Processo de Trefilação de Tubos de Aço Com Costura

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1 TRABALHO FINAL INSTITUTO POLITÉCNICO-Centro Universitário UNA CONFORMAÇÃO MECÂNICA TREFILAÇÃO DE TUBOS DE AÇO COM COSTURA CURSO: Engenharia Mecânica / Barreiro – Noite – 8º período Rodrigo Batista Ribeiro Professor: Frank de Mello Liberato 1. RESUMO O processo de trefilação é o mais utilizado na produção de fios barras e tubos. A região mais importante de uma fieira é o ângulo de trabalho, região onde ocorre a redução da área da secção transversal do fio. Este trabalho tem como finalidade apresentar o processo de trefilação de Tubos de aço com costura.Os resultados mostram a influência da geometria da fieira e do coeficiente de atrito nas tensões internas do fio trefilado. 2. INTRODUÇÃO O processo de trefilação é um processo de conformação mecânica, atuante na região plástica realizado a frio. Utiliza-se da plasticidade do material, ou seja, a capacidade do material manter a forma assumida durante a ação de deformação, quando esta é superior ao limite de elasticidade do material. Na trefilação o material de partida é conformado em uma ferramenta convergente denominada fieira com uma abertura de diâmetro final menor que o diâmetro inicial, tendo assim ocorrido uma redução de secção transversal e aumento de comprimento, além de se obter um fio com dimensão, acabamento superficial e propriedades controlados A análise do processo de trefilação compreende todas as variáveis de entrada tais como material a ser trefilado, ferramenta (denominada fieira), as condições da interface fio/fieira, o mecanismo de deformação do material na zona de trabalho, e as características de processamento do equipamento. A interação das características de cada uma dessas variáveis entre si é objeto de estudo da tribologia, que tem como objetivo estudar as formas de minimização do atrito entre superfícies em movimento relativo, bem como o desgaste causado por esse atrito. Sendo este atrito um dos principais fatores que afetam o processo de trefilação, pois limita a redução por passe, pode causar aumento do desgaste da fieira além de causar tensões térmicas devido à distribuição não-uniforme de temperatura.

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TRABALHO FINAL

INSTITUTO POLITÉCNICO-Centro Universitário UNA

CONFORMAÇÃO MECÂNICA

TREFILAÇÃO DE TUBOS DE AÇO COM COSTURA

CURSO: Engenharia Mecânica / Barreiro – Noite – 8º período

Rodrigo Batista Ribeiro

Professor: Frank de Mello Liberato

1. RESUMO

O processo de trefilação é o mais utilizado na produção de fios barras e tubos. A região

mais importante de uma fieira é o ângulo de trabalho, região onde ocorre a redução da área da

secção transversal do fio. Este trabalho tem como finalidade apresentar o processo de trefilação de

Tubos de aço com costura.Os resultados mostram a influência da geometria da fieira e do

coeficiente de atrito nas tensões internas do fio trefilado.

2. INTRODUÇÃO

O processo de trefilação é um processo de conformação mecânica, atuante na região

plástica realizado a frio. Utiliza-se da plasticidade do material, ou seja, a capacidade do material

manter a forma assumida durante a ação de deformação, quando esta é superior ao limite de

elasticidade do material. Na trefilação o material de partida é conformado em uma ferramenta

convergente denominada fieira com uma abertura de diâmetro final menor que o diâmetro inicial,

tendo assim ocorrido uma redução de secção transversal e aumento de comprimento, além de se

obter um fio com dimensão, acabamento superficial e propriedades controlados

A análise do processo de trefilação compreende todas as variáveis de entrada tais como

material a ser trefilado, ferramenta (denominada fieira), as condições da interface fio/fieira, o

mecanismo de deformação do material na zona de trabalho, e as características de processamento

do equipamento. A interação das características de cada uma dessas variáveis entre si é objeto de

estudo da tribologia, que tem como objetivo estudar as formas de minimização do atrito entre

superfícies em movimento relativo, bem como o desgaste causado por esse atrito. Sendo este atrito

um dos principais fatores que afetam o processo de trefilação, pois limita a redução por passe,

pode causar aumento do desgaste da fieira além de causar tensões térmicas devido à distribuição

não-uniforme de temperatura.

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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 EQUIPAMENTO PARA TREFILAÇÃO DE TUBOS

3.1.1 Fieira

A fieira tem um papel importantíssimo, pois além de realizar a deformação propriamente

dita no material, a sua geometria interna contribui diretamente na variação dos parâmetros de

trefilação tais como, o modo de deformação, a força necessária para deformação do material e o

atrito existente na interface fio/fieira. Ela deve ser fabricada com materiais que forneçam uma

estrutura de extrema resistência ao desgaste e resistência ao impacto. Geralmente são empregados

metal duro (carbeto de tungstênio), diamante (natural ou policristalino sintético) ou a combinação

destes materiais, e também alguns materiais cerâmicos (óxido de zircônio, carbeto de titânio).

A geometria interna da fieira é constituída de regiões distintas ao longo do orifício, como

mostrado na figura 1: região de entrada, região de redução, região de calibração e região de saída.

Figura 1. Regiões de uma fieira.

Uma das regiões da geometria interna da fieira mais importante é a região de deformação,

onde se define o ângulo de trabalho (2b), na qual é aplicado o esforço de compressão e onde o

atrito deve ser minimizado, reduzindo assim o desgaste da fieira. É nessa região que ocorre a

conformação, ou seja, acontece a redução da secção transversal do fio através da transformação de

uma parcela da tensão de tração em tensão de compressão.Além de realizar a deformação

propriamente dita, a região de deformação também contribui no direcionamento do lubrificante

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carreado pelo fio para o interior da fieira, aumentando assim a quantidade de lubrificante na

interface, obtendo com isso uma redução do atrito entre o fio e a fieira. Outra região da geometria

interna da fieira de grande importância é a região cilíndrica de calibração, definida pelo

comprimento Hc. Essa região é responsável pela calibração da dimensão e do formato do fio

trefilado. E, além disso, auxilia a manutenção do lubrificante na interface fio/fieira, garantindo a

permanência do lubrificante na interface, reduzindo assim o atrito entre as superfícies envolvidas.

3.1.2 Plugue

O plugue pode ser cilíndrico ou cônico, tem a função de controlar o tamanho e a forma do

diâmetro interno, resultando numa produção de precisão dimensional.

Os plugues cônicos têm uma geometria semelhante à geometria do furo na matriz. De um

modo geral, o plugue consiste de uma região inicial cilíndrica seguida de uma região cônica

convergente e uma região cilíndrica posterior. No caso de plugues flutuantes, a geometria deve ser

tal que permita que as forças que agem sobre o mesmo encontrem um ponto de equilíbrio e

permitam que o plugues e posicione perfeitamente balanceado na região de deformação. A figura

2 mostra as forças atuantes sobre um plugue flutuante em ação. A pressão do tubo em deformação

agindo sobre o plugue gera a força p na região cônica de trabalho, enquanto o movimento relativo

entre o tubo e o plugue nesta mesma região gera a força F1de atrito, em sentido contrário ao

movimento do tubo. O movimento relativo entre o tubo e o plugue irá gerar, também, a força F2

na região cilíndrica posterior. A geometria deve ser tal que permita que:

Figura 2. Tipos de plugues usados na trefilação de tubos

3.2 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TUBOS COM COSTURA

Técnicas de fabricação de metais são os métodos pelos quais metais e ligas são

conformados ou manufaturados para produzirem produtos. Elas são precedidas por refino, por

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adição de elementos de liga e às vezes por processos de tratamento térmico que produzem ligas

com as características desejadas (CALLISTER, 1999). Os tubos de aço podem ser fabricados, em

geral, por dois processos: com ou sem costura. A denominação tubo de aço “com costura” vem de

muito tempo atrás, quando o processo utilizado para a soldagem era o de baixa frequência (50 ou

60 Hz), o que dava ao material um aspecto de “costurado”. Hoje o processo é realizado com solda

longitudinal por alta frequência (HFIW), chegando-se em alguns casos até 450 kHz. Das inúmeras

vantagens dos tubos com costura, destacam-se os menores preços, a maior disponibilidade de

produtos, menor tempo de fabricação e melhor acabamento superficial (SETTON e SENATORE,

2004).

O processo de fabricação dos tubos de aço com costura trefilados pode ser dividido em

nove etapas, como ilustra a Figura 3.1. Cada uma dessas etapas será descrita como segue.

Figura 3 - Fluxograma de fabricação de um tubo trefilado.

3.3 MATÉRIA PRIMA

3.3.1 Obtenção do aço

O ferro e muitas de suas ligas constituem cerca de 90% de toda a produção mundial por ser

um metal barato com notáveis propriedades, e depois do alumínio, muito abundante. O ferro por si

só é usado somente para poucas aplicações relativamente especiais. Grande parte deste é usado na

forma de Ferro-Carbono, que são ligas de ferro e carbono com pouca quantidade de outros

elementos – os aços (SMITH, 1993).

A maior parte dos produtos utilizados à base de aço está disponível para processamento na

forma de chapas, que por sua vez são obtidas através da laminação de lingotes de aço. As etapas

básicas envolvidas na produção dos aços são descritas a seguir por Smith (1993): 1 - Redução do

minério de ferro (principalmente óxidos de ferro) ao ferro derretido (ferro-gusa). Nesse processo,

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o coque (carbono) age reduzindo o minério de ferro no alto forno para produzir ferro contendo de

3 a 4,5% C, segundo a reação:

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3 CO2

Como a maioria dos aços usados atualmente contém menos do que 1% C, o carbono em

excesso deve ser removido do ferro gusa para convertê-lo em aço.

2 - Processo de Fabricação. No processo de fabricação do aço em alto-forno, o carbono

em excesso no aço é reduzido ao nível desejado através da oxidação controlada de misturas de

ferro gusa e ferro ou sucatas de aço. Os dois principais processos de fabricação em alto-forno

usados são (a) fornalha básica de oxigênio e (b) fornalha com arco elétrico. Aços-ligas são

produzidos adicionando-se manganês, cromo, níquel, molibdênio, vanádio, etc., no aço ainda no

estado líquido durante ou depois do processo de remoção do carbono.

3 - Fundição. Uma vez que foi atingida a composição desejada do aço, ele é vazado ou

despejado do forno conversor (fornalha de fabricação do aço) a um largo recipiente denominado

"panela". Às vezes, são adicionados elementos de liga ou desoxidantes, como o alumínio ou ferro-

silício ao aço derretido na panela para ajuste da composição química do aço ou para se remover

oxigênio gasoso. O aço é então despejado em moldes retangulares de lingotes ou vazado em um

distribuidor para a fundição contínua do aço.

4 - Laminação. A maioria dos lingotes é reaquecida a uma temperatura alta (inferior à

temperatura de fusão de todos os constituintes do aço), e mantidos nesse patamar para uniformizar

o aquecimento. Os lingotes reaquecidos são então laminados a quente ou forjados até a sua forma

desejada. Continuamente, aço derretido pode ser fundido (incorporado) à forma forjada semi-

acabada.

Na laminação a quente, é necessário que o aço seja aquecido a uma temperatura em que o

ferro esteja na forma de austenita, tipicamente acima de 1200 ºC (GUTHRIE e JONAS, 2000).

Isso permite que sejam realizadas grandes reduções (de 250 mm para 2 mm, por exemplo), pois o

aço se torna muito maleável e plástico. O trabalho a quente deve ser finalizado a uma temperatura

levemente acima da temperatura de recristalização, de forma que um tamanho de grão reduzido

seja obtido logo antes do resfriamento ocorrer. Smith (1993) destaca que os efeitos da laminação a

quente dos lingotes podem ser resumidos como segue:

1 - A laminação a quente quebra a estrutura colunar grosseira dos lingotes fundidos.

2 - A laminação a quente homogeneíza a segregação dendrítica que ocorre durante a

fundição.

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3 - Nos aços efervescentes, as bolhas acabam sendo juntadas (“soldadas”). Em todos os

aços a porosidade é eliminada.

4 - Inclusões não-metálicas são despedaçadas e alongadas na direção de laminação,

causando assim propriedades direcionais nos produtos laminados. A resistência é maior na direção

de laminação.

5 - Se a temperatura final é próxima da temperatura de recristalização, o refinamento de

grão será obtido.

As bobinas laminadas a quente possuem uma cor escura e estão menos susceptíveis à

oxidação. Os tubos produzidos com esse material podem ser armazenados e transportados em

condições normais até mesmo a céu aberto (por pouco tempo) sem ter sua qualidade prejudicada

(TOBECHERANI, 2007).

3.3.2 Classificação dos Aços

A classificação dos aços pode se dar em função de diferentes sistemas, dentre outros a sua

composição química (tais como: ao carbono, microligados, inoxidáveis), microestrutura (ferrítica,

perlítica, martensítica) e modo de obtenção (laminado a quente ou a frio).

Para Pannoni (2007) os aços-carbono podem ser divididos em:

1 - Aços de baixo teor de carbono, com Carbono (C) < 0,3%, são aços que possuem grande

ductilidade, bons para o trabalho mecânico e soldagem (construção de pontes, edifícios, navios,

caldeiras e peças de grandes dimensões em geral). Estes aços não são temperáveis;

2 - Aços de médio carbono, com 0,3 < C < 0,7%, são aços utilizados em engrenagens,

bielas, etc.. São aços que, temperados e revenidos, atingem boa tenacidade e resistência;

3 - Aços de alto teor de carbono, com C > 0,7%. São aços de elevada dureza e resistência

após a tempera, e são comumente utilizados em molas, engrenagens, componentes agrícolas

sujeitos ao desgaste, pequenas ferramentas, etc.. Os aços geralmente usados na produção dos tubos

com costura são os de baixo carbono, devido ao seu baixo custo e sua boa soldabilidade. Estes,

geralmente contêm entre 0,3 e 0,8 % de manganês, que reduz a formação de óxidos e de sulfetos

de ferro.

Este último se forma nos contornos de grão, sendo mais frágil e de menor ponto de fusão

que o sulfeto de manganês, pode provocar fratura frágil durante o trabalho a frio 8 ou a quente do

aço. O manganês ainda aumenta a tensão limite de escoamento, refinando a perlita e a

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endurecendo através de solução sólida (SMITH, 1993). Já os aços microligados, como o DIN

17100 RRSt-52.3, são especificados não só pela sua composição química, mas pela sua resistência

mecânica. São desenvolvidos a partir dos aços de baixo carbono com pequenas adições de Mn (até

2%) e outros elementos em níveis muito pequenos. Estes aços apresentam maior resistência

mecânica que os aços de baixo carbono idênticos, mantendo a ductilidade e a soldabilidade, e são

destinados às estruturas onde a soldagem é um requisito importante, assim como a resistência

(PANNONI, 2007).

3.3.3 Corte das bobinas

As chapas, que servem de base para a formação do tubo, são fornecidas em bobinas com

largura padrão, e por isso, devem ser cortadas em “fatias” ou “tiras” da largura que corresponda ao

perímetro do diâmetro externo do tubo a ser fabricado. Para esta operação, são usados

equipamentos chamados “Slitter” que cortam por cisalhamento a bobina em várias tiras, conforme

mostra a Figura 3

Figura 3 -Corte das bobinas na Slitter. (Andrade, 2007)

3.3.4 Acumulador

Grande parte dos fabricantes de tubos de aço com costura trabalha com o processo

contínuo. Assim, o final de uma tira é soldada ao início de uma nova tira. Para que não haja

interrupções de produção, até que esta soldagem seja feita, é necessário que parte da tira seja

armazenada em um acumulador, permitindo que a produção siga enquanto se efetua a soldagem

das fitas.

3.3.5 Formação do tubo

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Depois de cortadas, as chapas estão prontas para servirem como matéria prima para as

formadoras, que darão a forma ao tubo por meio de dobramentos sucessivos, como mostrado na

Figura 4. O correto alinhamento das matrizes na conformação da tira é um fator crítico para a

obtenção de uma boa soldagem.

Figura 4 - Esquema de formação de um tubo.

3.3.6 Soldagem

Após as etapas de conformação da chapa, o tubo quase formado passa pela etapa de

soldagem. Nesta etapa, faz-se o uso de soldagem por alta freqüência (HFIW) que é um processo

que promove a fusão localizada das bordas da chapa através da aplicação de energia de

radiofreqüência sobre a área a ser unida. Quando devidamente executada, a solda resultante é tão

resistente quanto os materiais originariamente empregados (BRACARENSE, 2007).

Basicamente, a soldagem ocorre devido a dois efeitos:

1 – Aquecimento: Um gerador de correntes de alta freqüência é colocado de forma a

induzir campos elétricos sobre a região a ser soldada. O processo consiste em sujeitar as partes a

serem soldadas a estes campos elétricos de alta freqüência, que normalmente é aplicado entre duas

partes metálicas. O campo elétrico dinâmico promove a oscilação de moléculas nos materiais.

Dependendo de sua geometria e de seu momento dipolar, estas moléculas irão transformar

parte deste movimento oscilatório em energia térmica, causando o aquecimento do material. Este

aquecimento promoverá um amolecimento instantâneo dos materiais. A medida desta interação é o

fator de rendimento, dependente da temperatura e da freqüência. Como o aquecimento é causado

por rápidas alternâncias de campos elétricos gerados pela corrente de alta freqüência, é necessário

que os materiais possuam certas propriedades específicas. Isto significa que somente alguns

materiais podem ser soldados.

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3.3.7 Corte dos tubos

Como os tubos são feitos em um processo contínuo, torna-se necessário que os mesmos

sejam cortados em comprimentos definidos. Existem muitos equipamentos que se destinam a

cortar os tubos, como corte por serras, facas, laser, sendo que o primeiro é o mais comum. Neste,

os principais parâmetros a serem levados em conta são o tipo de material a ser cortado (dureza) e o

número de dentes da serra. Poucos dentes podem reduzir a produtividade e causar vibração. Já

muitos dentes podem fazer com que parte do material fique caldeado nos dentes, causando quebras

prematuras (BANISH, 2007).

3.3.8 Tratamento Térmico

Segundo Chiaverini (2002, p. 81), “tratamento térmico é o conjunto de operações de

aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de

temperatura, tempo, atmosfera, velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar as suas

propriedades ou conferir-lhes características determinadas”.

As propriedades dos aços dependem, em princípio, de sua estrutura. Os tratamentos

térmicos modificam, em maior ou menor grau, a estrutura dos aços, resultando, em alterações mais

ou menos pronunciadas em suas propriedades (CHIAVERINI, 2002).

Para o caso específico dos tubos de aço com costura trefilados, torna-se necessário efetuar

um tratamento térmico para que o aço adquira novamente sua ductilidade após ter sido

conformado, e para que possa ser deformado na trefilação sem fraturar. Para tanto, é comum o uso

do tratamento de normalização, onde o aço é aquecido acima da sua temperatura de austenitização

e em seguida, resfriado ao ar. Este processo resulta em uma microestrutura mais refinada, com

melhor homogeneização dos grãos, notada principalmente na ZTA, onde ocorreu a soldagem do

tubo.

No estado normalizado, a ferrita primária é mais refinada graças ao tipo de resfriamento

usado. A taxa de nucleação dos cristais de ferrita é maior quanto menor for a temperatura de

transformação da austenita em ferrita.

Pode-se notar que o resfriamento mais rápido permite menor formação de ferrita, o que

significa que mais perlita estará presente. Esta perlita formada a temperaturas mais baixas é ainda

mais dura e refinada, o que explica porque um aço normalizado é mais duro que um recozido

(BROOKS, 1996).

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3.3.9 Tratamento Químico

Como em todo processo de conformação, a lubrificação também tem um papel importante

na trefilação. Sua principal função é diminuir o desgaste e o atrito entre as ferramentas e a peça,

aumentando a vida útil das fieiras e mandris usados na trefilação. As características necessárias

para um bom lubrificante são listadas por Button (2005):

• Um baixo coeficiente de atrito;

• Garantir a completa separação das superfícies da matriz e do material trefilado;

• Ser resistente ao calor;

• Favorecer o bom acabamento superficial do produto trefilado;

• Ser limpo;

• Ser facilmente aplicável;

• Resistir à pressão de deformação;

• Ser facilmente removível;

• Finalmente não deve causar problemas de saúde ou ambientais.

Em processos de deformação a frio, geralmente a lubrificação é representada pelas

camadas de fosfato (de zinco ou magnésio) adicionadas ao metal e associadas a um sabão de

estearato de sódio ou cálcio. Um fluxograma desse processo é apresentado na Figura 3.8. O sabão

reage com o fosfato para formar uma camada de estearato de zinco (ou magnésio). A qualidade da

camada depende dos parâmetros físicos e químicos dos banhos, tais como acidez, temperatura,

concentração e tempo de imersão (CAMINAGA, 2007).

3.3.10 Trefilação

Trefilação é um processo que consiste em puxar o metal através de uma matriz

(denominada fieira) por meio de uma força de tração a ele aplicada na saída da matriz. Podem ser

produzidos assim tubos, vergalhões, arames e fios (AL-QURESHI, 1996). Dentre as vantagens da

trefilação em tubos de aço, podem-se citar:

• Excelente acabamento superficial;

• Grande precisão dimensional;

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• Aumento das propriedades mecânicas como limite de escoamento, limite de resistência e dureza,

com decréscimo do alongamento.

Na Figura 5 Button (2005) traz um esquema do processo de trefilação, destacando-se os seguintes

pontos:

Figura 5 - Passagem do tubo através da fieira.

Área 1 – zona plástica relativa ao comportamento plástico do material a conformar. Com a

teoria da plasticidade e a idealização inicial do material, pode-se determinar as tensões, as

deformações e o modo de escoamento do material. Baseado nessas informações pode-se

determinar as distribuições de temperatura em diversos locais como função do tempo de processo.

A análise metalúrgica permite a avaliação do material sob o ponto de vista microscópico

(anisotropia, textura);

Área 2 – representa as características da matéria-prima, ou seja, antes da deformação

iniciar, que afetam o comportamento do material na zona de deformação e as propriedades do

produto obtido. Além da composição química, as propriedades mecânicas bem como a estrutura

cristalina, a textura e a microestrutura (tamanho de grão e distribuição e tamanho de partículas de

segunda fase) são importantes fatores de influência. Também são importantes a qualidade

superficial e o tratamento de superfície anterior ao processo de conformação;

Área 3 – representam as características do produto conformado, principalmente as

propriedades mecânicas e superficiais e sua qualidade dimensional e geométrica. Essas

características definirão o uso desse produto após a conformação;

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Área 4 – considera a região de fronteira entre o material a conformar com um

comportamento elasto-plástico e a ferramenta de comportamento elástico. Essa área representa

todos os fenômenos relacionados com o atrito, a lubrificação e o desgaste;

Área 5 – representa as ferramentas de conformação e relaciona-se com o dimensionamento

e os materiais dessas ferramentas, sua disposição e movimento relativo que interagindo com o

equipamento de conformação, definirá a qualidade dos produtos;

Área 6 – representa a interação do material a conformar e do produto com o meio-

ambiente, exemplificado principalmente pela oxidação nos processos a quente;

Área 7 – representa o equipamento de conformação, que deve apresentar potência

suficiente para a execução do processo, permitir a montagem e movimentação das ferramentas e

garantir a qualidade dos produtos com uma rigidez adequada;

Área 8 – representa o ambiente que envolve o processo de conformação, como

equipamentos e processos auxiliares, como também a organização da produção na fábrica.

3.3.11 Fórmulas dos esforços no processo de trefilação de tubos.

Existem diversos métodos teóricos e empíricos desenvolvidos para o estudo da

conformação, em especial da trefilação. Um método será tanto mais preciso quanto mais parcelas

de energia forem consideradas durante o cálculo. Num processo de conformação, apresentam-se

três parcelas de energia (DIETER, 1988):

UT= Up + Ua + Ur

onde:

UT = Energia total;

Up = Energia uniforme ou de deformação homogênea, relacionada com a modificação das formas

e/ou dimensões do corpo metálico;

Ua = Energia de atrito, relativa à interação existente entre as superfícies da peça trabalhada e das

ferramentas;

Ur = Energia redundante, relacionada às mudanças na direção de escoamento do material durante

sua conformação.

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Dessas três parcelas, as duas últimas não contribuem para a qualidade do produto final e

dependem diretamente da qualidade e da geometria das ferramentas empregadas, bem como das

características de lubrificação utilizada. Para a trefilação sem mandril, utilizando-se o método da

divisão e equilíbrio de elementos, também denominado “slab method” ou método de Sachs,

considera-se o atrito entre o tubo e as ferramentas, bem como a geometria das ferramentas, porém

só como fator geométrico e não como influente na energia de trabalho redundante (Figura 3.10).

Sachs e Baldwin (1946) apud Dieter (1988) investigaram as tensões envolvidas nesse

processo, assumindo que a espessura do tubo permanece constante. Sendo assim, a tensão de

trefilação é expressa por:

A redução de área ocorrida na trefilação expressa pela equação abaixo, fornece uma

indicação de quanto o material será deformado durante o processo.

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Em geral, para trefilação de tubos sem mandril, por causa do alto cisalhamento interno na

entrada e saída da matriz, o trabalho redundante é maior, o que diminui a máxima redução de área

em comparação com outros processos (DIETER, 1988).

Figura 6 - Esquema de variáveis na trefilação sem mandril.

No limite, quando a tensão de trefilação se iguala à tensão de escoamento do material de

saída ( σtref = σe ), obtemos a redução máxima de área ( rmáx ). Em uma primeira estimativa, a

máxima redução ocorre quando σtref = σ m , assim:

Com isso, a tensão de escoamento do material de saída, é dada por σ = Kε n no ponto de

deformação obtido acima. Uma melhor estimativa para a redução máxima é feita quando a tensão

de trefilação é igual à tensão de escoamento máxima do material de saída. Assim,

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Analisando o limite de trefilação agora por um modelo examinado por Backofen (1969)

apud Smith (1988), a tensão de trefilação real desenvolvida no processo de trefilação pode ser

descrita como:

O valor de η corresponde à eficiência do processo, onde se leva em conta as perdas em

função do atrito e do trabalho redundante.

A Figura 7 ilustra um esquema das curvas de escoamento do material, da tensão de

trefilação ideal e da tensão de trefilação real.

Como para o caso anterior, no limite, quando a tensão de trefilação se iguala à de

escoamento do material de saída, temos o limite de redução ( εmáx na Figura 3.11).

Sendo assim:

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Figura 7 – Curvas de desenvolvimento do limite de trefilação.

4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Para o estudo do comportamento do tubo de aço em suas etapas de fabricação, foi

selecionado, o SAE 1012 laminado a quente. Conforme propriedades químicas na figura 8.

Figura 8 - propriedades químicas do aço SAE 1012

O valor do ângulo de redução das fieiras é de 16º (α = 8º) e o coeficiente de atrito entre

parede da fieira e tubo para lubrificante a base de sabão, segundo Button (2005), é de 0,05. Assim,

o valor do parâmetro B vale: B = µ cot α = 0,356.

Para achar a máxima redução segundo o modelo de Sachs, e sendo B = 0,356, numa

primeira estimativa, temos para o SAE 1012 que a tensão de escoamento do material de saída é:

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Sabendo que esta é a máxima tensão admissível para a trefilação, então:

Segundo o modelo de Backofen, como temos um coeficiente de encruamento levemente

diferenciado para os aços (0,127 para o SAE 1012), estes provocam uma pequena diferença na

redução máxima:

E por fim, deve-se calcular a força e a potência desenvolvida no processo para o caso dessa

máxima redução, a fim de verificar se aquelas se encontram dentro da capacidade da máquina de

trefilação. No caso do SAE 1012, adotando-se o critério de redução mais conservador, que é de

60%, no limite, quando σtref = σe , lançando-se o valor da máxima deformação verdadeira na

equação do escoamento, obtemos:

como Ao vale 302 mm², temos que Af = 121 mm². Logo, a força para trefilação é de:

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e como a velocidade é de 40m/min (0,667 m/s), a potência vale:

Estes cálculos são importantes, pois mostram que para uma máquina trefiladora com

capacidade para processar o tubo, deve este fator ser levado em conta durante o planejamento de

um produto trefilado.

5. CONCLUSÃO

Ao analisar os modelos de cálculos de tensões de trefilação pelos dois modelos, percebeu-

se uma diferença no que diz respeito à redução máxima permitida por cada um. Pelo modelo de

Backofen, que leva em conta a eficiência do processo como um todo, e não somente os parâmetros

de atrito constante e geometria utilizados por Sachs, a redução máxima permitida é menor. Pode-

se adotar este modelo quando se queira um maior fator de segurança nos cálculos dos esforços de

trefilação.

Como se viu, o processamento dos tubos de aço, desde a sua formação até a trefilação

pode ser otimizado quando os parâmetros de processo são conhecidos e as variáveis identificadas

e qualificadas.

8 REFERÊNCIAS

[1] AL-QURESHI, H. A. Introdução aos processos de conformação mecânica dos metais. São

José dos Campos, 1996.

[2] ASTM A370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel

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[3] BANISH, A. Selecting a tube cutting process. Disponível em <www.thefabricator.com

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[4] BRACARENSE, A. Q. Soldagem por alta freqüência - high frequency welding (HFW). Belo

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[5] BRESCIANI Filho, E. (Coord). Conformação plástica dos metais. 4. ed. Campinas: Ed. da

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[10] GUTHRIE R. I. L.; JONAS, J. J. ASM Handbook Properties and Selection: Irons Steels and

High Performance Alloys: American Society of Materials - ASM, 2000, v. 1. pp. 287 – 288.48

[11] PANNONI, F. D. Aços estruturais. Disponível em <www.cbcaibs.org.br/downloads

/apostilas/Aços_estruturais.pdf> . Acesso em: 15 julho 2007.

[12] SMITH, W. F. Structure and Properties of Enginnering Alloys, 2. ed. New York: McGraw-

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