ANÁLISE+NUMÉRICA+DO+FORJAMENTO+A+FRIO+DE+UM+COMPONENTE (1)

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6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 
6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil 
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil 
 
ANÁLISE NUMÉRICA DO FORJAMENTO A FRIO DE UM COMPONENTE 
METÁLICO NÃO AXI-SIMÉTRICO 
 
Dr. Eng. Daniel Villas Bôas 
villas@fem.unicamp.br 
Prof. Dr. Sergio Tonini Button 
Sergio1@fem.unicamp.br 
 
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP 
Cidade Universitária "Zeferino Vaz" – C.P. 6122 
13083-970 - Distrito de Barão Geraldo- Campinas - SP 
 
Resumo: O forjamento a frio é amplamente utilizado na produção de peças de elevada precisão utilizadas em 
indústrias automotivas. Com o aumento da demanda produtiva, tem-se buscado conciliar essa precisão em produtos de 
geometria cada vez mais complexa, como é o caso de peças não simétricas a um eixo de revolução. As vantagens estão 
associadas à redução do número de operações, o que contribui para a eliminação de etapas intermediárias de 
tratamento térmico, redução das operações de lubrificação e das etapas posteriores de usinagem. Como consequência, 
haverá a redução do “lead time” e custos adicionados ao produto. Essas melhorias têm se tornado possível pela 
otimização do projeto da pré-forma, auxiliada pela simulação do processo em softwares especialistas que facilitam as 
análises para o aprimoramento das soluções alternativas. Neste trabalho pesquisou-se o processo para fabricação por 
forjamento a frio de um componente mecânico denominado “tripod”. A partir da simulação do processo convencional 
foi possível avaliar o escoamento do material, o preenchimento das matrizes e as cargas necessárias. De posse destas 
informações foram propostas alternativas de processo, buscando-se as melhores condições de escoamento do material 
e de carregamento das ferramentas. 
 
Palavras-chave: Conformação mecânica, aços, método de elementos finitos. 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Com o aumento da demanda de peças pela indústria automotiva no Brasil, é necessário contar com processos cada 
vez mais ágeis, como é o caso do forjamento a frio que proporciona grande vantagem competitiva quando associada à 
tecnologia de engenharia auxiliada por computador para o desenvolvimento do produto. 
Atualmente, o processo de forjamento frio de peças não axi-simétricas é pouco utilizado pelas forjarias nacionais, 
que em sua maioria opta pelo forjamento a quente ou a morno, evitando produtos de elevada complexidade geométrica, 
o que resulta em perda de produtividade e redução de lucros, pela necessidade de operações posteriores de usinagem. 
Neste trabalho ao optar-se pelo desenvolvimento do forjamento a frio de uma peça com geometria complexa, no 
caso, denominada tripod, teve-se como objetivo estudar as várias condições de processo, analisar e obter os melhores 
resultados, em termos de escoamento do material, preenchimento das matrizes e forças de forjamento, que também 
serão úteis para o planejamento do processamento de peças de geometria similar. Com esses resultados, as forjarias 
terão disponíveis dados de processos com alto grau de desenvolvimento, que poderão ser utilizados como um 
diferencial competitivo. 
Assim, pretende-se avaliar a fabricação de peças net-shape, muito próximas de sua forma e dimensões finais, a 
serem forjadas com um número reduzido de operações, a princípio duas ou idealmente, uma única operação. Para esse 
estudo foi utilizado o software Forge 2008, baseado no método dos elementos finitos, que permitiu: 
 
• Conhecer detalhadamente o processo de fabricação de um tripod por forjamento a frio; 
• Propor direções e ações de forças e velocidades diferentes ao longo do tarugo de partida; 
• Analisar o escoamento do material presente nos vários processos propostos; 
• Determinar as tensões atuantes e as deformações presentes no material conformado; 
• Avaliar o correto preenchimento das matrizes; 
• Determinar as forças necessárias para formação da peça. 
 
 
6 º CO N G RE S S O BR AS I L EI R O DE E NG E N H ARI A DE F AB RI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de 2 0 1 1 . Ca x ia s d o S u l - RS 
 
©Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011 
2. EXTRUSÃO LATERAL A FRIO 
 
Como no forjamento há uma necessidade constante de se produzir produtos com formato cada vez mais complexos, o 
processo de extrusão lateral apresenta a oportunidade de se aumentar o número e a complexidade de geometrias possíveis de 
serem produzidas. 
A extrusão lateral é uma operação de forjamento de precisão realizada em matrizes fechadas para garantir a 
contínua qualidade das peças trabalhadas, e para evitar a necessidade de operações posteriores como a rebarbação e a 
estampagem (Song, 2007). 
Para algumas operações de extrusão lateral é necessária a utilização de matrizes partidas, com a geometria 
requerida para a peça a ser produzida. Essas matrizes consistem principalmente de duas seções que são posicionadas 
transversalmente à direção do movimento de prensagem. 
O processo pode ser dividido em quatro passos: na primeira, o tarugo é colocado dentro da cavidade. As duas 
seções matriciais são fechadas, e uma força é aplicada fortemente nos dois moldes na posição fechada. Então, o 
processo de extrusão ocorre pela ação de um ou mais movimentos de prensagem, em direções diversas. A fase final 
envolve a abertura dos dois moldes e a ejeção da peça final forjada. 
 A extrusão lateral permite a obtenção de produtos com elevada qualidade geral, bom acabamento superficial e 
tolerâncias dimensionais reduzidas (Fig. (1)). A qualidade de trabalho normalmente encontrada na extrusão lateral a frio 
de aços apresenta-se entre IT 8 e IT 13, e em situações especiais, obtém-se até IT 7. Já a rugosidade superficial média 
(Ra) dos produtos pode variar entre 0,3 e 3,5 µm. 
 
 
 
Figura 1. Exemplos de extrusão lateral (Universidade Técnica de Lisboa). 
 
3. PLANEJAMENTO DOS MODELOS NUMÉRICOS 
 
Para realizar a simulação foram geradas as geometrias tridimensionais das ferramentas e da pré-forma com o 
software de CAD SolidEdge V17, que além de gerar modelos sólidos, tem como propriedade importante a transferência 
das características superficiais desses modelos (features), para a entrada de dados no software comercial de simulação 
por método de elementos finitos Forge 2008. Na Fig. (2) é apresentado o modelo do produto denominado tripod, 
estudado neste trabalho, e suas dimensões principais. 
O planejamento dos modelos a serem simulados foi realizado com a escolha de quatro configurações de 
ferramentas: a primeira, denominada caso 1, consiste de uma operação conjugada de recalque e furação do tarugo de 
partida (Fig. (3)); na segunda, caso 2, as operações de furação e recalque ocorrem simultaneamente (Fig. (4)); na 
terceira, caso 3, o preenchimento das três cavidades é realizado pelo escoamento do material em matriz fechada (Fig. 
(5)); a quarta, caso 4, é semelhante à anterior, diferenciando-se apenas pelo escoamento do material em matriz aberta 
(Fig. (6)). Essas quatro configurações são descritas a seguir. 
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Figura 2. Peça tripod – modelo tridimensional e dimensões. 
 
3.1. Montagem para Furação e Recalque 
 
 A peça é forjada em apenas uma operação. Fazem parte dessa montagem: 
 
1) Punção superior móvel com ação vertical; 
2) Matriz; 
3) Tarugo de partida; 
4) Punção inferior fixo. 
 
 
(a) 
 
 
(b) 
 
(c) 
 
Figura 3. Esquema de montagem para furação e recalque 
(a) Início do processo, (b) Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho 
 
3.2. Montagem para Furaçãoe Recalque Simultâneos 
 
 O forjamento da peça também ocorre em apenas uma operação, porém nesse caso tanto a matriz como o punção se 
movem na direção vertical. Os componentes dessa montagem são: 
 
1) Punção superior móvel com ação vertical; 
2) Matriz; 
3) Tarugo de partida; 
4) Punção inferior com ação vertical. 
 
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(a) 
 
(b) 
 
(c) 
 
Figura 4. Esquema de montagem para furação e recalque simultâneos 
(a) Início do processo, (b) Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho 
 
3.3. Montagem para Recalque Horizontal em Matriz Fechada 
 
Farhoumand (2009) obteve bons resultados em pesquisas com operações críticas de forjamento a frio em matrizes 
fechadas, em que as condições de escoamento do material são definidas para que a peça seja formada somente ao final 
da operação. 
Neste processo alternativo considera-se que a pré-forma passou por um estágio anterior que já definiu a geometria 
da cabeça e iniciou a formação do furo. A montagem é composta por: 
 
(1a) Inserto montado na matriz; 
1) Punção superior fixo com ação vertical, 
2) Punção lateral móvel com ação horizontal (três punções); 
3) Matriz; 
4) Pré-forma; 
5) Punção piloto inferior fixo 
 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
(c) 
 
Figura 5. Esquema de montagem para recalque horizontal fechado 
(a) Início do processo, (b) Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho 
 
3.4. Montagem para Recalque Horizontal Aberto 
 
A pré-forma também é preparada numa operação anterior. Os componentes são os mesmos da montagem 
anterior, diferindo apenas pela ausência do inserto na matriz, o que proporciona o escoamento em matriz aberta. 
 
1) Punção superior fixo com ação vertical, 
2) Punção lateral móvel com ação horizontal (três punções); 
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3) Matriz; 
4) Pré-forma; 
5) Punção piloto inferior fixo 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
(c) 
 
Figura 6. Esquema de montagem para recalque horizontal aberto 
(a) Início do processo, (b) Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho 
 
3.5. Pré-Processamento 
 
 Os dados utilizados no pré-processamento adotados para a simulação de todos os modelos anteriormente descritos 
estão mostrados na Tab. (1). 
 
Tabela 1. Dados utilizados na simulação 
 
Material do tarugo Aço DIN 20MnCr5 
Temperatura inicial do tarugo 20°C 
Temperatura inicial das ferramentas 20°C 
Atrito na interface peça x ferramentas (Coulomb) 0,1 
Coeficiente de troca de calor entre peça x ferramentas 0,002 
Tipo de elemento tetraédrico 
Tamanho do elemento 1,5 mm 
Tipo de prensa Hidráulica 
Velocidade de Forjamento 15 mm/s 
 
 
4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 
 
4.1 Análise da distribuição da deformação equivalente e do escoamento do material 
 
• Caso 1 
 
O processo combinado de furação e recalque (Fig. (3)) não se mostrou viável devido ao modo de escoamento do 
material. Primeiramente, inicia-se o preenchimento das cavidades, no mesmo instante ocorre o escoamento do material 
para a cavidade inferior da matriz (apontado pelas setas na Fig. 7a), o que provoca seu cisalhamento, comprometendo a 
continuidade do processo. 
 
• Caso 2 
 
No processo com furação e recalque simultâneos (Fig. (4)), a peça é formada totalmente, configurando um processo 
viável e operacional. Segundo Schuler (1998), valores de deformação equivalente até 3,0 são aceitáveis para que não 
ocorra o rompimento do material deformado. Como pode ser verificado na Fig.(7b), algumas regiões do produto 
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ultrapassam esse valor, de modo que há risco de falha, e deste modo, essa opção de processo precisa ser 
cuidadosamente avaliada se colocada em produção. 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
Figura 7 (a) – Distribuição da deformação equivalente (Montagem para furação e recalque) 
(b) – Distribuição da deformação equivalente (Montagem para furação e recalque simultâneo) 
 
• Caso 3 
 
A distribuição de deformação equivalente (Fig. (8a)) obtida na montagem para recalque horizontal em matriz 
fechada (Fig. (5)), mostra que as regiões com deformação maior que 3,0 são resultado do fechamento da ferramenta, 
mas podem ser eliminados pelo uso de tarugos com volume preciso e pelo controle do curso da prensa. Isso pode fazer 
com que essa opção de processo possa ser desconsiderada, pois variações de volume ou de curso podem gerar rebarbas 
que deverão ser removidas por operações posteriores de usinagem para se obter o produto final. 
 
• Caso 4 
 
Na montagem para recalque horizontal aberto (Fig. (6)), os valores de deformação equivalente na peça são 
satisfatórios (Fig. (8b)), ou seja, menores que 3,0, mas o preenchimento completo da matriz só ocorreu com a formação 
de rebarbas, o que também exigirá um controle preciso do volume para o corte do tarugo. Assim, pode-se concluir que 
esse processo é viável e que operações de usinagem também serão necessárias para finalizar o produto. 
 
 
(a) 
 
 
(b) 
 
Figura 8 (a) – Análise da deformação equivalente (Montagem para recalque horizontal fechado) 
(b) - Análise da deformação equivalente (Montagem para recalque horizontal aberto) 
 
 
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4.2 Análise das cargas de forjamento 
 
 A seguir serão apresentados quatro estudos relacionados com a análise dos esforços nos diversos componentes 
empregados nas montagens relativas aos casos 1 a 4. 
 
• Estudo 1 
A Tab. (2) apresenta a intensidade de força aplicada no punção superior (1) mostrado nas Figs. (4), (5) e (6), que 
apresenta o maior carregamento (750 t – 7,5 MN) no caso 2, pois tem como função a extrusão direta do material. Já nos 
casos 3 e 4, esse punção apresenta carregamentos menores (310 t e 280 t – 3,1 e 2,8 MN), pois nesses casos o punção 
causa o recalque do material na matriz e não é responsável pela formação das extremidades (pés) da peça. 
A Fig. (9) representa graficamente o melhor comportamento em termos de carregamento do punção superior que se 
refere à montagem para recalque horizontal aberto (Fig. (6)). 
 
Tabela 2 – Forças atuantes no punção superior para três configurações de montagem 
 
Componente - Punção superior 
Montagens Furação e recalque 
simultâneos (caso 2) 
Recalque horizontal fechado 
(caso 3) 
Recalque horizontal aberto 
(caso 4) 
Carga (t) [MN] 750 [7,5] 310 [3,1] 280 [2,8] 
 
 
 
Figura 9 - Carregamento do punção superior - montagem para recalque horizontal aberto. 
 
• Estudo 2 
 
Na Tab. (3) é mostrada a intensidade da força aplicada no punção inferior (4) referente à Fig.(4) e para o punção (5) 
referente às Figs. (5) e (6). Como se pode observar, as configurações de montagens para recalque horizontal fechado 
(caso 3) e aberto (caso 4) apresentam os melhores resultados quando considerados os esforços compressivos, 
respectivamente -34 t e -27 t (-0,34 e -0,27 MN), sendo o caso 4 aquele que apresenta o menor esforço sobre o punção 
inferior, como mostrado na Fig. (10). 
 
Tabela 3 – Força no punção inferior para trêsconfigurações de montagem 
 
Componente – Punção inferior ou punção piloto inferior 
Montagens Furação e Recalque 
Simultâneos 
Recalque Horizontal Fechado Recalque Horizontal Aberto 
Carga (t) [MN] -155 [-1,55] -34 [-0,34] -27 [-0,27] 
 
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Figura 10 - Carregamento do punção inferior - montagem para recalque horizontal aberto. 
 
 
• Estudo 3 
 
A Tab. (4) apresenta a intensidade de força aplicada na matriz, componente (2) na Fig. (4) e componente (3) nas 
Figs. (5) e (6). Para esse componente, as melhores configurações também são a de montagem para recalque horizontal 
fechado e aberto (casos 3 e 4), respectivamente -260 t e -255 t (-2,6 e -2,55 MN). O gráfico da Fig.(11) apresenta o 
melhor comportamento da variação de força na matriz para a montagem do caso 4. 
 
Tabela 4 – Força na matriz para três configurações de montagem 
 
Componente – Matriz 
Montagens Furação e Recalque 
Simultâneo 
Recalque Horizontal 
Fechado 
Recalque Horizontal 
Aberto 
Carga (t) [MN] -600 [-6] -260 [-2,6] -255 [-2,55] 
 
 
 
Figura 11 - Carregamento da matriz - montagem para furação e recalque horizontal aberto 
 
• Estudo 4 
 
A Tabela (5) mostra a intensidade de força aplicada nos punções horizontais (2) das Figs. (5) e (6) nos eixos X e Y, 
relativos ao plano horizontal (Fig. (12)). Observa-se que ambas configurações de montagens dos casos 3 e 4 são 
satisfatórias pois apresentam esforços relativamente pequenos se comparados aos observados nos punções e na matriz. 
 
Tabela 5 – Comparação de Força entre punção lateral para duas configurações de montagem 
 
Componente – Punção lateral 
Montagens Recalque Horizontal 
Fechado 
Recalque Horizontal Aberto 
Eixo X Y X Y 
Carga (t) [MN] 64 [0,64] -110 [-1,1] 54 [0,54] -100 [-1] 
 
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Figura 12 - Carregamento do punção lateral - montagem para furação e recalque horizontal aberto 
 
5. CONCLUSÃO 
 
Considerando-se as forças aplicadas nos diversos componentes, pode-se concluir que dentre as montagens 
analisadas, os casos 3 e 4 são os que proporcionaram melhores resultados pois apresentaram os menores esforços, o que 
permite afirmar que serão os casos em que as ferramentas melhor suportarão as tensões trativas e compressivas 
desenvolvidas no processo e, portanto, são as que devem apresentar a maior vida útil do ferramental. 
A montagem relativa ao caso 3 apresentou esforços um pouco maiores que os observados no caso 4, devido ao 
escoamento do material em contato com o inserto (1a) da matriz (Fig. (5)), causando um aumento gradativo da força até 
o final do curso, porém, considera-se que o caso 3 não pode ser descartado caso se desejem produtos precisos em 
operações de forjamento a frio. 
Já para produtos net-shape a montagem do caso 2 (Fig. (4)) apresentou o melhor resultado em termos de formação 
dos detalhes geométricos do produto. Por outro lado, apresentou os maiores valores de força nos componentes, o que 
pode comprometer a vida útil do ferramental. Futuramente, experimentos serão realizados para avaliarem-se os 
processos propostos e validar os resultados numéricos obtidos neste trabalho. 
 
5. AGRADECIMENTOS 
 
 Os autores agradecem o apoio financeiro do CNPq e da FAPESP para a realização deste trabalho. 
 
6. REFERÊNCIAS 
 
Cai, J., Dean, T. A., Hu, Z. M., 2004, “Alternative die designs in net-shape forging of gears”, Journal of Materials 
Processing Technology, No. 150, pp. 48-55. 
Farhoumand, A., Ebrahim, I. R., 2009, “Analysis of forward–backward-radial extrusion process”, Materials and Design. 
No. 30, pp. 2152–2157. 
Schuler, Altan, T., 1998, “Metal Forming Handbook”, Ed. Springer Verlag, Berlim. 
Sedighi, M. Tokmechi, S., 2008, “A new approach to preform design in forging process of complex parts”, Journal of 
Materials Processing Technology, No. 197, pp. 314-324. 
Song, J. H., Im, Y. T., 2007, “Process design for closed-die forging of bevel gear by finite element analyses”, Journal of 
Materials Processing Technology. No. 192-193, pp. 1-7. 
Tomov, B. I., Gagov, V. I., Radev, R.H., 2004, “Numerical simulations of hot die forging processes using finite element 
method”, Journal of Materials Processing Technology, No. 153–154, pp. 352–358. 
Toshihiko, M., Suyang, L., 2009, “A new definition of complexity factor of cold forging process”, Precision 
Engineering, Vol. 33, No. 1, pp. 44-49. 
Xianfeng, L. U., 2005, “Precision cold extrusion for multi-pole parts”, Chinese Science Bulletin, Vol. 50, No. 5, pp. 
494–496. 
Yanling M., Qin, Y., Balendra, R., 2005, “Forming of hollow gear-shafts with pressure-assisted injection forging 
(PAIF)”, Journal of Materials Processing Technology, No. 167, pp. 294–301. 
 
7. DIREITOS AUTORAIS 
 
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho. 
 
 
 
 
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NUMERICAL ANALYSIS OF COLD FORGING A NON-AXISYMMETRIC 
METALLIC PART 
 
Dr. Eng. Daniel Villas Bôas 
villas@fem.unicamp.br 
Prof. Dr. Sergio Tonini Button 
Sergio1@fem.unicamp.br 
 
University of Campinas - UNICAMP 
Cidade Universitária "Zeferino Vaz" 
Distrito de Barão Geraldo 
13083-970 - Campinas – SP - Brazil 
 
Abstract: Cold forging is widely used in the manufacturing of high precision parts in automobile industries. With the 
increasing demand of production, new processes have been developed to achieve this precision in products with 
increasingly complex geometry, as is the case of parts not symmetrical to an axis of revolution. Many advantages are 
associated with a reduced number of operations, which contributes to the elimination of intermediate thermal 
treatments, reduction of forming and lubrication stages, and finally less machining. As a result, there will be a 
reduction of the lead time and of costs added to the product. These improvements have been made possible by 
optimizing the design of preform by process simulation in expert softwares that facilitate the analysis for the 
improvement of alternative solutions. In this paper it was evaluated a new process to manufacture by cold forging a 
mechanical component named "tripod". From the simulation of the conventional process it was possible to evaluate the 
material flow, dies filling and required loads. With such information alternative processes were proposed, looking for 
the best conditions of material flow and forging loads. 
 
Keywords: Metal forming, steel, finite element method.