Generalidades
Peças de formas complexas ou de precisão não podem ser obtidas por técnicas de forjamento livre, exigindo matrizes especialmente preparadas que contenham o negativo (ou contorno) da peça a ser produzida. Tais matrizes são caras, exigindo na maioria das vezes, alta produção para justificar seu custo.
A obtenção de um formato complexo normalmente não é possível com uma única etapa de trabalho, exigindo uma ou mais etapas de pré-forjamento. As etapas de pré-forjamento podem ser efetuadas com o auxilio de superfícies especialmente usinadas no próprio bloco das matrizes, ou em equipamento separado, ou mesmo por meio de outros processos como a laminação.
O objetivo do pré-forjamento redistribuir o metal para posições mais adequadas ao forjamento subseqüente. A pré-forma assim obtida pode ser conformada para uma configuração mais próxima da final em uma matriz de esboço ("blocker die"), que assegura uma distribuição adequada de metal, mas ainda não na forma final.
Diante da dificuldade para se distribuir precisamente o material nas etapas de operações unitárias, utiliza-se na maioria dos casos um certo excesso de material, que já na etapa de esboçamento se permite escapar por entre as duas matrizes, formando uma rebarba que por vezes é removida (cortada) antes do forjamento final nas matrizes de acabamento ("finishing dies").
Na etapa de acabamento o excesso de material também forma rebarba, que tem de ser fina para assegurar o preenchimento total da matriz e tolerâncias rigorosas. Isto porque uma rebarba fina, em presença de atrito, gera alta pressão de conformação.Veja o caso de distribuição de pressão nas cavidades das matrizes, no caso de forjamento de uma pá de turbina.
Para evitar um aumento excessivo desta pressão as matrizes são usualmente projetadas de tal modo que a rebarba fica reduzida à sua espessura mínima somente em uma largura pequena (garganta ou costura - “flash land”) sendo permitido ao restante escoar livremente dentro da calha ou bacia ("flash gutter").Ver figura abaixo.
A decomposição da conformação de uma peça complexa entre diversas etapas de trabalho e ferramentas permite em muitos casos economizar energia e material, reduzir o desgaste das ferramentas e aumentar a precisão do forjado.
Métodos do Forjamento em Matriz
As operações de obtenção das formas intermediárias de uma peça constituem a conformação intermediária, que se compõe normalmente de três etapas:
- distribuição de massas;
- dobramento (se for o caso);
- formação da seção transversal.
Na etapa de distribuição de massas se procede à retirada de material das porções nas quais a seção transversal deva ser reduzida, e o acúmulo do material nas posições onde a seção deva ser aumentada (fase (b) da figura abaixo).
As operações mais empregadas para esta etapa são: o estiramento, o encalcamento, o alargamento, a laminação, a extrusão e o rolamento, sendo o recalque usado para aumentar a secção transversal.
O dobramento (segunda etapa), pode ser executado durante o forjamento, sem um estágio especial, quando for paralelo ao movimento da ferramenta. Em caso contrário, é efetuado numa etapa específica durante (fase (c) da figura abaixo) ou mesmo após o forjamento da peça. Pode envolver ou não uma redução da seção transversal da peça e uma defasagem do eixo da mesma como o caso do forjamento de virabrequins (ver Dobramentos Intermediários abaixo).
A formação da seção transversal, ou esboçamento é a última etapa da conformação intermediária, na qual as seções transversais são aproximadas das secções definitivas da peça, de modo que as ferramentas acabadoras imprimam a forma e dimensões exatas da peça, com um consumo mínimo de energia. Esta etapa envolve uma distribuição de massa perpendicularmente ao eixo longitudinal da peça (ver fase (d) da figura acima).
Observação: Por vezes é necessário mais de um estágio de esboço, quando uma única ferramenta não é capaz de estabelecer o fluxo adequado de metal ou exige um consumo de energia além da capacidade do equipamento disponível.
Formação da Rebarba- Funções
Na etapa de conformação final, ao iniciar-se a formação da rebarba, em virtude da presença do estrangulamento ou garganta da rebarba entre as duas matrizes, as tensões compressivas na cavidade das matrizes elevam-se consideravelmente e causam o preenchimento de todos os recessos dessa cavidade.
As funções da rebarba, portanto, são duas:
- Atuar como "válvula de segurança" para o excesso de metal na cavidade das matrizes; e
- Regular o escapamento do metal, aumentando a resistência ao escoamento do sistema de modo que a pressão cresça até valores elevados, assegurando que o metal preencherá todos os recessos da cavidade. A figura abaixo é uma curva típica da variação da pressão ou carga de forjamento em função do avanço das matrizes.
No projeto abaixo procura-se dimensionar a rebarba de modo que a extrusão do metal através da garganta seja mais difícil do que o preenchimento do mais intrincado detalhe das matrizes; mas isto não deve ser feito em excesso de modo a criar cargas de forjamento intensas demais, com os conseqüentes problemas de desgaste ou quebra das matrizes. O ideal é projetar a relação de rebarba (b/h) mínima necessária para o total preenchimento das matrizes.
A rebarba da forma final é removida em uma operação posterior de rebarbação, representando uma perda inevitável de material no processo.
Na etapa de conformação final é útil distinguir dois processos básicos de movimentação de material:
- Recalque: redução da altura inicial com escoamento de metal perpendicularmente a direção do movimento das matrizes; chama-se alargamento quando ocorre uma grande movimentação transversal de material sob atrito.
- Extrusão: escoamento de material numa direção paralela ao do movimento das matrizes. Quando o sentido do movimento do material é contra rio ao do trabalho, tem-se a extrusão inversa ou ascensão, que geralmente aumenta a altura da peça a envolve um grande deslocamento de material sob atrito; neste caso são requeridas tensões elevadas na garganta da rebarba, para possibilitar a ascensão completa do material na matriz.Ver figura abaixo
