Ensaios de compressão a temperatura e taxa de deformação constantes foram realizados na máquina de simulação térmica Gleeble-3800, resultando em um modelo constitutivo para a liga de titânio Ti-46531 baseado em temperatura, taxa de deformação e magnitude da deformação. As ligas de titânio do tipo β são tipicamente forjadas a temperaturas de 20 a 50 °C abaixo de seu ponto de transição de fase, com taxas de deformação variando de 0,001 a 1,0 s⁻¹; consequentemente, os ensaios de compressão térmica foram realizados a temperaturas de 720, 750, 780, 810, 840, 870 e 900 °C com taxas de deformação de 0,001, 0,01, 0,1 e 1,0 s⁻¹.
As curvas de tensão verdadeira versus deformação verdadeira da liga de titânio Ti-46531 sob diversas condições de deformação são mostradas na Figura 1. Como ilustrado, a tensão reológica diminui com o aumento da temperatura e aumenta com o aumento da taxa de deformação; tanto a taxa de deformação quanto a temperatura de deformação influenciam significativamente a tensão reológica. Para a mesma taxa de deformação, a tensão reológica a 700 °C é de 2 a 3 vezes maior que a 900 °C; para a mesma temperatura, a tensão de escoamento a uma taxa de deformação de 1,0 s⁻¹ é de 3 a 5 vezes maior que a 0,001 s⁻¹. A alta sensibilidade da tensão de escoamento do Ti-46531 à temperatura e à taxa de deformação aumenta substancialmente a dificuldade de processamento por forjamento.
2. Projeto do Processo de Forjamento
A estrutura típica de forjamento da liga de titânio Ti-46531 é mostrada na Figura 2. A peça forjada pesa 8,0 kg e possui dimensões externas de 447 mm × 117 mm × 74 mm. Apresenta uma configuração simétrica superior-inferior, com o plano de simetria servindo como a superfície de projeção máxima de seu contorno; portanto, este plano foi selecionado como a linha de partição. As dimensões de sobremedida são as seguintes: 5 mm na face externa das estruturas anulares em ambas as extremidades, 10,5 mm para a alma central e 8 mm para todas as outras áreas. O ângulo de ejeção é de 7°; o raio do chanfro para o sulco central é de 20 mm, enquanto que para a seção saliente é de 8 mm; para todas as outras áreas, o raio do chanfro é de 5 mm.
O plano do processo de forjamento desenvolvido com base na estrutura e nas propriedades do material da peça forjada é mostrado na Figura 3. O procedimento específico é o seguinte: Primeiro, corte a barra circular em um tarugo e chanfre ambas as extremidades; em seguida, forje rapidamente o tarugo usando uma máquina de forjamento por martelo, seguido de retificação para remover defeitos superficiais; finalmente, realize uma prensagem em passe único em uma prensa de parafuso elétrica de 8000 toneladas ou em uma prensa hidráulica de 5000 toneladas.
3. Simulação e Análise de Forjamento
3.1 Configurações dos parâmetros de simulação
Prensas de parafuso elétricas e prensas hidráulicas são comumente utilizadas para a conformação de peças forjadas complexas a partir de metais de difícil deformação, cada uma oferecendo vantagens distintas em termos de características de conformação, métodos de controle e adaptabilidade do processo. Para determinar o equipamento de conformação ideal para peças forjadas típicas da liga de titânio Ti-46531, técnicas de simulação numérica amplamente empregadas na conformação plástica de metais foram aplicadas para modelar os processos de conformação dessas peças forjadas em prensas hidráulicas e prensas de parafuso elétricas, utilizando simulações computacionais. Uma análise comparativa foi conduzida em parâmetros técnicos chave — incluindo desempenho de preenchimento, campos de deformação e campos de temperatura — para identificar o equipamento de conformação mais adequado.
As configurações dos parâmetros de simulação de forjamento são apresentadas na Tabela 2. Os parâmetros de simulação para a prensa elétrica de parafuso e a prensa hidráulica são essencialmente idênticos: após o corte, a chapa é reaquecida com uma temperatura inicial de forjamento de 780 °C; a temperatura de pré-aquecimento da matriz é de 350 °C e o coeficiente de atrito entre a chapa e a matriz é de 0,3. A velocidade de prensagem da matriz superior na prensa hidráulica é de aproximadamente 10 mm·s⁻¹. Para evitar uma queda excessiva de temperatura da chapa, ela é normalmente envolvida com material isolante, resultando em um coeficiente de transferência de calor entre a chapa e a matriz de 1 N·(s·mm·°C)⁻¹. Para a prensa elétrica de parafuso, o coeficiente de transferência de calor entre a matriz e a chapa durante a conformação é de 5 N·(s·mm·°C)⁻¹, e a velocidade de conformação é controlada pela entrada de energia; as configurações específicas dos parâmetros de movimento são apresentadas na Tabela 3.
3.2 Análise dos Resultados da Simulação
O processo de conformação da peça fundida é ilustrado na Figura 4, com as Figuras 4a e 4b mostrando os processos de conformação da espada curta sob uma prensa hidráulica e uma prensa de parafuso elétrica, respectivamente.
Como mostrado na Figura 4, a peça bruta é posicionada com precisão dentro da matriz; à medida que a matriz superior se move para baixo, ambas as extremidades da peça bruta entram em contato simultaneamente com a matriz sem deslocamento rígido, garantindo um processo de conformação estável; conforme a matriz superior continua a se mover para baixo, a superfície superior da peça bruta se conforma gradualmente à cavidade da matriz, com todas as partes da peça forjada sendo formadas quase simultaneamente, momento em que começa a se formar o excesso de material; quando a pressão na matriz superior é reduzida em 2 mm, a peça forjada está totalmente preenchida com um mínimo de excesso de material e apresenta alta utilização do material. Uma análise abrangente do processo de conformação por forjamento revela que existem diferenças mínimas entre os processos de conformação em prensas hidráulicas e prensas de parafuso elétricas.
A distribuição de temperatura da peça forjada após o processo é mostrada na Figura 5 (a linha reta indica a posição da seção transversal; as Figuras 5a e 5b mostram as distribuições de temperatura durante a conformação por prensa hidráulica e por prensa elétrica de parafuso, respectivamente). Como mostrado na Figura 5, a área de rebarba apresenta temperaturas mais elevadas, enquanto a temperatura da superfície é mais baixa, com variação mínima no centro. Durante a conformação por prensa hidráulica, a temperatura mínima atinge 456 °C e a máxima, 845 °C; já durante a conformação por prensa elétrica de parafuso, a temperatura mínima é de 783 °C e a máxima, 1090 °C. A comparação revela padrões de temperatura distintos: na conformação por prensa hidráulica, a temperatura do corpo diminui progressivamente do interior para o exterior, com temperaturas superficiais abaixo de 732 °C e temperaturas centrais acima de 796 °C, concentradas principalmente entre 700 e 812 °C; na conformação por prensa elétrica de parafuso, as temperaturas aumentam em diferentes regiões — com áreas de rebarba acima de 885 °C e a faixa de temperatura principal do corpo entre 780 e 840 °C. De forma geral, a conformação por prensa elétrica de parafuso resulta em uma distribuição de temperatura mais uniforme em toda a peça forjada.
A distribuição da deformação equivalente da peça forjada após o processo é mostrada na Figura 6 (a linha reta na Figura 6 indica a posição da seção transversal). As Figuras 6a e 6b ilustram as distribuições de deformação equivalente durante a conformação por prensa hidráulica e por prensa elétrica de parafuso, respectivamente. Como mostrado na Figura 6, a deformação equivalente mínima durante a conformação por prensa hidráulica é de 0,08, enquanto a máxima é de 19,900; durante a conformação por prensa elétrica de parafuso, a deformação equivalente mínima é de 0,12 e a máxima é de 9,070. A deformação equivalente é maior na região do rebarbo e menor na superfície, com valores variando de 0,25 a 0,5 na região central. A distribuição do campo de deformação equivalente durante a conformação por prensa elétrica de parafuso é mais uniforme do que durante a conformação por prensa hidráulica.
A distribuição de temperatura da matriz inferior é mostrada na Figura 7, com as Figuras 7a e 7b representando as distribuições de temperatura durante a conformação por prensa hidráulica e por parafuso elétrico, respectivamente. Como ilustrado na Figura 7, a temperatura mínima da matriz inferior durante a conformação por prensa hidráulica varia de 349 °C a 619 °C, enquanto que durante a conformação por parafuso elétrico varia de 349 °C a 448 °C. Com base nas tendências de distribuição de temperatura, a cavidade da matriz inferior apresenta características semelhantes em ambos os métodos de conformação.
As temperaturas aumentaram em diferentes graus, com um aumento médio de aproximadamente 150 °C. Durante a conformação por prensa elétrica de parafuso, o aumento de temperatura na cavidade inferior do molde foi limitado, com apenas aumentos localizados de cerca de 100 °C em ambas as extremidades da cavidade. A temperatura do molde é um fator crítico que afeta a vida útil; temperaturas excessivamente altas podem causar revenimento e amolecimento do material, acelerar a deformação por fluência e, consequentemente, reduzir a vida útil. Portanto, pode-se concluir que o uso de uma prensa elétrica de parafuso resulta em temperaturas de molde relativamente mais baixas, prolongando assim a vida útil do molde.
As cargas de conformação aplicadas às peças forjadas são ilustradas na Figura 8, onde as Figuras 8a e 8b mostram as curvas de carga-tempo para conformação por prensa hidráulica e prensa de parafuso elétrica, respectivamente. Como mostrado na Figura 8, o processo na prensa hidráulica durou 5,83 segundos com uma carga de conformação final de 4,0 × 10⁴ kN, enquanto a prensa de parafuso elétrica exigiu apenas 0,16 segundos com uma carga de conformação máxima de 6,1 × 10⁴ kN. Embora o tempo de conformação para a prensa de parafuso elétrica seja significativamente menor, sua carga de conformação é aproximadamente 50% maior do que a da prensa hidráulica.
Uma comparação dos processos de conformação de peças forjadas típicas da liga de titânio Ti-46531 em prensas hidráulicas e prensas de parafuso elétricas revela: (1) Os processos de preenchimento são quase idênticos, com todas as peças forjadas atingindo o preenchimento completo; (2) Durante a conformação em uma prensa de parafuso elétrica, o campo de temperatura e a distribuição do campo de deformação isotrópica são mais uniformes; (3) Devido à sua maior velocidade de conformação e menor elevação da temperatura do molde, a prensa de parafuso elétrica oferece maior vida útil ao molde. Considerando esses fatores, uma prensa de parafuso elétrica de 8000 toneladas foi selecionada como equipamento de teste para a conformação de peças forjadas da liga de titânio Ti-46531.
4. Resultados experimentais
O forjado típico foi testado em uma prensa de parafuso elétrica de 8000 toneladas, com os resultados mostrados na Figura 9. Como evidenciado pelo espécime físico na Figura 9, o forjado foi totalmente preenchido sem quaisquer trincas de dobramento, confirmando a validade dos resultados da simulação.
Conclusão
(1) Através de experimentos, os parâmetros físicos da liga de titânio Ti-46531 — incluindo capacidade térmica específica, condutividade térmica e coeficiente de expansão linear — foram determinados, e um modelo constitutivo para Ti-46531 baseado em temperatura, taxa de deformação e deformação foi estabelecido.
(2) Uma peça forjada típica e seu processo de forjamento para a liga de titânio Ti-46531 foram projetados. Usando análise de simulação numérica, os processos de conformação desta peça forjada em prensas hidráulicas e prensas de parafuso elétricas foram comparados, e o equipamento de forjamento ideal foi identificado como uma prensa de parafuso elétrica de 8000 toneladas.
(3) Os testes finais de forjamento foram realizados na prensa de parafuso elétrica de 8000 toneladas, com resultados que atendem às especificações do projeto; os forjados apresentaram preenchimento completo sem defeitos como dobras ou rachaduras.
Data da publicação: 22/07/2026