Revista Forge - Janeiro/ 2009 by SF Editora

The International Journal of Forging Business & Technology

Janeiro 2009

Revista oficial

Série Equipamentos para Forjamento: MARTELOS • Lubrificantes: Uma análise mais profunda • Matrizes de Forjamento: Modificação da Superficie

• Forjamento a Frio: Alternativa para Usinagem

Janeiro 2009

Uma publicação

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SUMÁRIO J a nei ro

CAPA

A R T I G O S

2 0 09

Equipamentos para Forjamento – Martelos Este será o primeiro de uma série de artigos nos quais vários tipos de equipamentos para forjaria serão analisados. Primeiramente, será apresentada uma visão geral do equipamento, incluindo detalhes sobre a física associada com a sua operação. Simulações serão usadas para ilustrar condições de operação que talvez não sejam diretamente observáveis durante a produção de peças forjadas. Neste artigo inicial será tratado o martelo de forjamento.

Uma visão mais próxima dos lubrificantes para forjamento Empresas que compram lubrificantes para forjamento baseadas somente no preço destes podem estar perdendo a oportunidade de reduzir custos e produzir produtos finais melhores. A seleção e formulação de lubrificantes são frequentemente tão únicas quanto a variação dos parâmetros de forjamento nas empresas que os utilizam.

Técnicas de modificação de superfície para matrizes de forjamento O tratamento de superfícies de matrizes para forjamento para elevar suas performances é uma técnica que tem sido praticada há muitos anos. Diversos métodos de tratamento de superfície têm sido tentados com os mais variados graus de sucesso. Neste artigo é feita uma revisão sobre os métodos de modificação de superfície disponíveis para as indústrias de forjamento e as técnicas são correlacionadas em uma tabela.

O forjamento a frio como processo alternativo para peças e componentes fabricados por usinagem Artigo apresentado no 28º SENAFOR 2008, em Porto Alegre, RS.

Foi tomado como exemplo a fabricação de um prisioneiro metálico, em aço carbono, utilizado no sistema de fixação de capotas de pick-ups.

SEÇÕES & COLUNAS

NA CAPA The International Journal of Forging Business & Technology

Editorial............................................ 4

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Revista oficial

Série Equipamentos para Forjamento: MARTELOS

Martelos de forja são equipamentos versáteis para uma grande variedade de forjados.

• Lubrificantes:

Especial Senafor.............................. 10 Produtos......................................... 24

Uma análise mais profunda

• Matrizes de Forjamento: Modificação da Superficie • Forjamento a Frio: Alternativa para Usinagem

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Uma publicação

A foto da capa é uma cortesia da Ajax Manufacturing Company (Ajax-CECO), Cleveland, Ohio, EUA.

Guia de anunciantes......................... 26

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EDITORIAL

A crise e maneiras de enfrentá-la UDO FIORINI, EDITOR

screvo este editorial, enquanto na TV são escolhidas as escolas vencedoras deste carnaval de 2009. Ao mesmo tempo em que nos divertíamos nestes feriados, as notícias vindas do exterior, principalmente dos Estados Unidos, mostravam que a economia mundial não participava da nossa alegria. Mesmo após os últimos discursos do presidente norte-americano Barack Obama e do seu chairman do Federal Reserve, Ben Bernanke, o mercado continuou pessimista, haja visto o índice Dow Jones apresentar números inferiores a 7500 pontos, atingindo patamares não observados desde 1997. Aqui no Brasil as notícias também não são nada animadoras. Todos os indicadores apontam para baixo, e números crescentes são somente o de desempregados. Com este panorama negativo, nos perguntamos o que podemos fazer, que atitude devemos tomar para não deixarmos o pessimismo tomar conta do nosso negócio. O que devemos fazer para vender em uma economia claudicante? Um excelente artigo, escrito em meados do ano passado passou pelas minhas mãos, e creio que nos dá uma luz de como agir. Vejamos: 1) Não culpe a economia. Empresas continuarão a comprar bens e serviços, seja qual for o rumo que a economia tomar. Elas poderão comprar de modo diferente, comprar menos, mas terão de comprar. Se você puder convencer o teu parceiro comercial de que você está oferecendo um investimento sólido com excelente retorno, talvez o problema seja menor. 2) Quanta energia você está gastando em atividades insignificantes? Você certamente já ouviu que os negócios irão aumentar se você fizer mais anotações, mais demonstrações, fizer mais visitas e chamadas telefônicas a seus clientes. Sem dúvida estas atividades vão incrementar os negócios, especialmente se você vender produtos de baixo valor a clientes únicos. A experiência mostra que perseguir tudo que parece uma oportunidade nos mantém ocupados mas ineficientes. Você estará trabalhando duro, mas não inteligentemente. Requalifique já os teus contatos, foque nas suas melhores oportunidades de venda e ponha sua energia nelas. Você vai criar mais sucesso investindo seus recursos em dez sólidas oportunidades de venda do que perseguindo vinte e cinco casos não tão importantes. 3) Você está fazendo valer cada conversação? Clientes e contatos ficarão impressionados com seu preparo em cada chamado de 4

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vendas. Se você demonstrar que fez o dever de casa ficará mais fácil para eles manterem um dialogo aberto e honesto com você. Quando a economia está em baixa, as pessoas ficam nervosas. Elas não vão querer perder tempo em reuniões com vendedores se não vislumbrarem algum valor nisto. A mentalidade “sorria e ligue ou bata na porta” pode produzir mais reuniões, mas também pode criar o medo de que você está querendo vender alguma coisa que o seu cliente não necessite. 4) Comece sua próxima conversação comercial com a seguinte frase, “preparando esta reunião eu dediquei um tempo para...”. Aí simplesmente enfatize dois ou três pontos criticos que você preparou e observe o que muda no comportamento da reunião ou da conversa telefônica. Você vai “tirar da jogada” o último vendedor que abriu uma reunião com teu cliente anunciando que estava sómente “checkando se havia alguma novidade”. 5) De quem você fala, de você ou de seu cliente? A idéia é parar de educar os seus clientes. Eles não vão se preocupar até o momento em que estejam comprometidos. Falar sobre sua empresa, seus produtos e sua reputação não vão criar comprometimento de seu cliente. Fale sobre ele, pergunte dele, traga idéias para ele e crie um canal de comunicação direta com ele. 6) Você tem alguma pergunta? Conhecimento é vital para o sucesso em vendas, especialmente se a economia estiver em marcha lenta. Quanto mais você demonstrar conhecimento, mais tempo o seu cliente vai dedicar a lhe escutar. E a melhor maneira de demonstrar expertise está em fazer perguntas que façam a diferença. Muitos vendedores caem no lugar comum, perguntando “como está o seu processo de compras?”, o que em geral não irá trazer nenhuma nova indicação do caso. Faça perguntas que façam o cliente parar para pensar e dizer “esta é realmente uma boa pergunta”. Criar perguntas de alto impacto toma tempo extra, mas vale cada minuto. Passe a investir sessenta por cento de seu tempo pesquisando e quarenta por cento do tempo fazendo chamados telefônicos. Isto pode parecer contraditório, mas este não é um momento comercial normal. 7) Não levante o telefone ou entre na recepção sem que você esteja absolutamente pronto para iniciar um dialogo significativo. Você pode não ter uma segunda chance em uma economia como esta, por isto não a desperdice. Bons negócios e boa leitura.

Udo Fiorini, Editor

Equipamentos para Forjamento - Martelos C.J.Crout – Ajax-CECO, Cleveland, Ohio, EUA J. Walters – Scientific Forming Technologies Corporation, Columbus, Ohio, EUA C.J.Van Tyne – Colorado School of Mines, Golden, Colo, EUA

Este será o primeiro de uma série de artigos nos quais vários tipos de equipamentos para forjaria serão analisados. O mesmo enfoque será aplicado em cada um dos equipamentos que serão considerados. Primeiramente, será apresentada uma visão geral do equipamento, incluindo detalhes sobre a física associada com a sua operação. Simulações serão usadas para ilustrar condições de operação que talvez não sejam diretamente observáveis durante a produção de peças forjadas. Finalmente, a conclusão oferecerá uma breve visão das vantagens e desvantagens de cada tipo de equipamento. Neste artigo inicial será tratado o martelo de forjamento. Em artigos futuros, planeja-se analisar prensas mecânicas, prensas hidráulicas e prensas de parafuso.

martelo para forjamento utiliza a energia da movimentação de uma massa cadente com uma matriz para deformar uma peça a quente. O processo é similar à física de um martelo golpeando um prego em uma peça de madeira. A velocidade de deformação em um forjamento com martelo é muito elevada. A movimentação da matriz superior é controlada pela energia. Durante a operação de forjamento utilizando uma matriz de cavidade única é comum a ocorrência de múltiplos golpes do martelo. Durante o “golpe” do martelo, a matriz inferior desacelera completamente o movimento da matriz superior conforme a energia da queda é convertida em trabalho de deformação da peça de trabalho. Uma vez que a energia foi convertida em deformação, a movimentação da matriz cessa. A utilização de matrizes com cavidades múltiplas é freqüente na indústria.

A potência dos martelos para forjamento é dada pela gravidade, vapor e ar. A figura 1 apresenta um típico forjado produzido em um martelo. As características observadas neste forjado são: produção de múltiplas partes em uma única peça de trabalho, uma quantidade significativa de rebarba e um tamanho relativamente modesto do componente forjado. A figura 2 apresenta de forma esquemática um martelo para forjamento. A massa cadente e a bigorna são os dois componentes que suportam as matrizes superior e inferior. O cilindro de força contém um pistão, que é utilizado para erguer a massa cadente até uma altura específica. O cilindro de força pode ser utilizado para fornecer energia extra para o processo de forjamento através do vapor ou do ar. Uma biela conecta o pistão com a massa cadente. A Física do Martelo para Forjamento Em um martelo para forjamento a energia mecânica é utilizada

Figura 1 – Típico forjado a quente produzido em um martelo. Os três componentes são produzidos em uma única peça de trabalho. À direita é mostrado um dos forjados no estado final, após retirada da rebarba.

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Pistão

Cilindro de potência Biela

g Massa cadente

a. Bigorna Figura 2 – Visão esquemática de um martelo para forjamento.

para erguer a massa cadente. A figura 3a ilustra este processo de levantamento da massa cadente. Quando a massa cadente é levantada, toda a energia, que eventualmente pode ser utilizada para a deformação da peça de trabalho, é armazenada na forma de energia potencial. Para um martelo de queda livre, a energia potencial é igual à massa (m) vezes a altura da queda (H) vezes a aceleração da gravidade (g). A figura 3b ilustra estas diversas variáveis, que contribuem para a energia potencial. Para um martelo de dupla ação, a energia potencial é igual à massa vezes a altura da queda vezes a aceleração da gravidade mais a pressão no pistão (p) vezes a área do pistão (A) vezes a distância (H). Deve-se notar que “p” em um martelo de dupla ação é sempre menor que a pressão fornecida. O valor exato depende do projeto do martelo, do tamanho da tubulação do fluido, de qualquer contrapressão na linha de exaustão e da aceleração do pistão, mas geralmente situa-se na faixa de 40-50% da pressão fornecida. Quando a massa cadente cai, a energia potencial é convertida em energia cinética. Quando a massa cadente entra em contato com a peça de trabalho, toda a energia é cinética e equivale a metade da massa vezes a velocidade ao quadrado (1/2mv2). A energia cinética da massa cadente é convertida em trabalho de deformação na peça de trabalho bem como em deformação elástica dos componentes do martelo. Operação Simulada A figura 4 apresenta a simulação de um forjamento com martelo de uma única cavidade. A velocidade da massa cadente e a carga de forjamento são mostradas em cada ponto do processo. A simulação é para um processo com cinco golpes. A velocidade da massa cadente atinge o máximo no ponto de contato com a peça de trabalho. A massa cadente rapidamente desacelera conforme a energia cinética é transformada em trabalho de deformação. Assim como mostrado na figura 4, são necessários vários golpes para que a cavidade seja totalmente preenchida e produza o forjado. Note que a maior carga de forjamento é aplicada no último golpe para a impressão acabadora. A figura 5 mostra a simulação de um forjamento em matriz com múltiplas cavidades. Nesta simulação foram realizados dois golpes na primeira cavidade (o cilindro), quatro golpes na segunda cavidade (a pré-conformação), três golpes na cavidade do forjamento bruto e finalmente um único golpe na cavidade acabadora. Note que as duas cavidades de pré-conformação estão localizadas próximas às extre-

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Figura 3 – A energia associada com um martelo está inicialmente na forma de energia potencial conforme a massa cadente é erguida como mostrado em (a). Quando solta-se a massa cadente, a energia potencial, que é igual a mHg, é convertida em energia cinética, como mostrado em (b). Em um martelo de dupla ação a energia pode aumentar por pAH. Quando a massa cadente bate na peça de trabalho, a energia cinética é convertida em trabalho de deformação e deformação elástica do equipamento.

midades da matriz e que as duas cavidades finais estão no centro. Esta configuração deve-se às cargas de forjamento para as operações de pré-conformação serem muito menores do que as cargas necessárias nas cavidades finais. Esta distribuição das cavidades no bloco da matriz faz com que esta seja menos suscetível a fraturas catastróficas por sobrecarga. Outras características e efeitos do martelo Dissipação da Energia Elástica A energia elástica é dissipada na massa cadente, bigorna e matrizes. Esta energia não é recuperável para realização de novos trabalhos e então é perdida como ineficiência. Pequenas cargas de forjamento em relação ao tamanho do equipamento resultam pequenas perdas de energia – alta eficiência. Esta condição combina a alta eficiência observada nas matrizes de forjamento, operações de recalque e estiramento. Elevadas cargas de forjamento resultam em grande

Vantagens e Limitações do Forjamento com Martelos Vantagens • O tempo de contato matriz/peça é menor do que para outros equipamentos, o que causa menor resfriamento da peça de trabalho. • O controle da espessura é muito bom, já que a espessura é uma conseqüência direta do projeto da matriz. • Martelos pequenos podem gerar forças relativamente grandes. • Partes finas podem ser forjadas em martelos. • A espessura das linhas de rebarba do produto forjado com martelo é relativamente pequena, o que reduz a carga de cisalhamento necessária na prensa para retirada da rebarba. • A pré-conformação pode ser feita na matriz em forjamento com martelos, enquanto outros equipamentos de forjamento requerem que a pré-conformação seja feita fora da prensa. Limitações dos Martelos • Eles não são usados para extrusões longas. • As matrizes para martelo não têm ejetores, assim pequenos ângulos de conicidade não são facilmente acomodados. • A automação da operação de um martelo não é tipicamente prática. • A operação de um martelo é normalmente uma operação 100% manual para a movimentação da peça de trabalho para dentro e para fora das matrizes bem como entre as cavidades das matrizes.

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velocidade da massa Cadente

carga de forjamento

Figura 4 – Simulação de um forjamento múltiplo em martelo: (a) após o segundo golpe; (b) após o terceiro golpe; (c) após o quarto golpe; e (d) após o quinto e último golpe. Note que a carga de forjamento aumenta a cada golpe subsequente, mas que a distância de movimentação da massa cadente durante a deformação da peça de trabalho é menor. A energia é a mesma para cada golpe.

perda de energia – baixa eficiência. Estas condições de baixa eficiência são observadas em grandes operações acabadoras, peças de trabalho frias ou materiais com alta resistência ao escoamento (p.e. aço inoxidável). Carregamento fora de centro e deflexão da biela também podem resultar em menor eficiência. Controles Programáveis dos Martelos Controles programáveis de martelo podem ser usados para controlar a energia passada para a peça de trabalho. A velocidade de impacto – energia – é controlada por meio de um temporizador do controle de válvulas. A desaceleração durante o forjamento é controlada pela peça de trabalho, material, temperatura, projeto da matriz e condições do processo. A taxa do golpe também pode ser controlada em modernos martelos programáveis. Para estes martelos programáveis, deve-se notar que a posição inferior da massa cadente é fixada devido ao projeto da matriz; da mesma forma, a espessura do forjado é determinada pelo projeto da matriz. Martelos controlados manualmente Em martelos manuais, a velocidade de impacto é controlada por meio da altura da queda em gravidade dos martelos e pelo controle do operador concatenado nos martelos a vapor. A taxa dos golpes é relativamente fixa em máquinas manuais e está relacionada com a altura da queda ou com a regulagem do ar ou da

Cilindro

Cavidade Acabadora

Forjamento bruto

Pré-conformação

Figura 5 – Simulação de um forjamento com martelo em múltiplas cavidades. Foram realizados vários golpes em cada uma das cavidades.

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pressão do vapor em um martelo de dupla ação. Defeitos potenciais em forjados com martelo Se o martelo não é operado de forma correta há um potencial para a ocorrência de defeitos de forjamento. O desalinhamento entre a parte superior e a parte inferior da matriz produzirá forjados defeituosos. Podem ocorrer forjados cônicos se o fechamento da matriz for irregular. Apesar da espessura do forjado ser resultado direto do projeto da matriz, pode haver algum controle da espessura final devido a variabilidades no processo. O forjamento com martelo pode produzir trincas internas. Devido às altas taxas de deformação no forjamento com martelo, podem ocorrer dobras com mais freqüência. Outros defeitos relacionados com a alta taxa de deformação podem também ocorrer no forjamento com martelo. Sumário Martelos de forjamento são peças versáteis do equipamento utilizado na produção de uma ampla variedade de forjados. Eles são baseados em energia, assim monitorar a energia durante cada passo da operação é a chave para entender o seu funcionamento. Os martelos operam em altas velocidades, porém com o mínimo tempo de contato entre a peça de trabalho e as matrizes. A maioria das matrizes de forjamento para martelos apresentam múltiplas cavidades e requerem múltiplos golpes para produzir o forjado. Apesar da existência dos martelos programáveis que podem controlar a energia de um golpe, o movimento manual da peça para dentro e para fora das matrizes e entre as cavidades é o modo normal de operação. Charles J. Crout, P.E. é presidente da Ajax Manufacturing Company (DBA Ajax-CECO), Cleveland, Ohio. Ele pode ser contatado através do telefone (+1-216-531-1010) ou do email ccrout@park-ohio. com. Dr.Chet Van Tyne é FIERP professor do Departamento de Engenharia Metalúrgica, Colorado School of Mines, Golden, Colo. Ele pode ser contatado através do telefone (+1-303-273-3793) ou do email cvantyne@mines.edu. John Walters é vice-presidente da Scientific Forming Technologies Corporation, Columbus, Ohio. Ele pode ser contatado através do telefone (+1-614-451-8330) ou do e-mail jwalters@deform.com.

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SENAFOR 2009

Revista oficial

FORGE passa a ser a revista oficial do SENAFOR

ciclo de palestras SENAFOR, conferencia dedicada ao forjamento e a conformação de chapas, chega este ano à sua 29a edição como o maior evento do setor de forjaria no Brasil. A conferencia é realizada anualmente pelo CBCM – Centro Brasileiro de Inovação em Conformação de Chapas em conjunto com o Centro de Tecnologia da UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul e em cooperação com o SINDIFORJA – Sindicato Nacional da Forjaria. Como explica o Professor Doutor Lirio Schaefer, presidente da comissão organizadora, “o SENAFOR é o momento de encontro entre as fábricas produtoras de peças e componentes, os fornecedores de matéria prima, fabricantes de equipamentos, a área de prestação de serviços e as universidades que desenvolvem tecnologia e formam recursos humanos.” A próxima edição está prevista para acontecer em Porto Alegre, de 14 a 16 de Outubro de 2009. A S+F Editora Ltda, que edita no Brasil as revistas FORGE e INDUSTRIAL HEATING MAGAZINE, fechou uma parceria neste inicio de ano com a comissão organizadora do SENAFOR, para tornar a FORGE a revista oficial do evento. A FORGE passa a trazer aos seus leitores a programação do SENAFOR na sua edição de Setembro, que será distribuída em 10

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Outubro, por correio em mala direta e também aos participantes do evento. Na edição seguinte será apresentado uma completa reportagem sobre a realização do SENAFOR, dentro de um caderno especial sobre o evento. Também dentro desta parceria foi confirmada a inclusão na edição brasileira da revista de trabalhos apresentados no SENAFOR, sendo que já neste número estamos trazendo o excelente artigo “O forjamento a frio como processo alternativo para peças e componentes fabricados por usinagem”. Este trabalho é de autoria de Cesar Leandro Konrath, Jackson Ferreira Dal Comuni e Rafael Gomes König, e foi apresentado no último SENAFOR, em Outubro de 2008. Para os anunciantes da revista e do evento é oferecida a possibilidade de inclusão de anúncios no caderno SENAFOR, que serão acompanhado de texto explicativo da linha de produtos e área de atuação e demais dados da empresa, como bonificação especial.

Revista oficial

SENAFOR 2009

CHAMADA PARA TRABALHOS:

PATROCÍNIO:

A Fundação Luiz Englert, com a cooperação do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) e do Sindiforja, estará promovendo em Porto Alegre, RS, nos dias 14,15 e 16 de Outubro de 2009, o 29° SENAFOR – 13ª Conferência Internacional de Forjamento e a 12ª Conferência Nacional de Conformação de Chapas. O evento tem como principal objetivo promover o debate sobre as mais novas tecnologias de forjamento e de estampagem. Contará com a presença de renomados pesquisadores especialmente convidados pela Comissão Organizadora. Haverá um "show room" com mostra de produtos e serviços.

PATROCINADOR OURO - COMPREENDE: • Divulgação da logomarca em todas as publicações do evento; • Um stand de 4m² com balcão expositor, logomarca institucional e do produto, duas cadeiras; • Uma página nos anais do 29° SENAFOR (confeccionada pela patrocinadora e encaminhada em arquivo coreldraw, pronto para impressão); • Divulgação de informações sobre a empresa nos boletins técnicos informativos do LdTM/UFRGS; • 10 inscrições cortesia para a empresa distribuir aos seus clientes ou funcionários; • Fornecimento da relação de participantes das conferências (sob solicitação) Custo: R$ 9.000,00 (nove mil reais) até 31 de julho de 2009. Após essa data: R$ 10.500,00 (dez mil e quinhentos reais).

PRAZOS IMPORTANTES: • 30/04/09 -sugestões sobre temas de interesse da indústria e sugestões de possíveis especialistas em Forjamento e em Conformação de Chapas que poderão ser convidados • 30/05/09 - Inscrição de trabalho (incluindo o resumo de no máximo 3.000 caracteres) • 20/06/09 - Resposta sobre aceitação para apresentação do trabalho • 30/08/09 - Recebimento dos originais (imprescindível para a publicação nos Anais)

PATROCINADOR PRATA - COMPREENDE: • Divulgação da logomarca em todas as publicações do evento; • Um stand de 4m² - montagem básica; • 5 inscrições cortesia para a empresa distribuir aos seus clientes ou funcionários; • Fornecimento da relação de participantes das conferências (sob solicitação) Custo: R$ 6.000,00 (seis mil reais) até 31 de julho de 2009. Após essa data: R$ 7.500,00 (sete mil e quinhentos reais).

PREPARO DOS ORIGINAIS: • Arquivo digitado em Word ou power-point; • Figuras e fotos deverão ser digitalizadas com resolução para impressão (não serão aceitas colagens); • Texto completo incluindo figuras e fotos com no máximo 15 páginas (configuração A4) , sem numeração; • O arquivo deverá ser encaminhado por e-mail, configurado para impressão; • O nome do APRESENTADOR deverá ser informado na ficha de inscrição; caso haja alteração, informar com antecedência à coordenação do evento; • Serão aceitos trabalhos em português, inglês e espanhol.

PATROCINADOR BRONZE – COMPREENDE: • Divulgação em todas as publicações; • Um stand de 4m² - montagem básica; • 2 inscrições cortesia para a empresa distribuir aos seus clientes ou funcionários; Custo: R$ 3.000,00 (três mil reais) até 31 de julho de 2009. Após essa data: R$ 4.000,00 (quatro mil reais). Para mais informações, entre em contato através do telefone (51) 3342-4316 ou do email senafor2009@terra.com.br.

Janeiro 2009

Uma visão mais próxima dos lubrificantes para forjamento Empresas que compram lubrificantes para forjamento baseadas somente no preço destes podem estar perdendo a oportunidade de reduzir custos e produzir produtos finais melhores. A seleção e formulação de lubrificantes são freqüentemente tão únicas quanto a variação dos parâmetros de forjamento nas empresas que os utilizam.

reqüentemente, a frase “não perca a floresta para as árvores” é aplicada na seleção e compra de lubrificantes para forjamento. Isso ocorre quando somente o preço é o fator determinante para a compra de um dado produto. Em uma forjaria típica o custo dos lubrificantes situa-se em geral abaixo de 2% do custo do produto final (figura 1). Entretanto, o uso de lubrificantes afeta 100% dos custos de produção incluindo: quantidade de sucata, taxas de produção, vida útil das matrizes, manutenção e limpeza, otimização do tamanho das peças de trabalho e até mesmo custos associados com o moral dos operadores. Companhias com melhor visão do mercado têm observado que o uso de lubrificantes com maior valor agregado é facilmente justificável quando todos os componentes do custo de forjamento são considerados. O desafio encontra-se no diálogo entre o forjador e o fornecedor de lubrificantes quando estabelecem o objetivo: reduzir o custo total operacional de produção de cada peça final. Atualmente, significantes restrições foram impostas às companhias pelos usuários finais. O reconhecimento de cada forjador é único – e constantemente se altera – método de manufatura que levou a equipe da Dylon a desenvolver mais de 300 diferentes tipos de componentes forjados. Nós acreditamos que um claro entendimento da tecnologia dos lubrificantes disponíveis no mercado, pelos forjadores, os ajudará a selecionar o melhor produto para os seus processos. Lubrificantes à base de óleo Os tempos são de mudanças. Anos atrás, existia uma grande chance de que pelos menos uma, se não todas, as partes de uma forjaria utilizassem lubrificantes para forjamento à base de óleo. 12

Janeiro 2009

Jeff Zdilla e David Poole Dylon Industries, Cleveland, Ohio, EUA

De fato, numerosas companhias ainda continuam utilizando lubrificantes para forjamento à base de óleo. A crença de que estes lubrificantes estão no limite do espectro da tecnologia é embasada no fato de que muitos forjadores ainda utilizam os mesmos produtos há muitos anos. Infelizmente, as companhias que exploram esta tática estão perdendo os novos desenvolvimentos no campo dos lubrificantes à base de óleo. Tão recente quanto há dois anos atrás, diversos aditivos encontrados nos lubrificantes à base de óleo atuais não eram utilizados pelas indústrias de forjamento. Uma análise histórica dos lubrificantes para forjamento revela o uso insuficiente de aditivos disponíveis no mercado tais como: anti-desgaste, modificadores das condições de atrito, pó de grafite e grandes moléculas poliméricas (figura 2). A incorporação destas matérias primas tem alterado significantemente o desempenho dos lubrificantes à base de óleo para operações de forjamento. Indústrias que utilizam martelos para forjamento têm sido capazes de reduzir drasticamente o número de golpes necessários para o forjamento de peças para 2% Lubrificante 18% Mão de Obra 26% Custos não associados com a Mão de Obra

Figura 1.

54% Metal

aplicações aeroespaciais e forjamentos de peças grandes. Forjadores que utilizam prensas mecânicas têm sido capazes de consolidar o número de etapas de forjamento necessárias para o forjamento das peças. Prensas hidráulicas têm movimentado peças de trabalho mais facilmente do que nunca. Desenvolvimentos no campo de refino de petróleo e de óleos naturais têm conduzido a obtenção de produtos com significante redução da inflamabilidade e da fumaça. A incorporação de novos aditivos e de grafite finamente moído reduziram a quantidade de lubrificantes necessários aos processos de forjamento. Tais desenvolvimentos conduziram a menores impactos ambientais gerados pelas forjarias. Com o aumento do número de restrições impostas pelas indústrias aeroespaciais sobre os lubrificantes para forjamento, os dias de “apadrinhamento” dos lubrificantes à base de óleo estão sendo reduzidos lentamente. É muito provável que os lubrificantes à base de óleo tenham especificações mais complexas (como tem sido verificado nos laboratórios independentes) em relação as suas composições químicas, que podem incluir até 35 componentes. Apesar disso, os fabricantes de lubrificantes para forjamento têm desenvolvido de forma pró-ativa produtos específicos para esta demanda de mercado.

4400 4000

3000

2000 1500 cm-1

1000

400

Análise por Radiação Infravermelha de lubrificantes à base de óleo Figura 2: A simplicidade da curva superior mostra um lubrificante com formulação simples em contraste com a curva inferior que mostra um lubrificante com fórmula química mais complexa.

Lubrificantes à base de grafite Os lubrificantes à base de grafite são realmente constituídos somente por grafite e água? A resposta é não. Os termos: ligantes, agentes de molhabilidade, promotores de adesão e modificadores de atrito são familiares a qualquer forjador que leia as especificações técnicas dos fabricantes de lubrificantes. Numerosas patentes têm sido depositadas através dos anos e têm apresentado o uso de boratos, silicatos, fosfatos inorgânicos e argilas como aditivos comumente encontrados nos lubrificantes para forjamento. Embora estes componentes ainda estejam sendo comumente utilizados, tem sido observada a tendência ao uso de aditivos orgânicos. Aditivos baseados em bio-polímeros e ésteres têm sido utilizados com maior freqüência entre os forjadores em um grande número de aplicações. A tendência a forjados com maior complexidade tem forçado os fabricantes de lubrificantes a reformular a química dos lubrificantes, dando ênfase a redução da aplicação de lubrificantes em partes mais complexas das matrizes de forjamento. O aumento da utilização de aditivos orgânicos tem conduzido ao desenvolvimento de formulações semi-sintéticas. Estas formulações consistem em quantidades significantes de compostos orgânicos complexos fortificados com pequenas quantidades de grafite. Os compostos orgânicos complexos em materiais semisintéticos provêm as características dos ligantes e de adesão que os compostos inorgânicos proviam no passado. Devido à pequena da estabilidade térmica dos compostos orgânicos complexos, concentrações significantemente grandes destes aditivos podem ser incorporadas sem as dificuldades relacionadas com a agressão dos processos para retirada destes lubrificantes das peças. Companhias têm conseguido elevar os desempenhos utilizando os lubrificantes semi-sintéticos em comparação com os lubrificantes tradicionais à base de grafite no que diz respeito especificamente à vida útil das matrizes para forjamento.

Lubrificante aplicado à matriz de forjamento

Separação física entre a peça de trabalho e a matriz (lubrificação por filme sólido)

Lubrificante sofre uma transformação de fase do estado sólido para o estado líquido (lubrificação hidrodinâmica)

O lubrificante se decompõe do estado líquido, produzindo gases (lubrificação por barreira de vapor)

Óxidos e outros compostos complexos são produzidos a partir do lubrificante (lubrificação por camada fina de lubrificante)

Figura 3: Seqüência do mecanismo de lubrificação de um lubrificante sintético para forjamento

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Janeiro 2009

Adicionalmente, nem todos os tipos de grafite são igualmente desenvolvidos. Três tipos de grafite são mais comumente encontrados nos lubrificantes para forjamento: o grafite em flocos natural, o grafite amorfo e o grafite sintético. Uma extensa literatura está disponível sobre a ótima correlação entre o escoamento do metal de trabalho e o grafite em flocos natural. Esta ótima correlação deve-se à estrutura de placas dos flocos de grafite que foram desenvolvidas ao longo dos milhões de anos durante o processo de formação do grafite. O grafite amorfo, outra forma de ocorrência natural do grafite, apresenta pedaços da estrutura de placas e contém grandes quantidades de impurezas, comumente referidas como cinzas. O grafite amorfo é utilizado como uma commoditie de baixo custo quando a seleção dos lubrificantes tem sua força motriz baseada no custo. Quando o custo total de manufatura é corretamente calculado, raramente o uso de lubrificantes à base de grafite amorfo é a escolha mais indicada. O grafite sintético é obtido artificialmente e apresenta propriedades próximas em relação à forma e estrutura as do grafite natural. As duas características mais proeminentes do grafite sintético são a sua pureza e a sua grande habilidade de redução significante do tamanho final das partículas. As Indústrias Dylon são uma de poucas companhias que possuem equipamentos para produzir por via mecânica e química grafite com tamanho de partículas da ordem de sub-mícrons para uso em lubrificantes para forjamento. Comumente conhecido nas forjarias pelo termo “grafite coloidal”, este material possui a característica de prover grandes melhorias nos detalhes de peças finais, sendo efetivo na superfície

das matrizes até cerca de 370°C e é freqüentemente encontrado em operações de matrizes que trabalham alagadas. Desenvolvimentos na melhoria dos equipamentos de redução do tamanho de partículas, ao longo dos anos, tem tornado o processo de obtenção de “grafite coloidal” economicamente viável e mais atraente aos forjadores. Pesquisas e desenvolvimentos recentes nas interfaces entre as partículas sub-micrométricas de grafite e sítios de deposição destas, aditivos químicos e melhorias nas superfícies das matrizes têm conduzido ao desenvolvimento de lubrificantes à base de grafite mais eficientes para o forjamento. Lubrificantes Sintéticos Você está esquecendo-se de algo? Isso depende. Se seus objetivos são limpar sua forjaria, elevar o moral dos forjadores, prover um ambiente de trabalho mais seguro e reduzir significantemente o custo de manufatura, a resposta a esta pergunta definitivamente é “sim”. Para obter estes benefícios, entretanto, é necessário trabalhar com uma curva de aprendizado em conjunto com o fornecedor de lubrificantes e é essencial rever o processo de produção. Em nossa companhia, os engenheiros de vendas rotineiramente fazem isso com os forjadores. Diferentemente do grafite, cujas propriedades advêm da lubrificação em estado sólido, os lubrificantes sintéticos utilizam mecanismos mais complexos para lubrificação e proteção das matrizes em processos seqüenciais (figura 3). De modo a poder utilizar estes materiais, as companhias precisam freqüentemente investir na modificação dos processos produtivos. Normalmente as necessidades são pequenas: diferentes métodos de borrifamento,

...TUDO SOBRE A DYLON As indústrias Dylon, situadas em Cleveland, Ohio, EUA, são as pioneiras no desenvolvimento de lubrificantes para forjamento desde a sua fundação em 1967. A companhia fabrica e vende lubrificantes para forjarias situadas na América do Norte, América do Sul, Europa e Ásia, vendendo em mais de 40 países ao redor do mundo. Embora muitas companhias forneçam lubrificantes no mercado, a Dylon se diferencia pelo seu foco na pesquisa e desenvolvimento para o mercado de forjamento, orgulhosa por possuir o maior número de pesquisadores devotados ao desenvolvimento de lubrificantes nos EUA. O mote da companhia – A Tecnologia de Amanhã Hoje – tem servido como a base para a sua filosofia operacional ao longo dos anos. A especialidade da companhia é o desenvolvimento de produtos para aplicações específicas, gerando maiores valores para seus clientes. Os lubrificantes para forjamento são desenvolvidos com base em parâmetros específicos para cada fábrica e, em alguns casos, para uma única prensa. A Dylon Lubrificant Technologies – divisão das Indústrias Dylon – tem também desenvolvido uma linha completa de produtos para manutenção projetados especificamente para a indústria de forjamento. Desde o dia que abriu as suas portas, a Dylon tomou a decisão estratégica de focar seus recursos nos lubrificantes para

forjamento e evitar o negócio de equipamentos de aplicação. Dado ao grande número de fornecedores de equipamentos de aplicação para as indústrias, a Dylon acredita que os forjadores obtém melhores resultados com fornecedores de lubrificante especializados através de consultorias direcionadas à resolução dos problemas. Assim, com uma opinião imparcial sobre lubrificação, os melhores resultados podem ser obtidos. O método de trabalho da companhia com as forjarias é feito por meio de uma aproximação baseada na avaliação das necessidades. Mais do que produzir e distribuir uma lista de produtos estocados, a Dylon conta com engenheiros de venda que estão sempre prontos para entender o processo de produção do cliente e ajudar na identificação e solução dos problemas. Um conjunto de escritórios de vendas está distribuído no mundo para ajudar a melhorar as práticas de lubrificação na indústria de forjados.

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ajustes nas taxas de lubrificante e de ar, aquecimento ou resfriamento das matrizes, concentrações diferentes, modificação nos tempos de borrifamento, etc. Se a mentalidade do forjador for de que “nada pode ser alterado no processo”, as chances de se alterar de um lubrificante à base de grafite para um sintético são significantemente reduzidas. Sobre a instalação de um sistema para lubrificantes sintéticos,

Químicos e equipamentos laboratoriais da Dylon ajudam seus clientes a determinar a melhor lubrificação para as suas aplicações bem como ajudam na formulação de novos produtos lubrificantes.

quais são as expectativas razoáveis? Para começar, o ambiente de trabalho ficará mais limpo e o moral dos trabalhadores será elevado. A transformação da sua fábrica de escura, com instalações sujas para um limpo, moderno e atualizado sítio de produção será iniciada. Os operadores de prensas e os empregados da limpeza não deixarão o trabalho com o pó de grafite sob as unhas de seus dedos e a comum camada preta nos narizes após respirar o ar sujo. As finas camadas de pó de grafite sobre equipamentos que é freqüentemente associada a problemas de saúde nas forjarias dará lugar a limpeza e a ambientes de trabalho mais amigáveis. Em geral, são freqüentes as barreiras ao investimento para se melhorar a limpeza do ambiente de trabalho, mais isso pode ser feito. Os custos de manufatura são outro problema. As companhias que se converteram ao uso dos lubrificantes sintéticos, e que têm trabalhado com a curva de aprendizado, normalmente observam um significante aumento da vida útil das matrizes para forjamento. Independente do lubrificante sob avaliação, os materiais sintéticos quando devidamente designados para o processo de produção podem gerar um aumento da vida útil das matrizes entre 15% e 30%. Outra economia associada com o uso de lubrificantes sintéticos é a redução da quantidade de rejeitos e a redução dos custos de tratamento dos rejeitos. Os lubrificantes sintéticos modernos são extremamente solúveis em água, permitindo a retirada e a reciclagem do lubrificante de forjamento. É através da reciclagem dos lubrificantes sintéticos que as companhias conseguem significantes reduções nos custos e obtém economias exponenciais na linha de produção. O processo é quase direto, porém muito específico. A boa notícia é que a reciclagem freqüentemente utiliza 16

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os equipamentos que já estão comumente disponíveis ao forjador. Nós aconselhamos nossos clientes a não acreditar no mito de que somente as peças simples podem ser manufaturadas com lubrificantes sintéticos. Ao redor do mundo, diversas companhias estão produzindo uma ampla gama de produtos com lubrificantes sintéticos: pinhões, virabrequins, engrenagens, bulbos, conectores de bielas, cubos de rodas, pás de turbinas, tubos e pistões são alguns dos exemplos. A verdade é que a conversão para lubrificantes sintéticos é provavelmente uma das formas mais efetivas de uma companhia conseguir alterar o custo global de produção. Que lubrificante eu devo utilizar? É muito triste que esta questão não apresente uma resposta simples. Infelizmente, qualquer resposta simples somente conduz a muitas outras perguntas. Eu posso reduzir a insalubridade de minha companhia com a conversão de lubrificantes à base de óleo para os à base de água? Existem leis que me conduzam a não utilizar mais lubrificantes à base de óleo completamente? Existem lubrificantes à base de óleo que ajudem a reduzir os problemas de forjamento das partes complexas de peças, que em geral são muito trabalhosas? Podemos justificar o custo pelo valor agregado do lubrificante à base de grafite em relação à commoditie oferecida e, mais importante, vender esta idéia na nossa organização? A cultura da companhia permite que seja feita a conversão para lubrificantes sintéticos? Os custos associados com o uso de lubrificantes para forjamento estão plenamente entendidos? Existe suporte técnico adequado do fornecedor? O fornecedor nos apóia no desenvolvimento de projetos de melhoria contínua? Estas são apenas algumas das perguntas que as companhias devem se fazer quando estiverem escolhendo lubrificantes para forjamento. O melhor conselho que pode ser dado para a escolha do produto adequado é, novamente, “não perca a floresta para as árvores”. Apesar de sua visão pessoal sobre os lubrificantes para forjamento, as companhias que entendem os reais custos associados com a produção escolhem lubrificantes que podem afetar significativamente a linha de produção. A indústria é afortunada por possuir um número respeitoso de fornecedores de lubrificantes para forjamento que serão mais que felizes em ajudar na melhoria de seu processo de produção. O autor Jeff Zdilla é diretor de operações da Dylon, e o autor David Poole é pesquisador em química. Para informações adicionais, favor contatar Jeff Zdilla através do telefone (+1) 216-651-1300, x127; e-mail: jzdilla@dylon.com

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Técnicas de Modificação de Superfície para Matrizes de Forjamento O tratamento de superfícies de matrizes para forjamento em prensas para elevar suas performances é uma técnica que tem sido praticada há muitos anos. Diversos métodos de tratamento de superfície têm sido tentados com os mais variados graus de sucesso. Aqui, nós fazemos uma revisão sobre os métodos de modificação de superfície disponíveis para as indústrias de forjamento e as técnicas são correlacionadas em uma tabela. Além disso, tecnologias que ainda não estão sendo completamente utilizadas pelos forjadores e pela indústria de matrizes são avaliadas.

s indústrias de forjamento têm procurado e testado diversas técnicas metalúrgicas para a melhoria de superfícies tanto para o aumento da longevidade das matrizes quanto para o aumento da produtividade das prensas. A técnica metalúrgica mais comumente utilizada para o processamento de superfícies é a nitretação, aplicada em suas diferentes formas. Este processo tem, até agora, se mostrado o mais viável e tem sido o mais aceito comercialmente. Este método é popular devido a baixa temperatura de processamento e de não haver a necessidade de têmpera e, portanto, reduz o risco de distorção em peças com formas e secções complexas. Modernamenteexistem dois métodos de nitretação de matrizes de forjamento: nitretação a gás (que inclui a nitretação de precisão e a nitretação superficial) e nitretação a plasma (que inclui a contínua DC, pulsada DC e a nitretação ativa de blindagem). Uma comparação entre os diversos processos metalúrgicos de nitretação e as superfícies resultantes é apresentada na tabela 1.

David Pye Pye Metallurgical Consulting

AVALIAÇÃO DOS PROCESSOS DE NITRETAÇÃO Nitretação a Gás A metalurgia do processo de nitretação a gás ou em banho de sal é consistente com a química do meio que está sendo utilizado. A nitretação a gás, por exemplo, usa amônia anidro, a qual tem composição fixada em uma parte de nitrogênio para três partes de hidrogênio. Isto sugere que a química fixa do gás dará lugar à metalurgia de superfície fixa. O único modo que a metalurgia da superfície pode ser alterada é através da diluição ou adição ao gás do processo de gases como nitrogênio ou hidrogênio suplementares. De modo a entender o significado disso, veja a figura 1. Ela mostra a camada formada em um aço nitretado por gás convencional. A zona composta (chamada também de camada branca) consiste de duas fases metálicas, a fase gama linha (γ) e a fase épsilon (ε). A mistura destas fases é o resultado direto da relação hidrogênio/nitrogênio (3:1) do gás do processo. Se esta relação é alterada, então a metalurgia da superfície também será alterada. A fase gama linha, na zona composta (ou camada branca) é uma fase dúctil que possui dureza da ordem de ±800VPN. A fase épsilon na zona composta é uma fase frágil, muito dura e com pequena resistên-

Tabela 1: Comparação geral dos processos de nitretação Método

Tipo de forno

Meio de tratamento

Temperatura

Tempo (h)

Camada de ligação

Camada de difusão

Nitretação a gás

Atmosfera gasosa

Amônia anidra

510-571°C

10-90

Fe4 + Fe2-3N(Fe2-3N)

Nitretos (carbonitretos)

Leito fluidizado

Forno de leito fluidizado

Amônia anidra

510-571°C

0,1 a 90

Fe4 + Fe2-3N(Fe2-3N)

Nitretos (carbonitretos)

Nitretação sob pressão

Tanque de pressão

Amônia anidra

510-571°C

10 a 90

Fe4N + Fe2-3N(Fe2-3N)

Nitretos, carbonitretos

Nitretação em pó

Cadinho metálico apropriado

Cianoamida de cálcio + aditivos

538-571°C

3 a 30

Fe2-3N

Carbonitretos

Nitretação em banho de sal

Revestido de titânio ou com titânio sólido

Sais de cianetos

510-571°C

0,1 a 4

Fe2-3N(Fe2-3N)

Carbonitretos

Nitretação iônica à plasma

Forno à vácuo

Hidrogênio + nitrogênio + metano

426-571°C

0,1 a 30

Fe4N + Fe2-3N(Fe2-3N) (livre de fases misturadas)

Nitretos, carbonitretos (fora dos contornos de grão)

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cia ao impacto. Esta fase, entretanto, apresenta uma boa resistência à abrasão. As duas fases combinadas elevarão a vida útil de uma matriz de forjamento. Existe, no entanto, uma complementação entre as fases metálicas formadas onde a fase gama linha irá melhorar a resistência ao desgaste e a fase épsilon a resistência ao impacto. Outro fator que contribui para a formação da fase épsilon é o teor de carbono do aço que está sendo tratado. Aços de alto e médio carbono irão contribuir para a formação da fase épsilon na zona composta, enquanto que aços de baixo carbono contribuem para a formação da fase gama linha. Assim, os aços com teores de carbono médios a altos serão mais resistentes ao desgaste, enquanto que os aços de baixo teor de carbono serão mais resistentes ao impacto.

de reação inteira deve ser mantida em temperatura alta o suficiente para decompor a amônia. Isto leva algum tempo. Conseqüentemente, o tempo dos ciclos do processo de nitretação iônica, os quais podem se iniciar quase que imediatamente, são mais rápidos que os ciclos de nitretação convencional. Além disso, os gases de processo podem ser variados tanto quanto o necessário para atingir a superfície metalúrgica ótima requerida para o melhor desempenho do aço. Na nitretação iônica, a superfície do aço é preparada de uma maneira completamente diferente da requerida pela nitretação convencional. A superfície é limpa por bombardeamento iônico, enquanto que a convencional é desengraxada. Uma analogia simples da limpeza por bombardeamento iônico seria o bombardeamento de pequenas esferas de aço contra uma superfície. Ao invés de utilizar esferas de aço para bombardear a superfície para limpá-la, a superfície da peça é limpa pelo bombardeamento de íons de hidrogênio, o que é mais eficiente do que o desengraxamento convencional.

Nitretação Iônica O processo de nitretação iônica é governado pelas mesmas leis da difusão dos processos de nitretação a gás convencional. Isto é, o processo a vácuo utiliza eletricidade e gás nitrogênio para gerar difusão na matriz de forjamento. Entretanto, o tempo de reação superficial do processo de nitretação iônica é consideravelmente mais rápido que o da nitretação convencional (a superfície atua como catalisador e reduz o tempo de reação) porque no processo de nitretação a gás a câmara

TECNOLOGIAS EMERGENTES As tecnologias emergentes são usualmente métodos de deposição de revestimentos na superfície do aço com materiais mais duros que o aço. Estas são conhecidas como técnicas de revestimentos de superfí-

Tabela 2: Comparação entre a parede quente e a parede fria no processo de nitretação iônica à plasma Questão

Parede Fria

Parede Quente

Em que temperatura o plasma é iniciado?

Temperatura ambiente

Em temperatura razoavelmente elevada, geralmente em torno de 205°C.

Porque o plasma é iniciado nestas temperaturas?

A parede fria utiliza um sistema DC constante que requere que a geração do plasma esteja em torno de 600-800 volts. Isto significa que existe um sério risco de dano mecânico e metalúrgico à superfície de trabalho por se trabalhar muito próximo à região da descarga do arco voltaico.

O sistema de parede quente utiliza uma condição de pressão parcial usando nitrogênio e hidrogênio como condutância do gás de processo. A retorta de vácuo é aquecida somente por aquecedores externos e não pela tensão do plasma. Isto significa que a tensão de entrada não é elevada (400-500 volts) e está longe da região de descarga do arco voltaico.

Porque existe diferença na tensão de geração do plasma?

Para gerar a corrente necessária para garantir que o calor seja suficiente para aquecer a peça. A potência geral é da ordem de 1A/ft² ou 10A/m² na pressão parcial de trabalho.

Devido a peça já estar pré-aquecida, a potência de entrada para a peça pode ser para a pressão parcial [0,093 a 0,372A/ft² (1-4A/m²)]. A potência normal pode ser aproximadamente 1-2A/m², mas nós trabalhamos com sobrepotência normalmente da ordem de 1-4A/m².

Como é a taxa de aquecimento comparando a parede fria com a parede a quente?

A parede fria em geral requer mais tempo para aquecer do que a parede quente, mas pode ser suplementada pela adição de elementos aquecedores auxiliares.

A parede quente aquece em geral 25% mais rapidamente que a parede fria.

Porque a potência de entrada é pulsada?

Com uma tensão contínua de entrada, o calor de saída é constante. Se a tensão for reduzida para reduzir a temperatura, a densidade de corrente será alterada e a espessura do cátodo será reduzida (marcas incandescentes). Entretanto, você deverá começar a alterar outros parâmetros.

Com uma tensão pulsada, a alta tensão pode ser utilizada sem risco de superaquecimento da peça ou deixando a peça ser o alvo de descarga do arco voltaico. Isto significa que os outros parâmetros não precisam ser alterados.

O que acontece com o calor?

Com uma parede fria, o elétron lançado está mais quente que o íon. Isto significa que o elétron retorna para a parede do forno (anodo) e gera calor. O aquecimento da parede continuará necessitando de refrigeração a água para dissipar o calor.

A parede quente do forno combinada com a tecnologia do pulso usa sistema de refrigeração externa como meio de prevenir o aquecimento excessivo da parede. A parede pode suportar com segurança temperaturas da ordem de 648°C sem a ocorrência de problemas.

O que acontece se for necessário empurrar as marcas incandescentes para um ponto cego?

Ao se elevar a pressão de operação ocorre o correspondente aumento da densidade de corrente seguido por um aumento da temperatura da superfície da peça.

Utilizando-se parede quente aliada a potência pulsada com a mesma combinação de temperatura e pressão que para a parede fria, a energia do plasma pode ser mantida através da variação dos ciclos (variação pulsada) mesmo com a alteração da tensão e da densidade de corrente

Como os dois sistemas podem ser comparados do ponto de vista do capital de investimento?

O sistema de parede fria é usualmente mais barato que o de parede quente porque não há necessidade de forno e o sistema de controle não é muito complexo.

O sistema de parede quente tem um forno convencional em torno da retorta de vácuo. Além disso, tem a unidade de pulsação, filtro, microprocessadores e computador. O sistema é mais caro que o de parede fria ou que um sistema a gás. Estudos têm mostrado que o custo operacional por peso para nitretação iônica é menor do que para a nitretação a gás ou para o banho de sal devido ao menor tempo de ciclo, menor influência do operador, menor quantidade de gás utilizado no processo e menor custo de manutenção.

O sistema de parede fria controla todos os parâmetros operacionais de um sistema de nitretação à plasma?

O sistema de parede fria controla a maioria dos parâmetros operacionais (não todos), como densidade de corrente, temperatura da peça de trabalho (porque T/C não é o potencial do cátodo) e corrente;

O sistema de parede quente controla e gerencia o total de 15 parâmetros operacionais do processo incluindo a temperatura da peça e a densidade de corrente. Além disso, o sistema possui um grande número de opções.

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cie. Existem muitos tipos de revestimentos que podem ser depositados na superfície de metais para melhorar suas resistências ao desgaste e à corrosão. Uma comparação dos tipos de revestimentos é feita na tab. 3. Existem dois tipos principais de métodos para a deposição de revestimentos – deposição física de vapores (PVD – Physical Vapor Deposition) e deposição química de vapores (CVD – Chemical Vapor Deposition). O método PVD é utilizado como operação de “linha de visão”, significando que somente as superfícies da peça que estão expostas ao material de deposição podem ser revestidas. Esta tecnologia tem amadurecido, entretanto, para o ponto que a peça de trabalho pode ser colocada m uma mesa giratória de modo a expor diferentes superfícies para a deposição. O processo PVD tem maior potencial para revestimento de matrizes, principalmente porque ele é um processo de baixa temperatura e não requer transformações de fases do substrato de aço (matriz) quando este é aquecido, o que é o caso do processo CVD. O método de deposição CVD não é totalmente aceito como tratamento para matrizes de forjamento. Ele foi primeiramente aplicado pela imersão da peça em compostos metálicos (como alumínio e dióxido de titânio) em caixas de aço, selando a caixa e aquecendo em fornos convencionais até altas temperaturas de modo a condensar o gás do metal na superfície da peça. Este é um incômodo deste processo que é em geral um método inconsistente de aplicação, pois apresenta severas limitações quanto aos tipos de materiais que podem ser tratados. Com o advento e subseqüentes desenvolvimentos da tecnologia do plasma, agora estão disponíveis processos sob condições de vácuo com elevado grau de controle e resultados com repetibilidade. Revestimentos do tipo diamantados são produzidos em condições de vácuo e usualmente são assistidos por plasma melhorado. O plasma melhorado é a forma mais intensa – quase o plasma dentro do plasma. Duas exceções notáveis aos processos PVD e CVD são a aplicação do carboneto de vanádio, que é geralmente aplicado utilizando-se a técnica do banho de sal, e os DLCs (diamond-like coatings – deposição de diamante), o qual requer a técnica do forno à vácuo juntamente com o plasma melhorado.

DIFUSÃO OU DEPOSIÇÃO? Quando se considera uma superfície metálica para o método de deposição, necessita-se de um extremo controle do método para produzir deposições com repetibilidade consistentes, visto que os processos de deposição são mais erráticos que os processos de difusão. Com os processos de difusão existe usualmente a alteração volumétrica da superfície, mas esta alteração de volume é em geral muito pequena (da ordem de 2 mícrons) e situa-se dentro das tolerâncias do produto. A seleção depende de: • Tempo de permanência a temperatura do processo • Temperatura do processo • Composição do gás Entretanto, o uso de métodos de deposição, dada a natureza do metal de deposição, irá produzir alterações dimensionais. Dependendo da matriz e das tolerâncias do produto, estas devem ser levadas em

Figura 1: Superfície nitretada a gás, mostrando a camada composta (branca). (100x ataque por reagente Nital).

consideração. Adicionalmente, alguns métodos de deposição não produzem superfícies muito lisas. Embora ainda exista interesse nos métodos de deposição, os quais oferecem grande potencial para aumento da resistência ao desgaste, estes apresentam dificuldades e elevados custos que os limitam, resultando na continuação da preferência por processos difusionais. Com qualquer uma das tecnologias discutidas aqui, o sucesso do processo será condizente com o grau de limpeza da peça independente do método que for selecionado. Isso irá determinar quão boa será a difusão (seja pelo processo a gás ou plasma) ou quão boa será a deposição do revestimento. Outra consideração refere-se à seleção do material para a matriz de forjamento. O grupo típico de materiais para a maioria das matrizes para aplicações à quente são os aços da série H (hot- work - trabalho à quente), freqüentemente o H-13. Além da seleção de materiais, o pré-tratamento térmico antes do revestimento da matriz manufaturada é absolutamente crítico. Isto é, a condição do material da matriz (desenvolvido pelo procedimento de pré-tratamento térmico) que irá determinar o sucesso tanto da camada difundida como do filme fino depositado para endurecimento. É o procedimento do pré-tratamento térmico e a metalurgia resultante que irão sustentar tanto a camada difundida quanto o filme fino depositado.

Conclusão As condições da superfície de uma matriz de forjamento somente podem ser melhoradas através de tratamentos de superfície – tanto pela técnica de difusão quanto pela técnica de deposição. O processo de nitretação ainda não foi totalmente utilizado por muitas indústrias que trabalham com a manipulação de metais à quente. A determinação do sucesso da matriz de forjamento é dependente do seguinte critério: pré-tratamento térmico, composição da superfície nitretada e metalurgia da superfície (figura 3). A indústria de forjamento tem

Tabela 3: Comparação entre os materiais de deposição Propriedade

DLC

Cr N

Ti(C,N)

Ti N

Identificação

Revest. do tipo diamantado

Carboneto de vanádio

Nitreto de cromo

Carbonitreto de titânio

Nitreto de titânio

Espessura da camada

1-5 µm

Dureza superficial (VPN)

4000

3000

1750

3000

2300

Coeficiente de atrito

Muito baixo

Baixo

Muito baixo

Moderadamente baixo

Resistência ao desgaste

Superior

Extremamente boa

Boa

Extremamente boa

Resistência ao impacto

Baixo

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feito esforços para desenvolver procedimentos apropriados e efetivos para a nitretação. As técnicas de forjamento – sejam elas forjamento à quente, forjamento à morno ou forjamento à frio – são brutais para o material de base, não importando qual ele seja. Um grande esforço de pesquisa tem sido feito no desenvolvimento de materiais de base, os quais o custo é o fator majoritário. Mas não importando o quão bom seja o material de base, ele inevitavelmente irá falhar seja pela longevidade, trincamento ou fadiga térmica. A fadiga térmica está relacionada com o tempo de contato entre a peça de trabalho quente e a matriz de forjamento. Repetidos contatos causam gradientes térmicos entre o centro e a superfície da matriz. Resultando em tensões térmicas que causam microtrincamento da matriz, os quais podem levar a oxidação e eventualmente resultar em falhas catastróficas.

Figura 2. Tratamentos de Superfície

Nitretação a gás ou a plasma (técnicas de difusão)

Revestimentos de filmes finos duros PVD - Deposição física de vapor. CVD - Deposição química de vapor.

Figura 3. Superfície nitretada

Pré-tratamento térmico (Têmpera e revenimento prévios)

Composição da superfície nitretada Relação dos gases (nitrogênio/ hidrogênio) Controle dos gases insolúveis da exaustão.

O autor David Pye é presidente da Pye Metallurgical Consulting, Meadville, Pa. Ele pode ser contatado através do telefone (+1) 814-337-0194, fax (+1) 814-337-5939 ou e-mail: davidpye@ pyemet.com

Metalurgia de Superfície Limite de solubilidade do nitrogênio nos nitretos de ferro formados (Determinado pela relação dos gases e pela temperatura do processo).

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Revista oficial

Artigo apresentado no 8

Senafor 2008

O FORJAMENTO A FRIO COMO PROCESSO ALTERNATIVO PARA PEÇAS E COMPONENTES FABRICADOS POR USINAGEM Cesar Leandro Konrath, CISER Parafusos e Porcas Jackson Ferreira Dal Comuni, CISER Parafusos e Porcas Rafael Gomes König, CISER Parafusos e Porcas 1. INTRODUÇÃO Em um mercado tão competitivo como o de hoje, a combinação de qualidade nos produtos com um baixo custo é vital para a sobrevivência das empresas. Pensando nisso, este trabalho apresentará um estudo realizado para diminuir o custo final de um componente metálico, substituindo o atual processo de fabricação, por usinagem, pelo processo de forjamento a frio. Além de reduzir o custo final do componente, o processo de forjamento a frio. Possibilita também um aumento na resistência mecânica, devido ao encruamento do material. A utilização de softwares de simulação numérica é decisiva para o desenvolvimento de trabalhos como este, tendo em vista que através da simulação é possível determinar qual a melhor seqüência de forjamento antes da realização de testes práticos.

2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Software Para a realização da simulação numérica do processo de forjamento a frio foi utilizado o software Eesy-2-form. Este software permite realizar a simulação, em duas dimensões, do processo de forjamento de produtos que apresentam geometrias próximas à de sólidos de revolução, tipicamente elementos de fixação como parafusos, porcas e rebites. 2.2 Produto O componente analisado neste trabalho é um prisioneiro metálico utilizado no conjunto de fixação de capotas náuticas de pick-ups, tradicionalmente fabricado pelo processo de usinagem. Com o auxílio da simulação numérica, foi possível definir uma seqüência ideal para o desenvolvimento do item pelo processo de forjamento a frio.

Figura 1 – Foto do prisioneiro metálico.

Janeiro 2009

O aumento na produtividade e a redução das perdas de matériaprima foram as principais vantagens que determinaram o estudo de substituição do processo de usinagem pelo processo de forjamento a frio, para a obtenção deste fixador. 2.3 Desenvolvimento do Projeto Inicialmente, fez-se uma análise geral do componente para verificar qual a melhor seqüência de forjamento para o desenvolvimento do processo. Depois desta análise, e sabendo-se que a altura da cabeça do componente é quase uma vez e meio o diâmetro da cabeça, surgiu a principal dúvida com relação ao desenvolvimento do projeto pelo processo de forjamento a frio: como estampar uma calota esférica na extremidade do prisioneiro, se o arame de partida na máquina deverá ser praticamente igual ao diâmetro da cabeça? Desenvolveu-se então uma seqüência de forjamento para uma prensa progressiva de quatro estágios do fabricante NATIONAL, modelo FORMAX FX24L, com razão de produção ajustada para fabricação de 11.500 peças/hora. Uma representação esquemática desta seqüência de forjamento é apresentada na Figura 2.

Figura 2 - Representação da primeira seqüência de forjamento.

O componente foi desenvolvido em aço SAE 1015 trefilado. A composição química nominal deste aço é apresentada na Tabela 1. Aço

%Mn

%Si

SAE 1015

0,13 / 0,18

0,30 / 0,60

0,04 máx.

0,10 máx.

----

0,05 máx.

Tabela 1 – Composição química do aço SAE 1015.

Revista oficial

Artigo apresentado no

Senafor 2008 3. RESULTADOS

3.2 Resultados obtidos na simulação da segunda sequência Os resultados da simulação da segunda seqüência de forjamento, mostrada na Figura 5, são apresentados nas Figuras 6 e 7. Nestas figuras, pode-se observar um furo de aproximadamente dois milímetros e meio de diâmetro, proporcionando uma calota esférica similar a encontrada na peça usinada, conforme apresentado na Figura 1.

3.1 Resultados obtidos na simulação da primeira sequência Os resultados da simulação da primeira seqüência de forjamento, mostrada na Figura 2, são apresentados na Figuras 3 e 4. Nestas figuras, pode-se observar uma concavidade de aproximadamente

Figura 3 – Calota com imperfeições da primeira seqüência simulada. Figura 6 – Calota esférica da segunda sequência simulada.

Figura4 – Primeira seqüência forjada em máquina.

cinco milímetros de diâmetro, proporcionando uma calota com imperfeições.

Figura 7 – Segunda sequência forjada em máquina.

Como a seqüência de forjamento desenvolvida anteriormente não apresentou o resultado esperado, desenvolveu-se uma segunda alternativa, conforme Figura 5. Nesta seqüência obteve-se uma melhor formação da calota esférica na extremidade do prisioneiro; perfil esse essencial para aplicação do componente. Além disso, conseguiu-se também diminuir um estágio de forjamento na segunda seqüência, implicando diretamente na diminuição do número de ferramentas na máquina.

4. CONCLUSÕES Tendo que lidar com esse nível de exigência e procurando ter uma posição de destaque no segmento de atuação, muitas empresas procuram solucionar tais problemas através da inovação tecnológica e também na qualificação de seus profissionais. Através da simulação numérica, foi possível determinar qual a melhor seqüência de forjamento a frio, antes do teste em máquina, pois o software permite determinar a eficácia ou não da seqüência projetada. Convém comentar também que o novo perfil da calota esférica forjada a frio foi aprovado pelo cliente/usuário final. Com a mudança do processo de fabricação por usinagem para o de forjamento a frio, obteve-se uma redução nos custos inerentes à fabricação do produto de aproximadamente 30%. Os autores Cesar Leandro Konrath, Jackson Ferreira Dal Comuni, e Rafael Gomes König, da CISER Parafusos e Porcas, podem ser contatados através do telefone +55 (47) 3441-3999 ou do email ciser@ciser.com.br.

Figura 5 – Representação esquemática da segunda seqüência de forjamento.

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) Forjaria

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) Compradora / usuária de forjados

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) Fornecedora para forjaria do seguinte material: __________________________

2 – Qual sua ocupação principal: (

) Gerencia Geral / Corporativa

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) Administração Produção / Manufatura

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) Engenharia Metalúrgica

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3 – Que tipos de forjados são produzidos em sua empresa? (

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(

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(

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(

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(

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(

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(

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(

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(

) 250 a 499

(

) 500 a 999

(

) 1000 a 2499

(

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) A atividade principal da empresa

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Acesso online para procurar informação editorial atual ou arquivada, informação de produtos ou de empresas. Industrias procurando fornecedores podem pesquisar no “Buyers Guide” (Guia de Compras), que contém informação atualizada de produtos e companhias listadas alfabeticamente e por categorias.

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29º SENAFOR 13ª Conferência Internacional de Forjamento / BR International Forging Conference / BR

12ª Conferência Nacional de Conformação de Chapas National Sheet Metal Forming Conference

14,15 e 16 de outubro de 2009 Porto Alegre, RS

Importante: • 30/05/09 - Inscrição de trabalho (Resumo até 3.000 caracteres) • Informações e envio de resumos: e-mail: senafor2009@terra.com.br

Coordenação: Prof. Lírio SCHAEFFER

Contato: senafor2009@terra.com.br; contato@secretariat.com.br Telefone/fax: 51 33424316

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