Conformação a frio: os cinco critérios que decidem se a peça é viável

1. Decompor a questão em cinco critérios

«Esta peça pode ser conformada a frio» é uma pergunta muito mais vezes colocada do que respondida. As duas respostas habituais são extremas: «a conformação a frio faz tudo» ou «corte-se uma matriz e vê-se». A primeira é irresponsável; a segunda é dispendiosa.

A questão é, de facto, quantificável. Dividida em cinco critérios que se podem calcular ou consultar, a resposta torna-se habitualmente óbvia:

A ordem importa: primeiro se é possível fabricar, depois se vale a pena fabricar. Se algum dos quatro primeiros critérios for claramente excedido, passa-se diretamente ao torneamento ou a outro processo. O critério cinco é a origem clássica do «é possível fabricar, mas não de forma repetível» — muitos problemas de rendimento na conformação a frio têm raiz no fio de entrada, não na ferramenta.

2. Critério um: a deformação está dentro da capacidade do material?

A deformação mede o quanto o material foi alterado num passo de conformação. No recalque, a definição normalizada é a diferença de secção antes e depois, dividida pela secção depois, exprimível de forma equivalente por altura ou diâmetro:

Aqui d é o diâmetro original do fio, D o diâmetro recalcado e h a altura. A volume constante as três formas são equivalentes; usa-se a que for mais cómoda.

Por exemplo, fio de φ5 mm recalcado numa cabeça de φ10 mm dá q = 1 − (5/10)² = 75 %. É uma deformação substancial, e saber se funciona depende inteiramente do material.

O ponto essencial: cada material tem um teto de deformação, que cai abruptamente à medida que sobem os teores de carbono e de liga. Os dados seguintes provêm da literatura experimental clássica sobre conformação a frio.

Como usar a tabela: converter a forma pretendida em q e comparar com o admissível para esse material. Se for excedido, há duas vias:

• Faseamento da deformação. Não recalcar até à dimensão final num só golpe; inserir um recozimento para restaurar a ductilidade (amaciamento por recristalização) e prosseguir. É precisamente por isso que existem conformadoras a frio de um, dois, três e quatro golpes.
• Alteração do estado de entrada. O recozimento globulizante do fio melhora acentuadamente a ductilidade. O custo é uma operação adicional, mas é muitas vezes a única forma de conformar a frio aço de alto carbono.

Porque a deformação não pode ser ilimitada: a conformação a frio é, por definição, encruamento. Quanto maior a deformação, mais sobem o limite de cedência, o limite elástico e a resistência à rotura, e mais descem o alongamento e a estricção — a ductilidade vai sendo consumida. Quando já não é suficiente para continuar a deformar, o material fissura. «Apertar com mais força» não é uma questão de atitude, é uma impossibilidade física.

3. Critério dois: quantos golpes

Este critério decide o tipo de máquina — um golpe ou vários golpes — e o número de estações da matriz. O critério é o grau de recalque livre S, o comprimento a deformar face ao diâmetro do fio:

Porque falha sem controlo: no instante em que o punção toca no esboço, o comprimento a deformar está saliente da matriz, livre e sem apoio. Demasiado longo, encurva em vez de se recalcar, e o metal dobra-se sobre si mesmo no que se designa por dobra a frio — uma prega no exterior e uma descontinuidade no interior. É o defeito mais perigoso da conformação a frio, porque se torna uma origem de fissura no tratamento térmico posterior ou sob carga.

Dois fatores adicionais elevam a contagem de golpes acima do que S sugere:

• Cabeça grande e fina, elevada relação D₁/H₁. L/D pode ser modesto, mas um único recalque de pré-formação rasga o rebordo da cabeça, pelo que é necessária conformação faseada.
• Exigências superficiais apertadas e formas de cabeça complexas, que requerem golpes adicionais para que o metal escoe mais suavemente.

Existe também um critério de redução (extrusão) frequentemente esquecido. Não é recalque, mas sim estiramento de fio mais espesso para uma haste:

Combinar as duas é o truque habitual: partir de fio mais espesso, extrudir a haste e pré-formar a cabeça no primeiro golpe, acabar a cabeça no segundo — «extrudir a haste e depois recalcar a cabeça». Permite uma relação cabeça/haste elevada sem ficar limitado pelo teto de 2–2.5 do recalque único.

4. Critério três: comprimento e esbelteza da haste

Se a haste é ejetada sem dificuldade é a regra estrutural mais esquecida no projeto de conformação a frio, e as consequências são imediatas.

Uma regra conexa sobre retidão: quando o esboço se afasta do eixo da matriz, a excentricidade é amplificada três a cinco vezes pela conformação. A perpendicularidade da face de corte e a retidão do fio refletem-se portanto diretamente na coaxialidade final — um problema de controlo do fio, não de projeto da matriz.

5. Critério quatro: limites de dimensão e capacidade da máquina

A mesma forma torna-se impossível quando cresce o suficiente. A razão de fundo é a força de conformação: a área cresce com o quadrado da dimensão, enquanto a tonelagem da prensa é finita.

Um erro de apreciação fácil de cometer: a capacidade da máquina descreve-se pelo diâmetro do fio e pelo comprimento de corte, não por «que tamanho de cabeça consegue fazer». Produzir uma cabeça de φ30 mm a partir de fio de φ12 mm dá q ≈ 84 % e não funciona, enquanto a mesma cabeça a partir de fio de φ20 mm dá q ≈ 55 % e é trivial. Assim, «consegue fazer esta cabeça» é uma pergunta sem sentido; a pergunta real é «a partir de que fio e em quantos golpes».

6. Critério cinco: o fio cumprirá a especificação?

Passar os quatro primeiros critérios significa que a peça é geometricamente viável. Saber se pode ser produzida de forma repetível depende do fio, e os requisitos são mais exigentes do que a maioria espera — e verificáveis por ensaio.

Os requisitos clássicos para fio de aço recozido para conformação a frio. O diâmetro de impressão é a impressão esférica Brinell, e um valor maior significa material mais macio:

Como o aceitar: além do ensaio de tração de rotina, a conformação a frio tem o seu próprio — o ensaio de recalque. Toma-se um provete com altura igual ao dobro do diâmetro e recalca-se até metade dessa altura, q = 50 %, e não deve apresentar fissuras nem aberturas. Para peças que exigem deformação superior, aumenta-se a compressão até igualar a deformação real da peça.

Há também requisitos rigorosos quanto à superfície e à composição:

Sobre o processo de fosfatação: uma sequência típica é desengorduramento → lavagem em água fria e quente → banho de fosfato acima de 90 °C durante 4–12 minutos → lavagem em água fria e quente → imersão em cal e sabão → secagem e oleagem. A camada de sabão retém lubrificante e ajuda o escoamento do metal durante o recalque.

7. Fronteiras de forma: o que a conformação a frio faz bem

Depois dos cinco critérios surge uma questão mais fina: a própria forma parece a de uma peça conformada a frio? A conformação a frio enche a cavidade da matriz por escoamento do metal, pelo que as suas fronteiras são específicas.

Características que a conformação a frio faz bem

Características que a conformação a frio trata mal, ou com custo acrescido

8. Economia: que volume justifica o processo

Viável não é o mesmo que económico. A conformação a frio tem uma estrutura de investimento inicial elevado e custo unitário baixo: ferramenta e preparação são únicos, e o custo unitário cai rapidamente com o volume.

Um cálculo ilustrativo, com os valores próprios de cada caso: admita-se que a conformação a frio exige 12 000 CNY de ferramenta e preparação e poupa 0.65 CNY por peça face ao torneamento. O ponto de equilíbrio é então 12 000 ÷ 0.65 ≈ 18 500 unidades. Abaixo desse volume anual a ferramenta nunca se paga; muito acima, a poupança é margem pura.

Há três itens adicionais a incluir no cálculo:

• Aproveitamento do material: a conformação a frio conforma em vez de remover, pelo que o aproveitamento é tipicamente superior a 95 %. As taxas de desperdício do torneamento são elevadas — em alguns pinos maciços a via por torneamento consome 8–10 vezes o material da via por conformação a frio.
• Operações secundárias: as peças conformadas a frio necessitam frequentemente de laminagem de rosca, tratamento térmico e acabamento superficial, e um peso elevado de operações secundárias consome a vantagem.
• Vida da matriz: em materiais duros, a vida da matriz é uma das variáveis decisivas do custo de produção. Quanto mais próxima a deformação estiver do limite do material, mais depressa a matriz se desgasta.

9. Lista de verificação em dez pontos

Pegue-se num desenho e percorram-se estes dez pontos; dez minutos dizem se o projeto vale a pena abrir:

10. Resumo

A aptidão à conformação a frio não é realmente uma questão de experiência. É uma combinação de condicionantes físicas: quanto o material pode deformar-se, quanto tempo pode ser recalcado sem apoio, se a matriz o consegue ejetar, se a máquina tem capacidade e se o fio de entrada não dececiona. Cada uma tem um critério explícito, e percorrê-los produz uma resposta.

O ponto mais útil para compradores e projetistas é antecipar estes critérios para a fase de projeto. Depois de a forma estar fixada e a matriz cortada, os custos de alteração multiplicam-se; num desenho, transformar «cabeça grande e fina com haste 9×» em «haste 7× conformada em duas estações» não custa absolutamente nada.

11. Fontes e normas

• Metal Cold Heading Technology (B. M. Misuzhnikov, tradução do Instituto de Investigação de Máquinas Gerais do Primeiro Ministério da Indústria de Máquinas): definição e três formas da deformação q; deformação admissível por material, incluindo 60–70 % para aço de baixo carbono com D₀/H = 2.0, apenas 20–30 % para Y10/Y12 e 65–85 % para aço até 0.5 % C em três golpes; contagem de golpes em função do teor de carbono; requisitos do fio de entrada; ensaio de recalque a q = 50 %; processo de fosfatação; fases de recozimento a 400–500 °C para redução e 550–650 °C para recristalização; determinação do diâmetro do esboço e do furo da matriz.
• Cold Forming Basics: Industrial Fasteners: limites de recalque controlado de cerca de 2–2.5 diâmetros numa matriz maciça, 4.5 em dois golpes e 6.5 com punção deslizante em dois; extrusão aberta até 30 % de redução de secção por passo e extrusão confinada até 75 %; ângulo de matriz até 30°; extrusão e recalque combinados em multiestação.
• Determining Upset Count and Preform Design for Cold-Headed Parts: faixas do grau de recalque S = L/D em ≤ 2.5 para um golpe, 2.5–4.5 para dois e 4.5–6.5 para três; comprimento não apoiado da haste L/D < 9.5–10; haste em matriz maciça ≤ 8d e condições para matrizes abertas; amplificação da excentricidade de cerca de 3–5×; punções cónicos de pré-formação, com melhor escoamento do metal a 2β = 12–15°.
• ISO 898-1:2013, Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel, Part 1: classes de propriedade e limites de carbono — C ≤ 0.55 % para as classes 4.6 e 4.8, C ≥ 0.15 % para a classe 6.8, C ≤ 0.55 % com revenido não inferior a 425 °C para a classe 8.8 temperada e revenida.