ANÁLISE DE VIABILIDADE DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA ATUALMENTE USINADA PARA O PROCESSO DE FORJAMENTO

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Dezembro de 2002, UFRGS, Porto Alegre - RS
	
ANÁLISE DE VIABILIDADE DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA ATUALMENTE USINADA PARA O PROCESSO DE FORJAMENTO
Augusto Mendel, Dênis Soares Arnold, Luís Felipe Rubi
Disciplina: Conformação
Resumo
Este trabalho visa avaliar a viabilidade de fabricação de uma peça com a forma semelhante ao símbolo da Apple, atualmente fabricada por usinagem, pelo processo de forjamento. Foram analisadas algumas vantagens e desvatagens de cada processo, analisou-se os parâmetros do processo atual, foram analisadas algumas modificações necessárias para a fabricação por forjamento e calculados alguns parâmetros para o processo de forjamento. Por fim, foi feita uma análise do acabamento obtido e dos processos posteriores necessários. Chegou-se à conclusão de que é viável mecanicamente a fabricação da peça pelo forjamento, entretanto não se pode fazer uma avaliação da viabilidade econômica, por falta de noção dos custos de cada processo.
Palavras-chave: Forjamento, Usinagem, Apple, Viabilidade, Acabamento.
1 Introdução
	Existe, atualmente, uma grande variedade de processos de fabricação mecânica conhecidos e aplicados na obtenção de produtos acabados e semi-acabados. Cada um desses processos possui características, vantagens e desvantagens muito singulares. Dentre esses processos destacam-se dois amplamente utilizados na indústria: o forjamento e a usinagem.
	O forjamento consiste basicamente em conformar um material base entre duas matrizes através da ação de uma maquinário específico (martelos de queda ou prensas) a fim de se obter um produto final desejado ou uma pré-forma para um novo forjamento. Pode ser realizado a frio ou a quente, e pode ocorrer em matriz aberta (onde não há restrição nas laterais, utilizado para se obter matéria-prima para outros processos ou pré-formas) ou fechada. Esse processo tem grande presença e importância na indústria, devido aos benefícios técnicos e econômicos que se pode obter através dele. 
Como vantagens do forjamento podemos citar:
· aumento da resistência mecânica devido ao encruamento gerado no processo;
· baixo ou único número de operações;
· baixo desperdício de material;
· possibilidade de obtenção de diversos tamanhos de peça com o mesmo maquinário;
· menor custo por peça em relação a vários processos (como fundição e usinagem);
· alta produtividade.
Entretanto, o forjamento também apresenta algumas desvantagens:
· alto custo de maquinário;
· necessidade de fabricação de nova matriz para cada nova peça a ser fabricada, o que agrega grande custo inicial por lote (só se torna vantajoso para grandes lotes);
· baixa exatidão dimensional;
· rugosidade relativamente alta.
Usinagem é todo o processo de fabricação que modifica a forma e as dimensões de uma peça através da remoção de material, o qual é chamado de cavaco. Dentre os processos de usinagem existentes, os mais conhecidos e utilizados são: torneamento, fresamento, furação e retificação. O método da usinagem é o mais difundido e utilizado no mundo e também o mais dominado tecnicamente. Sua ampla utilização deve-se a algumas vantagens que outros processos de fabricação dificilmente conseguem fornecer.
Algumas das principais vantagens do processo de usinagem por fresamento (que será utilizado nesse trabalho):
· alta exatidão dimensional;
· bom acabamento e possibilidade de obtenção de rugosidade relativamente muito baixa;
· maquinário mais simples e barato;
· controle de parâmetros de processo mais simples;
· custo inicial para fabricação de nova peça nulo (desconsiderando-se tempos de pre-set de máquina), o que viabiliza a fabricação de lotes muito pequenos ou peças únicas;
Entretanto há também algumas desvantagens nesse processo:
· Produtividade média a baixa, devido ao grande número de operações e passes;
· Desperdício de material;
· Maior limitação da máquina com relação ao tamanho da peça.
Esse trabalho visa avaliar a viabilidade de fabricação da peça da Figura 1, que se assemelha ao símbolo da fabricante de softwares e produtos eletrônicos Apple, pelo processo de forjamento, realizando a análise do desenho da peça e possíveis alterações necessárias, o cálculo das forças do processo, a definição da matéria-prima, a avaliação da necessidade de pré-forma e seu projeto, o projeto das matrizes, a definição do maquinário e dos processos posteriores de acabamento, sendo que o processo atual de fabricação proposto é o de usinagem por fresamento. Essa peça foi desenvolvida para estudo acâdemico, não sendo uma peça já produzida industrialmente. Adotar-se-á, para esse estudo, que a aplicação da peça será para fins decorativos e que será fabricado, inicialmente, um lote único de 500 peças. O material utilizado será a liga de alumínio ASTM 6060 O (estado recozido), devido às suas propriedades mecânicas e sua característica de resistência à corrosão.
Figura 1 – Modelo tridimensional da peça.
Fonte: Elaborada pelos autores.
2 Metodologia
	O processo atual de fabricação é realizado em um centro de usinagem CNC com comando Polaris, com potência de até 15 kW e frequência máxima de 6000 rotações por minuto (rpm) e fixação por morsa do material base. Na Figura 2 observa-se o desenho da peça com as principais medidas.
Figura 2 – Desenho da peça para usinagem.
Fonte: Elaborada pelos autores.
Nesse processo são necessárias quatro operações: uma para desbaste, uma para semi-acabamento e duas para acabamento. Os parâmetros de corte para cada operação são adaptados de acordo com o catálogo da fabricante das ferramentas e a capacidade da máquina utilizada no processo. A força de corte (Fc) é calculada segundo a Equação 1 e a potência de corte (Pc) segundo a Equação 2.
[Equação 1]
[Equação 2]
Tabela 1 – Parâmetros de corte por operação para usinagem. “F” é o valor recomendado pelo fabricante e “U” é o valor utilizado, de acordo com a limitação da máquina.
	
	Velocidade de corte (Vc) [m/min]
	Profundidade de corte (ap) [mm]
	Avanço por rotação (fn) [mm/rot]
	
	F
	U
	F
	U
	F
	U
	Operação 1
	500
	471
	15,7
	4
	0,2
	0,2
	Operação 2
	500
	301
	14,4
	1
	0,2
	0,2
	Operação 3
	500
	301
	14,4
	0,1
	0,2
	0,2
	Operação 4
	100
	100
	6
	4
	0,066
	0,048
Fonte: Elaborada pelos autores, 2014.
	A operação 1 consiste em um desbaste com fresa de topo reta com inserto de metal duro de diâmetro 25 mm. A operação 2 consiste em um semi-acabamento com fresa topo esférica com inserto de metal duro de diâmetro 16 mm. com altura de sobremetal entre passes da ferramenta (chamada pelo software de CAM de “scallop”) de 0,1 mm (ver figura 3). A operação 3 consiste em um acabamento da superfície curva superior com a mesma ferramenta da operação 2, porém com “scallop” de 0,01 mm. A operação 4 consiste em um último acabamento da superfície lateral da peça com fresa de topo reta de aço rápido de diâmetro 8 mm.
Figura 3 – Representação da altura de sobremetal entre passes da ferramenta chamada de “scallop”.
Fonte: Elaborada pelos autores.
	Segundo catálogo de ferramentas rotativas Sandvik, o valor aproximado (de acordo com a descrição e a dureza do material) da pressão específica de corte é de 400 MPa. Aplicando-se as Equações 1 e 2 aos parâmetros utilizados nas quatro operações obtêm-se os dados da Tabela 2.
Tabela 2 – Força e potência de corte calculadas para as operações de fresamento.
	
	Operação 1
	Operação 2
	Operação 3
	Operação 4
	Força de corte (Fc) [N]
	320
	80
	8
	76,8
	Potência de corte (Pc) [kW]
	2,512
	0,401
	0,040
	0,128
Fonte: Elaborada pelos autores, 2014.
	O tempo total do processo para a produção de uma peça por usinagem, calculado pelo software de CAM NX 8.0 é de 16,87 minutos. O processo real deve demorar aproximadamente 20 minutos, devido aos tempos de troca das ferramentas e desacelerações dos avanços.
	Ao passar a peça para o processo de forjamento, é necessário fazer algumas uma modificação a superfície lateral da peça. Considerando que o plano de partição será feito paralelamente à base da peça, é necessário fazer dois ângulos na superfície lateral da peça para facilitar a extração dapeça, sendo um abaixo do plano de partição (considerando a espessura da rebarba calculada) e outro acima. A rebarba deve ser dimensionada para que haja um correto preenchimento do material nas matrizes, conforme Tabela 3.
Tabela 3 – Valores orientativos para o dimensionamento da rebarba, conforme o modo de escoamento do material.
	Área projetada da peça no plano da rebarba (sem incluir a
rebarba) “Ap” [mm2]
	Espessura da
rebarba “s” [mm]
	Relação da rebarba “b/s”
	
	
	Recalque
	Alargamento
	Ascensão
	Até 1800
	0,6
	8
	10
	13
	De 1800 até 4500
	1,0
	7
	8
	10
	De 4500 a 11200
	1,6
	5
	5,5
	7
	De 11200 até 28000
	2,5
	4
	4,5
	5,5
	De 28000 até 71000
	4,0
	3
	3,5
	4
	De 71000 até 180000
	6,3
	2
	2,5
	3
	De 180000 até 450000
	10,0
	1
	2
	2,5
Fonte: GRÜNING, 1973.
	A material-base (geratriz) a ser utilizado no processo possui geometria circular de diâmetro 3” (72,6 mm), conforme catálogo da distribuidora Alfa Alumínio. A altura da geratriz dependerá do volume da peça e da rebarba, a qual terá de ser dimensionada. A peça será conformada diretamente da geratriz, não se utilizando de pré-forma, pois a geometria da geratriz já será relativamente próxima da geometria final da peça, ou seja, haverá pouca deformação.
	Para o cálculo da força necessária para realizar o processo de forjamento que seria mais preciso seria com a utilização do Método Numérico-Computacional, onde fornecemos ao software os dados do forjamento e depois do tempo de processamento o programa fornece a simulação das forças atuantes nos locais específicos da peça e até o fluxo de escoamento do material. Como não possuímos esse programa, usaremos o Método das Grandezas Equivalentes. Para o cálculo da estimativa de força por esse método, além dos dados de Àrea da Geratriz (Ag) e da Àrea final da peça no plano da rebarda (Ap*), devemos ter os dados de Tensão de Escoamento (Ϭo) e coeficiente de encruamento (n), que podemos obter conforme tabela abaixo.
Tabela 4 – Valores de Tensão de Escoamento e Coeficiente de encruamento conforme tipo de material.
	 MATERIAL
	Ϭo
	n
	SAE 1010/1020
	800
	0,2
	SAE 1035
	902
	0,2
	SAE 4340
	640
	0,15
	AISI 304
	1400
	0,44
	Cobre
	530
	0,44
	Latão
	260
	0,5
	Liga de Alumínio (2024 T3)
	780
	0,17
	Liga de Magnésio (AZ-31B)
	450
	0,16
Fonte: GRÜNING, 1973.
	
	Neste caso iremos considerar para os dados de cálculo os mesmos dados da liga de alumínio 2024 T3.
	O próximo passo é o cálculo da deformação equivalente () que se dá pela divisão da Área Ag pela Área Ap*.
 [Equação 3]
	Obtendo a deformação equivalente, temos que calcular a Tensão de Escoamento Máxima (Ϭe(máx)) para o grau de encruamento da peça final, conforme a Equação 4.
 [Equação 4]
Com estes dados, podemos obter a estimativa da força do processo conforme equação abaixo.
 [Equação 5]
Para o projecto das matrizes, devemos considerar o separamento das mesmas na altura do plano da rebarba, onde as matrizes devem ter o formato da peça final com a rebarba. Seu dimensionamento pode ser feito conforme a Tabela 5, de acordo com as dimensões da peça.
Tabela 5 – Dimensões mínimas das matrizes de forjamento.
Fonte: GRÜNING, 1973.
	Os aços mais utilizados para fabricação de matrizes de forjamento são os aços ferramentas classificados pela ABNT, SAE, AISI pelas classes H, O, D e W. Ainda temos que levar em conta no projeto da matriz a contração térmica do material. Para isso, temos a tabela 6, que corresponde ao fator de correcção das matrizes para forjamentos a quente.
	
Tabela 6 – Dimensões mínimas das matrizes de forjamento.
	 MATERIAL
	FATOR DE CORREÇÃO
	Aço
	1,01
	Bronze
	1,008
	Latão
	1,009
	Cobre
	1,008
	Ligas leves
	1,009
Fonte: GRÜNING, 1973.
	Com relação ao maquinário, temos os martelos de queda, que realizam golpes sucessivos no material onde a energia de deformação resulta da queda de uma matriz, e as prensas, que podem ser hidráulicas ou mecânicas, que submetem o material a uma força compressiva gradual.
O acabamento da peça consiste basicamente em dois fatores: exatidão dimensional e rugosidade. Tendo em vista a aplicação da peça, para decoração, pode-se dizer que a exatidão dimensional é pouco relevante. Entretanto, a rugosidade é um fator importante por impactar diretamente na aparência estética do produto.
Não há equações conhecidas para se determinar ou estimar a rugosidade obtida nos processos de fresamento e forjamento, porém a Tabela 4, adaptada da norma DIN 4766, mostra os valores de rugosidade média (Ra) comuns e possíveis de se obter com diferentes processos, tanto de conformação, como de usinagem, o que nos permite fazer um comparativo básico entre os processos e ter uma noção da rugosidade que será obtida.
Tratamentos térmicos não se fazem necessários nesse caso, visto que a peça não sofrerá esforços em sua aplicação.
Tabela 7 – Valores de rugosidade Ra atingíveis por diferentes processos de fabricação.
Fonte: DIN 4766.
3 Resultados e discussão
	
	A área Ap* da peça no plano da rebarba com a rebarba é de 8837,2662 mm² e a área da geratriz Ag é de 4560,3673mm², então temos a deformação equivalente de 0,66. Com isso calcula-se a Tensão Máxima com os dados da Tabela 4, obtemos uma Tensão Máxima de 727,1 Mpa. Multiplicando a Tensão Máxima pela Área Ap*, obtemos uma força de 642,56 ton.
	Para essa força e escolhendo uma matriz hidráulica que garante ao material maior qualidade de acabamento, escolhemos uma prensa hidráulica modelo PHFQ – 1000 ton, da empresa FKL Máquinas, conforme imagem abaixo.
Figura 4 – Imagem da prensa hidráulica.
Fonte: FKL Máquinas.
	De acordo com a Tabela 5, dimensionamos as matrizes inferiores e superiores conforme Figuras 5 e 6. O material escolhido para as matrizes foi o H13.
Figura 5 – Matriz inferior.
Fonte: Elaborada pelos autores.
Figura 6 – Matriz inferior.
Fonte: Elaborada pelos autores.
A área projetada “Ap” da peça é de aproximadamente 6044 mm², o que, segundo a Tabela 3, nos leva a considerar uma espessura de rebarba de 1,6 mm. Considerando que as deformações verdadeiras nos três eixos são muito próximas, classificamos o modo de escoamento nesse processo como recalque. Isso nos resulta, à partir da Tabela 3, uma relação b/s de 5. Logo o valor da largura da rebarba será de 8 mm.
	Tendo dimensionada a rebarba, é possível calcular o volume e altura da geratriz.
	Sendo o perímetro médio igual a aproximadamente 377,4 mm e o volume da peça de aproximadamente 96388 mm³, tem-se que o volume da geratriz é de 101218,72 mm³. Logo, a altura da geratriz necessária é de 22,2 mm (visto que o diâmetro da geratriz é de 76,2 mm).
	Percebe-se, através da Tabela 7 que o forjamento gera uma rugosidade média de 3 a 12,5 μm, podendo chegar a 0,8 μm com cuidados e métods especiais, enquanto que o fresamento gera uma rugosidade média de 1,6 a 12,5 μm, podendo chegar a 0,4 μm. Convém, em ambos os casos, submeter a peça a um posterior processo de polimento (que pode garantir uma rugosidade de aproximadamente 0,5 μm ou mesmo inferior), para retirar possíveis possíveis marcas da ferramenta (no caso do forjamento, as matrizes) e melhorar o aspecto estético, de grande relevância, da peça.
4 Conclusões
	O produção da peça analisada é mecanicamente viável de ser realizada pelo processo de forjamento, desde que feitas as inclinações da superfície lateral para extração do material. O acabamento gerado pelo processo de forjamento é inferior em aspecto dimensional, pouco relevante para a peça em estudo, devido à sua aplicação, e também em aspecto de rugosidade. Para se garantir uma melhor aparência estética, é conveniente um processo posterior de polimento, que garante menor rugosidade.
	Um estudo mais completo de custos de cada processo definiria se a produção da peça é mais viável economicamente pelo processo de forjamento ou de fresamento, ou à partir de que tamanho de lote de peças que o forjamento pode se tornar mais vantajoso, o que não foi possívelatravés desse estudo.
Referências Bibliográficas
ALFA ALUMÍNIO. Catálogo de produtos. Disponível em:
http://www.alfaaluminio.com.br/downloads/catalogo.pdf. Acesso 09 jun 2014.
ASSOCIAÇÃO BRASIL DO ALUMÍNIO. Características químicas e físicas – Ligas. Disponível em: http://www.abal.org.br/aluminio/caracteristicas-quimicas-e-fisicas/ligas/. Acesso em 09 jun 2014.
SANDVIK. Catálogo de Ferramentas Rotativas. Disponível em:
http://www2.coromant.sandvik.com/coromant/downloads/catalogue/POR/ROT_D.pdf. Acesso em 08 jun 2014.
FKL Máquinas, Catálogo de de produtos. Disponível em:
http://www.fkl.com.br/produto.php. Acesso 16 jun 2014.
8		Estudos qualitativos com o apoio de grupos focados