Métodos das linhas de escorregamento

Métodos das linhas de escorregamento

As soluções encontradas através da aplicação deste método são soluções completas, na medida em que resolvem simultaneamente os campos de tensões e de deformações (velocidades). As linhas de escorregamento representam graficamente as direcções dos planos em que a tensão de corte é máxima, as quais fazem ângulos de 45º relativamente aos planos principais, não devendo ser confundidas com as direcções de escorregamento ou movimentação do material em deformação plástica (linhas de fluxo). O conjunto de quadrículas ou rede definidas pelas direcções dos planos de corte máximo denomina-se por campo de linhas de escorregamento. Estas direcções são compostas por linhas curvas ortogonais entre si, embora possam coexistir quadrículas rectas no seio do campo de linhas de escorregamento. O material é considerado como sendo rígido-perfeitamente plástico, ou seja, desprezam-se os efeitos elásticos e considera-se que não existe encruamento. Desprezam-se os efeitos eventuais da variação de temperatura, da velocidade de deformação e do tempo associado à deformação plástica dos materiais. Resumindo, o método das linhas de escorregamento não considera a componente elástica da deformação, sendo os campos de velocidade e de tensão apenas determinados para as regiões em deformação plástica.

Métodos do limite superior

A solução limite superior corresponde a um campo generalizado de velocidades cinematicamente compatível, respeitando as condições de deslocamento impostas nas fronteiras, onde a força que é necessária aplicar para produzir esse campo, é uma solução limite superior. O material é considerado como sendo rígido-perfeitamente plástico, desprezando-se todos os efeitos que possam eventualmente resultar da componente elástica da deformação. Apenas são consideradas duas condições de atrito distintas nas interfaces de contacto entre o material e a ferramenta. É frequente contabilizar-se o efeito do encruamento, incluir-se o atrito através de diferentes modelos e considerar-se a evolução geométrica das peças nos casos em que os processos de deformação plástica não são estacionários. Este facto, tem levado muitos

investigadores a encararem a técnica do limite superior como um balanço energético assente em campos de velocidade cinematicamente admissíveis. Se a deformação plástica for realizada de um modo suficientemente rápido para que prevaleçam condições adiabáticas no interior da região em deformação plástica, isto é, para que sejam insignificantes as perdas de calor para as ferramentas, lubrificantes e ambiente, pode-se calcular o aumento da temperatura associado ao atravessamento de uma descontinuidade de velocidade.

Extrusão e Trefilagem

É um processo tecnológico de deformação plástica na massa, onde o material submetido a pressões elevadas, aplicadas por intermédio de um punção, é forçado a passar pelo orifício de uma matriz, de modo a reduzir e/ou modificar a forma da sua secção transversal. No final da operação fica por extrudir, no interior do contentor, uma pequena quantidade de material designada por “beata”, dando origem a desperdícios de material que podem ascender aos 15%. Na extrusão directa o material é forçado a atravessar a matriz de extrusão no mesmo sentido em que se efectua a aplicação de carga. No decurso desta operação existe movimento relativo entre o material e as paredes do contentor e, por isso, atrito ao longo da interface de contacto. O atrito é responsável por um aumento da força necessária à extrusão, podendo ser acrescida em cerca de 30%.

O aumento significativo do valor força de extrusão que se verifica no fim de curso do punção deve-se,

fundamentalmente, à natureza radial do escoamento do material da beata. A formação de um rechupe pode igualmente contribuir para o aumento da força no final da operação. Defeitos – rechupes – surgem durante a fase final da operação de extrusão directa. No caso de se pretender processar a totalidade do material, incluindo a beata, deverá intercalar-se um pedaço de material auxiliar entre o punção e o material a extrudir; fissuras em forma de dardo ou seta – resultam da existência de tensões de tracção junto à linha de simetria da região em deformação plástica, agravado pelo facto da velocidade do material junto do eixo de simetria ser maior que na periferia e ainda pela reduzida capacidade de enformabilidade do material, perdida pela acumulação de encruamento nas anteriores operações de extrusão.

Na extrusão inversa, o contentor está fechado e o material é forçado a sair da matriz através do punção, ou seja, no sentido contrário ao do seu avanço. A energia dissipada por atrito é inferior à da directa, devido ao facto de não existir praticamente movimento relativo entre o material e as paredes do contentor. Para além desta vantagem, o processo possui também benefícios relacionados com o

aproveitamento de matéria-prima (apenas 5% é

desperdiçada). A principal desvantagem consiste na maior complexidade e no custo acrescido das ferramentas.

Os principais defeitos que podem ocorrer durante a extrusão inversa são: rasgos e pregas/rugas – surgem derivados de desalinhamentos entre o porta-punção e a matriz, por descentragem do punção relativamente à matriz e pelo facto da matéria-prima apresentar defeitos; colapso no

desembaínhamento – surge devido à formação de vácuo no

interior das cápsulas.

O fabrico de peças extrudidas com secção transversal oca pode ser efectuado através de 2 técnicas distintas: partindo de matéria-prima em forma de varão onde for previamente aberto um furo que será mantido durante a extrusão através de um mandril fixo ao punção. O furo pode vir directamente da fundição, ser efectuado por maquinagem ou por perfuração a quente; recorrendo a matrizes de extrusão especiais, onde a matéria-prima é previamente dividida à entrada da matriz e posteriormente ligada por um mecanismo de soldadura por pressão em câmaras de soldadura contíguas à zona de saída da matriz. Uma das aplicações industriais mais importantes da tecnologia da extrusão consiste no fabrico de perfis estruturais de alumínio por extrusão isotérmica a quente. Caracteriza-se por, tanto como a matéria-prima, como a matriz serem aquecidas a temperaturas próximas dos 450ºC. No final da operação, os perfis são desempenados com esticadores que aplicam forças de tracção entre as suas extremidades e posteriormente submetidos a um tratamento térmico de envelhecimento.

O projecto de contentores de extrusão é uma tarefa muito delicada em virtude das tensões aplicadas a que estes são sujeitos. Uma das formas geralmente usada para proteger a matriz contra roturas é o encamisamento da matriz. Consiste em envolver a matriz com um anel de diâmetro interior inferior ao diâmetro exterior da matriz. Para o conseguir, o anel é previamente aquecido, de modo a que a sua expansão térmica permita a montagem na matriz. A respectiva contracção durante o arrefecimento irá induzir na matriz tensões residuais, cuja natureza é contrária às que se desenvolvem durante o processo. As solicitações a que as matrizes estão sujeitas podem dar origem a diferentes tipos de avarias e desgastes: fissuras axiais – são originadas pela acção de tensões tangenciais de tracção excessivamente elevadas; fissuras radiais – são fissuras que aparecem associadas a fenómenos de fadiga e que ocorrem nas zonas onde existe concentração de tensões; deformação plástica

da matriz – ocorre nas zonas mais solicitadas da matriz e do

contentor de extrusão; Desgaste por adesão e abrasão da

matriz e da zona cilíndrica da matriz.

Na trefilagem a matéria-prima é forçada a passar através de uma fieira (matriz) aplicando uma força de tracção à saída. À medida que a matéria-prima vai atravessando a fieira vai sofrendo deformação plástica. As fieiras são fabricadas em aço ou carboneto de tungsténio para assegurar uma boa durabilidade e são constituídas por 4 zonas: zona de entrada – possuindo um ângulo ligeiramente maior do que o ângulo de trefilagem de modo a facilitar a lubrificação do processo;

zona de trefilagem – possuindo um ângulo que geralmente

está compreendido entre os 5º e os 15º; zona cilíndrica – incluída por razões de fabrico e de manutenção da matriz, sendo fundamental para assegurar uma boa estabilidade dimensional ao produto final; zona de saída – com um ângulo de abertura contrário ao dos ângulos de entrada e de trefilagem.

Laminagem

É um processo de deformação plástica na massa, no qual o material é forçado a passar entre dois rolos, que rodam em sentidos opostos, e estão distanciados entre si de um valor inferior à espessura do material que vai ser deformado. A propulsão do material durante a laminagem é efectuada pelas forças de atrito, embora possam também ser aplicadas forças exteriores. A grande maioria dos processos de laminagem é realizada a quente, por esta ter maior capacidade de deformação e por praticamente não introduzir tensões residuais nos produtos fabricados. Contudo, é um processo em que o controlo adimensional é difícil, para além da qualidade superficial dos produtos transformados ser má, em virtude da camada de óxidos superficiais que se formam. Por isso, é usual proceder-se posteriormente a operações de laminagem a frio, destinadas a aumentar a resistência do material e maior controlo adimensional.

O ponto localizado na superfície de contacto entre o rolo e a chapa para o qual as velocidades tangenciais da chapa e do rolo se igualam, designa-se ponto neutro, que se caracteriza pela ausência de escorregamento relativo entre a chapa e o rolo. À esquerda do ponto neutro, o rolo move-se mais depressa do que a chapa e as tensões de atrito actuam no sentido de arrastarem o material para a zona compreendida entre os rolos de laminagem. À direita a chapa move-se mais depressa do que os rolos e por isso as tensões de atrito vão ser orientadas no sentido oposto ao do movimento da chapa, isto é, contrariando a saída da chapa.

No início da operação de laminagem, desenvolve-se uma força tangencial de atrito Ft, devido à acção de uma força normal à superfície do rolo Fr.

Fr

Ft

=

μ

; A condição

necessária para que a chapa seja arrastada pelos rolos no inicio da operação de laminagem é

Apenas existirá arrastamento quando o ângulo de atrito

β

for superior ao ângulo de contacto

α

. O ângulo de contacto aumenta à medida que a redução de laminagem se vai tornando mais elevada. A máxima redução de espessura admissível para a laminagem de chapas planas é função do coeficiente de atrito e do raio dos rolos (como o raio dos rolos é geralmente muito maior que a espessura da chapa (R»h), o arco de contacto pode ser substituído pela sua projecção horizontal L)

A laminagem a frio é utilizada para produzir chapas com acabamento superficial e tolerâncias dimensionais melhores do que as peças que se obtêm da laminagem a quente. O encruamento na laminagem a frio pode ser também aproveitado para melhorar as propriedades mecânicas das capas. A laminagem a frio dá origem a estruturas metalúrgicas caracterizadas por terem uma orientação preferencial, resultante da rotação e alongamento dos grãos na direcção de laminagem de maneira a acomodar a deformação que é aplicada pelos rolos. Esta orientação preferencial dos grãos está na base do fenómeno de anisotropia que é típico do comportamento mecânico das chapas finas laminadas a frio. A força de separação Fs, aplicada sobre os rolos de laminagem tende a deformá-los levando a que a chapa depois de laminada deixe de ter uma espessura constante ao longo da secção transversal, apresentando uma espessura maior na zona central do que nas extremidades dos rolos. Como outros defeitos pode-se enumerar: ondulação da chapa provocada pela flexão dos rolos dos laminadores; tensões residuais de tracção na região central e de compressão junto aos bordos; fendas na região central devido às tensões residuais; defeitos provocados por um “camber” (diferença entre os raios do centro e da extremidade dos rolos) dos rolos excessivo. A estrutura metalúrgica das chapas fabricadas por laminagem a quente resulta da sobreposição de dois efeitos: a evolução da deformação com o tempo; a variação da temperatura com o tempo. Os grãos deformados e alongados pela acção dos rolos de laminagem, ao passarem por um processo de recristalização, formam novos grãos promovendo a regeneração completa da estrutura metalúrgica. No caso da redução de espessura ser elevada a recristalização tem lugar ainda na região em deformação plástica. Pelo contrário, quando a redução é baixa, a recristalização irá surgir na parte final da operação de laminagem. A laminagem de rolos utiliza dois rolos, geralmente inclinados de um ângulo, relativamente ao eixo da peça, e um mandril. A inclinação dos rolos dá origem a que se desenvolvam duas componentes distintas da tensão de atrito na interface de contacto da peça com os rolos; uma componente axial e uma radial. A componente axial é responsável pela alimentação do varão para o interior da região em deformação plástica, enquanto que a radial provoca o movimento de rotação. O princípio de

funcionamento da laminagem de tubos baseia-se no facto da compressão radial da secção transversal circular do varão induzir tensões de tracção no seu interior, na região da linha de simetria.