Laminação e Estampagem: Processos, Objetivos e Classificação - Guia Completo

Tema 2 Laminação e Estampagem Laminação Conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram em sentido contrário modificandolhe em geral reduzindo a seção transversal LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Algumas características importantes para entender estas exigências são Forças que estão relacionadas com o ferramental e com a energia necessária Calibração canais colocados nos cilindros para beneficiar o alongamento e a redução de área Controle metalúrgico do produto Controle de defeitos Controle de preenchimento dos canais Manufatura eficiente de secções complexas Laminação Objetivos Classificação planos e nãoplanos Semiacabados e acabados Laminadores Condições de trabalho Tipo de produto Tipo de cadeira Cilindros Número de operações depende de Formas Propriedades mecânicas Condições de superfície rugosidade revestimento Micro e macroestrutura Objetivos Para obtenção de produtos laminados as principais etapas são 1 preparação do material inicial para a laminação 2 aquecimento do material inicial 3 laminação a quente 4 acabamento eou tratamento térmico caso de ser produto final 5 decapagem 6 laminação a frio caso seja necessário 7 tratamento térmico 8 acabamento e revestimento Classificação Planos seção transversal retangular com largura muito maior que espessura Longos Não planos seção transversal diferente de retangular bastante variada PRODUTOS LAMINADOS PLANOS 1 bobina 1 bobina fina a frio 2 bobina fina a quente 3 bobina grossa 2 chapa 1 chapa fina 2 chapa fina a frio 3 fita de aço para embalagem 4 folha 5 tira 1 tira cortada 2 tira relaminada a frio 6 rolo BARRA CHATA CHAPA GROSSA TIRA FITA CHAPA FINA FOLHA Figura 54 Dimensões de produtos laminados planos PRODUTOS LAMINADOS LONGOS ou NÃO PLANOS Perfis estruturais Trilhos e acessórios Perfis especiais Laminados comerciais Fiomáquina Tubos sem costura Bolas de moinho seções transversais típicas de produtos longos Laminação 1 Desbaste inicial de placas blocos ou tarugos a quente 2 Chapas grossas tiras a quente vergalhões barras tubos trilhos e perfis estruturais 3 Tiras a frio A matériaprima da laminação tem origem na aciaria Esse produto denominado de tarugo ou lingote apresenta uma enorme heterogeneidade em sua microestrutura Grãos diferentes da periferia até o centro Vazios Defeitos como segregação e inclusões Laminação LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Produtos Semiacabados 1 Bloco produto semiacabado cuja seção transversal é superior a 22500 mm2 e com relação entre altura e espessura igual ou menor que 2 2Tarugo ou palanquilha produto semiacabado cuja seção transversal é menor ou igual a 22500 mm2 e a relação largura e espessura igual ou menor que 2 3Placa produto semiacabado com seção transversal retangular Semiacabados Blocos placas tarugos Laminadores desbastadores e Laminadores de tarugos Desbastadores a partir de lingotes Lingotes grandes blocos ou placas Lingotes pequenos tarugos Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Laminadores de produtos acabados São aqueles que transformam semiprodutos blocos placas tarugos e platinas em produtos acabados tais como perfiz trilhos tubos etc 52 CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES Pode ser feita segundo diferentes critérios 1 Condições de trabalho em Laminadores a quente e a frio 2 Função ou programa de produção Primários e Acabadores 3 Tipo de produto de Perfis de Trilhos de Arame etc 4 Tipo de cadeiras 5 De acordo com a disposição das diversas cadeiras de laminação em Linha trem tipo Belga em Ziguezague crosscountry Contínuo tandem etc 3 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE PRODUTO Esta classificação restringese aos laminadores de produtos acabados De acordo com o tipo de produto podemos ter 31 laminadores de perfis pequenos ou comerciais ou ainda perfis leves 32 laminadores de perfis médios 33 laminadores de perfis pesados 34 laminadores de fiomáquina 35 laminadores de tubos 36 laminadores de chapas 37 laminadores de tiras 38 laminadores de rodas 39 laminadores de esferas 1 CLASSIFICAÇÃO PELAS CONDIÇÕES DE TRABALHO 11 laminação a quente 12 laminação a frio 2 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O SEU PROGRAMA DE PRODUÇÃO Semi acabados Produtos acabados 4 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CADEIRAS O conjunto formado pelos cilindros de laminação com seus mancais montantes suportes etc é chamado de cadeira de laminação Vejamos quais os tipos mais comuns 41 CADEIRA DUO COM RETORNO POR CIMA Consiste em dois cilindros colocados um sobre o outro Os cilindros são colocados na horizontal O sentido de rotação não muda sendo que a peça laminada ao passar entre dois cilindros é devolvida para o passe seguinte passando sobre o cilindro superior Este tipo de laminador é o mais antigo e mais simples sendo usado no passado na laminação de chapas e ainda hoje nas laminações de tarugos trens contínuos de perfis pequenos e trens de fiomáquina Laminador duo Mais simples e comum Movimento em um único sentido 42 CADEIRA DUPLO DUO Consiste em dois duos colocados em planos verticais paralelos e montados numa cadeira de laminação única Utilizada na laminação de barras de aço especial Figura 58 Cadeiras duo a com retorno por cima e b duplo duo 43 CADEIRA DUO REVERSÍVEL É aquela em que o sentido de rotação dos cilindros do laminador é invertido após cada passagem da peça através do laminador Empregado em laminadores desbastadores para lingotes grandes e trens de perfis 44 CADEIRAS TRIO Três cilindros são dispostos um sobre o outro na horizontal e a peça é introduzida no laminador passando entre o cilindro superior e o médio Figura 59 a cadeiras duo reversível e b cadeira trio A cadeira quádruo tende a eliminar este problema 46 CADEIRAS UNIVERSAIS Constitui uma combinação de cilindros horizontais e verticais normalmente montados na mesma cadeira de laminação É o caso dos laminadores desbastadores para placas Figura 511 a cadeira universal b laminador tipo Grey 47 CADEIRAS COM CILINDROS AGRUPADOS Se a deflexão dos cilindros for muito grande as altas tensões produzidas podem causar efeitos de fadiga e conduzir os cilindros a ruptura Cilindro de trabalho Cilindro de apoio Figura 512 Tipos de laminadores com cilindros agrupados a com 6 cilindros b Sendzmir a Duo b Trio c Quádruo d Sendzimir e Trem de laminação Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Cilindros Materiais Desbaste aços carbono e aços ligados Intermediária Aços ligados e ferro fundido Acabamento ferros fundidos pescoço mesa trevo ou garfo de aciopamento Figura 521 Principais partes de um cilindro de laminação As principais características de um cilindro de laminação 1 dureza 2 resistência ao desgaste da mesa 3 resistência à ruptura 4 baixa sensibilidade à formação de trincas térmicas 5 boa superfície Figura 92 Representação do ângulo de arraste Figura 93 Variação da velocidade ao longo do arco de contato do cilindro 1 zona de conformação 2 propriedades da matéria prima antes da conformação 3 propriedades do material após a conformação 4 análise técnica da zona de contato cilindrosbarra 5 cilindros de laminação 6 aspectos das reações na superfície do laminado 7 equipamento 8 layout LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER O produto final deve ser Homogêneo em sua microestrutura Contendo grãos de pequeno tamanho estrutura refinada Dimensões geométricas as mais estreitas possíveis No processo de fabricação deve ser observado As deformações devem ser as maiores possíveis em cada passe As temperaturas devem ser as menores possíveis A composição química da matériaprima LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Uma laminação para produtos longos é composta normalmente por Condicionamento matériaprima local de depósito dos tarugos oriundos da aciaria Forno de aquecimento Trem de desbaste grupo de laminadores no início do processo Trem acabador grupo de laminadores no final do processo Acabamento Leito de esfriamento Corte a frio saida da geratriz forno desbaste trem médio leito de resfriamento trem acabamento Fig 322 Arranjo dos Laminadores Laminação Cilindros Horizontais Cilindros Verticais Thyssen Laminação de barras e perfis Longos no text present in this image LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Tensão de compressão Tensão de tração Na figura 35 podese observar que a altura instantânea do material na zona de conformação h entre a entrada e a saída dos cilindros laminadores pode ser definida pela expressão 32 LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Simplificando a eq 32 Deformação em altura Deformação verdadeira em altura LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Deformação verdadeira na largura Deformação verdadeira no comprimento Adeformação verdadeira em área Muitas vezes é mais conveniente trabalhar com uma avaliação da deformação em área ϕ A Conceito de Alargamento A deformação absoluta na largura é denominada de alargamento b b1 b0 que ocorre fortemente na laminação a quente É consequência de um estado tridimensional de deformações e de tensões O controle do alargamento é fundamental para o processo de laminação a quente de perfis Uma vez perfeitamente definido e controlado o alargamento estará garantida a operação de forma econômica do processo LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER O alargamento b depende de vários fatores do processo de laminação As influências são tão significativas que não há possibilidades de cálculos precisos A seguir são discutidas algumas dependências Influência da redução em altura h no alargamento b Quanto maior a redução em altura maior é o alargamento LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Quanto maior a redução em altura maior é o alargamento Influência do diâmetro dos cilindros Aumento no diâmetro conduzem a um maior alargamento LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Influência da velocidade de laminação Com o aumento da velocidade de laminação diminui o alargamento LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Influência da temperatura Com o aumento da temperatura diminui a força e o atrito e diminui o alargamento Existem ainda outros fatores que influenciam no alargamento composição química do aço atrito altura de entrada h0 largura inicial b0 etc LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER LIVRO MANUFATURA POR CONFORMAÇÃO MECÂNICA LIRIO SCHAEFFER Cálculos Teóricos do Alargamento Δh Fazer interações até igualar a igualdade Numa laminação em um número grande de passes temse o grau total de alongamento λtot Número de passes de laminação Supondose que em cada passe o grau de alongamento é o mesmo λm Velocidade de deformação A velocidade de deformação na direção x num instante qualquer será A velocidade de deformação média pode ser calculada por Atrito Geleji recomenda o cálculo considerando o efeito da velocidade de laminação Temperatura V velocidade dos cilindros Fig 316 influência do diâmetro dos cilindros sobre a barra laminada Método de cálculo de força por Orowan Onde P carga de laminação força W espessura inicial R raio do cilindro Δh diferença nas alturas Y tensão de escoamento Método de Cálculo de Força por Ekelund na Laminação a Quente A força de laminação F é o produto da área de contato Ad pela resistência à deformação kw Sendo o arco de contato ld e a largura média bm μ coeficiente de atrito μ 105 00005T C para cilindros de aço μ 08 105 00005T C para cilindros de fofo Cálculo de tensão de escoamento kf resistência ao escoamento obtida num ensaio uniaxial de tensões ou através da equação de Ekelund x 10 Nmm2 coeficiente de plasticidade η Cálculo da velocidade de deformação velocidade de deformação calculada por Índice ou coeficiente de anisotropia plástica R razão entre e deformação na largura εw e na espessura εt R εw εt Índice ou coeficiente de anisotropia médio resistência ao afinamento durante a estampagem R R0 2R45 R90 4 ENSAIO DE TRAÇÃO aço DP 800 TCC EvertonUcoski Laminação de tubos sem costura Processo Mannesmann Tubo com costura Laminador móvel e encosto plano fixo Laminador de rosca Placas Blocos Tarugos Chapas Perfis Trilhos Barras Chapas Barras Fiomáquina Tubos com Costura Tubos Calandrados Folhas Tubos sem Costura Trefilados DESBASTE PASSE 1 DESBASTE PASSE 2 ESBOÇAMENTO PASSE 1 ESBOÇAMENTO PASSE 2 ESBOÇAMENTO PASSE 3 INTERMEDIÁRIO PASSE 1 INTERMEDIÁRIO PASSE 2 INTERMEDIÁRIO PASSE 3 PASSE DE ACABAMENTO PASSES NA LAMINAÇÃO DE VIGA EM U PLACA ENTRANDO PASSE 1 PASSE 2 PASSE 3 PASSE 4 PASSE 5 PASSE 6 PASSE 7 PASSE 8 PASSE DE ACABAMENTO PASSES NA LAMINAÇÃO DE CANTONEIRA OU PERFIL EM L Figura 22 Passes para a produção de perfis em U e em L Blocos Losangulares Blocos com Colarinhos Blocos com Nervuras Blocos Torcidos Blocos Cambados Blocos Bojudos Tarugos com uma nervura lateral Tarugos com duas nervuras laterais Tarugos com colarinhos Tarugos com cantos incompletos Tarugos retangulares ao invés de quadrados Tarugos bojudos DEFEITOS PRODUTOS ACABADOS FORMA Encurvamento Arco transversal Retorcimento Cambamento Laterais ou centro alongados Espinhas de peixe SUPERFÍCIE Cascas Carepas Costuras Orifícios Marcas de cilindros Linhas de distensão Casca de laranja ABAULAMENTO CAMBER ENCURVAMENTO COIL SET ARCO TRANSVERSAL CROSSBOW RETORCIMENTO TWIST Metalografiados Produtos SiderúrgicosComuns Hubertus Colpaert Metalografiados Produtos SiderúrgicosComuns Hubertus Colpaert Metalografiados Produtos SiderúrgicosComuns Hubertus Colpaert b Machined thread Rolled thread Estampagem Schaeffer L Manufatura em Processos de Conformação Mecânica A estampagem é um dos mais importantes processos de fabricação tendo chapas como matéria prima Exemplos de aplicações de componentes estampados 78 Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Fig 72 Apresentação esquemática da fabricação de um copo pelo processo de estampagem 71 80 Antes Depois Observase a zona de flange enrugada devido a fabricação sem PrensaChapas 81 Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Operações de corte em chapa plana rugosa lisa arredondada CORTE de CHAPAS A região de corte apresenta 3 partes Uma lisa formada pelo atrito da peça com as paredes da matriz Uma arredondada pela deformação plástica inicial Uma rugosa corresponde a superfície da trinca da fratura Partes principais de uma peça cisalhada a zona de arredondamento b zona cisalhada c zona fraturada d rebarba e empenamento 81 Disposição da chapa Planejar o corte para melhor aproveitamento Depende da geometria da peça Normal se puder ser circunscrita em um quadrado Inclinada circunscrita em um triângulo Invertida se a peça apresenta simetria Folga matriz punção Metias duros aço alto carbono ino Metais dúcteis aço baixo carbono latão alumínio e20 Metais médios aço médio carbono e16 x e14 e espessura Corte Sequencial Para peças retangulares recomendase M 15 a 16 x e Para peças circulares M 1 a 12 x e Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Perfuração progressiva Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos Claudio Shyinti Kiminami Walman Benício de Castro Marcelo Falcão de Oliveira Tensões na Estampagem Observandose as tensões nas direções principais na figura 74 é possível verificar a distribuição de tensões entre regiões características na fabricação de um copo Fig 74 Distribuição de tensões num componente simples estampado Medições das deformações na superfície de um componente estampado para a determinação das espessuras localizadas Deformações na Estampagem Constância As três deformações principais na estampagem de um copo podem ser definidas como Deformação Radial φr φ1 Deformação Tangencial φt φ2 Deformação na espessura φs φ3 φr φ1 lns0 d0 s1 d1 φt φ2 lnd1 d0 φs φ3 lns1 s0 Oriundo da tensão radial trativa Para determinar a espessura Conhecendose a deformação na direção da espessura P3 φ3 φs lns s0 Portanto s s0 eφs Retorno Elástico Retorno elástico para diferentes materiais num ensaio de tração Relação da geometria do componente no punção e após a retirada do punção 98 h Determinação da Geratriz Sem flange Com flange No caso do copo com flange temse como diâmetro da geratriz π d₀²4 π d₁²4 π d₁ h df² d₁² π4 Sendo df o diâmetro do copo com o flange No caso de um copo com flange temse para o diâmetro da geratriz d₀ df² 4 h d₁ Estampagem em um copo a sem flange e b com flange Relação de Estampagem A relação de estampagem β é definida como a relação entre o diâmetro da geratriz d₀ e o diâmetro do copod₁ β d₀d₁ De um modo geral a máxima Relação de Estampagem βmax fica entre βmax 18 e 20 Caso não seja possível estampar em uma só etapa é necessário a fabricação em vários estágios No caso de necessidade de fabricação de um componente em três estágios a relação total é calculada por β1 máx 13 sem recozimento β2 máx 12 sem recozimento O número de estágios n pode ser calculado por Demonstração esquemática das operações após primeiro estágio de estampagem Prensa hidráulica de triplo efeito tipo pescoço de cisne ou em c Força de Estampagem Existem diferentes fórmulas empíricas para o cálculo da força de estampagem F Uma expressão muito usada na prática para um primeiro estágio é dada por F₁ 5 d₁ s kfm ln β₁ Sendo kfm kf0 kf12 β₁ d₀d₁ φ lnd₁d₀ Para um segundo estágio a força de estampagem pode ser calculada por F2 05 F1 5 d2 s kfm2 ln β2 Sendo kfm2 kf1 kf2 2 β2 d1 d2 φ ln d2 d1 Força do PrensaChapas A pressão no prensachapa conforme Siebel pode ser calculada por ppc β1 13 d1 200 s Rm 400 A força necessária para o prensachapas depende da área de contato A nesta região A π4d02 dw2 dw d1 2w 2rm ou dw dz 2w A força no prensa chapas pode ser calculada então por Fpc ppc A Exemplo de Cálculo da Força de Estampagem ão dados Cálculo da força de estampagem para um caso de dois estágios S diâmetro original primeiro estágio segundo estágio Solução Relação de embutimento β1 D0 d0 200 125 16 β2 d0 d1 125 100 Deformação φ1 ln β1 047 φ2 ln β2 0223 Tensão de escoamento após primeiro estágio kf1 740φ10216 629 N mm2 Tensão de escoamento após segundo estágio kf2 740φ20216 684 N mm2 Força do punção no primeiro estágio F1 5 d0 s kfm1 ln β1 F1 5 125 1 260 629 2 047 130 kN 13 ton Força do punção no segundo estágio F2 05 F1 5 d2 s kfm2 ln β2 F2 05 130000 5 100 1 629 684 2 0223 138 kN 14 ton Análise e Caracterização da Estampabilidade Curva Convencional É importante conhecer os dados fornecidos pelo fabricante da matéria prima como tensão de escoamento módulo de elasticidade limite de resistência e o alongamento que caracteriza a ductilidade do material Curva de Escoamento O índice de encruamento n a frio é um fator importante Dado pela equação kf C ϕn eq Hollomon Quanto maior n Maior deformação uniforme Menor deformação localizada eções no plano e no interior da cha Alongamento dos grãos durante a laminação a e orelhamento z na estampagem b Coeficiente de Anisotropia O efeito da anisotropia nas chapas metálicas tem sua origem na laminação O processo deixa os grãos mais alongados na direção de laminação com isso as propriedades mecânicas podem variar nas diferentes dir pa Orelhamento Coeficiente de Anisotropiar A determinação do Coeficiente de Anisotropia r é dado por r φb φs φs ln s so difícil de ser medido Ao deduzir através da Lei de Constância do Volume temse φs φb φl Assim r φb φb φl ou rm ro 2r45 r90 4 Sendo rm o Coeficiente de Anisotropia considerandose as duas direções de laminação Ensaio de Erichsen O ensaio de Erichsen serve para se ter ideia de quanto um material é capaz de ser estirado Desenho esquemático do ensaio Variação da altura do embutimento para diferentes materiais Fig 718 Composição do punção prensachapas e matriz na estampagem de um copo Determinação do Coeficiente de Atrito na Estampagem Efeito do atrito na superfície Máquina de atrito do Laboratório de Transformação Mecânica LdTM na UFRGS Dobramento Introdução É um processo relativamente simples e há muitos anos aplicado na indústria Os fundamentos científicos desse processo são relativamente recentes A importância reportase a aplicações de componentes geometricamente simples até estruturas complexas área de transportes fabricação de ônibus ou navios Durante o processo ocorrem muitas vezes fenômenos indesejados como a variação da secção ou a alteração da espessura do componente em questão Arames barras chapas e outros componentes maciços são submetidos ao processo de dobramento A conformação considera que o material apresenta propriedades de deformabilidade Normalmente a frio Pode ocorrer ruptura Comumente as deformações dão origem ao retorno elástico do material O retornoelásticoocorre e é visível após a aplicação da força de dobramento O dobramento depende da forma de aplicação da força dos momentos e das formas geométricas dos componentes a serem dobrados Fig 91 Diferentes formas de dobramento A fig 92 mostra dobras com ferramenta circular e os procedimentos para obtenção de perfis e tubos longos a partir de tiras de chapas dobradas Fig 92 Obtenção de tubos a partir de chapas