Extrusão e trefilagem

1 Introdução

A extrusão 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.

A tecnologia da extrusão permite fabricar componentes de geometria muito variada, com aplicação em inúmeras industrias e fazendo uso de um leque muito alargado de materiais metálicos, dos quais se destacam, pela sua importância, os aços e as ligas de alumínio e de cobre.

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Extrusão e trefilagem

Introdução (continuação)

Embora as aplicações mais divulgadas consistam no fabrico de varão e de tubo de secção cilíndrica constante podem, no entanto, ser fabricadas outros produtos com dimensões e formas geométricas muito diversificados numa gama muito variada de materiais metálicos.

3 Classificação dos processos de extrusão

Os processos de extrusão podem ser classificados em quatro grupos distintos:

Extrusão inversa por perfuração – este grupo integra o conjunto de operações de extrusão em que o contentor é fechado e o material é forçado a sair da matriz através do punção, ou seja, no sentido contrário ao do seu avanço.

Extrusão directa – este grupo integra o conjunto de operações de extrusão (lubrificadas e não-lubrificadas) onde o material é forçado a atravessar a matriz de extrusão no mesmo sentido em que se efectua a aplicação de carga.

Extrusão hidrostática – Este grupo integra o conjunto de operações de extrusão directa onde o material, no interior do contentor de extrusão, é envolvido por um fluido hidráulico sujeito a uma pressão elevada.

Extrusão inversa por impacto – este grupo integra o conjunto de operações de extrusão em que o contentor é fechado e o material é extrudido pelo espaço compreendido entre o punção e o contentor em sentido contrário ao do seu avanço.

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Extrusão e trefilagem

Extrusão directa

Na extrusão directa o material é colocado no interior de um contentor e devido à acção de um punção forçado a passar através do orifício da matriz. 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 (superfície da camisa do contentor de extrusão).

O atrito é responsável por um aumento considerável da força necessária à extrusão, a qual pode, em termos médios, crescer cerca de 30% relativamente ao caso em que não existisse atrito.

punção

placa de aplicação de pressão

contentor de extrusão

matriz

5 Extrusão directa – força e energia

O gráfico de variação da força aplicada pelo punção com o deslocamento para uma operação de extrusão directa pode ser decomposto em quatro regiões distintas, em correspondência com as parcelas de energia que são necessárias fornecer para realizar a extrusão: A - Energia necessária para acomodar o material à geometria do contentor B - Energia necessária para iniciar a extrusão do material

C - Energia necessária para deformar plasticamente o volume de material

D - Energia necessária para vencer o atrito que se desenvolve na interface de contacto entre o material e o contentor de extrusão.

A C B D Deslocamento Força 6

Extrusão e trefilagem

Extrusão directa – defeitos

• Rechupes

Surgem durante a fase final de uma operação de extrusão directa convencional. No caso de se pretender processar a totalidade do material, incluindo o material da 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.

punção

matriz rechupe

l

Os principais defeitos que podem ocorrer durante uma operação de extrusão directa são os seguintes: 4,I 1,I 1,II 1,III 1,IV 2,I 1,IV +k P2,I -k 4,I m σ O P τ σ P4,I P1,I P1,II P1,III

7 Extrusão inversa

A extrusão inversa caracteriza-se pelo contentor ser fechado e o material sair em sentido contrário ao do avanço do punção.

A energia dissipada por atrito é, neste caso, inferior à da extrusão 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 cerca de 5% da matéria-prima inicial é desperdiçada).

A principal desvantagem da extrusão inversa consiste na maior complexidade e no custo acrescido das ferramentas.

desembaínhador

punção de suporte e ejecção d-(2R+0.2d a 0.3d) d-0.1 a 0.2 0.3 d a 0.7 d 10 a 20º 4 a 5º R=0.05d a 0.10d d extrusão inversa extrusão directa Força Deslocamento 8

Extrusão e trefilagem

Extrusão inversa (por impacto) – defeitos

• 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.

Os principais defeitos que podem ocorrer durante uma operação de extrusão inversa por impacto são os seguintes:

β falhas/chochos fendas pressão atmosférica vácuo desembaínhador

9 Extrusão de produtos de secção transversal oca

O fabrico de peças extrudidas com secção transversal oca pode ser efectuado através de duas técnicas distintas:

• Partindo de matéria-prima em forma de varão

onde foi 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/segmentada à entrada da matriz (com o objectivo de criar a região oca do perfil) e posteriormente ligada por um mecanismo de soldadura por pressão em câmaras de soldadura contíguas à zona de saída da matriz. Esta técnica é muito utilizada na extrusão a quente não-lubrificada de ligas de alumínio e chumbo. punção matriz mandril peça saída da matriz B´ B câmara de soldadura A´ entrada da matriz A B´ B peça final secção A-A' 10

Extrusão e trefilagem

Extrusão de perfis de alumínio

Uma das aplicações industriais mais importantes da tecnologia da extrusão que tem vindo a ser descrita consiste no fabrico de perfis estruturais de alumínio por extrusão isotérmica a quente.

Contentor Perfil extrudido Punção Pistão Óleo Matéria-prima Matriz Perfil extrudido Matriz

A matéria-prima e a matriz são aquecidas a temperaturas próximas dos 450º C, situando-se a velocidade de actuação do pistão na gama dos 5 a 50 m/min. Os perfis depois de extrudidos podem possuir comprimentos entre os 25 e os 45 m, uma espessura mínima das paredes na ordem de grandeza do 1 mm e bons acabamentos superficiais (R_a = 0.8µm). No final da operação de extrusão os perfis são desempenados com esticadores que aplicam forças de tracção entre as suas extremidades e posteriormente submetidos a um tratamento térmico de envelhecimento artificial a uma temperatura na ordem dos 170 a 190ºC.

11 Matrizes e contentores de extrusão

O projecto de contentores de extrusão é uma tarefa muito delicada em virtude das pressões elevadas a que estes se encontram submetidos durante as operações de fabrico.

A máxima pressão que pode ser aplicada no interior de um contentor de extrusão é função do tipo de solução construtiva que se adopta. Uma das formas geralmente usada para proteger a matriz contra eventuais roturas, provocadas pelo valor elevado da pressão que se desenvolve durante a operação, é o encamisamento da matriz, o qual pode ser simples, duplo, triplo ou ainda constituído por um número maior de anéis, caso as condições de projecto o exijam.

i p d d1 d2 D 1500 500 1000 1 2 3 4 5 p i(MPa) 2000 D/d 6 12

Extrusão e trefilagem

Matrizes e contentores de extrusão – desgastes e avarias

No decurso de um processo de fabrico sujeitam-se as matrizes e os contentores de extrusão a cargas mecânicas e/ou térmicas elevadas com características cíclicas. Estas solicitações podem dar origem a diferentes tipos de avarias e desgastes dos quais se destacam pela sua importância:

• Fissuras axiais – são originadas pela acção de tensões tangenciais de tracção excessivamente

elevadas; são fissuras provocadas por sobrecarga mecânica.

• 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 (zona de saída da

matriz).

fissura axial

fissura radial

desgaste adesão e abrasão

13 Cálculo de peças extrudidas – método da energia uniforme

A metodologia de cálculo é análoga à que foi apresentada para o forjamento na disciplina Tecnologia Mecânica I e consiste nos seguintes procedimentos:

1. Determinação da geometria equivalente (forma elementar cilíndrica)

2. Determinação da relação de extrusão R

α 1 v z r r0 0 v 1 r p τa D₀ D1 _e l π = 1 1 4A D 2 1 0 1 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = = r r A A R 14 R b a Qp ln 1_{ε≈ + ⋅} η =

Extrusão e trefilagem

Cálculo de peças extrudidas – método da energia uniforme (continuação)

4. Determinação do valor médio da tensão efectiva

3. Determinação da extensão à saída e de velocidade de deformação média

R A A ln ln 1 0= = ε ε − α = ε 3 1 3 0 2 0 0 tan 6 D D D v média & 1 + ε = σ n K n unif n Kε = σ m Cε = σ & m média unif =Cε σ &

5. Determinação da pressão de extrusão

8 . 0 = a 5 . 1 2 . 1 − = b 0 4 D l Q pedirecta =σunif p+ τa

6. Determinação da força e da energia de extrusão

0

A

p

F

=

V

Q

W

=

σ

ε

⋅

15 Cálculo de peças extrudidas – método da fatia elementar

A metodologia de cálculo é análoga à que foi apresentada na disciplina Tecnologia Mecânica I:

τ = µ τ = µ z p σ p Plano zr p p D0 1 D dz 2α ds D+dD D σz+ dσz z r F

α

µ

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

σ

tan

1

1

B

D

D

B

B

p

Nota: Esta expressão apenas contabiliza a deformação plástica e o atrito µ na zona da matriz. O aumento de pressão que decorre do atrito ao longo do contentor de extrusão terá de ser adicionado à expressão.

Cálculo da pressão de extrusão pea partir do equilíbrio das tensões actuantes uma fatia

elementar para o caso da extrusão axisimétrica:

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Extrusão e trefilagem

Cálculo de peças extrudidas – métodos das linhas de escorregamento e do limite superior

A aplicação destes métodos é efectuada com base nos Capítulos 8 e 9.

Apresenta-se um exemplo de extrusão directa sem atrito em condições de deformação plástica plana com uma relação de extrusão R = 2 resolvido através do método das linhas de

escorregamento: 0 v h /20 r 0 2k 2k 0 0 0 45° 1,I 1,II 45° E 0 O=I,II,III 0 h /2 1 q zo na m orta α 1,III β r q CBA v1 90º τ +k α

ciclóide dos pólos

σ =O P1,I -k σ β P 1,II kπ m 1,I m 1,III σ 1,III q=P _r α 0 v

1,III C = 1,II C = 1,I C

O=1,III B 1,III A 45º 1,I B 1,I A 45º 1,II A = 1,II B 1 v = 2 v0 285 . 1 2 1 2 1 2 ⎟⎠≅ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ₊π = k p

17 Trefilagem

Na trefilagem a matéria-prima é forçada a passar através de uma fieira (designação habitualmente dada às matrizes de trefilagem) aplicando uma força de tracção à saída.

À medida que a matéria prima vai atravessando a fieira vai sofrendo deformação plástica, dando origem a um produto de menor secção transversal e com maior comprimento, com boa qualidade superficial e com excelente controlo dimensional.

A trefilagem aplica-se fundamentalmente no fabrico de peças que possuam simetria axial de revolução, destacando-se pela sua importância industrial a produção de arame e a redução de secção de componentes tubulares. A produção de tubo é geralmente efectuada por outros processos tecnológicos a quente, como seja, por exemplo, a extrusão ou a laminagem, aplicando-se a trefilagem apenas para reduzir os diâmetros.

fieira peça trefilada

dispositivo de tracção

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Extrusão e trefilagem

Trefilagem - fieiras

As fieiras de trefilagem são fabricadas em aço ferramenta ou em carboneto de tungsténio para assegurar uma boa durabilidade e são constituídas por quatro zonas distintas:

• 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

de modo a facilitar a saída do produto final.

zona de entrada zona de trefilagem zona cilíndrica zona de saída mandril garras de tracção fieira mandril mandril

19 Cálculo de peças trefiladas – método da energia uniforme

A metodologia de cálculo é análoga à que foi apresentada para a extrusão e, portanto, apenas se apresentam as principais diferenças:

1. Determinação da geometria equivalente

π = 1 1 4A D α 1 v 0 v t τa D0 D1 Dm L

2. Determinação da extensão à saída

R A A ln ln 1 0 ₌ = ε

3. Determinação do valor médio da tensão efectiva

1 + ε = σ n K n unif n Kε = σ

4. Determinação da tensão de tracção

ε σ η = unif t 1 t=Qtσunif 20

Extrusão e trefilagem

Cálculo de peças trefiladas – método da energia uniforme (continuação)

α 1 v 0 v t τa D0 D₁ D_m L

4. Determinação da tensão de tracção (cont.)

unif t

Q

t

=

σ

5. Determinação da força de trefilagem

1

1 Q A

A t

21 Cálculo de peças trefiladas – método da fatia elementar

A metodologia de cálculo é análoga à que foi apresentada na disciplina Tecnologia Mecânica I:

α

µ

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

σ

tan

1

1

B

D

D

B

B

t

Nota: Esta expressão apenas contabiliza a deformação plástica e o atrito µ na zona da matriz.

Cálculo da tensão de trefilagem t a partir do equilíbrio das tensões actuantes uma fatia elementar para o caso da extrusão axisimétrica:

τ = µ τ = µ z p σ p Plano zr p p D0 1 D dz 2α D+dD D σz+ dσz z r T ds 22

Extrusão e trefilagem