simpep_2021 - Forjamento a Frio

Prévia do material em texto

XXVIII SIMPÓSIO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Ensino em Engenharia de Produção: Como Preparar as Novas Gerações para o Desafio do Século XXI
Bauru, SP, Brasil, 10 a 12 de novembro de 2021
 
Near net shape aplicado a processos de forjamento a frio 
JOÃO VICTOR CASSOLE AGUIAR- jaguiar@usp.br 
Universidade de São Paulo - USP
MARCOS ROBERTO OLIVEIRA - marcosoli2809hotmail.com@usp.br 
Universidade de São Paulo - USP 
RAFAEL MORETTI ROHRER - rafael.rohrer@usp.br
Universidade de São Paulo - USP 
RAFAEL GUILHERME DA SILVA TIBURCIO -rafael.tiburcio@usp.br 
Universidade de São Paulo - USP 
Área: 	Engenharia de Materiais
Sub-Área:	Estudos da aplicação do Near Net Shape aplicado a processos de forjamento a frio
 Resumo:	
 Geralmente, quando se utiliza processos de forjamento na fabricação de um produto são necessárias algumas operações de usinagem subsequentes para corrigir algumas imprecisões e imperfeições que o processo apresenta, para que o produto final esteja em perfeitas condições de uso. Tais processos são caracterizados por por forjamento a quente, a morno e a frio, sendo que esse último merece uma atenção especial na fabricação de peças com geometrias complexas, pois existem limitações no grau de deformação da matéria prima trabalhada, bem como limitações da própria ferramenta, quando solicitada mecanicamente. Dessa forma, para que seja feito um processo mais completo, sem necessidade de acabamentos subsequentes (Near Net Shape), é necessário um entendimento científico das distorções elásticas que surgem na ferramenta, que estão diretamente relacionadas à qualidade final do produto obtida no processo.
 Portanto, o trabalho teve como finalidade o entendimento do processo, que vem tendo destaque nas últimas décadas, dando enfoque no ferramental e na viabilização experimental do processo. Os resultados obtidos nos exemplos de aplicações detalhadas no trabalho demonstram que o processo proposto é capaz de produzir engrenagens helicoidais com qualidade geral próxima daquelas obtidas no processo convencional de usinagem a partir de uma engrenagem forjada.
Palavras-chaves:	XXVIII SIMPEP; SIMPEP 2021.
Abstract:
	Generally, when forging processes are used in the manufacture of a product, some subsequent machining operations are necessary to correct some inaccuracies and imperfections that the process presents, so that the final product is in perfect conditions of use. Such processes are characterized by hot, warm and cold forging, the latter of which deserves special attention in the manufacture of parts with complex geometries, as there are limitations in the degree of deformation of the raw material worked, as well as limitations of the tool itself , when requested mechanically. Thus, in order to make a more complete process, without the need for subsequent finishing (Near Net Shape), it is necessary to have a scientific understanding of the elastic distortions that arise in the tool, which are directly related to the final quality of the product obtained in the process.
 	Therefore, the work aimed to understand the process, which has been highlighted in recent decades, focusing on tooling and experimental feasibility of the process. The results obtained in the detailed application examples in the work demonstrate that the proposed process is capable of producing helical gears with a general quality close to those obtained in the conventional machining process from a forged gear.
Keywords:	XXVIII SIMPEP; SIMPEP 2021.
1. INTRODUÇÃO
 Nos dias atuais, nota-se que a Indústria de Forjamento necessita de um enfoque direcionado mais especificamente às mudanças tecnológicas para que haja uma adequação à competição global, e dessa forma há a necessidade de busca por novas tecnologias a partir de pesquisas, parcerias e aprendizagens constantes.
Essa nova área de estudo vem se desenvolvendo mais destacadamente nas últimas décadas, o que vem estimulando uma disputa mundial na formação de produtos com melhor qualidade, menor custo e maior valor agregado em cada etapa de trabalho.
 As novas tecnologias são adquiridas em universidades internacionais de primeira linha, as quais se destacam no campo da conformação mecânica. As parcerias são realizadas com cientistas desses países, bem como com indústrias nacionais do mesmo ramo de atividade (DEAN, 2000)
 O uso da técnica “Near net shape” comparado ao processo de usinagem tem a vantagem de alta produtividade, boas propriedades mecânicas e ótima taxa de utilização da matéria prima. Todavia, devido a falta de conhecimento tecnológico no processo de forjamento a frio, ainda utiliza-se muito a usinagem (como método mais viável) na fabricação de engrenagens helicoidais para atender a demanda de caixas de transmissão automotiva (DV Boas - 2009).
 Dessa forma, o principal objetivo da técnica “Near net shape” é um forjamento de precisão, no qual elimina-se estapas do processo de fabricação, sem que haja a necessidade de processos subsequentes de acabamento (usinagem). Na maioria das vezes, a fabricação de engrenagens de transmissão (componentes complexos) necessita dessas operações de acabamento para fazer algumas correções e aprimorar a precisão dimensional. Isso ocorre em decorrência de que uma temperatura elevada é necessária para o forjamento, o que introduz erros dimensionais devido a distorções térmicas. Assim, o método mais utilizado para essa produção (com maior precisão) é a conformação a frio, que será melhor discutida no decorrer deste trabalho.
 
 
2. Métodos para obtenção de Near Net Shape no século XXI 
Dessa maneira, diversos métodos foram desenvolvidos para facilitar a obtenção de peças praticamente acabadas (NNS ou NS), otimizando a força necessária, distribuição de tensões e deformações na peça, fluxo de material e etc. Os métodos aqui citados se aplicam principalmente para o forjamento a frio de engrenagens, visto que é um produto necessitado em grandes quantidades pela indústria, em especial a automobilística, onde a precisão dimensional requerida é relativamente alta e permite a aplicação de produção por forjamento a frio de maneira economicamente viável. 
2.1. Forjamento orbital a frio e seus benefícios em relação ao tradicional 
	O forjamento orbital a frio (FOAF) é um método incremental de forjamento, de maneira que a força é aplicada em diferentes pontos da peça, o que causa um mecanismo de fluxo de material diferente do forjamento a frio tradicional, onde a força é aplicada verticalmente, de maneira paralela ao eixo da peça. Assim, as características de formação da peça devem ser estudadas para entender quais as diferenças resultantes do processamento. A seguir temos um esquema de funcionamento do forjamento orbital: 
				FIGURA 1 - Esquema do FOAF.
Fonte: G.SAMOLYK (2013). 
A partir da utilização de softwares de elementos finitos (Deform-3D), comparando os resultados obtidos pelo software com resultados experimentais, assegura-se que os mesmos são confiáveis e podem ser utilizados para análise e descrição das características de tensão e deformação da peça produzida por forjamento orbital a frio, que difere do forjamento a frio tradicional. Tal análise será feita baseando-se na produção de uma engrenagem cônica de esporão, item essencial na composição do diferencial de veículos automotivos. 
Assim, foram determinadas as leis de enchimento do molde e como o processo ocorria, em comparação ao processo tradicional. O processo de FOAF, devido ao caminho percorrido pela matriz superior, promove maior fluxo radial de material, que é priorizado em relação ao fluxo axial, causando formação facilitada dos dentes da engrenagem, propriedade importante na produção NNS, tal fato pode ser observado nas imagens a seguir: 
FIGURA 2 - Leis de enchimento no forjamento a frio tradicional. Fonte: Zhuang et al.(2017)
FIGURA 3 - Leis de enchimento no forjamento a frio orbital. Fonte: Zhuang et al. (2017). 
 Comparando as leis de enchimento para os dois casos nota-se, comocitado anteriormente, o fluxo radial priorizado no forjamento a frio orbital, em comparação ao axial no forjamento a frio tradicional, assim, o com as leis de enchimento pode-se gerar a seguinte figura, comparando o fluxo obtido na peça final em relação aos 2 métodos: 
FIGURA 4 - Comparação do fluxo de material entre os dois processos. fonte: Zhuang et al. (2017). 
	O plano vermelho nas peças marca o plano invariante original do material, enquanto o plano verde marca a posição do metal deformado, no forjamento tradicional, eles se sobrepõem, enquanto no FOAF, há uma variação de tais planos, resultante do fluxo radial mais acentuado gerado no processo, demonstrando mais uma vez a diferença de comportamento de fluxo dos dois processos. 
	Tal fluxo radial, somado à maior quantidade e homogeneidade de deformação plástica, proporcionam um melhor acabamento e melhores tolerâncias dimensionais dos dentes da engrenagem, fator importantíssimo quando busca-se uma produção com produtos near-net-shape. A comparação dos resultados pode ser observada a seguir, comparando engrenagens obtidas por forjamento a frio, forjamento orbital a frio e uma engrenagem padrão. 
FIGURA 5 - Comparação das dimensões dos dentes de engrenagens cônicas obtidas por diferentes métodos de produção (forjamento tradicional, forjamento orbital e uma engrenagem padrão). Fonte: Zhuang et al. (2017). 
2. Forjamento a frio de engrenagens de dentes retos
O forjamento a frio é um processo que vem sendo muito empregado na produção de peças, pois permite a produção de componentes com alta precisão e muito próximos da sua forma final (Near Net Shape). dessa forma é possível eliminar uma grande quantidade processos de acabamento subsequentes, gerando uma economia de matéria prima e reduzindo o custo final de produção. 
Esse método mostrou-se muito interessante na produção de engrenagens, pois permite uma alta precisão dimensional e ao final do processos a engrenagem sai praticamente pronta, necessitando apenas de poucas operações de usinagem para o acabamento, permitindo uma alta produção e reduzindo o lead time da produção.
Embora o processo seja muito útil na produção de engrenagens, a maior limitação do forjamento a frio são as altas pressões envolvidas no processo, sendo necessário a utilização de equipamentos mais robustos capazes de fornecer a força necessária para realizar o processo. Devido a essa limitação, foi identificado um problema que ocorre na produção de engrenagens de dentes retos, de preenchimento incompleto da matriz em alguns processos. Dessa forma o artigo “Forjamento a frio de engrenagens em alumínio” realiza um estudo a fim de analisar as forças envolvidas no processo de forjamento a frio de uma engrenagem de dentes retos de um liga de alumínio, utilizando software de simulação por elementos finitos para analisar os dados. (KUPKA, 2007).
Inicialmente, foi realizada uma análise de algumas alternativas de projeto para o ferramental, a fim de identificar a força de forjamento exercida sobre a matriz para produção de engrenagens.
As alternativas analisadas foram com relação a projetos de matriz rígida e conexão elástica, com a utilização de molas, à prensa. Na figura x. é possível ver um esquema das duas alternativas citadas acima. A direita nas figuras 7(a) e 7(b) é possível ver a ferramenta na posição antes do forjamento e à esquerda na posição após o forjamento.
FIGURA 6: Esquema dos ferramentais, onde (a) corresponde a conexão elástica e (b) a conexão rígida 
Fonte: Kupka, Ferramental (2007)
	Comparando os dados obtidos nos dois tipos de conexão entre a ferramenta e a matriz, foi possível comparar os valores de força obtidos em cada caso. Na figura x., é possível observar os valores de força obtidos em função do deslocamento do punção, foi possível notar que os menores valores de força foram observados na matriz com conexão elástica e com punção chanfrado, enquanto que os maiores valores de carga, foram observados no caso de matriz rígida e punção plano. Essa diferença de valores se deve ao fato de que , quando a matriz está rigidamente ligada à prensa a força de atrito a interface da peça se contrapõe ao movimento do punção, sendo necessária uma carga elevada para realizar a conformação. Já no caso de conexão elástica, a força de atrito atua na mesma direção do movimento de punção, o que reduz muito a força necessária para o processo.(KUPKA, 2007)
FIGURA 7. Força de forjamento para diferentes ferramentais
 
Fonte: Kupka, Ferramental (2007)
	Dessa forma, o artigo propõe o projeto de um ferramental que minimiza a carga necessária, a fim de realizar o forjamento de uma engrenagem de dentes retos, sem que ocorra problemas de preenchimento incompleto da matriz. Nesse projeto o sistema consiste em uma matriz superior, onde estão contidos o punção superior, um anel limitador, com a função de limitar o movimento da prensa até o necessário para realizar o forjamento da engrenagem. Na parte superior, também está presenta o incerto, que consiste na matriz interna com a geometria da engrenagem, o incerto é fixado por interferência em um anel externo, que atua para promover maior resistência a matriz, evitando sua expansão elástica devido a baixa temperatura envolvida no processo e as elevadas pressões. Já na parte inferior, estão presentes o punção inferior e um conjunto de molas prato, para fazer a conexão elástica da matriz com a prensa.
	FIGURA 8. Esquema da montagem do ferramental
 
Fonte: Kupka, Ferramental (2007)
	Com os dados obtidos na simulação, foi visto que a peça preenche totalmente a matriz, mostrando que essa solução de projeto resolve o problema de preenchimento. Também foi observado que os valores de tensão na peça não superaram o limite de escoamento da matriz, mostrando que não houve nenhum problema na precisão dimensional da matriz. 
3. Fatores que afetam a precisão do forjamento
A precisão do forjamento é afetada basicamente pelos fatores ilustrados na figura 9:
	FIGURA 9: Fatores de correção em cavidades
	
	Fonte: DEAN, Travor A.; HU, Zhongmin. (2002)
A expansão elástica da matriz, Ue, é causada pela pressão usada no forjamento. Já a expansão térmica da matriz, Ut, é causada por conta do pré-aquecimento desta, este que é necessário para evitar choques térmicos quando a peça de trabalho é utilizada em altas temperaturas. Por fim, a contração térmica pós forjamento acontece quando a peça é retirada em altas temperaturas da matriz.
A magnitude dos efeitos elásticos e térmicos na matriz pode ser observada na Figura 10.
	FIGURA 10: Variações em função da Temperatura
	Fonte: DEAN, Travor A.; HU, Zhongmin. (2002)
Como pode se observar, com o aumento da temperatura de forjamento, a expansão devido aos efeitos elásticos diminui, isso por que em altas temperaturas pode-se usar menores forças no material durante o forjamento, além disso com o acréscimo da temperatura, as tensões nas paredes do molde também são aliviadas.
Ademais, nota-se que a expansão da matriz devido a temperatura é diretamente proporcional a temperatura de forjamento, isso porque quanto maior é esta, maior é a quantidade de calor transferida da peça para as paredes do molde.
O efeito mais acentuado que podemos perceber da Figura 10 é, com certeza, a contração do produto quando retirado da matriz, dessa figura se deduz a importância do controle da temperatura de forjamento quando se deseja alcançar uma precisão elevada ao final do processo.
Teoricamente, se as distorções podem ser previstas e controladas, a contração de um produto não seria capaz de afetar a exatidão das medidas. Porém, as limitações práticas no controle da temperatura faz com que a precisão dimensional decresça com o acréscimo na temperatura de forjamento. Por conta desse motivo, os processos realizados em Forjamento a frio são aqueles que entregam peças com maior rigor dimensional. Uma comparação entre a precisão dos processos para diferentes níveis de temperatura de forjamento são ilustradas na Tabela 1.
TABELA 1: Precisão típica de partesforjadas
	Fonte: DEAN, Travor A.; HU, Zhongmin. (2002)
Para reduzir as distorções elásticas da matriz, a pressão usada no forjamento deve ser a menor possível.
A Figura 11 mostra a carga associada para cada etapa do preenchimento de um dente à medida que o material se aproxima da ponta (fim) do molde. Pode-se perceber, por meio da análise dessa figura, que o carregamento necessário cresce de maneira muito acentuada à medida que é necessário atingir níveis mais profundos do dente da engrenagem. Para dentes de engrenagens chanfrados, não seria necessário preencher o molde por completo, sendo assim, seria possível diminuir cerca de 50% do carregamento utilizado (do ponto 6 para o ponto 4, gráfico da figura 11).
		
FIGURA 11: Variação do Carregamento em função do preenchimento da matriz
				Fonte: DEAN, Travor A.; HU, Zhongmin. (2002)
			
CONCLUSÃO 
Assim, baseando-se nos métodos e recursos aqui apresentados, nota-se a evolução e refinamento do processo de forjamento a frio no século XXI em relação ao século passado, com maior precisão final e processos Near-Net-Shape ou mesmo Net-Shape, entretanto, tais processos não mudam a estrutura necessária para aplicação do forjamento a frio de maneira economicamente viável, ou seja, ainda é aplicado somente para a produção de um número muito grande de peças, em larga escala e que necessitam de boa precisão dimensional, com geometrias de complexidade intermediária e poucos ou nenhum processo de acabamento posterior. 
REFERÊNCIAS
[1] KUPKA, Pedro. Forjamento a frio de engrenagem em alumínio. Ferramental, p. 15 a 20, Agosto 2007.
[2] Cai, J,; Dean, T . A.; Hu, Z . M.; Alternative die design in net- shape forming of gears, Journal of Materials Processing Technology, 150, p.48 a 55, 2004 
[3] BOAS, Daniel Villas. Uma contribuição ao estudo do forjamento a frio de engrenagens helicoidais. 2009. 162 p
[4] SAMOLYK, G.. STUDIES ON STRESS AND STRAIN STATE IN COLD ORBITAL FORGING A AlMgSi ALLOY FLANGE PIN. Archives Of Metallurgy And Materials. Lublin University Of Technology, 38 Nadbystrzycka Str., 20-618 Lublin, Poland, p. 1183-1189. 20 nov. 2012.
[5] ZHUANG, Wuhao. Differences between traditional cold forging and cold orbital forging of a spur bevel gear. In: INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE TECHNOLOGY OF PLASTICITY, 12., 2017, Cambridge. Differences between traditional cold forging and cold orbital forging of a spur bevel gear. Wuhan: Elsevier, 2017. p. 442-447.
[6] DEAN, Travor A.; HU, Zhongmin. Net-Shape forged gears: the state of the art. Gear Technology, Chicago, p. 26-30, fev. 2002. Disponível em: https://www.geartechnology.com/issues/0102x/dean.pdf. Acesso em: 07 jun. 2021.
REFERÊNCIA 2 DO ARTIGO.
REFERÊNCIA 3 DO ARTIGO.
2