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Extrusão a frio no fabrico: Prós, contras e aplicações

Última atualização:
9 de junho de 2024
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Índice

Vantagens do processo de extrusão a frio

Em comparação com outros métodos de fabrico, a extrusão a frio surgiu como um dos processos mais avançados na deformação plástica de metais, apresentando inúmeras vantagens técnicas e económicas.

Redução significativa do consumo de matérias-primas

A extrusão a frio é um método de conformação plástica de metais. Permite a transformação plástica do volume de metal sem danificar o metal, resultando em aparas mínimas ou inexistentes e moldando o metal na forma e tamanho pretendidos. Este processo elimina a grande quantidade de aparas de metal produzidas durante a maquinagem, poupando assim vários materiais metálicos.

Consequentemente, 1 tonelada de material metálico pode ser utilizada para produzir 2 toneladas, e mesmo até 3-5 toneladas de produto. Por exemplo, a base de ferro puro do equipamento de comunicação apresentado na Figura 1-72 é extrudida a frio, reduzindo o consumo de material para apenas um décimo do processo de maquinagem original. Isto significa que o material de um componente pode agora ser utilizado para fabricar dez produtos.

Figura 1-72 Base de ferro puro a) Peça bruta b) Peça extrudida

A junta rotativa de alumínio puro mostrada na Figura 1-73 foi originalmente maquinada a partir de um bloco sólido de Φ22mm×21mm. Após a extrusão a frio, apenas é necessário um material em bruto de Φ20,3mm×6mm, reduzindo o consumo de material para cerca de um quarto do original. O tubo de escape de cobre isento de oxigénio mostrado na Figura 1-74 foi originalmente maquinado a partir de uma peça cilíndrica de Φ40mm×180mm.

Figura 1-73 Conector do botão de alumínio puro
Figura 1-74 Tubo de escape de cobre isento de oxigénio

a) Vazio
b) Peça extrudidaFigura 1-75 Conector arrefecido a água em aço inoxidável

Agora, com a extrusão a frio, apenas é necessária uma placa plana oca de Φ40mm×17mm×20mm, poupando significativamente as matérias-primas para apenas um nono do original. O componente da junta de arrefecimento da água do gerador da turbina dupla arrefecida a água mostrado na Figura 1-75 é feito de aço inoxidável austenítico. Após a extrusão a frio, o consumo de material é reduzido para metade em comparação com o processo de maquinagem original.

Figura 1-75 Conector de arrefecimento a água em aço inoxidável

O material da peça de extrusão a frio da cavilha do pistão do motor de automóvel apresentada na Figura 1-76 é o aço estrutural de baixa liga 20Cr. O processo de maquinagem original tinha uma quota de consumo de uma peça única de 0,282 kg (pino de pistão da marca Jump). Depois de mudar para a extrusão a frio, diminuiu para 0,149 kg.

Figura 1-76 Pino do pistão do motor automóvel

Produtividade melhorada

As peças de extrusão a frio são processadas numa prensa, que é simples de operar, fácil de dominar e altamente produtiva. A base de ferro puro mostrada na Figura 1-72, por exemplo, é difícil de maquinar devido à suavidade do ferro puro e ao seu fraco desempenho de corte. Ao utilizar a extrusão a frio, não só se poupa matéria-prima, como também se aumenta a produtividade em 30 vezes.

O componente do interrutor de alta tensão em cobre puro, representado na Figura 1-77, é fabricado diretamente a partir de uma peça oca hexagonal (sem resíduos na prensa) por extrusão a frio, eliminando as horas de trabalho anteriores de torneamento e fresagem (ranhura transversal). O conetor de botão de alumínio puro mostrado na Figura 1-73, depois de ser processado por extrusão a frio, viu o seu tempo de processamento cair dos anteriores 5,84 minutos utilizando o processamento mecânico para apenas 1 minuto.

Figura 1-77: Interruptor de alta pressão feito de cobre puro a) Tarugo oco hexagonal b) Peça extrudida

As horas de trabalho para a peça do conetor de aço inoxidável arrefecido a água apresentada na Figura 1-75 também diminuíram de 15 minutos de processamento de corte anterior para 1,5 minutos, melhorando a eficiência em nove vezes. O pino do pistão do motor automóvel apresentado na Figura 1-76, quando processado por extrusão a frio, pode melhorar a produtividade em 3,2 vezes em comparação com o torneamento (utilizando o pino do pistão da marca Leapfrog como exemplo).

Atualmente, são produzidas máquinas automáticas para a extrusão a frio de pinos de pistão, aumentando ainda mais a produtividade. A taxa de produção de uma máquina automática de extrusão a frio é equivalente a 100 tornos horizontais ou 10 tornos automáticos de quatro eixos.

Capacidade de moldar peças com formas complexas

Sob o movimento linear recíproco da prensa, podem ser efectuadas operações de maquinação complexas, produzindo peças moldadas. Tal como se mostra na Figura 1-78, um condensador variável multicamada fabricado em alumínio puro, e na Figura 1-79, uma peça de manga de dupla camada também fabricada em alumínio puro, ambos apresentam formas complexas e pequenas dimensões com requisitos rigorosos.

Figura 1-78: Condensador variável multicamada feito de alumínio puro
Figura 1-79: Manga de camada dupla feita de alumínio puro

Se fosse fabricado utilizando métodos de corte, não só a taxa de produção seria baixa e o consumo de material elevado, como também o processo de fabrico se revelaria muito difícil. No entanto, a utilização do processo de extrusão a frio torna-o significativamente mais cómodo.

Melhoria das propriedades mecânicas das peças

Durante o processo de extrusão a frio, o material metálico é sujeito a uma tensão de compressão triaxial. Após a deformação por extrusão, a estrutura do grão do material metálico torna-se mais densa e as linhas de fluxo do metal não são interrompidas, tornando-se linhas de fluxo contínuas distribuídas ao longo do contorno da peça extrudida, como se mostra na Figura 1-80 para as linhas de fluxo do metal de uma cavilha de pistão extrudida a frio.

Figura 1-80: Linhas de fluxo de metal na extrusão a frio de pinos de pistão

As figuras 1-81 e 1-82 mostram o estado das fibras em várias peças extrudidas a frio, não se observando descontinuidades acentuadas em nenhuma das fibras. Simultaneamente, uma vez que a extrusão a frio utiliza as características de endurecimento por deformação a frio dos materiais metálicos, aumenta consideravelmente a resistência das peças extrudidas, proporcionando assim a possibilidade de substituir o aço de alta resistência por aço de baixa resistência.

Figura 1-81: Condições da fibra em dois métodos de processamento a) Extrusão a frio b) Processo de corte
Figura 1-82: Estado da linha de fluxo da porção do cubo durante a extrusão axial

Por exemplo, a China costumava produzir pinos de pistão para motores de automóveis por maquinagem, utilizando como matéria-prima o aço estrutural de baixa liga 20Cr. No entanto, ao mudar para a extrusão a frio, as propriedades mecânicas das peças das cavilhas do pistão podem ser melhoradas, pelo que é utilizado o aço de baixo carbono 20.

As medições experimentais mostraram que todos os indicadores de desempenho mecânico são mais elevados com a extrusão a frio do que com a maquinação, o que demonstra que, ao mudar para a extrusão a frio para a maquinação de pinos de pistão, o aço 20 pode substituir o aço 20Cr original.

Podem ser produzidas peças com maior precisão dimensional e menor rugosidade superficial

A extrusão a frio resulta em componentes com uma excelente qualidade de superfície. Durante o processo de extrusão a frio, a superfície metálica é passada a ferro pela superfície lisa do molde sob alta pressão, resultando numa rugosidade superficial muito baixa e numa resistência superficial muito melhorada. A rugosidade superficial Ra das peças típicas extrudidas a frio é inferior a 1,25µm.

Com o tratamento adequado do processo da cavidade do molde, especialmente quando a lubrificação ideal é utilizada na extrusão a frio de metais não ferrosos metaisCom a extrusão a frio, é possível obter um valor de rugosidade superficial superior à retificação mas inferior ao polimento (Ra=0,08~0,16µm). Como tal, as peças processadas por extrusão a frio podem ter uma margem de maquinação reduzida e, em alguns casos, não é necessária qualquer margem de maquinação para cumprir os requisitos técnicos dos desenhos do produto.

A exatidão dimensional das peças extrudidas a frio pode geralmente atingir níveis de precisão IT8~IT9, e a gama de tolerância para dimensões individuais pode ser controlada dentro de 0,015 mm. Por exemplo, a tolerância dimensional do orifício interior da manga do núcleo da lançadeira da máquina de costura feita de aço-carbono comum, como se mostra na Figura 1-83, é de apenas 0,015 mm.

Figura 1-83: Caixa de bobina de aço carbono comum para máquina de costura

A extrusão a frio permite obter uma rugosidade superficial e uma precisão dimensional ideais. Algumas peças, após a extrusão, já não necessitam de ser cortadas, abrindo caminho para que a extrusão a frio substitua o forjamento, a fundição e o corte de determinadas peças.

Reduzir o ciclo de produção

A extrusão a frio é um processo de deformação plástica de metal numa cavidade de molde fechada. As peças extrudidas resultantes não têm qualquer brilho, eliminando a necessidade de operações subsequentes de rebarbação (ou perfuração), encurtando assim o ciclo de produção.

Reduzir o investimento em equipamento

Em comparação com o forjamento por matriz, a extrusão a frio não produz flash, eliminando assim a necessidade de matrizes e prensas de rebarbação, reduzindo significativamente o investimento em equipamento. Além disso, o processamento por extrusão a frio pode ser efectuado em prensas de extrusão a frio dedicadas, prensas hidráulicas universais ou mesmo em prensas gerais não especificamente concebidas para a extrusão a frio, tais como prensas universais ou prensas de fricção.

Reduzir o custo de fabrico das peças

A extrusão a frio pode poupar significativamente as matérias-primas e o tempo de processamento, reduzindo assim inevitavelmente o custo de fabrico dos componentes. Por exemplo, a cavilha do pistão do automóvel apresentada na Figura 1-84 pode ser fabricada por corte de aço redondo ou por extrusão a frio, ou pode ser fabricada a partir de tubos de aço sem costura. A comparação de custos destes três métodos de processamento é apresentada no Quadro 1-6.

Os dados do Quadro 1-6 mostram que o custo do processamento de pinos de pistão por extrusão a frio é o mais baixo, reduzindo o custo em 45% em comparação com o corte e em 29% em comparação com o processamento a partir de tubos de aço sem costura.

Figura 1-84: Pino do pistão do automóvel

Tabela 1-6: Comparação de custos de diferentes métodos de fabrico de pinos de pistão para automóveis

ItemExtrusão a frioMaquinaçãoProcessamento de tubos de aço sem costura
Forma e tamanho do espaço em brancoAço redondo estirado a frio Φ22.6mmAço redondo laminado a quente Φ25mmTubo de aço estirado a frio d25mm×5mm
Utilização de material padrão por peça/kg0.1490.2820.14
Custo do material por peça/USD69.912.6
Tempo de processamento por peça/min2.55.53
Tempo de processamento Custo por peça/USD6.2513.757.5
Custo do tratamento térmico/USD222
Custo total por peça/USD14.2525.6522.1

Desvantagens do processo de extrusão a frio

Na prática de produção a longo prazo, a extrusão a frio tem mostrado muitas vantagens em comparação com outros processos de fabrico, mas tem frequentemente alguns problemas. As desvantagens do processo de extrusão a frio são as seguintes

Elevada resistência à deformação

Durante a extrusão a frio, a resistência à deformação do material extrudido é elevada. O mais prático é a extrusão a frio de aço, em que a resistência à deformação pode atingir mais de 2000MPa. Esta pressão ultra-elevada exige requisitos mais elevados para o material do molde, a estrutura e o fabrico.

Vida curta do molde

Devido à elevada pressão unitária suportada pelo molde de extrusão a frio, que pode atingir os 3000MPa, o molde está sujeito a desgaste e danos. Embora tenham sido adoptadas muitas medidas eficazes em termos de materiais e estrutura do molde, a sua vida útil é ainda inferior à dos moldes de estampagem.

De acordo com as estatísticas relevantes, a vida útil média dos moldes convexos de aço utilizados para extrusão positiva é de cerca de 20 000 peças, e a dos moldes côncavos é de cerca de 30 000 peças; enquanto a vida útil dos moldes utilizados para perfuração ou desenho profundo é geralmente superior a 100.000 peças.

Elevados requisitos para os blanks

Os requisitos para as peças em bruto durante a extrusão a frio são mais elevados do que noutros processos de conformação de metal-plástico, caso contrário, o molde pode sofrer danos. Para as peças em bruto de extrusão a frio, para além de exigirem formas geométricas exactas e uma elevada precisão dimensional, é também necessário submeter-se a determinados tratamentos de recozimento de amolecimento e de lubrificação da superfície antes da deformação por extrusão a frio.

Elevados requisitos para o equipamento de extrusão a frio

Ao implementar o processo de extrusão a frio, para além de ser necessário que o equipamento de extrusão a frio tenha uma maior resistência, é também necessário que tenha uma boa rigidez. Além disso, o equipamento deve ter uma boa precisão e um dispositivo de segurança fiável.

Âmbito de aplicação da tecnologia de extrusão a frio

A partir da análise acima, é evidente que a extrusão a frio é um processo avançado superior, de elevado rendimento, baixo consumo e rentável, oferecendo um valor significativo tanto a nível tecnológico como económico.

Atualmente, a tecnologia de extrusão a frio tem sido amplamente adoptada em vários sectores industriais no nosso país, incluindo o sector automóvel, motociclos, instrumentação, equipamento de telecomunicações, indústria ligeira, construção, aeroespacial, construção naval, militar e hardware. Tornou-se uma parte indispensável do metal-plástico técnicas de moldagem.

A extrusão a frio, como uma categoria única dentro das técnicas de fabrico avançadas que produz poucas ou nenhumas aparas, está a ganhar proeminência. Embora as desvantagens do processamento por extrusão a frio sejam secundárias quando comparadas com as suas vantagens, estas são relativas às condições tecnológicas actuais.

Com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a investigação e o desenvolvimento de novos materiais de aço para moldes e a racionalização da conceção da estrutura dos moldes, os problemas serão resolvidos e as vantagens serão plenamente exploradas. Por conseguinte, pode prever-se que este processo avançado de conformação de metal-plástico desempenhará um papel cada vez mais significativo e terá uma aplicação mais alargada em vários sectores.

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