Potência e Freqüência
Potência e Freqüência
Este artigo apresenta uma revisão dos critérios técnicos e comerciais que facilitarão as decisões gerenciais para investimentoo em automação robótica para atingir uma investiment produção automatizada e flexível de forjados.
Neste terceiro de quatro artigos são apresentadas outras características importantes para a operação adequada do equipamento. equipamento. Um resumo traz uma visão geral das vantagens e limitações da prensa hidráulica.
Por meio de uma série de ensaios controlados realizados em aços ferramenta, verificou-se que o tratamento criogênico ou a têmpera em óleo podem ajudar a minimizar a austenita retida no aço ferramenta e melhorar o desempenho do mesmo.
A formulação dos lubrificantes utilizados na indústria de forjamento tem sido consideravelmente alterada ao longo dos anos. Este artigo examina os sistemas de lubrificação efetiva em uso atualmente para o forjamento de não-ferrosos.
A foto foto da cap capaa dest destee mês mês é cor cortetesia da empresa Green Bay Drop Forge (GBDF), EUA. Foto produzida por Richard Rooker, gerente de operações de proces pro cesso so da GB GBDF DF..
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Contrastado com os resultados experimentais, este artigo mostra uma avaliação da predição de força de conformação de peças em liga de titânio pela simulação numérica computacional.
A implantação de parques e leis de incentivo que estimulam a produção nacional dos aerogeradores e linhas de financiamento para pesquisa, assim como o grande investimento de empresas estrangeiras no Brasil para a produção de aerogeradores, mostram que a energia eólica é uma realidade para o país.
(Por Dean M. Peters - EUA)
A eliminação da metalurgia e marcenaria no currículo escolar é um erro sistemático de educação. Os estudantes podem se beneficiar participando mais de exposições e feiras de tecnologia em geral. Essas visitas podem influenciar nas futuras escolhas de carreira.
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Retornando às Ferramentas
Modernização (Por Udo Fiorini - Brasil)
No dicionário aprendemos que automação é um conjunto de técnicas e sistemas de fabricação, baseado em equipamentos industriais, que apresentam capacidade de executar tarefas tipicamente humanas, com sequências de operação controladas, sem intervenção do homem. Ela pode significar a substituição de mãode-obra que, melhor qualificada, pode ser aproveitada adequadamente, criando uma melhor qualidade de vida dos mesmos.
m dezembro recebi um livro intitulado Shop Class as Soulcraft de Matthew , de B. Crawford, doutor em filosofia política que ganha a vida como proprietário de uma loja de motos na Virgínia, EUA. Embora o livro pareça muito com uma tese doutoral, que para mim não combina com tópicos proletários, eu encontrei alguns dos pontos que Crawford tornou atraentes e que lembram temas educacionais e de produção nos quais eu tenho editorado frequentemente. O livro de Crawford logo ganhou meu interesse, afirmando na introdução que: “O desparecimento das ferramentas de nossa educação comum é o primeiro passo para uma maior ignorância do mundo de artefatos em que vivemos. E, de fato, uma cultura mecânica tem se desenvolvido... na qual o objetivo é ‘esconder as obras’, tornando muitos dos instrumentos dos quais dependemos todos os dias ininteligíveis para a inspeção direta.” Essa passagem me lembrou duas coisas. A primeira é que eu aprendi muito sobre metalurgia e marcenaria nos laboratórios do antigo colegial. Eu acredito que a eliminação dessas atividades do currículo escolar, lamentada por Crawford, é um erro sistemático de educação da mais alta ordem. A segunda é que eu sempre considerei que estudantes do primeiro grau, sempre que possível, devem ser levados para exposições do comércio local, do mesmo jeito que eles devem visitar o zoológico ou um museu numa viagem de campo. Eu tenho visto muitas dessas feiras, e os estudantes universitários estão frequentemente no atendimento, mas eu acredito na juventude, os estudantes mais impressionáveis podem se beneficiar igualmente com esse tipo de exposição. Eu não tenho dúvidas de que as amostras mais atraentes, as novas tecnologias e os maiores e melhores equipamentos apresentados podem fascinar alguns jovens e influenciar suas futuras escolhas de carreiras. Para as últimas décadas, as tendências educacionais na nossa sociedade tem focado na preparação dos jovens para empregos na emergente economia do conhecimento. Ao agir dessa forma, os chamados “negócios” foram amplamente ignorados, com alunos sendo direcionados a programas de estudos que os levaram, e nossa sociedade, para longe das bases tradicionais de produção. Isso não foi tão ruim, mas os resultados dessa tendência de retorno nos assustam quando ouvimos do déficit do comércio exterior com países emergentes que nos vendem bens que usamos para nós mesmos. Em parte, nossa crescente aversão às ferramentas nos levou a exportar nosso padrão de vida para aqueles que desejam trabalhar com as mãos. Como Crawford afirma: “Uma queda no uso de ferramentas parece denotar uma mudança em nosso relacionamento com nosso próprio material: mais passiva e mais dependente. E, de fato, há cada vez menos ocasiões para o tipo de sensação que é provocada quando pegamos as coisas com nossas próprias mãos, seja para fazê-las ou consertá-las. O que as pessoas comuns um dia fizeram, hoje compram; e o que elas mesmas consertavam, substituem completamente ou contratam um especialista para consertar, cujo trabalho muitas vezes leva à substituição completa do sistema só porque em algum minuto ele falhou. Nosso distanciamento crescente dos onipresentes itens que usamos diariamente tem perturbadoras consequências a longo prazo. É sintomático do declínio da indústria nos Estados Unidos e a razão dela ter dificuldade em encontrar boas pessoas para trabalhar.
Dean Peters, Editor da Forge nos EUA
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artigo apresentado nesta edição, sobre a automação na Forjaria, me leva a algumas considerações, e foi escrito nos Estados Unidos, mas como em toda a cadeia de produção metalmecânica, as tecnologias são semelhantes em todo o mundo. O que significa que é um artigo plenamente ajustado à nossa realidade aqui no Brasil. O que é automação industrial? No dicionário aprendemos que se trata de um conjunto de técnicas e sistemas de fabricação, baseado em equipamentos industriais, que apresentam capacidade de executar tarefas tipicamente humanas, com sequências de operação controladas, sem intervenção do homem. Tenho muitos anos de vivência como vendedor de equipamentos no Brasil. Em geral equipamentos de alta tecnologia, com alto valor, importados ou já em desenvolvimento em nosso país. Equipamentos destinados a aumentar a produtividade, a qualidade dos produtos e, porque não, a qualidade de vida dos trabalhadores envolvidos com a operação do equipamento. Neste sentido me ficaram presentes as palavras do Sr. Jan Elwart, presidente do braço europeu da Bodycote e responsável pela operação sul-americana, onde se enquadra a empresa Brasimet, controlada pelo grupo. Em recente entrevista a mim e publicada na revista Industrial Heating, edição de Abril, o Sr. Elwart mostrava sua insatisfação com a tradicional forma com que são operados alguns equipamentos de tecnologia térmica. Empresas com pouca iluminação, funcionários manuseando peças colocadas manualmente em algum equipamento térmico, enfim, muita produtividade desperdiçada. Sua sugestão é melhorar estas condições, em que os empregados pudessem trabalhar em ambientes bem iluminados, limpos, montando cargas em modernos dispositivos que seriam levados então aos equipamentos, situados em
Catálogos/Literatura Técnica
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outro ambiente, operados de forma automatizada. Utopia? Pessoalmente pude verificar recentemente algumas operações de acabamento superficial em empresas metalmecânicas de distintos segmentos. Acostumado a enxergar com maior ênfase os tratamentos térmicos e não somente de acabamento, fui surpreendido no quanto ainda podemos melhorar em termos de automação industrial. Mesmo empresas de porte ainda dependem, e muito, de mão de obra em excesso para algumas operações manuais claramente substituíveis de maneira robotizada. Por que não são? Não estou falando de demissões, mas sim de melhor aproveitamento de uma mão-de-obra que pode ser qualificada adequadamente. Estamos em um ano eleitoral, e temos candidatos que por uma série de razões não vão querer que o país perca o seu grau de desenvolvimento duramente conquistado. Temos PAC’s e muitos projetos em andamento. Porém a indústria ainda não foi convidada para esta festa. Ainda ouvimos falar ‘vamos esperar a Feira da Mecânica para ver como fica’ apenas para citar o modismo, ou a esperança do momento. Se a ‘festa’ que estão prometendo vingar, talvez a indústria possa pensar em automação, liberando e treinando funcionários hoje sub utilizados em operações mecânicas substituíveis e por fim, criar uma melhor qualidade de vida dos mesmos.
Udo Fiorini, Editor da Forge no Brasil
Produtos
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MAIO
JULHO
03-06 AISTech 2010 – Pittsburgh, Pensilvânia - EUA
26-30 18TH IFHTSE Congress
www.aist.org
Rio de Janeiro, RJ www.abmbrasil.com.br
11-14 Metal + Metallurgy China 2010 – Transformação de Metal e Fornos Industriais
28-30 Mec Show 2010 Vitória, ES
Beijing, China - www.mm-china.com
www.mecshow.com.br
12-13 Wire Expo 2010 Milwaukee, Wisconsin - EUA
AGOSTO
www.wirenet.org
09-13 Febramec 2010 Caxias do Sul, RS www.febramec.com.br
11-15 28ª Feira Internacional da Mecânica Parque de Exposições do Anhembi São Paulo, SP www.mecanica.com.br
11-12 Moldes 2010 São Paulo, SP
18-20 Expoalumínio 2010 Centro de Convenções Imigrantes - São Paulo,SP
SETEMBRO
www.expoaluminio.com.br
14-19 Metalurgia 2010 Joinville, SC
www.abmbrasil.com.br
www.metalurgia2010.com.br
JUNHO 09-11 Aluminium China 2010 Shangai - China
14-16 Aluminium 2010 Essen, Alemanha
www.aluminiumchina.com/newen
www.aluminium-messe.com
14-18 Turbo Expo 2010
28-30 Heat Treatment - 2010
Glasgow - Reino Unido / www.asme.org
Moscow, Rússia - www.mirexpo.ru
FORGING DAY CONVITE Nos dias 9 e 10 de junho, a ABP Induction e a Prensas Schuler promoverão um evento dedicado à indústria de forjaria, sendo dois dias de palestras e debates voltados exclusivamente para os profissionais da área. Neste evento será apresentado o que há de mais moderno e inovador no segmento de forjaria, com o objetivo de demonstrar aos participantes como estas novas tecnologias, produtos e softwares podem melhorar a produtividade e lucratividade de suas empresas. Contamos com sua presença! Faça já a sua inscrição: as vagas são gratuitas e limitadas.
Data e local:
Informações e inscrições:
Data: 09 e 10 de junho Local: Planta da Prensas Schuler, localizada à Av. Fagundes de Oliveira, 1515 - Diadema/SP
Prensas Schuler Tel: (11) 4075-8472
[email protected] [email protected]
Apoio: ABP Induction Tel: (11) 2119-1213
[email protected] [email protected]
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AAM fornece eixos para o VW Amarok AAM do Brasil, subsidiária da American Axle & Manuacturing Holdings iniciou o ornecimento de eixos traseiros para o Amarok 2010, a nova picape cabine dupla, inicialmente lançada para o mercado sul-americano pela Volkswagen do Brasil. Os novos eixos de alta eficiência ornecidos pela AAM para o Amarok incorporam os conceitos TracRite®, Eletronic Locking Differential (ELD), juntamente com o módulo de controle eletrônico de bloqueio do dierencial montado no chassis.Os eixos serão abricados nas instalações da empresa em Araucária no Paraná. Nos EUA, a AAM inaugurou uma planta em Lancaster, na Pensilvânia, cerca de 75 quilômetros a oeste de Filadélfia. A ábrica de 30.000 metros quadrados expande a capacidade de soldagem e de montagem de eixos para o mercado de caminhões comerciais classe 8, com peso bruto superior a 16,5 toneladas. As instalações de Lancaster estão configuradas com �exibilidade para executar operações de volumes ordenados em três turnos, seis dias por semana. De acordo com a empresa a localização geográfica é excelente, pois o centrosul da Pensilvânia ornece acesso para clientes-chave na região.
Módulo de otimização automática do programa Forge 2009 O produtor de sofware Transvalor, sediado na França, inorma que o sofware de simulação digital em 2D e 3D para processos de orjamento Forge2009, de sua linha de produtos, agora oi incrementado com a introdução do módulo de otimização automática. Esta novidade possibilita novas soluções para o usuário ao permitir a análise do espectro integral de parâmetros de uma maneira mais sistemática e consistente. A Transvalor inorma que no passado o usuário podia modificar passo a passo os dados do setup, tendo como base o lançamento de série de computação, e comparando os resultados obtidos com simulações prévias. Isto era muito trabalhoso e tomava muito tempo. Agora, o setup dos dados para uma otimização ficou mais ácil. A única tarea adicional necessária é a da análise preparatória para o pro jeto de otimização. O usuário tem de escolher um ou mais critérios a serem melhorados, escolher os parâmetros que devem variar, bem como a gama de variáveis possíveis. O programa Forge lança automáticamente as séries de simulações com a possibilidade de escolha de parâmetros razoáveis que possibilitem obter soluções.
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Jan Hutson Rimrock Corp., Columbus, Ohio, EUA
integração da automação robótica com processos de forjamento é um passo potencialmente importante na maximização da capacidade produtiva de forjados. Neste artigo, ilustraremos o processo realizado para se chegar a decisão de automatizar uma linha de produção. No exemplo que se segue, foi avaliada a necessidade de se adicionar um braço robótico a uma prensa de forjamento. Como ponto de partida, o engenheiro projetista teve que reunir e compilar uma série de informações básicas sobre o processo. Informações reais, técnicas e comerciais, são essenciais para planejar o projeto de automação, mesmo que o sistema seja desenvolvido “em casa” ou por um qualificado integrador de sistemas robotizados. Em um estágio inicial, três parâmetros devem ser considerados em detalhes: a(s) peça(s) que será(ão) produzida(s), o grau de investimento e as informações referentes à engenharia da planta de produção.
A Peça
A primeira etapa do processo de automatização, que é feita pelo engenheiro projetista, consiste na identificação das peças que serão produzidas ou famílias de peças similares com as quais o sistema automatizado deverá trabalhar, assim como as metas de produção desejadas. Atingir ou exceder a estas metas irá servir como critério
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final de aceitação do desempenho do sistema automatizado. Esta meta é a marca, que uma vez ultrapassada, significará que o projeto foi concluído com sucesso. A candidata ideal para a peça, cuja produção será automatizada, é que seja produzida em larga escala e adaptável a uma única operação de forjamento. As informações necessárias sobre esta peça devem ser: • Desenho da peça final e números de identificação. • Peso da peça final. • Desenho das ferramentas. • Tamanho e geometria do tarugo inicial. • Tamanhos e pesos intermediários e finais. • Taxa de produção atual (volume/tempo). • Descrição do processo atual, incluindo detalhes das etapas de produção e a verificação dos tempos dos ciclos produtivos. • Quaisquer dados relevantes da qualidade dos forjados devem ser adicionados ao processo de produção. • Completo entendimento do processo de funcionamento da prensa e as possíveis implicações dos efeitos da automatização neste processo. • Dados relevantes sobre o processo. • Peças atuais de cada etapa do processo. O Investimento
Após selecionar uma peça ou uma família de peças, o engenheiro projetista deve determinar a viabilidade econômica da automatização do processo produtivo. Deve-se desenvolver um cronograma de investimentos que promova um real e aceitável retorno do investimento para a companhia. Este cronograma deve detalhar os custos/benefícios atuais e os custos/benefícios futuros, bem como o período após automatização que será necessário para a companhia recuperar o custo investido nesta implementação. Embora este seja provavelmente o aspecto mais negligenciado no potencial de um projeto de automação, ele é em geral o fator decisivo pela escolha ou não do processo. Esta etapa é quando o bom senso econômico e a tecnologia se encontram, e o engenheiro poupará tempo ao não escolher propostas inviáveis economicamente e que têm pouca chance de obterem aprovação. O profissional deve estar disposto a discutir as informações do projeto de modo integrado, mas não deverá publicar essas informações. As informações necessárias sobre o Retorno nos Investimentos (ROI) devem incluir: 10
• Dados gerenciais de retorno de investimento. • Cronogramas completos (atual e futuro) superestimados de custos (custo/hora). • Utilização atual do equipamento (uso/hora). • Utilização futura do equipamento com automação (uso/hora). • Produção atual (volume/hora). • Produção futura com a automação (volume/hora). • Potencial de aumento da produção com a automação (volume/hora). • Potencial de melhoria da qualidade promovida pela automação, se houver. • Recursos técnicos (atuais e futuros) necessários para manter a automação. • Futuras metas corporativas para as vendas. Informações da Engenharia da Planta
Uma vez que o engenheiro tenha determinado as peças e a viabilidade econômica, é hora de começar a examinar em profundidade os aspectos da engenharia do projeto. Neste ponto, informações atualizadas e precisas são vitais para gerar uma plataforma na qual será projetado o sistema de automação. Para tal, o engenheiro deve checar todas as dimensões chaves e verificar a documentação que esteja associada com o equipamento existente e avaliar sua compatibilidade com o sistema de automatização. As informações necessárias da engenharia da planta devem incluir: • Informações sobre os equipamentos de forjamen to existentes, tais como o modelo, o número de série e a capacidade de produção. • Desenho da prensa mostrando elevações, janelas de operação e as matrizes de forjamento. • Qualquer equipamento existente que possa ser ou não substituído pela automação. • Fotos e/ou plantas do espaço ao redor do(s) equipamento(s) de forjamento existente(s), mostrando sua(s) localização(ões), fossos, e equipamentos e processos de manutenção. • Documentação completa dos controles dos equipamentos
de forjamento existentes, incluindo-se dados atualizados dos controles, programas controladores (CLP - Controladores Lógicos Programáveis), instruções de operação e as interfaces de operação (IHM – Interface Homem-Máquina), se houver. • Verificação das necessidades de manutenção de equipamentos existentes anexos ao equipamento que será automatizado, em especial as ferramentas. • Completo entendimento do processo de trabalho da prensa. • Períodos prováveis de instalação (Natal, férias, etc). • Especificações da planta.
de engenharia (como mencionadas anteriormente) e servirá para enviar para diversos fornecedores de SRI e obter cotações. O engenheiro que enviar o PFC para os fornecedores deve estar apto a interagir com eles e responder as questões a respeito dos sistemas. É importante observar que quanto mais completo e preciso for o PFC, menor será o tempo para uma cotação precisa e maior será a probabilidade de sucesso do projeto. O PFC deve conter documentos específicos que servirão como pontos de referência ao longo da vida do projeto. Quanto mais se dedicar a isso, mais benefícios virão para o cliente e para o fornecedor. As informações adicionais devem incluir:
Integração do Sistema
Tendo compilado e organizado todas as informações chaves do projeto, é hora de determinar quem irá projetar, construir, instalar, iniciar a produção e garantir o funcionamento do sistema de automatização. A maioria das forjarias não dispõem de recursos qualificados para despender de centenas ou até milhares de horas de engenharia para desenvolver um sistema completo de automatização. O engenheiro do projeto deve focar na utilização de serviços de fornecedores de Sistemas Robóticos Integrados (SRI). Cotações – O engenheiro deverá produzir um Pedido Formal de Cotação (PFC) de modo a comunicar as informações efetivamente compiladas para qualquer fornecedor. O PFC é um documento simples que deve conter informações a respeito da peça e da planta
• O critério de aceitação final – Este é o conjunto de critérios de desempenho que farão com que o fornecedor selecionado busque completar o projeto. A habilidade de negociação do engenheiro fará com que o pagamento final do projeto esteja vinculado à realização destes critérios. • Cronograma preliminar principal – Este cronograma atua principalmente no período de instalação. O engenheiro deve considerar situações realísticas e o sistema de entregas dos componentes na planta, os quais devem levar no máximo seis meses para chegar. Pressionar um fornecedor SRI para entregas rápidas dos componentes, por causa do clima ou de condições impróprias de planejamento ou quaisquer outras razões, pode elevar os custos e
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possibilitar outros problemas. • Termos comerciais – Estes são os termos que sua companhia estabelecerá para realizar os gastos. Eles podem incluir os cronogramas de pagamento, necessidades para entregas, gastos com transportes e fretes, gastos com cancelamentos e muitos outros tipos. Alguma flexibilidade nestes termos pode reduzir custos, pois os pequenos fornecedores SRI geralmente não conseguem financiar transações comerciais por si só. • Itens chave – Estes não se encaixam nos itens técnicos ou comerciais, como gerenciamento de aplicações específicas, contratação de empreiteiras, licenças de trabalho, instruções de operações, necessidade de treinamentos especiais ou quaisquer outras necessidades que facilitem o andamento geral do projeto. Seleção dos Fornecedores SRI - O engenheiro de projeto
deve considerar a reputação, estabilidade financeira e qualidades econômicas básicas de cada fornecedor em potencial que receberá a PFC. Uma visita a indústria do fornecedor é uma boa idéia. Por trás de um bom julgamento econômico, alguns conselhos técnicos podem ajudar o engenheiro no processo de seleção. Estes conselhos, listados na ordem de importância, são: • Capacidade gerencial do projeto – Isto é de suma importância para o engenheiro de projeto poupar esforços. Um bom gerente de projeto manterá as comunicações abertas e confiáveis, e evitará conflitos durante a continuação do planejamento. • A aceitação de pré-entrega com testes demonstrativos no fornecedor – Esta etapa mostrará as funcionalidades básicas do sistema antes do equipamento deixar o solo do fornecedor SRI. Todo bom fornecedor SRI é ansioso por promover uma demonstração pré-entrega do sistema funcionando em sua fábrica, principalmente porque corrigir problemas em casa é significantemente mais barato do que fora. Esta demonstração inclui comparações com equipamentos antigos, simulações de comunicações com equipamentos intermediários, verificação do tempo de ciclo e avaliação do desempenho. Isto beneficia ambas as partes para fazer com que o esforço seja tão completo quanto economicamente viável. Este esforço neste ponto irá reduzir tempo e dinheiro após a instalação do equipamento. • Documentação completa e atualizada – Esta é em geral uma boa indicação do quão bom é um fornecedor SRI. Uma boa documentação não salva um projeto, mas, no entanto, falta de documentação pode arruinar um projeto. Esta é uma das melhores qualidades para se procurar na etapa de seleção de fornecedores, e é isto que bons fornecedores SRI estão sempre dispostos a demonstrar. • Experiência na integração de uma determinada marca de robôs – Esta é puramente uma decisão econômica geralmente feita pelo fornecedor SRI. A maioria dos fornecedores SRI foca em uma ou duas marcas de robôs para integrar, por causa de suas experiências e de conforto. Pedir para um fornecedor SRI integrar uma marca de robô diferente da que ele tem experiência pode aumentar seu custos ou arriscar o sucesso do projeto. • Experiência prévia em aplicações para automações de forjarias – Isto é importante, mas não é uma necessidade. O que é realmente importante é que o fornecedor SRI entenda completamente o ambiente de trabalho no qual seu sistema irá operar. Isto inclui as
condições físicas e os aspectos culturais. • Localização geográfica – Este pode ser um fator decisivo na escolha, por causa da disponibilidade de suporte local. Suporte local pode trazer alguma segurança a mais no período logo após a implantação. Olhando para o Futuro
O engenheiro está agora pronto para aplicar as técnicas de gerenciamento de projetos de modo a produzir um projeto de automação que é efetivo operacionalmente e financeiramente. Embora cada detalhe que define um projeto de automação esteja fora do escopo deste artigo, as informações fornecidas devem ajudar o engenheiro a completar com sucesso o projeto. É inevitável que o fornecedor SRI necessite de informações adicionais com o andamento do projeto, e é recomendável ajudar a fornecer estas informações antes que elas se tornem um problema.
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iferente das prensas mecânicas e martelos, nas quais a energia mecânica é utilizada para causar movimento, as prensas hidráulicas utilizam fluidos para aplicar pressão a um cilindro hidráulico. Esta pressão resulta na movimentação do pistão hidráulico, sendo que a velocidade e a carga podem ser facilmente ajustadas por meio de um sistema de controle adequado. As prensas hidráulicas, em geral, operam com velocidades relativamente baixas se comparadas aos martelos e prensas mecânicas, o que permite que a taxa de deformação da peça seja baixa. As prensas hidráulicas são equipamentos com força limitada, sendo que os limites de potência e velocidade são função do sistema hidráulico empregado. A figura 1 apresenta um diagrama esquemático das prensas hidráulicas, onde são apresentadas suas principais características. Na ilustração, a pressão hidráulica é fornecida à parte superior da prensa, causando a movimentação para baixo 14
do pistão hidráulico e do cursor superior.
As prensas hidráulicas são adequadas para forjamentos de peças com ampla gama de formatos ou para extrusões longas. Frequentemente, elas são também utilizadas para forjar materiais que são altamente sensíveis às taxas de deformação, como ligas de alumínio e de titânio. Como altas cargas podem ser obtidas aumentando-se o tamanho do cilindro hidráulico, as prensas para forjamento de altas tonelagens são hidráulicas. As operações de cunhagem a frio frequentemente são realizadas em prensas hidráulicas, pois não é necessário que haja rebarba de forjamento quando a prensa atingir sua carga limite. Elas também são adequadas para o forjamento de ligas de alta resistência, como as superligas a base de níquel. Finalmente, as prensas hidráulicas são utilizadas na maior parte dos forjamentos isotérmicos já que o resfriamento não é um fator relevante.
Válvula de controle do fluxo de fluido (em geral, controlada por um computador)
A figura 2 mostra algumas peças tipicamente produzidas em prensas hidráulicas. Cursor do cilindro
A figura 3 apresenta a física básica de uma prensa hidráulica. Inicialmente utiliza-se a energia elétrica para ativar a bomba (superior à esquerda), a qual pressuriza o fluido hidráulico. O fluido a alta pressão é armazenado em um reservatório ou acumulador (superior à direita). Quando solicitado o movimento da prensa, uma válvula de controle é aberta e o fluido corre por um tubo em direção à prensa. Estas válvulas frequentemente são controladas por computador, o que propicia uma alta precisão na quantidade de fluido a alta pressão que corre para a prensa (inferior à esquerda). Quando o fluido pressurizado alcança a prensa, faz com que o pistão hidráulico se mova para baixo. A matriz superior está acoplada ao pistão e durante a movimentação para baixo ela entra em contato com a peça de trabalho (inferior à direita). A energia armazenada no fluido pressurizado é dissipada na forma de trabalho durante a deformação. Devido à dependência do fluido pressurizado, as prensas hidráulicas operam dentro de um envelope de energia. Este envelope de energia é mostrado de forma esquemática na figura 4. Os eixos da curva traçada são velocidade do pistão hidráulico em função da carga de forjamento. Para que a prensa funcione, os parâmetros de velocidade e de carga precisam permanecer abaixo desta curva, ou seja, dentro do envelope de energia. Nos extremos, a prensa só pode operar com máxima velocidade quando não há carga ou com máxima carga quando não há velocidade (isto é, uma prensa paralisada). Em operações normais, a prensa operará com velocidade constante e aumento da carga conforme a peça de trabalho é deformada. Se a carga a esta velocidade alcançar o limite de energia da curva, a carga continuará a aumentar, porém com taxa decrescente. Esta situação é mostrada na figura 4 (inferior).
Tanque de alta pressão (acumulador)
Pistão hidráulico Cursor de movimento
Bomba
Cursor da base
A figura 5 mostra a simulação de um forjamento hidráulico. Perceba que este é o mesmo tipo de componente simulado nos dois artigos prévios sobre martelos e prensas mecânicas. A velocidade do pistão é mais alta durante a movimentação pela região da abertura da prensa sem deformação na peça de trabalho. Uma vez que o pistão entra em contato com a peça de tra balho, a velocidade do pistão começa a desacelerar. Como a carga de forjamento aumenta, a pressão de retorno do pistão diminui o fluxo do fluido hidráulico e resulta na desaceleração do pistão. A máxima carga de forjamento ocorre no final do golpe quando a cavidade é totalmente completada.
A bomba é alimentada por energia elétrica
Reservatório ou fluido com alta pressão
O fluido é bombeado por um tubo e uma válvula de controle
Fluido hidráulico pressurizado completa o cilindro e pressuriza o pistão hidráulico, resultando na movimentação do pistão e da matriz
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Velocidade máxima (sem carga) o ã t s i p o d e d a d i c o l e V
Velocidade máxima (sem carga) Limite de máxima potência
Máxima carga (sem velocidade) prensa paralisada
Carga de forjamento
o ã t s i p o d e d a d i c o l e V
Limite de máxima potência
Máxima carga (sem velocidade) prensa paralisada Carga de forjamento
Controles e sistemas de acionamento das prensas hidráulicas
A pressão do fluido da prensa hidráulica está tipicamente entre 3000 e 6000psi, e, em geral, é um valor constante dentro desta faixa. A válvula de controle pode ser aberta ou fechada para modificar o fluxo do fluído hidráulico, que está diretamente relacionado com a velocidade da prensa. Quando a válvula está completamente aberta, a prensa se moverá com a mais alta velocidade, sujeita as limitações da curva de potência. O forjamento para uma posição ou espessura particular da peça de trabalho pode ser feito fechando-se a válvula de controle para parar o fluxo de fluido. Em geral, o controle desta importante válvula é feito por computador, permitindo ao operador ajustar a posição final e a velocidade por meio de um painel de controle. Há dois mecanismos principais par a o sistema de acionamento do fluido: o sistema de acionamento direto e o sistema de acionamento via acumulador. No sistema de acionamento
direto, o fluido escoa diretamente da bomba para a prensa. Com isso, a capacidade da bomba definirá a potência que a prensa pode produzir. Por exemplo, bombas com capacidade inadequada podem resultar em sistemas com pressão mais baixa e em extrusões longas não serem capazes de completar o golpe. Em um sistema de acionamento via acumulador, o fluido pressurizado é armazenado em um tanque, ou acumulador, com gás de nitrogênio comprimido acima. Sistemas com acumulador grande são comuns quando a potência necessária ultrapassa a capacidade da bomba. Em outras palavras, os acumuladores são utilizados para armazenar energia – um conceito similar ao dos martelos ou prensas para parafusos. Quando a válvula de controle é aberta, a quantidade disponível de fluido pressurizado é grande, e a bomba não precisa reabastecer o fluido durante o golpe. Progressos recentes nas prensas hidráulicas
Sistemas de controle avançados permitem que o operador tenha
Prós
• Elas podem ter golpes muito longos e uma considerável abertura, o que permite que sejam comumente utilizadas em aplicações de extrusão. • A tecnologia de troca rápida de matrizes faz com que as prensas hidráulicas sejam ideais para ciclos curtos de produção. • A pressão máxima está disponível durante o ciclo completo de forja • São utilizados controles de velocidade sofisticados nas prensas hidráulicas para uma ampla faixa de aplicações críticas de forjamento em peças aeroespaciais. • O carregamento completo (ou parcial) é possível por um tempo estendido.
Contras
• As prensas hidráulicas raramente são utiliz adas para peças planas ou forjamento de aços com “flash” (rebarba de forjamento) devido à baixa velocidade e alto tempo de contato com a matriz. • Elas não são utilizadas quando são desejadas altas taxas de produção (como nas linhas automotivas que possuem alto volume de produção). • A velocidade do pistão hidráulico é menor do que de outros equipamentos para forjamento. Isto faz com que o tempo de contato da matriz com a peça de trabalho seja maior, causando maior refrigeração da peça. 16
uma grande flexibilidade no uso da prensa hidráulica. Há sistemas disponíveis que permitem controles precisos durante a deformação da peça de trabalho, tanto da velocidade, da posição, da carga de forjamento ou da taxa de deformação média. Trabalhos recentes na tecnologia de mudança rápida da matriz de forjamento também propiciaram o aumento do uso e a flexibilidade das prensas hidráulicas. O desenvolvimento de prensas hidráulicas de alta velocidade permite que elas sejam utilizadas em uma ampla faixa de aplicações.
Alta carga de forjamento Baixa carga de forjamento a g r a C
a g r a C
Estruturas das prensas
Alta carga de forjamento
Os principais tipos das estruturas das Baixa carga de forjamento carcaças de prensas são de projetos em Distância de golpe Distância de golpe hastes e de projetos em caixa. Os projetos em hastes utilizam duas ou quatro barras redondas para guiar o pistão hidráulico e a carga. Isto limita a capacidade de carga fora do centro da prensa. A maioria dos projetos em caixa utiliza partes fabricadas ou fundidos para a guia do pistão hidráulico, mas continuam utilizando hastes para a carga. As principais características das prensas do tipo em caixa de contato entre a matriz e a peça de trabalho, potencialmente com hastes incluem: armação multicomponente; alinhamento produzindo maior desgaste da matriz. Devido a sua fonte de com chaves dos componentes da prensa; componentes anexados energia vir de um fluido pressurizado, elas operam dentro de as hastes pré-tensionadas; e máxima área para guiar as cargas uma faixa de velocidade e carga, ou seja, em um envelope de descentralizadas. Existem estruturas do tipo em caixa em peça energia. única, mas elas estão limitadas no tamanho.
Prensas hidráulicas mais lentas proporcionam um aumento do tempo de contato entre a matriz e a peça de trabalho, o que pode resultar em um desgaste mais elevado da matriz e em tempos de ciclo mais curto, antes da cavidade perder a tolerância. É possível que ocorram trincas superficiais no forjamento de metais quando o tempo de processamento for longo. O resfriamento da matriz pode influenciar o preenchimento da cavidade quando as matrizes não são aquecidas de forma adequada.
As prensas hidráulicas são equipamentos populares para o forjamento. Elas são muito flexíveis, especialmente quando são utilizadas técnicas de troca rápida de matrizes. Algumas prensas hidráulicas utilizam cilindros adicionais como punções hidráulicos adicionais ou ejetores múltiplos. Elas podem ser projetadas para produzir altas tonelagens e, se associadas com modernos computadores, podem ser controladas com grande precisão. Elas são mais lentas se comparadas com outros tipos de equipamentos para forjamento, o que pode ser uma vantagem para o forjamento de algumas ligas. Entretanto, isto aumenta o tempo
Agradecemos ao Dale McCartney pelo fornecimento de informações utilizadas neste artigo bem como ao apoio dado a estes artigos pela Ajax Manufacturing Company, pela Forging Industry Association, pelo Forging Defense Manufacturing Consortium, pela Scientific Forming Technologies Corporatione e pelo PRO-FAST Program. O PRO-FAST Program é oferecido por um time dedicado de profissionais representando tanto o Departamento de Defesa quanto a indústria. Estes colaboradores estão determinados a assegurar que a indústria de forjamento esteja posicionada para alcançar as mudanças do século 21. Os membros chave da equipe incluem: R&D Enterprise Team (DLA J339), Logistics Research and Development Branch (DLS-DSCP) e a Forging Industry Association (FIA).
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Steve Englet Ashland Precision Tooling, Ashland, Ohio, EUA
té pouco tempo atrás, os resultados de uma boa prática de tratamento térmico quando aplicadas a matrizes de forjamento se limitavam à medições subjetivas e experimentais. Se um item da ferramenta falhasse prematuramente, responsabilizava-se o material ou o tratamento térmico – e somente isso. Mas, por trás do sucesso ou falha de qualquer ferramenta de forjamento, questionamentos podem ser feitos: O que determina uma falha prematura? Como saber se as propriedades metalúrgicas das peças forjadas estão otimizadas? Quais segredos no processo de tratamento térmico ajudam a assegurar a qualidade do forjado? Sabemos que a maior parte das falhas ocorre devido ao desgaste, fadiga térmica ou trincamento. Se a ferramenta trinca, devemos fazê-la mais dúctil. Se o desgaste é muito rápido, devemos fazê-la mais dura. Como dirigente da Ashland Precision Tooling (veja mais sobre a APT em quadro separado), empresa prestadora de serviços de fabricação, tratamento térmico e nitretação de ferramentas para o setor de forjarias, procurarei definir e avaliar cientificamente o efeito do tratamento térmico na qualidade metalúrgica do aço ferramenta H13, para concluir como podemos melhorar nossos processos. Como a maioria das melhores ferramentarias para forjamento, concluí que é necessário que se inicie com um aço certificado e de alta qualidade – especialmente devido a incertezas em relação à composição de certos aços presentes no mercado atual. Partindo-se de um bloco de aço H13 com qualidade, há muitas teorias sobre o tratamento térmico mais adequado. Entretanto, a maioria dos ferramenteiros concorda que o ponto mais significativo para a qualidade é minimizar os níveis de austenita retida do material – uma das causas primárias de falha prematura da ferramenta.
Efeito do Tratamento Térmico na Austenita Retida Quando a APT iniciou o tratamento criogênico de peças para alcançar maior estabilidade, percebemos que a austenita retida podia ser medida em alguns laboratórios metalúrgicos utilizando-se ensaios de difração de Raios-X. Para a pesquisa que iniciamos neste ano, desenvolvemos uma variedade de cenários de tratamentos térmicos com têmperas e revenimentos. Com isto em mente, conduzimos uma série de ensaios para obtermos um novo conhecimento sobre o potencial das melhores práticas e definir os efeitos de tratamentos térmicos específicos. Nosso objetivo era determinar o melhor caminho para otimizar a qualidade, eficiência e a relação custo-eficácia no nosso processo de tratamento térmico. Conduzimos um total de oito ensaios. Cada corpo de prova (2” de diâmetro por 2” de comprimento) foi retirado de uma mesma barra do material e cada peça foi identificada com um número de série. Cada peça seguiu uma rota e foi processada individualmente para reduzir a probabilidade de erro. As peças eram todas do mesmo tamanho e todas foram tratadas no mesmo forno – forno tipo câmara com atmosfera enriquecida com 0,65%C a 1010°C. Todas as peças foram rapidamente temperadas em óleo por 45 segundos (uma prática padrão na APT para qualquer peça com seção maior que uma polegada). Depois da rápida têmpera, as peças foram resfriadas até 90°C. Até este ponto, todas as peças foram tratadas de forma idêntica. Os efeitos nas variações que se seguiram após o tra tamento comum foram então observados como se segue: • Ensaio 1: Estabelecimento de um padrão - Este ensaio objetivou o estabelecimento de um padrão a partir do qual todos os demais ensaios puderam ser comparados. O único processo posterior de tratamento térmico que foi conduzido foi um revenimento a 540°C. Como esperado, este ensaio apresentou o teor mais alto de austenita retida, que foi de 2,1%.
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Ensaios para Austenita Retida
• Ensaio 2: Efeito de um Segundo Revenimento – Este ensaio objetivou determinar o efeito de um segundo revenimento. A amostra foi resfriada até a temperatura ambiente após o primeiro revenimento e então submetida a um segundo revenimento a 540°C. Como esperado, os resultados foram melhores, mas não significativos. A austenita retida medida foi de 2%. • Ensaio 3: Têmpera Normal em óleo + Resfriamento Profundo por 24 horas – Esta sequência mediu os resultados de uma têmpera em óleo convencional, resfriada até 90°C e então uma continuação da têmpera com resfriamento até -73°C em um freezer por 24 horas. Após este resfriamento profundo, a peça foi novamente aquecida à temperatura ambiente e revenida a 540°C. Novamente, os resultados medidos foram melhores. A porcentagem de austenita retida foi de 1,8%. • Ensaio 4: Têmpera Normal em óleo + Resfriamento Profundo por 48 horas – O ensaio 4 foi o mesmo que o ensaio 3, exceto pelo fato de as peças terem sido deixadas no freezer por 48 horas. O teor de austenita retida foi de 1,5%.
• Ensaio 5: Têmpera Normal em óleo + Resfriamento Profundo por 24 horas + Segundo Revenimento – Este ensaio também foi muito similar ao 3, com uma segunda têmpera a 540°C adicionada após o resfriamento profundo por 24 horas. A austenita retida medida foi de 1,6%. • Ensaio 6: Têmpera Normal em óleo + Resfriamento Profundo por 48 horas + Segundo Revenimento – Este ensaio foi realizado para verificar se o tempo de permanência a -73°C produzia impacto. O ensaio foi idêntico ao ensaio 5, exceto pelo fato de que as peças permaneceram no freezer por 48 horas ao invés de 24 horas. Mais uma vez, a quantidade de austenita retida foi um pouco menor, 1,5%. • Ensaio 7: Têmpera Normal + Resfriamento até 90°C/Resfriamento até -73°C + 4 horas no Freezer – O ensaio 7 mediu o efeito da têmpera conduzida em nitrogênio líquido. Neste ensaio, as peças foram temperadas rapidamente em óleo, resfriadas até 90°C e então resfriadas até -73°C por seis horas. Após isso, as peças foram imersas em nitrogênio líquido por aproximadamente 4 horas. As peças foram aquecidas até temperatura ambiente e então revenidas a 540°C. A
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austenita retida medida foi de 1,7%. • Ensaio 8: Têmpera Normal + Resfriamento até 90°C/Resfriamento até -73°C + 4 horas no Freezer + Segunda Têmpera – Este ensaio foi projetado para verificar se um segundo revenimento faria diferença quando as peças fossem submetidas a uma têmpera a -185°C. Foi exatamente igual ao ensaio 7, exceto pelo fato da adição de uma segunda têmpera ao final do processo. Não houve diferença na porcentagem de austenita retida em comparação com o ensaio 7, 1,7%. Após o quinto ensaio, os resultados começaram a indicar que a têmpera com resfriamento profundo tinha mais impacto que o número de revenimentos. Com o resfriamento profundo, os níveis de austenita retida caíram de 2,0 para 1,5% - uma redução total de 25%. Além disso, os segundos revenimentos tiveram pouco efeito na redução de austenita retida. Interpretação dos Resultados Apesar de aparentemente ser fácil concluir à primeira vista que as peças tratadas criogenicamente foram melhores do que aquelas que foram revenidas ou revenidas duas vezes, nós pensamos que seria sensato trazer alguém de fora da nossa organização para avaliar os nossos resultados. Nós pedimos a ajuda e opinião do Greg Denis, diretor técnico da Ellwood Specialty Steel. Nós demos a ele nossas amostras e fizemos diversas perguntas chave: • Como a microestrutura das nossas oito amostras apareceram ao microscópio? Denis: Verificamos que todas as amostras apresentaram a mesma microestrutura ou muito similar. Todas as amostras continham grãos muito finos, estrutura homogênea e todas elas são representativas de uma austenitização na faixa inferior de temperaturas de endurecimento. Todas as amostras apresentaram uma excelente têmpera com pouca ou nenhuma precipitação de carbonetos nos contornos de grão. Não foi observada nenhuma diferença visual associada à pequena faixa de austenita retida na matriz martensítica das várias condições de ensaio. Finalmente, todas as amostras apresentaram microestruturas que podem ser consideradas representativas de um tratamento térmico com qualidade e resposta de muito boa a excelente. • As peças tratadas criogenicamente teriam melhor desempenho em serviço? Denis: O material e a microestrutura tratada termicamente não sugerem qualquer economia real baseados no custo Sobre a Ashland Precision Tooling A APT é a maior ferramentaria independente da América do Norte. A empresa se distingue pelo seu controle interno total do processo de fabricação da ferramenta desde a compra da matéria prima até as operações de acabamento, incluindo o tratamento térmico. A empresa tem uma planta de 5.000 m 2 em Ashland, Ohio, EUA, que já produziu mais de 30.000 ferramentas para forjamento a quente e deformação a frio. A APT tem entre 40 a 50 funcionários, com uma média de experiência em ferramentaria que excede 20 anos.
adicional do tratamento criogênico no que se refere a uma melhora antecipada do desempenho da ferramenta. Isto é mais influenciado pelo fato de que se o tratamento térmico de base for efetivo o suficiente, qualquer tratamento criogênico seguinte se torne desnecessário. • O que é uma quantidade de austenita retida aceitável, e, quando ela começa a afetar o desempenho? Denis: Um teor de 2% de austenita retida estabilizada em um aço H13 é muito bom. Mesmo teores mais altos, como 4%, em geral, não apresentariam problemas de desempenho na maioria das aplicações em matrizes de forjamento. Teores maiores de austenita retida poderiam sugerir questões como um tratamento térmico inadequado. Obviamente, 1,5% é melhor, mas não é significativo quando já se tem um nível de qualidade com 2%. Todos estes ensaios foram de alguma forma “esvaziados” pelo excelente tratamento térmico de base deste programa, e, por fim, ainda recomenda-se o duplo revenimento. O que esta Pesquisa nos Diz A maioria das operações para fabricação de matrizes de forjamento não permitem identificar o teor de austenita retida presente. Para nós foi encorajador, mas melhor ainda, perspicaz, perceber que o nosso teor de austenita retida estava 50% abaixo do aceitável. Para qualquer operação na fabricação da matriz de forjamento é desejável ganhos na qualidade e economia nos custos, ter uma referência nas suas ferramentas em fabricação, é o primeiro passo. Minha recomendação é que envie suas peças atuais para um laboratório para uma análise de difração de Raios-X e determine se o teor de austenita retida está acima ou abaixo de 4%. Se, por um lado, os ensaios no aço ferramenta apresentarem teor de austenita retida abaixo de 4%, as peças talvez estejam sendo “super-tratadas” e talvez haja a oportunidade de examinar o processo para abaixar os custos. Se, por outro lado, os aços ferramenta apresentarem teores de austenita retida acima de 4%, talvez seja importante explorar técnicas como a têmpera criogênica ou a têmpera em óleo. Nossa pesquisa mostrou uma queda de 25% no teor de austenita retida utilizando têmpera criogênica. Entretanto, se o seu tratamento térmico e têmpera iniciais forem feitos adequadamente, provavelmente ele não será necessário. Finalmente, para aqueles que estão curiosos para saber como a APT conseguiu teores de 2% de austenita retida, eu acredito que os fatores chave são o nosso método de têmpera em óleo associado com o tratamento de peças em banhos com tamanhos similares. Os ensaios que conduzimos foram em tamanhos de banhos idênticos, o que permitiu o desenvolvimento de tempo e temperatura ótimos que não tratem insuficientemente peças grandes ou que tratem demais peças pequenas.
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Engº Diego Rodolfo Simões de Lima - UFRGS, Rio Grande do Sul Engº Alexsandro S. Moraes - UFRGS, Rio Grande do Sul Prof. Dr. Ing. Lírio Schaeffer - UFRGS, Rio Grande do Sul
xistem diferentes métodos aproximados, tanto analíticos quanto numéricos, para analisar as operações de forjamento. Nenhum deles é exato, em função das hipóteses assumidas no desenvolvimento do modelo matemático e dos dados de entrada, a exemplo curva de escoamento do material e coeficiente de atrito. Os métodos numéricos por simulação computacional apresentam os melhores resultados, porém há um custo elevado devido aos recursos computacionais (software e hardware) exigidos. O objetivo deste artigo é avaliar a predição da força de f orjamento calculada pelo método numérico através do programa de simulação
Simufact.Forming 9.0, tendo como referência a força experimental de forjamento de duas peças aleatórias, forjadas na liga Ti-6Al-4V, obtida por uma célula de carga acoplada a prensa. Procedimento Experimental Peças de trabalho
As peças escolhidas para estudo foram um flange da liga Ti-6Al-4V, cuja aplicação original é a indústria de extração e transporte de petróleo e uma polia, da mesma liga, destinada a indústria automotiva de alto-desempenho. Neste trabalho, as peças foram forjadas em
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escala reduzida, com o objetivo de servir de protótipo para futuros processos em ritmo industrial. Na Figura 1 podem ser observados os modelos geométricos tridimensionais do flange e da polia utilizados como moldes para as cavidades das matrizes. Modelagem Numérica
Na simulação do forjamento a quente, inicialmente foi estipulado o resfriamento do tarugo por 10 segundos, que é aproximadamente o tempo de transporte do forno até a matriz. Na sequência, procedeu-se a simulação do forjamento propriamente dito. Ambos os processos foram modelados no programa comercial Simufact. Forming 9.0, utilizando o método dos elementos finitos. Visando reduzir o tempo computacional, foi realizada uma análise axissimétrica do processo, sendo isto possibilitado pelas matrizes e o tarugo apresentarem geometria de revolução em torno do mesmo eixo. A malha de elementos finitos foi gerada automaticamente pelo programa, calculando o tamanho de elementos mais adequado para a simulação. A Figura 2a ilustra o modelo de elementos finitos para a análise do flange e a Figura 2b para a análise da polia. As propriedades da liga de titânio Ti6Al4V foram inseridas no modelo de simulação utilizando o material disponível no banco de dados do Simufact. Materials, conforme pode ser visto na Figura 3. As matrizes foram configuradas rígidas, assim, não é necessário especificar material para as ferramentas. Os parâmetros do processo foram configurados de acordo com o processo físico, sendo: • Coeficiente de Atrito = 0,3 • Velocidade da Prensa Hidráulica = 7 mm/s • Coeficiente de transferência de calor por contato = 5000Watt/(m²*K) • Temperatura das matrizes = 300°C • Temperatura inicial do tarugo = 980°C 24
Análise Experimental
Neste trabalho foram utilizadas duas barras de liga de titânio, apresentando diâmetros de 40mm e 50mm, para o forjamento do flange e da polia, respectivamente. Estas barras foram seccionadas de modo a obter uma altura de 33mm e 25mm, referentes, em ordem, à flange e à polia. A liga de titânio escolhida foi a Ti-6Al-4V, a qual consiste em uma liga de titânio , com temperatura de transformação beta entre 979 e 1007°C. As peças foram forjadas em matriz fechada, onde na Figura 4 pode se observar um esquema do ferramental de cada peça conformada. Para lubrificar os tarugos e as matrizes, foi utilizado o Aerodag G, da empresa Acheson, tratando-se de um lubrificante aerossol de grafite coloidal com álcool isopropílico atuando como veículo. O lubrificante foi pulverizado sobre os tarugos à temperatura ambiente. Após a secagem do lubrificante, formou-se uma camada invólucra de grafite. Depois de lubrificados, os tarugos foram aquecidos por 30 minutos a aproximadamente 980°C em um forno elétrico. O tempo de transporte destes do forno para a prensa foi de aproximadamente 10 segundos, obtendo-se uma temperatura inicial de forjamento de
950°C. As temperaturas, do forno e das matrizes, foram medidas através de um termopar tipo K conectado a um multímetro digital. As matrizes foram aquecidas com dois maçaricos de GLP até o momento do forjamento. Os maçaricos foram apagados, a matriz foi pulverizada com o lubrificante e em seguida foi medida a temperatura da matriz, registrando aproximadamente 300ºC. O forjamento foi efetuWWWWado em uma prensa hidráulica FKL com capacidade de 750 toneladas, com uma velocidade de ferramenta de aproximadamente 7mm/s. Os dados de força de prensagem foram adquiridos por uma célula de carga com capacidade de 400 toneladas, enquanto que os dados de deslocamento da prensa foram obtidos por um extensômetro LVDT T50. Ambos os equipamentos foram acoplados ao sistema de aquisição de dados Spider8 e para registrar os dados foi utilizado o software Catman Express. A aquisição de dados foi feita
com uma frequência de 10Hz. Resultados e Discussões
A Figura 5 apresenta a temperatura e o preenchimento da cavidade da matriz no final da simulação do processo de forjamento do flange. Pode se observar na Figura 5 (a) que as regiões mais externas da peça, que estão em contato com a matriz durante o processo de conformação, perdem maior quantidade de calor em comparação com o núcleo das peças. Essas perdas são amenizadas nas regiões referentes aos bordos e rebarba do flange devido ao incremento de temperatura que vem da maior deformação registrada nestes locais. Na Figura 5 (b) é evidenciado o completo preenchimento da cavidade da matriz, fornecendo peças conforme a geometria esperada. De maneira homóloga, a temperatura e o preenchimento da cavidade da matriz no final da simulação do forjamento da polia es-
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tão ilustrados na Figura 6. Assim como na conformação do flange, no processo de deformação da polia pode se perceber uma perda maior de temperatura nas regiões extremas da peça, sendo compensadas parcial mente nas regiões de mais deformação plástica. Também na simulação da polia se obtém um completo preenchimento da cavidade da matriz. A Tabela 1 apresenta a carga de conformação medida experimentalmente em contraste com a carga obtida pela simulação numérica com- de conformação de peças em liga de titânio. putacional do processo. É apresentada ainda a diferença relativa entre A aproximação obtida foi de 6,5% no processo de obtenção do flanos valores. ge e de 2,5% no processo da polia, ambas superestimando o resultado A diferença obtida na simulação do flange superestimou a força em prático experimental. aproximadamente 20 toneladas, representando uma discrepância de O erro obtido se deve principalmente a utilização de dados de entra6,5%. No caso da análise do processo de produção da polia, a diferença da obtidos em bibliografias e banco de dados de software, podendo ser encontrada foi menor, situando-se em 4 toneladas, ou seja, 2,1% de su- minimizado ainda mais se utilizados dados experimentais específicos perestimação da força. do processo. Esse erro é considerado pequeno para os processos em questão e esPor fim, a simulação numérica computacional apresentou resultados tão associados principalmente aos dados de entrada, os quais foram ob- corretos quanto à predição de preenchimento de cavidade da matriz, de tidos de dados bibliográficos e bibliotecas do software. Através de dados onde se obteve peças com completa sanidade geométrica. levantados experimentalmente, referentes as condições de processo e características específicas dos materiais empregados, um resultado ain- Agradecimentos da mais preciso pode ser obtido. Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro para o desenvolvimento deste trabalho. E à Simufact-Americas Conclusões Neste trabalho ficou evidenciada a eficiência da técnica de simulação LLC pela disponibilização do programa de simulação Simufact. numérica computacional para predizer resultados práticos do processo Forming 9.0.
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e acordo com o censo do departamento de comércio dos EUA, em 2006 existiam 425 firmas no país, que forjavam tanto aços como ligas nãoferrosas. As forjarias de não-ferrosos contavam com um total de 16% deste total. Dentro desta classificação de não-ferrosos, o alumínio era o metal mais comumente forjado. Diversos fatores tornam o alumínio mais popular na indústria do forjamento. Ele é o metal mais abundante na crosta terrestre e é extremamente resistente à corrosão. O alumínio forjado oferece uma razão resistência/peso alt amente vantajosa. O alumínio e suas ligas podem ser forjados em uma grande variedade de formas. As peças forjadas varia m de alguns gramas, como as utilizadas nos equipamentos para escalada, até muitas toneladas, como para as vigas utilizadas em aviões. O baixo limite de escoamento do alumínio tende a ser mais fácil para forjar que o aço, enquanto que as ligas endurecíveis como a 7075 necessitam de elevadas pressões. Outro ponto chave do forjamento do alumínio é que as matrizes podem ser aquecidas a mesma temperatura que a peça de trabalho de modo a minimizar a transferência de calor para as matrizes. Enquanto isso, oferecem uma vantagem em termos do projeto das matrizes e grandes desafios na formulação dos lubrificantes. O forjamento de outras ligas não-ferrosas oferece 28
desafios completamente opostos em termos de facilidade de movimentação do metal, como o latão e o titânio. Forjados de latão são utilizados em inúmeras indústrias incluindo arquitetônicas, automotivas, de saúde e militares. O latão, uma liga de cobre, é tipicamente forjado em prensas mecânicas e um ou dois golpes já na matriz final. Como o material é mais facilmente forjado que ligas ferrosas ou as demais nãoferrosas, um grande número de detalhes é frequentemente incorporado na matriz final. Isto impõe uma dificuldade que a formulação do lubrificante permita que ocorra suficiente movimentação do metal para que este preencha a matriz sem se acumular na matriz. O acúmulo de lubrificante na matriz gera um preenchimento incompleto desta pelo metal. A menor quantidade de acúmulo frequentemente resulta na eliminação dos detalhes no estágio final do forjamento. A raspagem dos detalhes na ferramenta resulta na completa remoção dos detalhes. Outro problema advindo da escolha de um lubrificante inadequado para o forjamento é que o mesmo se incorpore à parte interna do forjado. Isto é somente identificado na inspeção da peças forjadas. Outro metal não-ferroso, o titânio, é mais difícil para forjar que o latão e o alumínio, e apresenta mais desafios no desenvolvimento de lubrificantes. O titânio oferece a mais
elevada relação resistência/peso de todos os metais. Sua biocompatibilidade o torna uma excelente escolha para próteses de reconstrução de ossos assim como para implantes dentários. Ele é utilizado extensivamente para aplicações aeroespaciais, onde seu alto custo é compensado pela sua resistência, densidade e resistência à corrosão. Uma das ligas mais comuns de titânio Ti-6Al-4V (6% de alumínio e 4% de vanádio), necessita ser aquecida entre 870980°C para ser forjada. A temperatura da matriz é mantida entre 200-260°C para pequenas operações de forjamento em prensas mecânicas. Para peças grandes forjadas em prensas hidráulicas, as matrizes são aquecidas entre 420-510°C. Adicionalmente a lubrificação na prensa, um revestimento de vidro é usualmente feito sobre a peça de trabalho de forma a limitar a exposição ao oxigênio e nitrogênio durante o aquecimento. Para o forjamento de ligas de titânio para aplicações nucleares, existem ainda restrições de quais tipos de compostos podem ser utilizados como lubrificantes. Muitas outras aplicações de não-ferroso s existem, incluindose magnésio, berílio, tungstênio e ligas de níquel. Existe uma sobreposição na formulação dos tipos de lubrificante para os diversos metais não-ferrosos. O lubrificante para forjamento é aplicado nas matrizes e deve ser consumido durante a operação de forjamento para prevenir o acúmulo nas matrizes. Assim, a temperatura da matriz e da peça de trabalho, são elementos chave na formulação dos lubrificantes. A natureza da peça de trabalho ou o tipo de liga é a principal preocupação quando
são aplicadas restrições químicas.
Lubrificantes para Prensas Mecânicas
História do Lubrificante de Forjamento
Antigamente os lubrificantes para forjamento de não-ferrosos consistiam principalmente de óleos minerais, pigmentos de chumbo ou detergentes com graf ita. Naftenato de chumbo, em combinação com grafita, podia ajudar a forjar as mais difíceis e complexas geometrias. O óleo mineral era utilizado para ajustar a viscosidade e a concentração destes aditivos. Grandes nuvens de fumaça eram comuns mesmo no forjamento em baixas temperaturas em prensas mecânicas. Em elevadas temperaturas e em prensas hidráulicas chamas cobriam a área da prensa. A característica que predominava era o aroma doce de sabão de chumbo. Mesmo com o aumento do conhecimento geral e do crescente interesse sobre a toxidade do chumbo, um grande esforço foi necessário para substituí-lo como lubrificante de forjamento. A resistência veio do fato de que detergentes alternativos não forneciam a mesma movimentação do metal que os baseados em chumbo, além do odor do novo lubrificante ser mais ofensivo que o de chumbo. Além da elaboração de um lubrificante adequado para substituição do chumbo, a reeducação da força de trabalho era necessária para ganhar aceitação. Hoje, o chumbo foi totalmente substituído nos lubrificantes comercializados nos EUA. Enquanto os lubrificantes se tornaram menos nocivos ao meio ambiente e a saúde dos trabalhadores, os que eram a base de óleos ainda geravam riscos pela fumaça e incêndios. Os lubrificantes a base de grafita e água foram desenvolvidos para permitir a eliminação dos à base de óleo, ao menos nas aplicações pequenas em prensas mecânicas. Dispersões coloidais de grafita em água invadiram o mercado tanto para forjamento de ferrosos quanto de não-ferrosos em prensas mecânicas. O forjamento de metais não-ferrosos é mais exigente e necessitava de mais aditivos quando comparado aos lubrificantes oferecidos para os metais ferrosos. Os forjadores aprenderam a criar suas próprias misturas de lubrificantes. Diversas receitas de lubrificantes incorporavam grafita coloidal, na qual cera era adicionada. De modo a melhorar a movimentação do metal, detergentes também eram adicionados. Para reduzir a movimentação para uma operação de recalque, foi adicionado o bórax. Em operações de grande dificuldade, sais podiam ser adicionados para facilitar o escoamento do metal. Outro truque era adicionar soda cáustica para um ataque químico que escurecia a peça de trabalho. Os forjadores tinham orgulho de suas habilidades em criar o perfeito lubrificante para um trabalho onde o próximo turno teria problemas. A troca de informações era feita a través de esforços individuais. Os lubrificantes eram, portanto, necessários e deveriam ser melhorados e até hoje apresentam um elevado nível de desempenho.
Os lubrificantes à base de grafita ainda são a preferência
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dos forjadores de não-ferrosos. A velocidade de uma prensa mecânica diminui a necessidade de lubrificantes com respeito ao coeficiente de atrito. Os lubrificantes para estas prensas são frequentemente diluídos com água para uma concentração de trabalho da ordem de 2-5% de sólidos. A liga utilizada nestas operações é aquecida até uma temperatura em que se tenha vantagens da forjabilidade do metal. Os lubrificantes sólidos são os mais importantes no mecanismo de lubrificação. Normalmente é utilizada a graf ita, mas algumas vezes pode ser o bissulfeto de molibdênio, ou menos utilizado, o nitreto de boro. As principais diferenças entre estes lubrificantes sólidos são o custo e a cor. O mais caro é o nitreto de boro que é um composto branco. O bissulfeto de molibdênio é preto e custa cerca de 20 vezes mais que a grafita, que tem cor entre cinza e preto dependendo da morfologia das partículas. O Gráfico 01 mostra a relação entre a temperatura e o coeficiente de atrito para estes materiais. A grafita e o bissulfeto de molibdênio são excelentes lubrificantes abaixo de 400°C. Acima de 400°C, o nitreto de boro apresenta melhor desempenho. Estas propriedades somente podem ser observadas no forjamento de superligas onde as temperaturas e os preços dos materiais permitem seu uso. O bissulfeto de molibdênio é praticamente igual a grafita, mas tem a vantagem de atuar como lubrificante sob condições de vácuo, quando a grafita não atua. Obviamente, os lubrificantes sólidos e a água não são capazes sozinhos de prover toda a lubrificação para o forjamento de metais não-ferrosos. Ligantes são utilizados para segurar a grafita nas superfícies das matrizes de forjamento. Os ligantes incluem ceras, sabões, amidos, polímeros e compostos formadores de vidros. Outros aditivos incluem modificadores da lubricidade, aditivos para pressões elevadas, agentes minerais para separação, agentes de viscosidade, promotores de adesão, ativadores superficiais e biocidas. De um interesse particular, são os aditivos para pressões elevadas que ajudam a prevenir o desgaste pela formação de uma cam ada de reação na superfície da matriz. Estes materiais apresentam inclusão de
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enxofre, cloro, zinco e fósforo. As regulamentações das agências governamentais têm eliminado em muitas áreas o uso de zinco e de cloro. O enxofre é restrito a aplicações aeroespaciais e metais amarelos, e o fósforo a aplicações nucleares. A formulação dos lubrificantes tem sido forçada a ser cr iativa e a elaborar novos candidatos par a as operações de for jamento. Os lubrificantes sintéticos sem grafita têm sido utilizados no forjamento de metais ferrosos há décadas. O mesmo agora é real para o segmento de não-ferrosos. Estes novos sistemas de lubrificação fazem um ótimo trabalho e foram utilizados primariamente em pequenos trabalhos sem necessidade de movimentação intensa do metal. A vida das matrizes não tem sido comprometida, e os custos de manutenção têm sido reduzidos. Uma lista interminável de a ditivos é constantemente ofertada aos fabricantes. Os formuladores têm sido forçados a pesquisar pequenas alterações dos compostos existentes bem como verificar novos compostos ainda não testados, de modo a encontrar sinergias e soluções para o problema da lubrificação. Lubrificantes para Prensas Hidráulicas
As prensas hidráulicas operam sob grandes cargas, entre 5.000 e 50.000 toneladas de força. O movimento lento da prensa exige muito do lubrificante. A grande ação do lubrificante é depositar um filme sobre as matrizes que operam entre 370°C e 430°C com revestimentos à base de água. Os lubrificantes à base de óleo ainda têm sido utilizados para trabalhos pesados. Nesta temperatura incêndios são comuns e causa fumaça. É a combustão incompleta dos óleos que resultam em problemas ambientais e na geração de Compostos Orgânicos Voláteis (COVs). As regulamentações dos governos têm imposto maior controle nas emissões dos COV, o que tem forçado as companhias a capturarem 100% dos efluentes gasosos ou testar métodos alternativos. Os lubrificantes à base de á gua podem eliminar este problema
para uma variedade de aplicações no forjamento de metais não-ferrosos. De modo a prover a lubrificação necessária, os revestimentos à base de água necessitam ter os componentes dos lubrificantes à base de óleo. Isto pode ser obtido através da emulsificação de certos aditivos do sistema à base de óleo e compostos alternativos para os outros ingredientes vitais. As alternativas solúveis em água são as mais desejáveis, mas isto não é possível com certos aditivos. As formas sólidas dos ingredientes, incluindo-se polímeros, podem ser dispersas em pós em um ambiente aquoso. Sem os ativadores superficiais e ligantes próprios, um revestimento à base de água pulverizado sobre a matriz de forjamento a 430°C pode evaporar-se da superfície sem que haja qualquer formação de depósitos. Os lubrificantes à base de água não são diluídos, como os produtos para as prensas mecânicas. O conteúdo dos compostos não-voláteis está entre 20 e 25%. O revestimento deve ter, portanto, uma excelente estabilidade e uma viscosidade que permita fácil pulverização. Uma vez desenvolvidos, o desafio dos lubrificantes passará a ser as suas aplicações. Os sistemas à base de óleo são completos em suas aplicações, visto que eles escoam para todas as áreas das matrizes. Um revestimento à base de água forma um depósito somente onde é pulverizado. A água evapora imediatamente, e não há escoamento na
superfície da matr iz aquecida. Adicionalmente, o revestimento não deve endurecer, forçando a parada do trabalho e a limpeza das cabeças de pulverização. Futuro
Os lubrificantes à base de água são, e continuarão a ser, utilizados com sucesso na indústria de forjamento de metais não-ferrosos. As regulamentações governamentais um dia irão proibir o uso de lubrificantes à base de óleos. Os forjadores serão forçados a se adaptar a novos lubrificantes e sistemas de lubrificação. Os fabricantes de lubrificantes portanto terão que desenvolver novos compostos e fórmulas que tenham desempenho e estejam em acordo com as condições de poluição zero. Enquanto os desafios são muitos, as oportunidades, assim como o desejo por mudanças existe, e guiam estas ações.
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Engº Gianpaulo Alves Medeiros - UFRGS, Rio Grande do Sul Prof. Dr. Ing. Lírio Schaeffer - UFRGS, Rio Grande do Sul
energia eólica no Brasil já é uma realidade, atestada pelas re- de peças robustas centes medidas do governo federal, que vão desde implantação capazes de suporde parques e leis de incentivo que estabelecem a produção na- tar grandes solicicional dos aerogeradores e linhas de financiamento para pesquisa, assim tações mecânicas. como o grande investimento de empresas estrangeiras em 2009 no Brasil Estes sistemas para produção de aerogeradores. mecânicos, comO desenvolvimento de tecnologia para fabricação de aerogeradores postos de peças passa por além de como eixos engrepesquisa em eficiên- nagens e mancais, cia e capacidade de como pode ser geração de energia, visto na Figura 2, mas também por são responsáveis considerar um as- por grande parte pecto construtivo de do peso total do suma importância: a aerogerador e por altura (Figura 1). Os si fatores críticos geradores de alta po- de projeto. tência (5MWATTS) Estas peças de grande peso são normalmente fabricadas por chegam facilmente a forjamento em matriz aberta ou laminação (figura 3), através da 100 metros de altura deformação plástica do metal. Tal deformação, empregada no forou mais, sendo que jamento, possibilita a quebra da estrutura dendrítica proveniente a transformação do do estado bruto de fusão, conferindo a peça fabricada propriedamovimento das pás des superiores se comparado a outros processos de fabricação como em energia demanda fundição e usinagem. 32
Perspectivas
Embora o forjamento e a laminação sejam tão antigos e amplamente dominados, a busca da redução de peso das peças dos sistemas mecânicos dos aerogeradores sem perda de eficiência traz novamente à tona o interesse na pesquisa em forjamento no Brasil e em países que buscam alto-suficiência neste setor tão promissor. Sobretudo a pesquisa nesta área, tanto na indústria como no meio acadêmico (universidades e institutos de pesquisa), concentra-se no forjamento de materiais de alta resistência e controle de processo de fabricação que possibilite a predição do estado macroestrutural final da peça e por consequência a garantia das propriedades mecânicas, além da obtenção de formas forjadas muito mais próximas da geometria final da peça (near-net-shape). Estes requisitos, sem dúvida, exigem a análise mais refinada das propriedades metalúrgicas das ligas e dos parâmetros de processo. No desenvolvimento de pesquisa aplicada, tanto no caso de tecnologia em aerogeradores como em outros casos, a aplicação de modelos para descrever matematicamente o comportamento dos materiais requer alto nível de conhecimento das particularidades de cada processo. Nestes casos a simulação numérica pode auxiliar na obtenção de peças com os requisitos apontados pela indústria de energia eólica de maneira rápida (Figura 3). Através da simulação numérica é possível pré estabelecer as variáveis responsáveis pelas propriedades mecânicas finais da peça: a força e a energia de forjamento ou de laminação, o fluxo de material, a recristalização dinâmica e tamanho final de grão. Apesar da aparen-
te simplicidade, os modelos envolvidos para tando mais difundida nas universidades e realização de uma simulação envolvem uma institutos de pesquisa, onde a infraestrutura série de experimentos para caracterização do para realização de experimentos não raracomportamento do material nas condições mente é maior. Neste contexto, as empresas de forjamento como, por exemplo: atrito en- que optam pelo desenvolvimento tecnológitre o par tribológico matriz/peça, curvas de co como ferramenta de crescimento e desedeformação na faixa de temperatura de forja- jam estar aptas a atender um mercado tão mento, características e parâmetros térmicos exigente, como o mercado de Energia, devem e simulação de modelos físicos. fazê-lo através de parcerias com UniversidaApesar de não ser uma ferramenta nova, a des e institutos de Pesquisa, haja vista as inúsimulação numérica computacional tem meras modalidades de financiamento goverpouca presença nas empresas brasileiras, es- namental atualmente dispostas. Em contrapartida, o governo brasileiro almeja o desenvolvimento da indústria nacional por meio da auto-suficiência na produção de aerogeradores contando com a redução da emissão de poluentes possibilitada pela energia limpa. As perspectivas da energia eólica para 2010 são muito boas, indicando um significativo aumento da porcentagem de energia eólica no Brasil, com rumo traçado à nacionalização da tecnologia de fabricação de aerogeradores e bons ventos para indústria metal-mecânica. Não obstante as Universidades e Institutos de Pesquisa ligadas ao tema terão novos e grandes desafios pelo menos para os próximos 5 anos.
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