Neste novo artigo, continuamos à conversa com o Engº Miguel Queirós, técnico comercial da ETMA, para descobrirmos mais sobre o processo produtivo de Forjamento a Frio. Depois de, no 1º artigo, termos explicado em que consiste este processo, bem como o seu enquadramento no contexto produtivo da ETMA, vamos agora abordar os seus principais aspetos tecnológicos.
No artigo anterior, abordamos vários aspetos gerais do forjamento. Podemos detalhar mais este processo do ponto de vista técnico?
Claro. O forjamento é uma tecnologia de fabrico classificado dentro dos processos de enformação por conformação plástica. Ao contrário de processos do grupo da maquinagem, e mesmo da estampagem, que recorrem ao corte e remoção de material para dar a forma pretendida ao objeto, no forjamento apenas se altera a forma do volume de material. Por este motivo, é uma tecnologia que gera pouco ou nenhum desperdício de material, sendo assim um processo mais sustentável para a obtenção de componentes.
Tecnologicamente, o processo de forjamento pode ser classificado em dois grandes grupos:
- Forjamento a frio
- Forjamento a quente
O forjamento a quente é, normalmente, usado para peças de média ou grande dimensão, uma vez que o aumento de temperatura do material diminui a sua resistência à deformação plástica, ou seja, melhora a sua ductilidade.
A ETMA faz peças por forjamento a quente?
No caso da ETMA apenas é utilizado o forjamento a frio. As peças que produzimos são de pequena dimensão e não é necessário a utilização de calor para vencer a resistência à deformação de pequenos volumes de metal. Não utilizar o calor para forjar as peças permite também tirar partido do fenómeno de endurecimento dos materiais por trabalho mecânico, ou seja, as peças são mais resistentes do que o material de base utilizado.
As vantagens deste processo são várias:
- Permite fabrico de componentes com grande precisão dimensional;
- Geometrias complexas próximas ao uso da peça (near-net-shape);
- Bom acabamento superficial das peças;
- Elevada cadência produtiva;
- Preserva e melhora a estrutura interna do material.
Gostaria de focar duas destas vantagens.
A primeira vantagem é a possibilidade de obter geometrias complexas próximas à forma final. Os processos de maquinagem permitem obter formas mais complexas e tolerâncias dimensionais e qualidade geométrica superior ao forjamento.
No entanto, produzem muita limalha, desperdiçando muito material. Considerando a importância da sustentabilidade na indústria e que a redução de desperdício é um objetivo essencial para essa sustentabilidade, é fácil compreender porque há uma procura crescente para a possibilidade de obter pré-formas próximas da forma final que serão posteriormente maquinadas.
A ETMA tem desenvolvido esta capacidade e está equipada não só com os equipamentos para a obtenção de preformas forjadas, mas também com máquinas de maquinagem, em particular torneamento, adaptadas ao trabalho peça a peça que esta opção torna obrigatória (por contraposição com o trabalho a partir de cavilha, típica do torneamento).
Figura 1: Pré-forma forjada. Peça final torneada.
A outra vantagem que gostaria de realçar é a preservação e melhoria da estrutura interna dos materiais. No caso dos metais, esta estrutura é do tipo cristalina, porque há um arranjo tridimensional dos átomos que constituem a matéria metálica fortemente orientado. Quando uma peça é maquinada, essa estrutura pré-existente no material vai ser cortada, eliminada. O alinhamento interno dos átomos permanece, mas é interrompido.
Pelo contrário, quando a peça é forjada, a estrutura é simplesmente rearranjada. Há reposicionamento dos átomos e reorientação dos seus alinhamentos, mas as ligações destes alinhamentos são preservadas.
A resistência dos materiais em que a estrutura interna é preservada é superior, porque resiste mais à iniciação de fissuração e, em consequência, à fratura.
Figura 2: Comparação da estrutura interna de peças metálicas obtidas por forjamento (esq.) ou por maquinagem (dir.)
Voltando à questão energética. A ETMA fabrica componentes metálicos, alterar a forma de peças metálicas não deve ser fácil…
De facto, não é! À semelhança de outros processos de transformação de metais, como a fundição ou a maquinagem, é necessária uma energia considerável. Na fundição, por exemplo, o metal deve ser aquecido acima do seu ponto de fusão. Na maquinagem, a ferramenta de corte deve provocar no material uma tensão superior à tensão de rutura deste para o cortar. Porém, qualquer destas grandezas características do material tem uma energia associada superior ao limite elástico, que é o estado de tensão interno do material que terá que ser ultrapassado para que ocorra a deformação plástica do mesmo.
Do ponto de vista meramente teórico, seria suposto o forjamento requerer menor consumo energético que os outros processos referidos. Na prática, pode não ser bem assim: a deformação plástica ocorre em todo o volume de material e não apenas em planos de corte como na maquinagem. Além de que o cálculo da energia necessária deve considerar não só o processo físico propriamente dito, mas também o funcionamento e operação das máquinas e seus sistemas auxiliares, como alimentação e transporte de materiais, pelo que é tremendamente complexo.
As caraterísticas dos materiais que mencionei antes, limite elástico (Re) e limite de resistência (Rm), são muito importantes na caraterização do comportamento mecânico dos materiais. Este comportamento é descrito graficamente num diagrama tensão versus deformação. Tensão (σ) é o estado de tensão interna em que o material se encontra por ação de uma força ou solicitação externa. A deformação (ε) avalia a alteração de geometria do objeto em estudo em consequência desse estado de tensão.
Os metais têm um comportamento denominado elasto-plástico: até determinado limite de tensão são elásticos, ou seja, deformam por ação de uma força externa sobre eles aplicada e recuperam a forma original quando cessa essa solicitação externa.
Este é o regime elástico e o limite de tensão designa-se por Limite Elástico, vulgarmente representado por Re.
Porém, se a tensão associada à carga externa for superior ao Limite Elástico, a deformação será permanente. Se a tensão continuar a aumentar, o material não vai suportar mais deformação e atinge a rutura. Este limite à deformação plástica, onde se atinge a rutura, é a Tensão de Rutura do material, também conhecida como Resistência Mecânica e representa-se por Rm.
Estes valores, Re e Rm, são característicos para cada material. O Diagrama Tensão-Deformação é uma forma gráfica normalmente utilizada para representar estas relações.
Figura 3: Gráfico tensão-deformação
É importante compreender essas relações de tensões e deformação para fazer boas peças forjadas?
Sim. Como o objetivo do forjamento é deformar plasticamente o material, mas sem atingir a rutura, as forças de conformação aplicadas devem gerar tensões entre os valores Re e Rm do material. Mais, quanto maior for a diferença entre estes dois valores, menos sensível será o material a variações no processo (temperatura ambiente, afinação de máquina, estado de ferramenta, etc.) que possam alterar o estado de tensão interno e fazer com que saia da região de trabalho desejada.
Um outro valor tecnológico importante é a Estricção (Z%) que avalia a ductilidade do material e está relacionada precisamente com a dimensão da região de deformação plástica do material. Um bom material para forjamento terá um valor Z% elevado.
A qualidade das peças forjadas depende muito da capacidade de controlar o processo. A matéria-prima é uma variável muito importante e a sua correta seleção tem que ser baseada nestas variáveis tecnológicas.
No forjamento há outras questões a ter em consideração para além do material?
Com certeza. O tipo ou desenho da ferramenta é outro aspeto importante. A maior ou menor restrição criada pela ferramenta ao fluxo de material durante a deformação plástica que ocorre durante o processo é muito importante para a qualidade da peça forjada.
As ferramentas podem ser classificadas da seguinte forma:
- Forjamento em matriz aberta;
- Forjamento em matriz fechada.
Figura 4: Representação de matriz aberta versus matriz fechada
Pode falar um pouco mais de cada tipo de ferramenta?
Certamente.
No forjamento em matriz aberta, o material é comprimido num molde que não restringe totalmente o metal durante o processo.
Figura 5: Forjamento em matriz aberta
Este processo permite a conformação de peças de grandes dimensões e formas simples em prensa com ferramentas simples.
O molde tem apenas duas superfícies e o material é simplesmente comprimido entre essas duas superfícies.
Estas ferramentas também podem ser utilizadas para pré-conformar peças que serão posteriormente sujeitas a operações secundárias, por vezes em matriz fechada, onde tomarão a forma final pretendida, mais complexa.
O forjamento em matriz fechada é realizado numa ferramenta mais elaborada, cuja forma interior é o “negativo” da forma que se pretende conformar à superfície externa do material. Estas formas podem ser mais complexas que na matriz fechada, com redução de diâmetro sucessivas. Não são possíveis contra saídas, ou seja, ao afastarmo-nos do plano de apartação da ferramenta a secção da peça, paralela a esse plano, será sempre igual ou menor que as secções anteriores.
A peça é obtida na sua forma final em uma ou mais etapas, incluindo por vezes remoção do excesso de material.
Figura 6: Forjamento em matriz fechada
O volume do material que vai entrar na ferramenta e o volume interior da cavidade da ferramenta devem ser iguais, caso contrário a ferramenta não suportará as pressões de compressão e romper.
Nos equipamentos atuais, este volume corresponde ao troço de arame inicial que é cortado na primeira operação. As variações de comprimento deste troço vão ter grande impacto no seu volume total. Não é possível impedir esta variação com o rigor necessário, pelo que a ferramenta deverá ter volumes de escape, ou ser projetada para trabalhar com uma determinada “abertura” que permita cumprir essa função.
Essa abertura pode ser usada, por exemplo, para formar a cabeça de um parafuso, quando a forma da cabeça é simples. Caso contrário, esse volume excedente de material irá formar uma rebarba que deverá ser cortada numa operação adicional, que pode ser realizada na máquina, se esta tiver essa capacidade, ou externalizada.
Por outro lado, a obtenção de um formato complexo, normalmente, não é possível com uma única operação, sendo necessárias uma ou mais etapas de pré-forjamento. Nesta situação é possível essas etapas combinarem, alternada ou sucessivamente, situações de matriz aberta ou fechada. Esta prática é muito frequente nos ferramentais de máquinas multi estação.
Figura 7: Etapas de forjamento de um parafuso (à direita, última etapa com corte do contorno da cabeça)
A utilização de máquinas multiposto é importante para assegurar produtividade. A ETMA possui várias máquinas de 4, 5 e 6 estações que permitem a realização de várias operações sucessivas de redução de volume e/ou corte de rebarba.
Figura 8: Máquina de forjamento multi estação
Por fim, acrescentar que o forjamento em matriz fechada tem ferramentas mais complexas (e mais dispendiosas). E é normalmente usado para o fabrico em grandes séries, onde é possível amortizar o investimento num grande número de peças.
Concluímos este 2º artigo sublinhando, uma vez mais, a vasta experiência da ETMA no processo produtivo de Forjamento a Frio, pelo que a empresa se encontra preparada para colaborar com os seus clientes no desenvolvimento de novos projetos neste domínio.
Nos próximos artigos serão abordados os temas:
Projeto e fabrico de ferramentas
As diferentes aplicações e exemplos de peças obtidas por forjamento a frio
Entretanto, se tiver interesse em saber mais e, eventualmente, consultar-nos sobre algum projeto que tenha em mãos, não hesite em contactar-nos.
