Forjamento a frio: Compreendendo o processo e alguns cálculos importantes

Desde a invenção do design auxiliado por computador (CAD) no início da década de 1960, tornou-se muito mais fácil para os designers de produtos projetar componentes e peças de chapa metálica para diferentes aplicações. Mas um desafio que se manteve constante é a necessidade de encontrar um método de fabrico adequado para criar estes designs.

As máquinas CNC oferecem alta precisão e atendem a tolerâncias rígidas, mas apresentam a desvantagem de alto custo e desperdício de material. Embora a impressão 3D elimine esse desafio de desperdício de material, os designers de produtos têm opções limitadas de metal quando se trata de impressão 3D. Um método de fabricação popular que tem ajudado os projetistas de produtos a criar com precisão peças de chapa metálica econômicas é o forjamento a frio.

Mas o que é exatamente o forjamento a frio e o que torna o processo tão especial? Este artigo explica o processo de forjamento a frio e fornece alguns dos principais cálculos que os designers de produtos devem saber sobre o forjamento a frio.

Prensas de forjamento industrial estão sendo usadas para fabricar peças de chapa metálica. Fonte: Nataliya Hora/Adobe Stock

O que é forjamento a frio?

O forjamento a frio é um processo de modelagem e fabricação de metal que deforma e comprime plasticamente um pedaço de matéria-prima sob um punção e uma matriz. O processo normalmente ocorre à temperatura ambiente, e não em temperaturas mais altas, como forjamento a quente.

Ao contrário da usinagem convencional, onde seções de uma peça são removidas para formar as peças desejadas, o forjamento a frio deforma o material existente no formato desejado. Isso torna possível alcançar uma produção em alta velocidade, pouco ou nenhum desperdício de material e produtos finais resistentes devido ao endurecimento da matéria-prima.

Dependendo do tipo de matriz utilizada, o forjamento a frio pode ser de dois tipos:

1. Forjamento em matriz aberta
2. Forjamento em matriz fechada

Forjamento em matriz aberta

No forjamento em matriz aberta, a matéria-prima é colocada entre duas matrizes planas sem perfis pré-cortados e que não envolvem a peça. A força compressiva das matrizes deforma a peça de metal até que a forma desejada seja formada.

Forjamento em matriz aberta. Fonte: Banerjee/CC [SA] [2.5]

A força de forjamento necessária para esta peça cilíndrica (na Figura 2) pode ser calculada usando:

Onde:

Yf = tensão de fluxo do material (Pa)

A = área da seção transversal da peça (m2)

r = raio instantâneo da peça (m)

h = altura instantânea da peça (m)

µ = coeficiente de atrito entre a matriz e a peça

Algumas das vantagens da operação de forjamento a frio em matriz aberta em uma peça incluem maior resistência e resistência à fadiga. No entanto, tenha em mente que os produtos obtidos a partir de operações de forjamento a frio em matriz aberta geralmente precisam de alguma usinagem secundária (ou refino) para atingir as dimensões e tolerâncias desejadas. Pode não ser um método de forjamento ideal para criar peças complexas e precisas.

Forjamento em matriz fechada

O forjamento em matriz fechada é um processo de forjamento que envolve a colocação da peça entre uma ou mais matrizes de formato personalizado. Quando comprimida e deformada, a peça flui para preencher a cavidade da matriz moldada (mostrada na Figura 3), assumindo o formato da cavidade e formando o produto final desejado. O excesso de material, também chamado de rebarba, deste processo de forjamento é posteriormente cortado.

Forjamento em matriz fechada. Fonte: sanya_zx9r/Adobe Stock

Em comparação com o forjamento a frio em matriz aberta, as operações de forjamento a frio em matriz fechada produzem peças com melhor acabamento superficial, propriedades mecânicas superiores e tolerâncias mais restritas. O processo elimina a necessidade de operações adicionais de pós-usinagem, comuns em operações de forjamento a frio em matriz aberta. É o método ideal para produção em larga escala.

A força de forjamento necessária para realizar uma operação de forjamento a frio em matriz fechada pode ser calculada usando:

Onde:

k = fator multiplicador

Yf = tensão de fluxo do material (Pa)

A = área projetada do forjamento, incluindo a rebarba (m2)

A faixa de valores k para diferentes tipos de formas foi fornecida na Tabela 1.

Tabela 1. Faixa de valores k para forjamento em matriz fechada

Considere um cenário onde há necessidade de forjar a frio uma peça cilíndrica com área projetada (com rebarba) de 0,03 m2 e tensão de escoamento de 500 MPa. Se o valor k para a peça simples for 6, então a força de forjamento seria 90 MN.

Embora este artigo forneça informações úteis sobre forjamento a frio, ainda existem muitas outras considerações e fatores que afetam a qualidade das peças forjadas a frio. Os designers de produtos são aconselhados a entrar em contato com os fabricantes para discutir os requisitos do projeto, incluindo dimensões, tolerâncias e prazos de entrega, entre outros.