O planejamento de uma operação de extrusão envolve aço a
diâmetro inicial de 100 mm e diâmetro final de 20 mm . Duas prensas, uma com capacidade de 20 MN e a outra de 10 MN , estão disponíveis para esta operação. A prensa maior requer mais cuidado e ferramentas mais caras caso contrário, que recomendações você faria para permitir o uso da prensa menor?
Passo 1
O enunciado dá os seguintes dados e pede recomendações práticas:
- Aço trabalhando a
. - Diâmetro inicial do tarugo:
. - Diâmetro final desejado:
. - Duas prensas disponíveis: capacidade
e .
Pergunta: que recomendações técnicas propor para possibilitar o uso da prensa menor () em vez da maior?
Passo 2
Conceitos básicos que vamos usar (explicação didática, passo a passo):
- Extrusão diz respeito a forçar um metal através de uma matriz, reduzindo a área da seção. A dificuldade mecânica depende da área inicial, da razão de redução e da resistência/fluidez do metal na temperatura de trabalho.
- Definição da razão de extrusão (relação de áreas):
onde é a área inicial e a área final. - Fórmula aproximada (modelo simplificado muito usado para estimar ordem de grandeza da força de extrusão): a força de compressão/ extrusão pode ser estimada por
onde: -
é a força de extrusão (N), -
é uma tensão média representativa do plástico em escoamento (Pa) — chamada aqui de “tensão de escoamento média” ou “flow stress” na temperatura de trabalho. Depende do material, da temperatura e da velocidade de deformação, -
é a área da seção inicial (m ), -
é o logaritmo natural da razão de áreas.
-
- Observação importante: essa é uma estimativa conservadora e simples. Na prática há contribuições adicionais por atrito, geometria da matriz (ângulo) e efeitos de velocidade/strain-rate. Essas contribuições podem aumentar a força real; por isso sempre considerar margem de segurança.
Passo 3
Calcular áreas e razão de extrusão (utilizando os dados do enunciado).
- Área inicial
(diâmetro ): - Área final
(diâmetro ): - Razão de extrusão:
Passo 4
Estimativa da força necessária para diferentes valores plausíveis de
(fluxo médio) a
.
- Explicação:
varia muito com o tipo de aço, com a temperatura exata, com a velocidade de extrusão e com se o material foi tratado termicamente. Em temperaturas altas costuma cair muito em relação ao ambiente, mas pode ainda variar, por exemplo, na faixa de ordem de até alguns centenas de MPa dependendo do aço e das condições. - Usando a fórmula
com e , calculamos para alguns representativos: - Para
: - Para
: - Para
: - Para
:
- Para
- Interpretação: com
a força estimada fica claramente abaixo de . Se superar cerca de , a força extrapola os . Portanto, dependendo da liga e das condições (temperatura real, velocidade, atrito), o uso da prensa de pode ser viável ou pode ficar no limite/insuficiente.
Passo 5
Principais fontes de incerteza que influenciam
e a força real:
- Composição do aço (aços inox, liga ou de baixa liga têm resistência diferente a
). - Temperatura real do centro do tarugo (se houver gradientes térmicos, o centro pode estar mais frio ->
maior). - Velocidade de extrusão (aumentos de velocidade podem aumentar a resistência efetiva por efeitos de strain-rate).
- Atrito entre tarugo e container/matriz — fricção pode aumentar força em percentuais relevantes.
- Geometria da matriz (ângulo de entrada/die angle) afeta o trabalho de deformação.
Por isso recomenda-se sempre adotar margem de projeto e medidas para reduzirefetivo ou reduzir a componente de atrito.
Passo 6
Medidas práticas (didáticas e detalhadas) para reduzir a força necessária — o objetivo é permitir o uso seguro da prensa de
:
- Reduzir a razão de extrusão por etapas (multi-pass / pré-forjamento):
- Em vez de um passe 100 mm → 20 mm (razão
), dividir em duas etapas, por exemplo: - Passe 1:
→ . - Passe 2:
→ .
- Passe 1:
- Cálculo (com
como exemplo): - Passe 1:
, , , - Passe 2:
, , , - O pico de força é
, muito abaixo de .
- Passe 1:
- Conclusão: dividir a redução em passes reduz fortemente a carga máxima exigida na prensa (e isso é uma das decisões mais eficazes).
- Em vez de um passe 100 mm → 20 mm (razão
- Pré-forjar ou laminar o tarugo (swaging) antes da extrusão:
- Realizar um aperto/forjamento inicial (upsetting/swaging) para reduzir a área antes de entrar na matriz. É uma variante do item 1 e consegue reduzir a força de pico.
- Aumentar a temperatura do tarugo (com cautela) ou garantir aquecimento uniforme:
- Elevar a temperatura reduz o fluxo de resistência
. Se a peça está a , avaliar possibilidade de subir um pouco mais (ex.: - ), considerando oxidação, escala e vida útil da matriz. - Garantir pré-aquecimento da matriz e do container para evitar perda rápida de calor do tarugo nas superfícies (tarugo frio na periferia aumenta
local).
- Elevar a temperatura reduz o fluxo de resistência
- Reduzir atrito com lubrificação e revestimentos:
- Usar lubrificantes apropriados para extrusão a quente (ex.: grafite, sais vitrificantes, vidros lubrificantes) e revestimentos na matriz (nitreto, revestimento cerâmico) para diminuir a componente de fricção. Redução do atrito pode baixar força em 10–30% dependendo do caso.
- Limpar e proteger as superfícies para reduzir aderência e escama.
- Otimizar a geometria da matriz (ângulo de entrada/half-angle):
- Há um ângulo ótimo que minimiza o trabalho total (trade-off entre alongamento de um trecho longo e trabalho de compressão intenso). Em prática industrial, ajustar o half-angle para valores típicos (ex.:
– ) reduz a força e o desgaste. Projeto de matriz correto é crítico.
- Há um ângulo ótimo que minimiza o trabalho total (trade-off entre alongamento de um trecho longo e trabalho de compressão intenso). Em prática industrial, ajustar o half-angle para valores típicos (ex.:
- Reduzir velocidade de extrusão:
- Diminuir velocidade reduz efeitos de strain-rate e pode reduzir
. Não exagerar (produtividade), mas uma velocidade menor pode ser suficiente para ficar dentro da capacidade da prensa.
- Diminuir velocidade reduz efeitos de strain-rate e pode reduzir
- Controlar eixos térmicos/atmosfera:
- Trabalhar em atmosfera controlada (proteção contra oxidação) e com pré-aquecimento reduz perdas térmicas e melhora lubrificação, ajudando a reduzir esforço.
- Selecionar uma liga / tratamento térmico adequado:
- Se possível, escolher uma qualidade de aço com menor resistência a quente ou aplicar tratamentos térmicos que reduzam temporariamente a resistência durante conformação (normalização, recozimento) antes da extrusão.
- Uso de back-pressure ou técnicas de extrusão que aumentem a compressividade:
- Em alguns processos (extrusão hidrostática) a condição de tensão triaxial reduz o esforço de deformação aparente; se houver possibilidade técnica e econômica, considerar processos alternativos.
- Projetar margem de segurança:
- Projetar para pico de força com margem (ex.: usar no máximo 70–80% da capacidade nominal da prensa para evitar sobrecargas, manutenção inesperada e desgaste).
Passo 7
Uma estratégia prática e escalonada recomendada (resumida, “passo a passo” operacional):
- Verificar a composição do aço e consultar curva tensão vs temperatura / strain-rate para estimar
real. Se prevista , a prensa de provavelmente dá conta com medidas adicionais. - Adotar pré-forjamento / extrusão em 2 passes (ou pré-swaging + passe final). Isso por si só costuma tornar a prensa de
suficiente. - Implementar lubrificação adequada e pré-aquecimento da matriz/container.
- Ajustar velocidade de extrusão para reduzir efeitos de strain-rate.
- Validar com um ensaio-piloto (um tarugo teste) medindo força real; ajustar parâmetros conforme necessário.
Passo 8
Empatia e conclusão: é comum se preocupar com se a prensa menor dará conta — a boa notícia é que existem várias medidas práticas (dividir passes, lubrificação, aquecimento uniforme, otimizar matriz e velocidade) que, combinadas, reduzem fortemente a força exigida. A primeira ação de menor custo e alto efeito é dividir a redução em passes (ou pré-forjar). Depois, melhorar lubrificação e aquecimento normalmente resolve o restante do problema.
Resposta
- Dividir a redução em passes (pré-forjar / extrusão em 2 ou mais etapas) para reduzir muito a força de pico.
- Garantir aquecimento uniforme do tarugo e, se possível, elevar um pouco a temperatura de trabalho (com controle de oxidação).
- Usar lubrificação/ revestimentos apropriados para extrusão a quente (grafite, sais vitrificantes, coatings) para reduzir atrito.
- Otimizar a geometria da matriz (ângulo de entrada) e reduzir a velocidade de extrusão se necessário.
- Considerar pré-swaging ou outros processos de redução antes da extrusão final.
- Fazer um ensaio-piloto medindo força real e dimensionar margem de segurança (usar no máximo ~70–80% da capacidade da prensa).