Forjar é um método de processamento de metal que utiliza máquinas de forjamento para aplicar pressão em peças metálicas, produzindo deformação plástica que resulta em peças forjadas com propriedades mecânicas, formatos e tamanhos específicos. É um dos dois componentes do forjamento, junto com a estampagem.
O forjamento elimina defeitos como a porosidade do fundido no processo de fundição, ao mesmo tempo que otimiza a microestrutura. Além disso, uma vez que a aerodinâmica completa do metal é preservada, as propriedades mecânicas dos forjados são geralmente superiores às das peças fundidas feitas do mesmo material.
Exceto para placas laminadas, perfis ou soldagens com formatos simples, os forjados são usados principalmente para componentes cruciais que sofrem altas cargas e condições severas de trabalho em máquinas relevantes.
1. Temperatura de deformação
A temperatura inicial de recristalização do aço é de aproximadamente 727°C. No entanto, 800°C é normalmente considerado o limite para forjamento a quente. O forjamento acima de 800°C é chamado de forjamento a quente, enquanto o forjamento entre 300°C e 800°C é chamado de forjamento a quente ou semi-quente. O forjamento à temperatura ambiente é chamado de forjamento a frio.
O forjamento a quente é o método mais comumente usado para a fabricação de peças forjadas na maioria das indústrias. O forjamento a quente e a frio, por outro lado, é usado principalmente nas indústrias automotiva, de máquinas em geral e de outras indústrias de produção de peças. Esses métodos podem economizar materiais com eficiência.
2. Tipos de Forjamento
Conforme mencionado anteriormente, o forjamento pode ser classificado em forjamento a quente, forjamento a quente e forjamento a frio com base na temperatura. Além disso, pode ser categorizado em forjamento livre, forjamento em matriz, laminação de anéis e forjamento especializado com base no mecanismo de conformação.
1) Forjamento grátis
O forjamento livre é um método de processamento que envolve o uso de ferramentas universais simples ou a aplicação direta de força externa para deformar uma peça bruta entre a bigorna superior e inferior do equipamento de forjamento, para obter a geometria e a qualidade interna exigidas.
Os forjados produzidos por meio deste método são conhecidos como forjados livres e normalmente são produzidos em pequenos lotes.
Para criar peças forjadas qualificadas, vários equipamentos de forjamento, como martelos de forja e prensas hidráulicas, são usados para moldar e processar a peça bruta.
Os processos fundamentais do forjamento livre incluem recalque, estiramento, puncionamento, corte, flexão, torção, deslocamento e forjamento. Este método normalmente emprega técnicas de forjamento a quente.
2) Morre forjamento
O forjamento em matriz pode ser categorizado em dois tipos principais: forjamento em matriz aberta e forjamento em matriz fechada. Durante este processo, uma peça de metal é deformada e prensada em uma câmara de molde de forjamento de formato específico para criar peças forjadas.
Normalmente, o forjamento sob matriz é usado para fabricar peças com pesos pequenos e em grandes lotes. Este processo pode ser dividido em três tipos: forjamento a quente, forjamento a quente e forjamento a frio.
Tanto o forjamento a quente quanto o forjamento a frio são considerados a direção futura do forjamento em matriz e representam avanços na tecnologia de forjamento. O forjamento em matriz também pode ser classificado com base nos materiais utilizados, incluindo forjamento em matriz de metal ferroso, forjamento em matriz de metal não ferroso e formação de produto em pó.
Metais ferrosos, como aço carbono, metais não ferrosos como cobre e alumínio, e materiais de metalurgia do pó são utilizados neste processo.
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A extrusão é um tipo de forjamento que pode ser categorizado em extrusão de metais pesados e extrusão de metais leves.
Forjamento em matriz fechada e recalque fechado são dois processos avançados de forjamento em matriz. Uma vantagem significativa desses processos é a alta taxa de utilização de materiais, uma vez que não há rebarba.
Com um ou vários processos, peças forjadas complexas podem ser concluídas.
Além disso, a ausência de rebarbas reduz a área de tensão do forjamento, resultando em cargas necessárias mais baixas.
Contudo, é importante notar que o espaço em branco não pode ser totalmente limitado. Portanto, é necessário controlar rigorosamente o volume da peça bruta, gerenciar a posição relativa da matriz de forjamento e medir o forjamento para minimizar o desgaste da matriz de forjamento.
3) Anel de moagem
A retificação de anéis é o processo de produção de peças de anéis com diâmetros variados usando equipamento especializado, conhecido como retificadora de anéis. Também é utilizado na produção de peças de rodas, incluindo cubos de automóveis e rodas de trens.
4) Forjamento especial
Técnicas especiais de forjamento incluem forjamento por rolo, laminação em cunha cruzada, forjamento radial, forjamento em matriz líquida e outros métodos que são mais adequados para a produção de certas peças de formato complexo.
O forjamento por rolo, por exemplo, pode servir como um processo de pré-formação eficiente que reduz significativamente a quantidade de pressão necessária para operações de formação subsequentes.
A laminação em cunha cruzada é usada para produzir esferas de aço, eixos de transmissão e outros componentes semelhantes.
O forjamento radial, por outro lado, é usado para fabricar grandes barris, eixos escalonados e outros tipos de peças forjadas.
5) Matriz de forjamento
De acordo com o modo de movimento da matriz de forjamento, o forjamento pode ser dividido em laminação oscilante, forjamento rotativo oscilante, forjamento de rolo, laminação de cunha cruzada, laminação de anel e laminação transversal.
Forjamento rotativo, forjamento rotativo e laminação de anéis também podem ser processados por forjamento de precisão.
A fim de melhorar a utilização dos materiais, o forjamento por rolo e a laminação cruzada podem ser usados como processos anteriores para materiais delgados.
Assim como o forjamento livre, o forjamento rotativo também é formado localmente.
Sua vantagem é que, comparado ao tamanho do forjamento, também pode ser formado quando a força de forjamento é pequena.
Neste método de forjamento, incluindo o forjamento livre, o material se expande próximo à superfície da matriz até a superfície livre durante o processamento.
Portanto, é difícil garantir a precisão.
Ao controlar a direção do movimento da matriz de forjamento e o processo de forjamento rotativo por computador, produtos com formatos complexos e alta precisão podem ser obtidos com baixa força de forjamento, como a produção de peças forjadas como pás de turbinas a vapor com muitas variedades e tamanhos grandes.
O movimento do equipamento de forjamento pode não ser consistente com o grau de liberdade, que pode ser categorizado nos quatro tipos a seguir:
- Modo de limitação da força de forjamento: Uma prensa de óleo com um bloco deslizante acionado diretamente pela pressão do óleo.
- Modo de limite de quase curso: Uma prensa de óleo que aciona um mecanismo de biela de manivela pela pressão do óleo.
- Modo de limite de curso: Uma prensa mecânica com um controle deslizante acionado por uma manivela, biela e mecanismo de cunha.
- Modo de limitação de energia: Uma prensa de parafuso e fricção usando um mecanismo de parafuso.
Para obter alta precisão, deve-se prestar atenção à prevenção de sobrecarga no ponto morto inferior, controlando a velocidade e a posição da matriz, pois esses fatores podem afetar a tolerância do forjamento, a precisão da forma e a vida útil da matriz.
Além disso, manter a precisão requer ajustar a folga do trilho-guia do bloco deslizante, garantir rigidez, ajustar o ponto morto inferior e usar um dispositivo de transmissão auxiliar.
Para forjar peças delgadas, lubrificar, resfriar e forjar peças para produção em alta velocidade, o controle deslizante pode se mover verticalmente ou horizontalmente. Dispositivos de compensação também podem ser usados para aumentar o movimento em outras direções.
Os métodos acima diferem na força de forjamento necessária, processo, utilização de material, produção, tolerância dimensional e métodos de lubrificação e resfriamento. Esses fatores também afetam o nível de automação.
3. Materiais de forjamento
Os materiais de forjamento incluem principalmente aço carbono e ligas de aço com vários componentes, bem como alumínio, magnésio, cobre, titânio e suas ligas. Esses materiais estão disponíveis na forma de barras, lingotes, pó metálico e metal líquido.
A taxa de forjamento refere-se à relação entre a área da seção transversal do metal antes da deformação e a área da seção transversal após a deformação. A seleção correta da taxa de forjamento, temperatura de aquecimento razoável e tempo de retenção, temperatura inicial e final razoável de forjamento e deformação e velocidade de deformação razoáveis são essenciais para melhorar a qualidade do produto e reduzir custos.
Barras redondas ou quadradas são geralmente usadas como peças brutas para peças forjadas de pequeno e médio porte. Essas barras têm estrutura de grãos e propriedades mecânicas uniformes e boas, formato e tamanho precisos e boa qualidade de superfície, tornando-as convenientes para produção em massa. Com temperatura de aquecimento razoável e condições de deformação, peças forjadas de excelente desempenho podem ser produzidas sem grandes deformações de forjamento.
Em comparação, os lingotes são usados apenas para peças forjadas de grande porte. Os lingotes têm uma estrutura fundida com grandes cristais colunares e um centro solto. Portanto, é necessário quebrar os cristais colunares em grãos finos e compactá-los através de grande deformação plástica para obter excelentes microestruturas metálicas e propriedades mecânicas.
A pré-forma de metalurgia do pó pode ser transformada em forjamento de pó por forjamento sem flash em estado quente. O forjamento em pó tem propriedades semelhantes às do forjamento em matriz geral, incluindo boas propriedades mecânicas e alta precisão, e pode reduzir o corte subsequente. A estrutura interna do forjamento a pó é uniforme sem segregação, tornando-o ideal para pequenas engrenagens e outras peças de trabalho. Porém, o preço do pó é muito superior ao das barras em geral, limitando sua aplicação na produção.
O forjamento sob pressão de metal líquido é um método de formação entre a fundição sob pressão e o forjamento sob pressão. Ao aplicar pressão estática ao metal líquido derramado no furo da matriz para solidificá-lo, cristalizar, fluir, deformar plástico e moldar sob a ação da pressão, podem ser obtidas peças forjadas com a forma e as propriedades necessárias. Este método é particularmente adequado para peças complexas de paredes finas que são difíceis de formar por forjamento geral.
Finalmente, ligas forjadas de superligas à base de ferro, superligas à base de níquel e superligas à base de cobalto também podem ser completadas por forjamento ou laminação. No entanto, estas ligas são relativamente difíceis de forjar devido à sua estreita zona plástica. Portanto, existem requisitos rigorosos para a temperatura de aquecimento, temperatura de forjamento aberto e temperatura final de forjamento de diferentes materiais.
4. Fluxo do processo
Vários métodos de forjamento empregam processos diferentes e, entre eles, o forjamento a quente tem o fluxo de processo mais demorado.
A sequência típica é a seguinte: moldagem da peça bruta de forjamento → aquecimento da peça bruta de forjamento → preparação da peça bruta forjada por rolo → conformação por forjamento → corte → puncionamento → correção → inspeção intermediária para verificar o tamanho e defeitos superficiais do forjamento → tratamento térmico do forjamento para remover tensões e melhorar o desempenho de corte de metal → limpeza para eliminar incrustações de óxido superficial → correção → inspeção.
Normalmente, peças forjadas passam por inspeções de aparência e dureza, enquanto peças forjadas importantes também passam por inspeções para análise de composição química, propriedades mecânicas, tensão residual e outros testes não destrutivos (NDT).
5. Características dos forjados
Comparado às peças fundidas, o forjamento pode melhorar a microestrutura e as propriedades mecânicas dos metais.
Quando o metal é deformado e recristalizado pelo método de forjamento a quente, as estruturas originais de grãos dendríticos grossos e colunares se transformam em estruturas de recristalização equiaxiais com grãos mais finos e uniformes. Esse processo torna a segregação, a porosidade, a inclusão de escória e outras imperfeições originais do lingote mais compactas e soldadas, o que melhora a plasticidade e as propriedades mecânicas do metal.
As propriedades mecânicas das peças fundidas são geralmente inferiores às das peças forjadas do mesmo material.
Além disso, o forjamento garante a continuidade da estrutura da fibra metálica e mantém a consistência da estrutura da fibra com o formato das peças forjadas. O processo completa a linha de fluxo metálico e garante que as peças possuam boas propriedades mecânicas e longa vida útil.
Forjados produzidos por forjamento de precisão, extrusão a frio, extrusão a quente e outros métodos são superiores aos fundidos.
O forjamento envolve pressionar o metal no formato desejado ou aplicar uma força compressiva apropriada por meio de deformação plástica, normalmente usando um martelo ou pressão. O processo de forjamento refina a estrutura das partículas e melhora as propriedades físicas do metal. Em aplicações práticas, uma peça corretamente projetada pode direcionar o fluxo de partículas na direção da pressão primária.
Fundição é o processo de obtenção de um objeto moldado em metal usando vários métodos de fundição. O metal líquido fundido é injetado em um molde preparado por meio de vazamento, injeção, sucção ou outras técnicas de fundição. O objeto é então resfriado, a areia cai, limpa e passa por pós-tratamento para atingir uma forma, tamanho e desempenho específicos.
