vamos ao que interessa.

O que é forjamento?

O forjamento é um processo de fabricação que usa calor e alta pressão para moldar o metal na forma desejada. Quando aquecido a temperaturas elevadas, o metal bruto se torna maleável. Os fabricantes podem empregar força manual, prensas hidráulicas e outros equipamentos especializados para moldar o metal com relativa facilidade.

Atualmente, a maioria dos produtos forjados é fabricada com prensas elétricas. Entretanto, alguns itens especiais, como as facas de aço Damasco, ainda são fabricados usando métodos manuais tradicionais.

Alguns dos metais mais populares usados no forjamento incluem ligas de aço, alumínio, latão, aço carbono, cobre, aço duplex, níquel, aço inoxidável, titânio e aço para ferramentas. Em geral, os metais que não são altamente frágeis podem ser submetidos a processos de forjamento. Por outro lado, materiais como ferro fundido, certos aços com alto teor de carbono e outras ligas frágeis não são adequados para forjamento devido à sua incapacidade de suportar cargas de impacto.

As peças forjadas oferecem inúmeras vantagens, incluindo uma estrutura de grãos refinada, maior resistência à fadiga e força. Além disso, o produto final é isento de defeitos como porosidade, rachaduras e furos.

O forjamento pode ser projetado para produzir peças em massa sem usar metal em excesso. Ele é amplamente utilizado em setores orientados para a segurança e o desempenho, incluindo o aeroespacial, o automotivo e o de petróleo e gás, para componentes críticos como virabrequins, válvulas de alta pressão, juntas esféricas, cames e engrenagens.

Etapas do processo de forjamento

O calor e a alta pressão amolecem a maioria dos metais, permitindo que o forjamento seja eficaz em uma ampla variedade de materiais. Entretanto, como as propriedades dos diferentes metais variam, o processo de forjamento deve ser adaptado de acordo. Vamos explorar um processo de forjamento típico para entender suas principais etapas:

Projeto e fabricação de matrizes

Os modernos processos de forjamento usam matrizes para aumentar a exatidão, a precisão e a velocidade das peças produzidas. O projeto e a fabricação da matriz são a primeira etapa do processo de forjamento. Uma boa matriz pode oferecer vantagens como melhor fluxo de grãos, bom acabamento de superfície, menos desperdício, maior precisão dimensional e qualidade de produção consistente.

Preparação de tarugos e lingotes

Tarugos ou lingotes com seções transversais variadas servem como matéria-prima para o processo de forjamento. Dependendo das especificações do produto, os comprimentos necessários das seções transversais apropriadas são cortados e incorporados à linha de produção de forjamento.

Aquecimento

Não faz sentido bater em um metal que está frio. Nessa etapa, o metal é aquecido, normalmente em um forno, até a temperatura de forjamento. A temperatura de forjamento do aço varia de 850 a 1150 graus Celsius, enquanto a temperatura ideal de forjamento para o alumínio é de até 500 graus Celsius. As temperaturas específicas de aquecimento e imersão para o processo de forjamento são determinadas com base no tipo de metal que está sendo usado.

Forjamento

O metal aquecido é movido para a matriz, onde é prensado até ganhar forma. Podem ser necessárias várias passagens por várias matrizes para obter a forma final. Além disso, a peça pode precisar de reaquecimento entre as prensas.

Tratamento térmico

A maioria dos componentes é submetida a tratamento térmico após o forjamento para melhorar propriedades mecânicas específicas, incluindo resistência e dureza. Os processos de tratamento térmico normalmente utilizados são recozimento, têmpera, resfriamento, normalização, tratamento de solução e endurecimento de caixa.

Resfriamento

O resfriamento apresenta uma excelente oportunidade para aprimorar propriedades como resistência e estrutura de grãos. Com o emprego de vários mecanismos e taxas de resfriamento, é possível promover o desenvolvimento de características desejáveis em componentes forjados.

Acabamento

O componente pode precisar de operações de acabamento, como usinagem, corte e tratamento de superfície, antes de estar apto para uso. Além disso, propriedades como resistência à corrosão e apelo estético podem ser aprimoradas com a aplicação de revestimentos específicos durante esse estágio.

Como classificar os processos de forjamento

A pesquisa e os avanços constantes na metalurgia levaram ao desenvolvimento de diversas variações do processo de forjamento. Atualmente, uma grande variedade de técnicas de forjamento é usada para obter diferentes combinações de propriedades no produto final. Para entender melhor os vários tipos de processos de forjamento, usaremos dois métodos principais de classificação. Os processos de forjamento podem ser classificados da seguinte forma –

Classificação por temperatura

Há três tipos principais de processos de forjamento categorizados por temperatura: forjamento a frio, forjamento a quente e forjamento a frio. ou forjamento a quente.

Forjamento a quente

O forjamento a quente é o procedimento original de forjamento em que o metal é aquecido a uma temperatura que excede sua temperatura de recristalização. Essa temperatura normalmente está entre 0,3 e 0,4 vezes o ponto de fusão dos metais puros, enquanto que para as ligas é aproximadamente a metade. Nessa temperatura elevada, a microestrutura do metal alivia as tensões internas e forma novos grãos, melhorando assim as propriedades mecânicas, como resistência e ductilidade.

Quando o metal atinge essa temperatura, é aplicada uma força de compressão para moldá-lo na forma desejada. Os produtos forjados a quente exigem níveis mais baixos de força compressiva, pois o material se deforma mais facilmente em temperaturas mais altas.

No entanto, o forjamento a quente tem várias desvantagens. Ele oferece menor precisãoe o final o acabamento final da superfície é mais áspero em comparação com outros processos. Além disso, a peça de trabalho é suscetível a defeitos como oxidação, descarbonetação e danos por queima.

Forjamento a quente

No forjamento a quente, o metal é aquecido acima da temperatura ambiente, embora permaneça significativamente abaixo da temperatura de recristalização. O calor torna o metal mais maleável. Em comparação com o forjamento a quente, o forjamento a quente resulta em um superfície mais lisa e maior precisão, mas também apresenta maior resistência à deformação. Consequentemente, maiores forças de compressão são necessárias para moldar o metal no forjamento a quente do que no forjamento a quente.

Forjamento a frio

Um processo de forjamento realizado em temperatura ambiente é chamado de forjamento a frio. Nesse processo, o metal não é aquecido; em vez disso, são aplicadas forças de compressão para moldar o material diretamente. Essa técnica produz acabamentos de superfície superiores, alta precisão dimensionale peças que estão prontas para uso imediato. Além disso, o forjamento a frio é uma das processos mais simples de automatizar.

No entanto, o processo requer prensas de alta tonelagempois são necessárias forças de compressão significativas. A peça também é propensa a rachaduras devido à sua baixa plasticidade em baixas temperaturas.

Por ferramentas e equipamentos utilizados

Também podemos usar ferramentas e equipamentos para classificar os processos de forjamento. Tradicionalmente, os ferreiros usavam equipamentos rudimentares, como martelos e bigornas, para forjar metais. Com o tempo, rodas d’água acionaram grandes foles, permitindo que floricultura para atingir temperaturas mais altas no forno.

Em seguida, com a Revolução Industrial, foram introduzidas prensas e viradores mecânicos e hidráulicos, usando matrizes para produzir formas mais complexas por meio do forjamento. Além disso, a mecanização do forjamento por rolo foi desenvolvida durante esse período, empregando rolos robustos para criar componentes alongados com seções transversais variadas.

Tipos de métodos de forjamento

O processo de forjamento se ramifica em vários métodos, dependendo de fatores como o layout do processo, os tipos de peças produzidas, o nível de automação e o tipo de equipamento usado. Nesta seção, integraremos esses fatores para fornecer uma visão geral de alguns dos processos de forjamento mais populares usados atualmente. Os métodos que abordaremos incluem os seguintes:

Forjamento por gota

O forjamento por queda é um processo de fabricação no qual um martelo de queda é lançado sobre uma peça de trabalho a partir de uma altura específica. A peça de trabalho é posicionada em uma bigorna estacionária. As forças geradas por vários impactos comprimem gradualmente a peça de trabalho na forma desejada.

O forjamento por gota pode ser classificado em dois tipos: forjamento em matriz aberta e forjamento em matriz fechada. No forjamento de matriz aberta, não há matriz posicionada acima da peça de trabalho; em vez disso, o martelo faz contato direto com a superfície da peça de trabalho. Uma variação do processo de forjamento de matriz aberta é conhecida como cogging em que o material é fixado no lugar usando garras de metal, enquanto os manipuladores (matrizes de metal) se aproximam de duas ou quatro direções para alterar sua forma.

Ao contrário, o forjamento com matriz fechada encapsula a peça de trabalho dentro da matriz. O forjamento com matriz fechada também é conhecido como forjamento com matriz de impressão. A forma final desejada pode ser moldada em uma ou em ambas as matrizes (superior e inferior). Quando o martelo bate na matriz superior, ele força o metal que está sendo forjado a preencher a cavidade da matriz.

O processo de contragolpe é uma variação da técnica de forjamento por gota. Diferentemente do processo de forjamento por gota, que se baseia na gravidade, o processo de contragolpe usa ar ou óleo de alta pressão para acelerar as cavidades da matriz de forjamento uma em direção à outra. O material metálico posicionado entre as matrizes absorve as intensas forças de impacto geradas pelas matrizes em aceleração, permitindo que ele se adapte ao formato das matrizes.

Forjamento por prensa

O forjamento por pressão usa um princípio semelhante ao forjamento por queda; no entanto, em vez de depender do impacto, ele usa uma força contínua que dura mais tempo. Trata-se de um aperto controlado em vez de um impacto repentino.

O impacto do forjamento por queda não deforma o núcleo da peça de metal; os efeitos são limitados à camada superficial. Em contrapartida, a pressão contínua aplicada no forjamento por prensa resulta em deformação plástica em todo o volume da peça. As prensas de forjamento podem usar um processo de forjamento a frio ou a quente.

Upset Forging

O Upset forging, também conhecido como heading, usa uma série de matrizes para deformar ou virar uma extremidade de uma peça de trabalho. Esse processo é comumente usado para aumentar a seção transversal de barras redondas em uma extremidade para formar artigos como pregos, cavilhas e parafusos.

A barra redonda é fixada com o uso de matrizes de fixação, enquanto outra matriz avança em direção à extremidade exposta, comprime-a e altera sua forma.

Forjamento a quente automático

O método de forjamento a quente automático oferece um meio rápido e eficiente de produzir em massa em massa ou produtos acabados a partir de barras de aço. Em um lado da forjaria automática a quente, barras de aço com comprimentos especificados são alimentadas na máquina. Essas barras são aquecidas por indução, descalcificadas, cortadas e forjadas em produtos acabados em segundos na máquina de forjamento.

As peças podem passar por vários estágios de formação dentro da máquina. A saída da máquina de forjamento às vezes é enviada para forjamento a frio ou de precisão para obter seus benefícios no produto acabado.

Forjamento de rolos

O forjamento por laminação, semelhante ao forjamento automático, é um processo de forjamento especializado que pode produzir peças com uma seção transversal exclusiva em grande escala.

O forjamento por rolo envolve dois rolos opostos que recebem barras longas com seção transversal plana ou redonda. À medida que a barra passa pelo espaço entre os rolos, ela é comprimida, resultando em uma redução da espessura e um aumento no comprimento do material.

Após a passagem, a peça pode ser invertida e passar novamente pelo mesmo conjunto de rolos ou por um conjunto diferente, se o produto final exigir vários estágios.

O forjamento por rolo pode ser do tipo quente ou frio. O forjamento a quente requer forças de compressão mais leves. O processo de forjamento por laminação resulta em uma excelente estrutura de grãos para a peça de trabalho.

Forjamento de anéis laminados

O processo de forjamento de anel laminado produz anéis metálicos sem costura do processo de forjamento. O processo começa com a perfuração de um material cilíndrico a partir do centro para criar um formato de rosca. Um rolo intermediário é posicionado nesse centro oco. A peça de trabalho é então girada e manipulada usando dois conjuntos diferentes de roletes.

Um rolo de acionamento pressiona a peça de trabalho entre ele mesmo e o rolo intermediário, aumentando gradualmente o tamanho do furo do donut. Os rolos axiais, localizados na parte superior e inferior, comprimem as superfícies do donut para reduzir sua espessura (ou altura cilíndrica).

O produto final é um componente em forma de anel que não tem emendas e tem uma excelente estrutura de grãos derivada da peça de trabalho original. O forjamento de anel laminado é normalmente usado para componentes críticos, como engrenagens, embreagens e rolamentos, que exigem peças sem emendas para fins funcionais e de segurança.

Forjamento de precisão

O forjamento de precisão, também conhecido como forjamento em forma de rede ou quase em forma de rede, é um processo de forjamento realizado em temperaturas significativamente mais baixas do que as usadas no forjamento a quente, permitindo maior precisão. Para o aço, a faixa de temperatura no forjamento de precisão está entre 750 e 950 graus Celsius (1380 a 1740 graus Fahrenheit).

O forjamento de precisão é principalmente um processo de acabamento e não uma operação autônoma. Os componentes produzidos por outros métodos de forjamento são enviados para o forjamento de precisão antes de serem colocados em uso ou submetidos a processos de fabricação adicionais.

Forjamento a frio

O forjamento de precisão também pode ser realizado na temperaturas próximas à ambiente, um processo comumente chamado de forjamento a frio. Esse método produz dimensões finais altamente precisas e, normalmente, elimina a necessidade de operações de acabamento adicionais. No entanto, ele não é adequado para todos os tipos de metais, e a lubrificação desempenha um papel fundamental na preservação das superfícies de contato das matrizes. O forjamento a frio é frequentemente empregado para metais macios, como o alumínio.

Forjamento isotérmico

Como o nome sugere, o forjamento isotérmico é realizado em uma temperatura fixa. Tanto o blank quanto a matriz são mantidos em uma temperatura uniforme durante todo o processo de forjamento.

Essas condições específicas permitem o uso total da plasticidade de um metal em uma determinada temperatura. O forjamento isotérmico é comumente usado para forjar alumínio, que tem uma temperatura de forjamento relativamente mais baixa, de 430 °C (806 °F), em comparação com outros metais.

O forjamento isotérmico oferece várias vantagens, inclusive maior precisão, taxas de defeitos reduzidas, forças de compressão mais baixas e maior plasticidade do material.

Forjamento por indução

O forjamento por indução é não é um processo distinto de forjamento de metal, mas sim um método de aquecimento usado para atingir a temperatura de forjamento. As bobinas de indução de alta potência facilitam um rápido aumento da temperatura e são usadas em ambientes de produção em massa para reduzir os tempos de ciclo.

Podemos usá-lo em uma série de processos, ajustando a configuração de aquecimento de acordo com o processo.

Entalhamento

Swaging é um processo especializado de forjamento de metal usado para criar cones ou bordas pontiagudas em seções transversais ocas, como tubos. A estampagem é usada para vedar extremidades abertas ou para aumentar a circunferência da extremidade de um tubo, facilitando a conexão com outras seções do tubo.

Nesse processo, o material é primeiro aquecido até a temperatura de forjamento e, em seguida, pressionado contra uma matriz para remodelar a extremidade do tubo. Imagine forçar uma mangueira de jardim flexível em uma conexão de saída de água. A estampagem é semelhante a isso visualmente, exceto pelo fato de que o tubo de metal mantém sua forma ao ser separado da matriz. Esse é apenas um exemplo específico. Os parâmetros do processo podem ser manipulados para produzir uma série de resultados.

Conclusão

O forjamento oferece vantagens distintas na usinagem de metais. É um método econômico e versátil para produzir produtos confiáveis e de alta resistência, adequados para aplicações críticas. A estrutura de grãos refinada resultante do forjamento confere excepcional resistência direcional e integridade estrutural.

Como resultado, esse processo é usado para componentes essenciais, como virabrequins, rodas e trilhos ferroviários, eixos de veículos, bielas, suspensões, engrenagens, eixos e rolamentos.

O forjamento tem sido ganhando popularidade de forma constante, principalmente com metais como titânio e superligas. Prevê-se que esse processo se tornará mais comum nas próximas décadas, à medida que se tornar cada vez mais preciso e refinado com o uso de materiais avançados e técnicas de simulação.

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