Aula 14, 15, 16, 17 - Extrusão

Extrusão

• A extrusão é um processo de conformação

plástica que consiste em fazer passar um

tarugo ou lingote (de secção circular),

colocado dentro de um recipiente, pela

abertura existente no meio de uma

ferramenta, colocada na extremidade do

recipiente, por meio da ação de compressão

de um pistão acionado pneumática ou

hidraulicamente.

Extrusão

Extrusão

• O processo de extrusão é um processo de trabalho

geralmente realizado a quente.

• Os produtos da extrusão são perfis e tubos, e,

particularmente, barras da secção circular.

• O lingote inicial é assim denominado por ser

proveniente de um processo de fundição. Caso venha

da laminação é melhor ser designada como barra

inicial ou tarugo.

Extrusão

Extrusão

Extrusão Direta:

• O pistão age sobre o tarugo forçando a sua passagem pela ferramenta, colocada no lado oposto do recipiente, e provocando uma intensa ação de atrito entre o tarugo e o recipiente de extrusão. • Tem uma utilização maior em face da maior simplicidade do

equipamento, pois não exige um pistão oco.

• Uso de lubrificantes resistentes à temperatura elevada para redução do atrito. Esse processo pode, contudo provocar o aparecimento de defeitos, causados pelo atrito na superfície do produto, tais como bolhas e escamas.

Nota: Para eliminar estes inconvenientes, utiliza-se o processo de extrusão direta sem lubrificante, mas com um disco de diâmetro menor que o do recipiente.

Extrusão

Extrusão Indireta:

• O pistão age sobre o tarugo forçando a sua passagem pela

ferramenta, colocada no lado oposto do recipiente, e

provocando uma intensa ação de atrito entre o tarugo e o

recipiente de extrusão.

• Exige menor esforço de deformação.

• Tem uma resistência limitada a flambagem para grandes

componentes, pois utiliza um pistão oco.

• O pistão se mantém fixo, com a ferramenta colocada na sua

extremidade, e o recipiente com o tarugo avança em sua

direção, tornando inexistente o atrito entre o tarugo e o

recipiente.

Extrusão

Máquina de Extrusão:

• A máquina de extrusão é uma prensa hidráulica,

comumente horizontal, de 1.000 a 8.000 t, e que pode

adotar o sistema de acionamento hidropneumático ou

oleodinâmico.

 Tipo oleodinâmico: A alimentação do cilindro pode se

dar com auxílio de uma bomba hidráulica (metais

não-ferrosos).

Tipo hidropneumático: Emprega um acumulador de

pressão (elevada velocidade – mais aplicadas a metais

ferrosos).

Extrusão

Outras partes da Máquina de Extrusão:

• Pistão de extrusão, recipiente e camisa,

conjunto suporte da ferramenta e estrutura.

Extrusão

Ferramentas:

• Podem apresentar diversos tipos de perfis;

• Os ângulos de abertura das ferramentas são

grandes, atingindo normalmente o valor de

180°C.

Extrusão

Matéria-Prima para Extrusão(Tarugos/Lingotes:

• Lingote é o bloco de metal produzido por

fundição (superfície praticamente isenta de

oxidação).

• Tarugo é o bloco de metal obtido pela

laminação de um lingote (apresenta uma

maior irregularidade e uma maior intensidade

de oxidação).

Extrusão

Processo de Extrusão com tarugo:

• Adota-se um pistão de diâmetro inferior ao diâmetro do

tarugo, de maneira que o pistão possa penetrar por

dentro do tarugo deixando uma casca superficial

contendo as irregularidades e os óxidos formados nos

processos anteriores ou no aquecimento para a extrusão.

• Retira-se a casca deixada no recipiente.

• Deve- se remover o fundo ou resíduo do tarugo (ou

lingote) não-extrudado (cerca de 12 % do comprimento).

Extrusão

Etapas do Processo de Extrusão:

1-) Aquecimento:

• O forno que melhor atende às condições de

aquecimento uniforme é o forno elétrico à

indução magnética, pois resulta de pouca

oxidação superficial.

Notas: A ausência de oxidação superficial é

obtida com o uso de atmosfera controlada no

aquecimento.

Extrusão

Etapas do Processo de Extrusão:

2-) Transporte rápido do tarugo para o recipiente (para

evitar oxidação superficial intensa – evitar contato com o

meio-ambiente).

3-) Extrusão com o avanço do pistão.

• Entre o pistão e o tarugo coloca-se um disco metálico

para evitar a soldagem do pistão no tarugo em virtude

das temperaturas e pressões elevadas.

• Deixa-se um resto de tarugo sem extrudar para evitar que

o disco atinja a ferramenta de extrudar.

Extrusão

Etapas do Processo de Extrusão:

4-) O recipiente se afasta para a retirada do disco e do resto de

tarugo.

5-) Corta-se o extrudado e recua-se o pistão.

6-) Retira-se a casca do tarugo com o avanço do pistão utilizando-se

o disco de raspagem.

Nota: 1) O tempo ciclo de extrusão é acima de 60 segundos.

2) Na extrusão a quente, as reduções de área conseguidas

são da ordem de 1:20 (um para vinte). Os materiais mais dúcteis,

como o alumínio, podem passar por extrusão tanto a frio quanto

a quente e obtêm reduções de área da ordem de 1:100 (um para

cem).

Extrusão

Controle do Processo de Extrusão:

As técnicas experimentais de controle podem ser utilizadas em

duas áreas de estudo do problema:

1. Análise das propriedades mecânicas e características

estruturais do material metálico:

a) Na forma de matéria-prima (lingote fundido ou tarugo

laminado).

b) Na forma de produto final (barra ou perfil extrudado).

2. Análise das condições de processamento ligadas ao

desempenho da máquina de extrusão e ao comportamento

do material durante o processo de extrusão.

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Controle do Processo de Extrusão (1):

• São aplicadas técnicas convencionais de ensaios mecânicos e de exame metalográfico (tamanho e forma do grão, distribuição de fases e inclusões da matéria-prima e do produto extrudado) incluindo-se observação de defeitos provenientes da falta de homogeneidade e de continuidade do material, bem como a verificação de regularidades dimensionais.

• Determina-se a composição química (elementos de liga e a impureza da matéria-prima).

• Determina-se as propriedades mecânicas (de resistência e de ductibilidade, principalmente dos produtos extrudados).

• Determina-se as dimensões (regularidade do diâmetro, ovalização).

• Determina-se a presença de defeitos (porosidades, escamas, cascas de óxidos, inclusões e vazios internos na matéria-prima e no extrudado).

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Controle do Processo de Extrusão (2):

• A maneira como ocorre o fluxo ou escoamento

do material no recipiente e através da

ferramenta de extrusão.

• Medições dos parâmetros do processo: força ou

pressão de extrusão, da velocidade de extrusão

(regularidade de intensidade) e da temperatura

do tarugo (ou lingote), do recipiente de extrusão

e do perfil da ferramenta.

Extrusão

Extrusão

Parâmetros Geométricos:

• O Ângulo da Matriz α.

• A Relação de Extrusão que é o quociente entre as áreas das

seções transversais do tarugo A

e do produto extrudado A

.

Extrusão

Parâmetros Geométricos:

• O diâmetro do círculo circunscrito DCC que é

o diâmetro do menor círculo no qual se

inscreve a seção transversal.

Extrusão

Parâmetros Geométricos:

• A complexidade da extrusão é medida pela relação

entre o perímetro da seção do produto extrudado e

a área da seção transversal.

• Esta relação é denominada fator de forma.

Classes de

extrusão

Extrusão

Parâmetros Físicos:

• Força de extrusão: A força requerida para o processo

depende da resistência do material, da relação de

extrusão, da fricção na câmara e na matriz, e outras

Extrusão

Parâmetros Físicos:

• Força de atrito: A força de atrito entre a

container e o tarugo durante o processo de

extrusão.

Extrusão

Parâmetros Físicos:

Fa = U.l

.µ.K

Onde:

U = perímetro interno do container

l

= comprimento inicial do tarugo

µ = coeficiente de atrito

K = Constante de extrusão

Sendo o atrito uma força a ser superada durante o

processo, a força máxima de extrusão é calculada

por:

Extrusão

Parâmetros Físicos:

• Os valores de k são dados na figura abaixo, para o campo usual

de temperaturas Conf. Kalpakjlan pg 372 (Fonte: P

Loewenstehi).

Extrusão

Extrusão

Exercício: 1) Calcular a força de extrusão e a força

máxima de extrusão para o processo de extrusão de

um tarugo de aço de 50671 mm² de área e 500 mm

de comprimento. Considerar:

µ=0,12 ; R=20;

Notas: 1) Usar temperatura média de extrusão

para o aço.

2) Considerar: o diâmetro do container =

diâmetro do tarugo.

Extrusão

Exercício: 2) Calcular a força de extrusão e a força

máxima de extrusão para o processo de extrusão de

um tarugo de alumínio de 114000 mm² de área e

500 mm de comprimento. Considerar:

µ=0,14 ; R=80;

Notas: 1) Usar temperatura média de extrusão

para o alumínio.

2) Considerar: o diâmetro do container =

diâmetro do tarugo.

Extrusão

• O fluxo do metal determina a qualidade e as propriedades mecânicas do produto final.

• O fluxo do metal é comparável ao escoamento de um fluido num canal. • Os grãos tendem a alongar-se formando uma estrutura com orientação

preferencial.

• O fluxo inadequado pode causar inúmeros defeitos. • A técnica de observação do fluxo consiste em:

1. Seccionar o tarugo ao longo de seu comprimento. 2. Marcar uma das faces com um quadriculado.

3. As duas metades são então colocadas juntas na câmara e extrudadas. 4. Após a extrusão as partes são novamente separadas para exame.

Extrusão

Extrusão

Velocidade:

• As velocidades do pistão podem chegar até

0,5m/s.

• Geralmente, velocidades menores são

recomendadas para o alumínio, magnésio e

cobre.

• Velocidades mais altas para aços, titânio e

ligas refratárias.

Extrusão a Frio

• Aços-carbono de até 0,20% de Carbono. Ex. Porcas de rodas,

Pino de Pistões, Capas de Mancal, etc...

• Aços-Carbono com teor de carbono mais elevado, deve-se

submeter a peça a um tratamento térmico de esferoidização.

Ex.: Apoio de suspensão dianteira, porcas, eixos de motores e

de geradores.

• Aços-Ligas: deve-se proceder a esferoidização antes de

submeter a extrusão a frio. Ex.: Bucha, Pistões, eixos,

parafusos, roscas sem-fim p/ mecanismos de direção, etc..

Ex.: Ligas de alumínio, cobre, chumbo e magnésio.

Extrusão a Frio

A figura mostra a deformação progressiva de uma barra de aço 8640 (0,40% C; 0,80% Mn; 0,55% Ni; 0,50% Cr; 0,20% Mo) para a fabricação de uma esfera de articulação de direção.

Extrusão a Frio

• É similar a extrusão indireta e freqüentemente incluída na

categoria da extrusão a frio. O punção desce rapidamente sobre o tarugo que é extrudado para trás.

• A espessura da seção extrudada é função da folga entre o punção e a cavidade da matriz.

• A maioria dos metais não ferrosos podem ser extrudados por impacto.

• Seções tubulares de paredes muito finas (relações de diâmetro / espessura da ordem de 0,005).

Ex.: Os tubos de pastas e assemelhados que são peças descartáveis. Podem-se obter diâmetros de até 150 mm.

Extrusão a Frio

Extrusão Hidrostática:

• O diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro

da câmara, que é preenchida por um fluido. A

pressão é transmitida ao tarugo através de um

pistão. Não há fricção nas paredes da câmara.

Extrusão a Frio

Extrusão Hidrostática:

• O diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da câmara, que é

preenchida por um fluido. A pressão é transmitida ao tarugo

através de um pistão. Não há fricção nas paredes da câmara.

• A extrusão hidrostática é realizada usualmente a temperatura

ambiente.

• Usa-se óleo vegetal como meio fluido, combinando as

qualidades de viscosidade e lubrificação.

• Pode-se, também, trabalhar a altas temperaturas, nesse caso,

ceras, polímeros ou vidro são usados como fluido que também

tem a função de manter o isolamento térmico do tarugo durante

o procedimento de extrusão.

Extrusão de Tubos

• Na extrusão de tubos um mandril é preso à extremidade do

êmbolo, de modo a conformar o diâmetro interno do tubo.

• As dimensões da parede do tubo são determinadas pela

Extrusão

Classificação dos produtos extrudados:

É realizada conforme a forma da seção transversal. Os produtos são: barras (redondas, quadradas, hexagonais, etc.), arames, tubos e perfis (ocos ou maciços) de formas diversas.

Os materiais metálicos mais comumente extrudados são o alumínio, o cobre e suas ligas, mas, outros metais não-ferrosos, de aplicação mais restrita, podem ser também extrudados. Tubos e barras de aço podem ser produzidos pelo processo de extrusão, mas isso ocorre de forma limitada pelas dificuldades operacionais. Esses materiais (aços-carbono, aços inoxidáveis e alguns aços- liga) exigem elevadas temperaturas e pressões de trabalho que criam dificuldades de lubrificação e, em conseqüência, impõem baixas velocidades de trabalho e pequenas reduções.

Extrusão

Defeitos dos produtos extrudados:

• Linhas internas de óxido no interior do produto – Causado pela diferença de velocidade entre a periferia (menor) e a do núcleo (maior) no tarugo. Se esse produto for cortado transversalmente, esse óxido aparecerá na forma de um anel que não permite a colagem das partes a ele adjacentes.

• Cavidade no centro da superfície do material - Outro defeito que pode aparecer por causa da diferença de velocidade entre o núcleo do tarugo e a periferia. O aspecto desse defeito é semelhante ao de um rechupe interno.

• O arrancamento - é o defeito que se forma na superfície do produto

e aparece na forma de perda de material da superfície, quando o produto passa muito rapidamente pela matriz.

• Bolhas na superfície - Elas podem ser causadas pela presença de hidrogênio e materiais provenientes da fundição do lingote ou por ar contido dentro do recipiente da prensa. • Riscos de Extrusão – causados por irregularidades na superfície da ferramenta ou por