R e v i s t a I n t e r n a c i o n a l d e N e g ó c i o s e Te c n o l o g i a n o C a m p o d a F o r j a r i a
A Evolução dos Aços Limpos Teoria Elementar da Plasticidade para o Forjamento em Matriz Aberta - Parte II Micro Forjamento a Frio Ajuda a Estender a Vida Útil de Matrizes Gerenciamento de Recursos Via Integração de Sistemas MEA/ ERP
Abril 2019 Número 24 www.sfeditora.com.br
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CONTEÚDO ARTIGOS 20
Emprego da Teoria Elementar da Plasticidade para o Forjamento em Matriz Aberta de um Componente Cilíndrico Vazado - Parte lI
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Micro Forjamento a Frio Ajuda a Estender a Vida Útil de Matrizes
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A Evolução dos Aços Limpos
32
Gerenciamento de Recursos Via Integração de Sistemas MEA/ ERP
O forjamento em matriz aberta é o método mais apropriado para componentes de grande porte com geometria de revolução e quando há o propósito de provocar o seu alongamento. Para estimar o valor da força de forjamento, existem algumas formas como aplicação de modelos matemáticos, utilização de simulação numérica pelo método dos elementos finitos ou realização de experimentos físicos.
O desgaste e a falha final das matrizes de forjamento são inerentes ao processo de forjamento de metal. A Accurapuls Canada Inc. oferece um micro processo de forjamento a frio (ou “hammer-peening”) que trabalha a frio toda a superfície de uma matriz para endurecer, acabar e / ou manter a integridade da superfície da matriz. Matrizes de forjamento são propensas a vários mecanismos de falha, e a substituição ou reparo.
Melhorias nos processos de fabricação de aço resultaram em avanços na limpeza do aço que, por sua vez, geram produtos de uso final de alta qualidade. O aço limpo é produzido controlando criteriosamente os parâmetros nas operações de fusão, refino, desgaseificação e lingotamento. A demanda por aços limpos continuará a aumentar devido à pressão global por eficiência energética e regulamentações mais rígidas de emissão de CO2. O aço é um material incrível quando se considera sua versatilidade. Ele pode alcançar as características necessárias para uma vasta gama de produtos finais; é relativamente de baixo custo comparado a muitos outros materiais.
Neste primeiro de dois artigos, as definições e diferenças entre sistemas de planejamento de recursos empresariais (ERP) e sistemas de execução de manufatura (MES) são consideradas. A Parte II considerará as vantagens de integrar ambos os sistemas no interesse da eficiência operacional e de produção, bem como um serviço superior ao cliente. Atualmente, a maioria das empresas de forja continua discutindo a necessidade de estabelecer uma integração de informações que seja coordenada e resumida.
24 4
- Abril 2019
28
32
Departamentos & Colunas Índice de Anunciantes ....................................................................... 05 Editorial EUA.......................................................................................... 06 Editorial Brasil ....................................................................................... 08 Eventos ................................................................................................... 09 Novidades .............................................................................................. 13 Produtos e Serviços............................................................................. 14
EQUIPE DE EDIÇÃO BRASILEIRA SF Editora é uma marca da Aprenda Eventos Eireli (19) 3288-0437 - ISSN 2178-0110 www.sfeditora.com.br www.aquecimentoindustrial.com.br Udo Fiorini - Publisher, udo@sfeditora.com.br • (19) 99205-5789 Gabrielly Guimel - Diagramação, gabrielly@sfeditora.com.br • (19) 3288-0437 André Júnior - Vendas, andre@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437 Igor Cerqueira - Marketing, igor@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437
Coluna: Lubrificantes .......................................................................... 16 Coluna: Simulação ............................................................................... 19
Índice de Anunciantes Página
Empresa
ESCRITÓRIO CORPORATIVO NOS EUA BNP Media • 2401 W. Big Beaver Road Suite 700, Troy, MI 48084 • www.bnpmedia.com Erik Klingerman, Group Publisher klingermane@bnpmedia.com • +1 440-292-7580 Reed Miller, Editor nos EUA reed@FORGEmag.com • +1 412-306-4360
Contato
ESCRITÓRIO EM PITTSBURGH/EUA Manor Oak One, Suite 450 1910 Cochran Road, Pittsburgh, PA 15220 Tel: +1 412- 531-3370 • Fax: +1 412-531-3375
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Bill Mayer, Editor Associado bill@forgemag.com • +1 412-306-4350
27
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Senafor
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22
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Weld Mold
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3ª capa 31, 34, 4ª capa
2ª Capa
EDIÇÃO E PRODUÇÃO NOS EUA Dean M. Peters, Editor dean@forgemag.com • +1 216-570-4537
Brent Miller, Diretor de Arte millerb@bnpmedia.com • +1 412-306-4356 REPRESENTANTE DE PUBLICIDADE NOS EUA Kathy Pisano, Advertising Director (412) 306-4357, Fax (412) 531-3375 kathy@FORGEmag.com DIRETORES CORPORATIVOS NOS EUA Edição: John R. Schrei Estratégia Corporativa: Rita M. Foumia Implantação de Conteúdo: Michelle Hucal Criação: Michael T. Powell Eventos: Scott Wolters Finanças: Lisa L. Paulus Tecnologia da Informação: Scott Krywko Recursos Humanos: Marlene J. Witthoft Produção: Vincent M. Miconi Pesquisa Clear Seas: Beth A. Surowiec
Na Capa: Barras Gerdau SBQ em um leito de resfriamento, pág. 28
As opiniões expressadas em artigos, colunas ou pelos entrevistados são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente a opinião dos editores.
Abril 2019 -
5
EDITORIAL
Dean M. Peters, Editor nos EUA
Vida Longa ao Motor de Combustão Interna
N
ão faz muito tempo, os veículos elétricos híbridos
“A introdução de EVs terá
em média, 60-70% da demanda por componentes automotivos forjados
eram uma novidade nas
um impacto adverso na
estradas norte-americanas.
indústria indiana de forjaria,
empregos e paralisações de unidades”, diz
já que 60% das unidades de
Muralishankar.
Agora eles são comuns. Apenas alguns anos atrás, ver um Tesla na estrada era
irá diminuir, resultando em perdas de
Na Europa, o banco holandês ING
uma raridade. Este não é mais o caso, e
forjamento estão produzindo
previu que dentro de 20 anos todas as
há até mesmo um deles no espaço graças
componentes automotivos”.
vendas de novos veículos serão elétricas,
ao lançamento SpaceX de Elon Musk que enviou seu Tesla para o cosmos. Parece que muitas das economias
citando economias de escala e custos internamente no mercado de PEV. Nas
de bateria em queda como fatores
duas últimas décadas, durante as quais
determinantes. O relatório diz ainda
avançadas do mundo estão promovendo
veículos elétricos comerciais produzidos
que a “ansiedade de intervalo” que os
o uso de veículos elétricos plugáveis (PEV
em massa foram introduzidos ao público
consumidores expressam em relação às
- Plug-in Electric Vehicles ). Nos EUA,
e ganharam força no mercado, os próprios
limitações do veículo elétrico se dissipará
por exemplo, a adoção de PEVs é apoiada
veículos evoluíram de veículos híbridos
nos anos 2020, porque os veículos
por políticas governamentais federais e
que integravam projetos de motor de
passarão a 400 milhas ou mais entre as
estaduais. Desde a introdução do Tesla
combustão interna (ICE - Internal
cargas. Um caso em apoio às previsões
Roadster em 2008, as vendas acumuladas
Combustion Engine) com projetos de
do ING é o anúncio da empresa sueca
de PEVs atingiram quase 765.000
veículos elétricos para projetos totalmente
Volvo de que só lançará modelos híbridos,
unidades em dezembro de 2017.
elétricos plugáveis.
híbridos plug-in ou totalmente elétricos a
Aqui nos EUA, os PEVs passaram de
Ambos os tipos de veículos são
uma participação de mercado de 0,14%
atualmente participantes ativos do
em 2011 para 1,13% em 2017, com a
mercado, mas aqui está a preocupação
que a indústria automotiva continua a
Califórnia emergindo como o maior
dos forjadores. À medida que os projetos
se afastar dos veículos ICE em direção
mercado regional de PEV do país. Nessa
de novos veículos se transformam do ICE
a vários projetos elétricos, as aplicações
taxa de crescimento, a participação de
em favor de projetos elétricos, o mercado
tradicionais de forjamento diminuirão
mercado nos Estados Unidos para PEVs
de forjamento automotivo sofrerá
e alguns mercados tradicionais de
atingirá 9,12% até 2023, ou cerca de um
consequentemente.
forjamento desaparecerão.
em cada 11 veículos vendidos. Havia 41 veículos comerciais viáveis
Um relatório recente da Índia discute
partir deste ano de 2019. O ponto aqui é óbvio: À medida
Na medida em que o seu negócio
a meta do governo de eliminar veículos
depende de componentes de motores
no mercado americano a partir de mais
movidos a gasolina e diesel até 2030.
automotivos, a diversificação deles é
de uma dúzia de fabricantes disponíveis
“A introdução de EVs terá um impacto
sua melhor estratégia de longo prazo.
em dezembro de 2017. Até aquela época
adverso na indústria indiana de forjaria,
Aproveite o negócio enquanto ele está lá,
(segundo a Wikipedia, pelo menos), o
já que 60% das unidades de forjamento
mas até mesmo uma estratégia de longo
híbrido plug-in Chevy Volt foi o melhor
estão produzindo componentes
prazo deve começar em algum momento
PEV em vendas de todos os tempos, com
automotivos”, disse S. Muralishankar,
... e esse tempo deve ser agora.
quase 134.000 unidades vendidas seguidas
presidente da Associação da Indústria
pelo carro todo-elétrico de Tesla Model S
Indiana de Forjaria (AIFI). Estima-
com quase 119.000 vendidos e o Nissan
se que os veículos ICE convencionais
Leaf com quase 115.000 vendidos.
tenham cerca de 2.000 peças móveis,
Esta é apenas uma sinopse aproximada do que está acontecendo 6
- Abril 2019
em comparação com apenas 20 em
Dean Peters
veículos elétricos. “Como resultado,
Editor da FORGE nos EUA
EDITORIAL
Udo Fiorini, Editor
Prontos para o Futuro?
P
or fazermos parte do time editorial das revistas
sugestivo traduzimos como “Vida longa ao motor a combustão”,
publicadas pela BNP Media dos EUA, temos por
faz uma chamada forte ao mercado americano de forjados. Que
hábito publicar também o editorial da edição
também está procurando não perder o chão embaixo dos seus pés.
americana. Normalmente são dirigidas a temas não
A indústria de forjados a nível global não espera de braços
necessariamente semelhantes. Até porque as realidades são bastante
cruzados. Na Alemanha, uma das unidades da ThyssenKrupp é
diferentes no mercado das forjarias nos EUA e Brasil. Nesta edição,
dedicada à produção de eixos de comando de válvulas. A empresa
no entanto, o tema é necessariamente igual: o numero de forjados
emprega cerca de 700 pessoas e é líder mundial de mercado
a ser utilizado nos carros elétricos, muito inferior ao empregado
na fabricação destes eixos produzidos ali a mais de 20 anos.
até agora nos veículos de motor a combustão. E o futuro com os
Anualmente são fabricados 11 milhões de eixos de comando,
carros elétricos já está aí. Já bateu na nossa porta.
indispensáveis no motor de combustão interna - mas supérfluas
Recentemente participei de uma reunião em São Paulo em
no motor elétrico puro. Agora a planta iniciou a produção de
que o representante de um grande fabricante chinês de ônibus
rotores para os motores dos carros elétricos. Para este ano está
e caminhões elétricos apresentava em palestra seus modelos,
prevista a produção de 500.000 destes eixos. Pode não ser muito,
capacidades e características. Na plateia, inúmeros forjadores.
mas já é um começo. Há grandes encomendas vindo de várias
Houve um momento em que se apresentou a figura, visto de
montadoras, disse um porta-voz da Thyssenkrupp. (https://www.
cima, do chassis de um caminhão elétrico sem cabina nem
mdr.de/sachsen-anhalt/magdeburg/harz/autozulieferer-im-harz-
carroceria, mas com todos seus componentes instalados. Ali se
elektroautos-zukunft-arbeitsplaetze-100.html).
podia reconhecer obviamente as longarinas, as rodas, e só. Alguns
Creio que após a palestra a que me referia no inicio deste
volumes que apareciam entre as longarinas e perto das rodas
editorial, muitos dos presentes foram embora se questionando
eram explicados pelo apresentador como sendo da parte elétrica e
como será o futuro de sua fábrica. O retrato do Brasil: muitos
motriz, além do conjunto de baterias.
deles, com certeza a maioria, são fornecedores para o mercado de
Os forjadores presentes na sala procuravam identificar inutilmente algumas partes e peças conhecidas de sua linha de
reposição. Isso neste momento até é um fator positivo. Enquanto países desenvolvidos programam datas com
fabricação naquela figura. Mas aquelas tradicionais imagens do
restrições à fabricação de veículos movidos com motor a
motor e da caixa de transmissão não estavam lá. E não são mais
combustão, países emergentes como o Brasil ainda poderão ver
necessários. Veja uma amostra do que não encontraremos em um
seus modelos fora de série rodando por um bom tempo. Mas até
veículo elétrico: velas de ignição, pistões, comandos de válvulas,
quando? Mesmo na Índia, já se tem noticia de que a indústria de
bombas de combustível, injetores e conversores catalíticos.
forjados se mexe para alinhar-se com o futuro. A Bharat Forge,
Não possuem peças de motor e transmissão. Forjados? Apenas
forjaria de grande porte com mais de 10 mil funcionários e
componentes de direção, suspensão e eixos. Ok, parafusos e porcas
plantas nos EUA e Europa, recentemente anunciou a compra de
continuarão a ser empregados, mesmo em carros elétricos.
participação na Tevva Motors, Inglaterra, que fornece soluções de
Mundialmente os maiores mercados produtores de forjados
powertrain elétrico para veículos comerciais e ônibus. Conforme a
são China, EUA e Índia. Como os leitores podem ler no editorial
Bharat Forge, o investimento ajudará a Bharat Forge no crescente
americano publicado nesta edição, o presidente da AIFI -
mercado de EVs e a co-desenvolver soluções para mobilidade
Association of Indian Forging Industry (Associação da Indústria
elétrica. Nós estamos nos preparando para isso?
de Forja da Índia), Shri Murali Shankar chama a atenção para
Boa leitura!
o problema que se avizinha: “A introdução de Veículos Elétricos terá um impacto adverso na indústria de forjaria a longo prazo, já que 60% das partes forjadas estão voltadas para a utilização como
Udo Fiorini
componentes automotivos, especialmente motores e aplicações
Editor da FORGE no Brasil
relacionadas à transmissão”, diz. O editorial, cujo título bastante 8
- Abril 2019
Um aumento de 600% na Vida Útil da Matriz de Forjamento funcionaria para você? Usinada
Matriz de Manga de Eixo antes da sodagem
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EVENTOS Seminário de Forjamento realizado na FEI O Grupo Aprenda, idealizador dos seminários temáticos sobre Forjamento, Tratamentos Térmicos, Estampagem, Engrenagens, entre outros, procura escolher como locais para realizá-los empresas ou instituições de ensino ou pesquisa que tenham ligação com o tema do evento. Assim, já foram realizados os seminários de forjamento na Prensas Schuler, no IPT, na forjaria da Eaton Valinhos, entre outros. No início de Dezembro de 2018 foi realizado nas instalações do Centro Universitário FEI, Fundação Educacional Inaciana, sediada na cidade de São Bernardo do Campo, o VI Seminário de Tecnologia do Forjamento. A instituição, sediada no
Fig. 1 Dr.-Ing. Mauro Moraes de Souza
10
- Abril 2019
berço da indústria automobilística brasileira, tem longa tradição no ensino da área mecânica e por tabela, na área metalúrgica. Com a coordenação de Dr.-Ing. Mauro Moraes de Souza, o evento apresentou durante dois dias, 03 e 04 de Dezembro, 16 palestras técnicas de empresas, profissionais e pesquisadores profissionais da área. Também foi realizado com os participantes do seminário uma visita pelos laboratórios da instituição: 1) Oficinas de Fabricação, Laboratório de máquinas CNC, Dinamômetro, Lab. de Motores e boxes das equipes Baja e Fórmula; 2) Laboratórios de Mecânica dos Sólidos, LME e Ensaios Mecânicos de Metais; 3) Laboratório de Materiais Metálicos; 4) Laboratório de Manufatura Digital. Iniciando o ciclo de palestras, Dr.-Ing. Marko Ackerman, Chefe do Departamento de Engenharia Mecânica da FEI, discursou sobre como a FEI remodelou a sua estrutura curricular, notadamente a do curso de Engenharia Mecânica, objetivando atender as intensas transformações tecnológicas, econômicas e sociais proporcionadas pela revolução digital e pela rápida disseminação de novas tecnologias. O Professor Mauro
Moraes apresentou em seguida a sugestiva palestra Rota 2030 - o que mudou e seus impactos para as forjarias brasileiras. A palestra teve como título “ROTA 2030: O que mudou. Seus impactos para as forjarias brasileiras¨. A mobilidade é uma das megatêndências de futuro, sendo este o ambiente relevante para as forjarias brasileiras planejarem o seu futuro. Neste sentido, o programa ROTA 2030 foi analisado sob o ponto de vista do seu total alinhamento com as megatêndências e a visão dos especialistas e empresários da indústria automobilística brasileira, assim como as oportunidades de parceria que este programa oferece entre: Aciarias; Universidades; Centros de Pesquisa e Consórcios para desenvolvimento tecnológico. As áreas de destaque para essas parcerias são: Pesquisa básica e aplicada; Novos materiais; Novos produtos; Novos processos; Modelos
Fig. 2. Auditório do Centro Universitário FEI
EVENTOS
Fig. 3. Professor Mauro e a presidente do SINDIFORJA, Silvia Ribeiro de Aquino
ágeis e automatizados de monitoramento e otimização em tempo real do processo de fabricação. Na sequencia, foram apresentadas as seguintes palestras: • Soluções para o Forjamento Auxiliadas pela Simulação, Alisson Duarte, 6Pro - JmatPro; • Forjamento de Rodas de Alumínio, Maurício Lahuerta, Prensas Schuler ; • Our Innovations, your Advantage, Christian Becker, Hatebur (Suiça); • Redução de Custos no Forjamento com o Auxílio da Simulação, Alisson Duarte, 6Pro - JmatPro; • Análise de Fadiga Termo-Mecânica em Matrizes de Forjamento, Oswaldo Ravanini, Autolens; • Vibtech® Controle de vibração, ruido e choque, Ricardo Siqueira, Vibtech; • Avaliação de diferentes níveis de pré-tensionamento de ferramentas de forjamento a frio através de análise por elementos finitos, Fabricio Dreher, ZEN; • New Trends in the Forging Industry and LASCO‘s Solution, Sven Lorz,
Lasco (Alemanha); • Die Cost Reduction Through Technology, Fred Haupt, Corewire (UK); • Aspectos Importantes no Uso da Pirometria em Fornos de Aquecimento por Indução, José Carlos Zerbini, Synergética; • Propriedades e Características Fundamentais em Aços para Matrizes de Forjamento a Quente, Paulo Haddad, Villares Metals; • Visão de Operação e Gerações de Profissionais, Edinaldo Fancio, EATON Valinhos; • HATEBUR, your Forging Partner for High Quality Precision Parts, Christian Becker, Hatebur (Suiça). Convidada a proferir palestra de honra no seminário, a presidente do SINDIFORJA, Sindicato Nacional da Indústria da Forjaria, Silvia Ribeiro de Aquino (Fig. 3), também diretora geral da Metalúrgica Onix, discurso no segundo dia do encontro sobre o tema: Aspectos Gerais do Negócio Forjaria no Brasil. Com forte transito em eventos da área de forjaria a nível internacional
e com a experiencia adquirida ao longo de sua carreira empresarial e também no seu mandato como presidente do SINDIFORJA, Silvia traçou um panorama realista da área de forjamento no Brasil. Além dos aspectos setoriais da crise que há anos assola a indústria brasileira foram abordados também detalhes como por exemplo do peso em quilos de forjados embarcados em um caminhão movido a combustível liquido comparado com o que se consome em forjados em um veiculo com as mesmas características, porem movido com energia elétrica. Depois de sua apresentação, já finalizando o encontro, o Prof. Mauro Moraes apresentou a palestra “O Potencial de uma Ideia Inovadora e Reflexões sobre o VI Seminário de Tecnologia de Forjamento”, encerrando o evento.
Fig. 4. Dr.-Ing. Marko Ackerman
Abril 2019 -
11
EVENTOS Maio
Pro Magno Centro de Eventos - São Paulo (SP)
14-15 NEMU 2019
www.abmbrasil.com.br
www.ifu-konferenz.de/
01-03 10ª Tubotech e 4ª Wire South America
Stuttgart, Alemanha
São Paulo Exhibition Center - São Paulo (SP)
21-23 Forge Fair 2019
www.tubotech.com.br / www.wire-south-america.com
www.forging.org/forge-fair-2019
02-04 39º SENAFOR
Cleveland, Ohio, U.S.A.
Hotel Continental - Porto Alegre (RS)
Junho
www.senafor.com
25-29 Thermprocess Düsseldorf - Alemanha
Novembro
www.thermprocess.de
04-05 VII Seminário de Tecnologia do Forjamento FEI - São Bernardo do Campo (SP)
05-06 VI Seminário de Manutenção e Segurança em
www.grupoaprenda.com.br
Combustol Fornos - Jundiaí (SP)
11-14 FABTECH 2019
Fornos Industriais
www.grupoaprenda.com.br
Chicago - EUA
www.fabtechexpo.com
Agosto 05-07 COBEF 2019 - 10º Congresso Brasileiro de
20-22 Asia Blech
Sâo Carlos (SP)
www.asiablech.com
Engenharia de Fabricação
Chongqing - China
www.eventos.abcm.org.br/cobef2019/
Setembro 16-21 EMO 2019
Hannover - Alemanha www.emo-hannover.de/home
27-28 I Seminário de Tecnologia da Estampagem UFMG - Belo Horizonte (MG) www.grupoaprenda.com.br
2020 Maio
17-20 FENAF - Feira Latino Americana de Fundição
5-9 FEIMEC 2020
www.abifa.org.br/feira
www.feimec.com.br
17-20 INTERMACH - Feira e Congresso Internacional
Setembro
Pavilhões da Expoville - Joinville (SC)
Expoville - Joinville (SC)
Pro Magno Centro de Eventos - São Paulo (SP)
São Paulo Exhibition Center - São Paulo (SP)
de Tecnologia, Máquinas, Equipamentos
15-18 Metalurgia 2020
www.intermach.com.br
www.metalurgia.com.br
18-19 III Engrenagens - Usinagem e Tratamento Térmico
A S+F Editora não se responsabiliza por alterações em data, local e/ou
UniFACENS - Sorocaba (SP)
www.grupoandrenda.com.br
Outubro 01-03 V ABM Week 12
- Abril 2019
conteúdo dos eventos.
NOVIDADES Forjado na China o maior anel sem costura do mundo A Shandong Iraeta Heavy Industry
ele desempenhe a função de suporte
Co., da China, recentemente laminou
em um reator nuclear para suportar
um enorme anel forjado de aço
pressões de até 7.000 toneladas. A
inoxidável, que afirma ser o maior do
estrutura de aço gigante foi produzida
mundo. O anel, que pesa 150 toneladas
por soldagem de seções segmentadas
e mede 15 metros de diâmetro, foi
em um conjunto.
fabricado como parte fundamental de uma usina de energia nuclear.
No ano passado a empresa adquiriu do grupo AMA uma nova laminadora
O produto foi desenvolvido pelo
de grande porte para laminação de
Instituto de Pesquisa de Metal sob
anéis de forma contínua. A máquina
a Academia Chinesa de Ciências e
pode produzir anéis sem costura com
encomendado pela Corporação Nuclear
um diâmetro de até 16 metros e 3
Nacional da China. Espera-se que
metros de altura.
Schuler e Porsche criam joint venture inovativa A Porsche e a Schuler escolheram a cidade de Halle, na Alemanha,
Anel de aço inoxidável de 150 toneladas/ Fonte da imagem: www.news.cgtn.com
Dongfeng Forging compra prensa de forjamento de 5.000 toneladas
como o local de sua nova fábrica em conjunto. O local de 13 hectares
O grupo SMS recebeu um pedido
fica nas proximidades da fábrica da Porsche em Leipzig. O objetivo
da Dongfeng Forging Co., parte do
da joint venture entre a Schuler e a Porsche é a chamada Smart Press
fabricante de veículos comerciais
Shop, como parte da Industria 4.0. Com tecnologias voltadas para
Dongfeng Motor Group, para o
o futuro, a nova empresa de conformação é projetada para produzir
fornecimento de uma prensa de forja
partes de carrocerias altamente sofisticadas de uma maneira muito
Peça forjada pela nova prensa de matriz
flexível; o foco está nas partes do corpo
de 5.000 toneladas para sua fábrica em Shiyan, província de Hubei,
de alumínio e na produção de lotes
China. A Dongfeng Forging, que opera um total de 26 linhas de
pequenos. A joint venture, a Smart
forjamento neste local, pretende usar a nova prensa de forjaria para
Press Shop GmbH & Co. KG, investirá
fabricar virabrequins de caminhões leves com um peso máximo de
aproximadamente US$ 112 milhões
Joint venture inovativa
excêntrica com uma força de forjamento
peça acabada de 21,5 kg. A prensa de matriz fechada forjará peças
neste projeto, que deverá criar 100 empregos permanentes. Domenico
totalmente automaticamente com uma força nominal de forjamento
Iacovelli, CEO da Schuler AG, explica que “a construção conjunta e
de 50 MN. Além da prensa, o escopo de fornecimento inclui serviços
a operação da Smart Press Shop é um projeto para elevar a eficiência
de desenvolvimento de processos, transportadores de carga com carga
da produção e a digitalização de importantes etapas do processo
e descarga controlados por seqüência, um sistema de movimentação
na produção automotiva para um novo patamar de conformação
por vigas caminhantes automático acionado eletricamente para
metálica. Os outros clientes da Schuler e os concorrentes da Porsche
o manuseio de peças e um sistema integrado de pulverização de
acabarão por se beneficiar disso ". A construção deve começar no
matrizes. O grupo SMS também fornecerá um sistema de controle
segundo semestre de 2019, e a produção na nova empresa deve
de linha para conectar outras unidades de equipamentos. O
começar em 2021.
comissionamento está programado para o segundo trimestre de 2020.
Hydro expande a produção para o mercado automotivo de forjados de alumínio A Hydro irá atualizar as operações de fundição em suas instalações
de materiais. Após a atualização, a Hydro Husnes também poderá
de Husnes (Noruega) com novas tecnologias para produzir produtos
oferecer materiais para forjamento. A tecnologia desenvolvida pela
mais avançados para o crescente mercado automotivo de forjamento
Hydro permite a mudança do estoque de forja extrusada tradicional
de alumínio. Recém desenvolvida tecnologia de fundição interna, a
para o estoque de forjamento, eliminando etapas dispendiosas no
fundição de baixa pressão (LPC - Low Pressure Casting), permitirá
processo de produção enquanto melhora a qualidade. A superfície
à Hydro fornecer materiais com propriedades aprimoradas para
moldada está pronta para forjamento e a homogeneização não é
vários mercados de extrusão nos quais já é um importante fornecedor
necessária. A instalação atualizada começará a operar em 2020. Abril 2019 -
13
PRODUTOS E SERVIÇOS Hatebur HOTmatic AMP 30 S
VH 12041-02 EEKF4
Hatebur
Vibtech® Industrial Ltda
A Hotmatic AMP 30 S é uma conformadora a quente de três
O VH 12041-020EEKF4, da Vibtech® é um vibro amortecedor de
estações para forjados de tamanho médio com um diâmetro de até
baixa frequência composto de molas helicoidais e amortecimento
67 mm e uma produção de até
viscoso, dotado de placas de elastômero inferior e superior tipo
140 peças por minuto. É uma
BRD. Aplicado em máquinas de usinagem tipo brochadeiras,
máquina ideal para a produção
prensas de diferentes modelos, excêntrica, fricção, martelos de
totalmente automatizada
forjaria, dobradeiras hidráulicas, guilhotinas ou qualquer máquina
de peças forjadas para as
de deformação de material.
indústrias automotiva, de conexões e de rolamentos. O amplo
Objetivo das peças éreduzir a
escopo de aplicação significa que é uma excelente máquina para o
transmissibilidade dos esforços
forjamento de peças com grandes volumes anuais.
para o piso sem a perda da
www.hatebur.com
energia de deformação. www.vibtech.com.br
Lubrificantes LUBRODAL Fuchs Lubrificantes do Brasil
Simulação de Forjamento: FORGE NxT 3.0
A linha de produtos da marca LUBRODAL fornecida pela Fuchs
Autolens Engenharia e Consultoria Ltda
Lubrificantes do Brasil atende altas exigências em relação aos
O FORGE® , da Transvalor, é o software líder mundial de
processos bem estabelecidos de formação a quente. Incluem
conformação de metais. Na sua nova versão, o FORGE® NxT
o forjamento convencional, formação de metais não ferrosos,
3.0 oferece uma redução do tempo de CPU;
forjamento a alta velocidade, moldagem de precisão ou fundição
aprimoramento da malha adaptativa,
sob pressão.
tratamento térmico de ligas de aço e de
www.fuchs.com/br
alumínio, diagramas FLD para chapas finas, gerenciamento de interfaces multimateriais,
Simulação
eletrical upsetting, magnetic pulse forming e
SIXPRO Virtual&Practical Process
um novo gerenciador de simulações em batch.
Os serviços de simulação realizados pela
www.autolens.com.br
SIXPRO incluem processos a quente e a frio de estampagem e conformação
Software de Simulação
massiva, como forjamento, extrusão,
Synergetica
trefilação, laminação e outros. Considera-
O software ELTA (ELectroThermal Analysis), da Synergetica,
se a modelagem de ferramentas e matrizes,
permite otimização de processos de tratamento térmico e
a verificação da factibilidade do produto, a
revalidação de linhas de forja por indução além de permitir o
verificação completa do processo previamente
projeto e modernização de linhas existentes com segurança,
desenvolvido pelo cliente e o desenvolvimento
eficiência e com geometrias mais utilizadas através de uma
do processo completo do produto.
interface bastante intuitiva. Tem aplicação na indústria e também
www.sixpro.pro
para fins educativos, permitindo simulações que praticamente o equipara a um laboratório virtual para o ensino da disciplina de
Automação na Indústria de Fundição e de Forja
tratamento térmico.
KUKA
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Com base na experiência de muitos anos na área da fundição e na indústria automotiva, a KUKA hoje oferece uma ampla gama única de mais de 100 tipos de robôs de alto desempenho em todas a faixas de capacidade de carga para uma automação sustentável em todo o ramo. www.kuka.com/pt-br 14
- Abril 2019
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15
LUBRIFICANTES DE MATRIZES
Henri Strasser
Equipamentos de Pulverização de Prensas de Grande Porte
H
á 50 anos os primeiros
ticos, chegado na posição de trabalho lá
enorme efeito de erosão nos canais e nas
equipamentos automáticos
começavam a soltar lubrificante diluído e
saídas metálicas de pulverizado mudando
de pulverização de matrizes
pulverizado com ar comprimido em cima
as condições depois de pouco tempo de uso,
de prensas de grande porte
das gravuras quentes num enorme difusor
forçando a sua substituição para voltar a ter
apresentavam as seguintes características:
único para cerca de 100 bicos que cobriam
uma operação mais ou menos confiável;
• Equipamentos lineares de 1 eixo, ti-
todas as gravuras como se fosse um sistema
• O resultado disso tudo eram jatos de
nham sua posição de espera fora da prensa
estático. Cada bico era responsável por
spray extremamente úmidos, se não jatos
e no momento do funcionamento um
uma área determinada da gravura. Lá
sólidos de lubrificante diluído líquido.
cilindro pneumático (tipo Origa) de gran-
ficavam alguns segundos, o cabeçote era re-
Como o lubrificante se espalhava por todas
de calibre levava um cabeçote no formato
colhido para a posição de espera e a prensa
as ferramentas e suas imediações quentes,
das 2 ou 3 gravuras para dentro do espaço
era liberada para trabalhar;
o simples contato causava a evaporação da
entre as matrizes; • O enorme peso do cabeçote trouxe
• A distribuição do pulverizado gerado neste único difusor e levado aos 100 bicos
água e a sedimentação do grafite que aderia nas superfícies (é formulado para isso);
consigo a necessidade de prever sistemas
de pulverização era um problema extre-
complexos de fim de curso para evitar
mamente complexo no sentido de não se
grafite com os billets (tarugos) aquecidos
os trancos do sistema pneumático. Logo
agredir o padrão de pulverização e não
a 1250 °C causa a sua queima e liberação
depois foram introduzidos sistemas
perder pressão de aplicação. Para garantir a
de água e CO2. Onde não há esta queima
lineares elétricos que tornaram a trajetória
saída homogênea do pulverizado os canais
o grafite fica aderido e a cada aplicação vai
mais controlável com cursos de aceleração
internos do cabeçote eram de seção cônica!;
se sobrepondo, acumulando, formando
• Nas gravuras, o contato da camada de
• O sistema de pulverização de atomi-
uma camada dura, indissolúvel, o chamado
mais suave e preciso, o que já convidou à
zação interna tem uma forte tendência de
build up (resíduos acumulados). A presen-
lubrificação em movimento, o que por sua
entupimento por deposição do grafite nos
ça deste grafite nas gravuras e gravações em
vez possibilita cabeçotes menores;
dutos. A presença das partículas de grafite
baixo relevo causa defeitos dimensionais
dentro das gotas de lubrificante causa um
nas peças forjadas que não podem ser
e desaceleração tornando o movimento
• Mas, continuando com os pneumá-
corrigidos por retrabalho e são causa de sucata. A única maneira de remoção desta crosta é mecânica, com talhadeira, espátula e martelo, escova, ponta montada num trabalhão insano; • Para piorar o build up, consta que na Europa grande parte das águas industriais Desmoldante
Água
Ar de sopro
são as chamadas “águas duras” com alto teor de minerais. Usar estas águas para diluição de uma dispersão de grafite causa a imediata floculação do grafite e, portanto, sua sedimentação, o que reforça o efeito de build up; • Mais afetados pelo problema do build up eram a ferramentaria e a manutenção, que tinha um trabalho enorme para
Fig. 1. Sequência dos meios da ida
16
- Abril 2019
remover o build up das gravuras e matrizes
LUBRIFICANTES DE MATRIZES
Henri Strasser
e destravar mecanismos engripados pelo grafite seco, e o pessoal chegou a solicitar ao formulador dos lubrificantes uma característica de lavabilidade da crosta formada, o que vem exatamente em colisão com o objetivo primeiro que é exatamente o de uma camada de aderência garantida.
Ar de sopro
Água
Em 1993, Iwama e Morimoto, da forjaria da Toyota publicaram
Desmoldante
um paper que tratava da influência do tamanho das gotículas do pulverizado sobre a vida de punções de forjamento a morno, que ficou conhecido como Toyota Paper, sobre o qual já comentamos nesta coluna e que resultou na técnica de pulverização de atomização externa, que passou a ser integrada nos equipamentos a partir de então. Além disso, no processo de forjamento, o controle de temperatura da superfície de trabalho das gravuras está unicamente nas mãos da pulverização. Isso é conseguido pela remoção de calor irradiado e
Fig. 2. Sequência dos meios da volta
conduzido por contato pelos billets quentes e pelo calor gerado na
cartesiano, comandar não só a abertura e fechamento dos circuitos
conformação da peça forjada, isto é, o atrito entre a superfície metálica
de pulverização de lubrificante e água, bem como controlar a pres-
do billet e a superfície metálica da matriz, através da evaporação do
são e a vazão dos diversos meios (lubrificante, água, ar).
veículo água na pulverização do lubrificante de matriz, a assim chamada “Sprühkühlung”. Não há outras maneiras de remoção de calor. Na refrigeração das matrizes também o tamanho da gotícula
Portanto, um robô industrial de 6 eixos com o seu sistema de comando apto a interfacear-se com o sistema geral, bem como controlar todas as funções de pulverização e sopro, um cabeçote
de pulverizado é importante pois quanto menores forem mais rá-
de pulverização com bicos de atomização externa, passou a ser
pido se evaporam e maior será a retirada de calor. Dessa maneira,
oferecido aos forjadores. Dessa forma, uma aplicação de precisão e
o bico de pulverização que aplica o lubrificante também aplica a
refrigeração com água isenta de grafite exatamente onde é necessá-
água de refrigeração.
rio com a quantidade necessária, trouxe uma redução considerável
A outra ideia que surgiu foi aplicar o lubrificante apenas onde era necessário, dentro das gravuras. Os sistemas de aplicação até então eram de um eixo linear, quando a prensa estava aberta entra-
de consumo de lubrificante com uma operação limpa e sem o aparecimento do build up. Até meados dos anos 2000 ainda prevaleceu a ordem: prensa
vam entre as matrizes com cabeçotes no shape das gravuras. Uma
aberta, matrizes desocupadas, é hora do trabalho da pulverização.
vez chegado em posição a pulverização era acionada e permanecia
No entanto, este tempo, o tempo de pulverização que vai desde a
até que se “supunha” cumprida a tarefa de refrigeração e formação
liberação do lubrificador pela prensa até a liberação da prensa pelo
de camada de grafite.
lubrificador acabou sendo um tempo crítico dentro do ciclo grama
Mais tarde, foram introduzidos cabeçotes em forma de rodo
do processo! E era exatamente este tempo que começou a limitar as
com bicos alinhados e quando chegava no limite externo da gra-
quantidades horárias que precisavam ser aumentadas para preser-
vura era aberta a pulverização. Porém, o compromisso era de que
var a competitividade da forjaria!
desta forma também áreas que não eram gravura eram pulveriza-
A observação do trabalho de lubrificador humano com uma
dos, formando uma crosta seca e aderida, à vezes até dificultando o
pistola manual desabrochou numa nova ideia: robô com um
fechamento da prensa.
cabeçote pequeno lubrifica apenas a matriz que está livre. Isso faria
Normalmente um jato de ar chamado de power blast tirava a carepa e a água remanescente. Claro, espalhando estes resíduos pelas vizinhanças onde grudavam e formavam o build up. Imaginou-
com que o tempo de pulverização fosse “escondido” pelo tempo de manipulação do laminado e do forjado. Claro, à 1ª vista isso não parece tão simples, principalmente no
-se então fazer uma aplicação de precisão que seria resumida à área
que se refere ao robô lubrificador: qual matriz está livre que devo
da gravura com poucos bicos, mas para isso eram necessários mais
lubrificar? Mas, num sistema totalmente automático onde todos
eixos de movimentação do que o monoaxial do início.
os componentes sabem exatamente o que o outro está fazendo,
Numa ideia arrojada resolveu-se lançar mão de robôs indus-
por exemplo, robô manipulador está retirando o forjado da matriz
triais de 6 eixos, já largamente difundidos, com sistemas completos
final significa que a matriz do bloqueador está livre e que o robô
de comando que poderiam, além de conduzir os bicos no espaço
lubrificador pode entrar ali. Da mesma forma, manipulou no Abril 2019 -
17
LUBRIFICANTES DE MATRIZES
Henri Strasser
“A observação do trabalho de lubrificador humano com uma pistola manual desabrochou numa nova ideia: robô com um cabeçote pequeno lubrifica apenas a matriz que está livre.” bloqueador a matriz final pode ser lubrificada.
fileira de bicos aplica água de refrigeração (a 2ª da ida que aplicava lubrificante) e a 2ª lubrificante. É claro que num arranjo desses o lubrificante precisa ser um rápido formador de camada a temperaturas elevadas com velocidades de passagem da ordem de 200mm/s. Há uma outra possibilidade, com o robô entrando transversalmente ao eixo maior do forjado, com um cabeçote em forma de T ou mesmo duploT ou H que é o que poderíamos chamar de quase estática, uma vez em posição o cabeçote fica parado ou percorre
Assim até parece simples e se poderia até imaginar um traba-
um pequeno curso oval. Nesse caso praticamente cada bico é res-
lho semi-automático, mas suponha que haja uma terceira matriz a
ponsável por uma área da gravura, como antigamente, o que não
coisa já complica e só o “full automatic” consegue resolver. Há mais
chega a ser um problema, pelo contrário, com zonas de regulagem
uma questão a ser respondida: Quando o projeto prevê a entrada
de pressão de ar e lubrificante distribuídas estrategicamente se
do robô lubrificador no sentido longitudinal ao eixo maior do
pode resolver problemas de regiões muito quentes e outras muito
forjada, teremos um cabeçote relativamente pequeno com poucos
frias, por exemplo, melhor do que no processo dinâmico.
bicos que percorre a gravura como um rodo. A fixação de zonas
A utilização de 2 robôs com cabeçotes T permite a opção de
de velocidade permite a passagem em velocidade reguláveis de
lubrificar a matriz desocupada como no caso anterior. Ou 1 robô
tal modo que haja mais ou menos aplicação dos meios, além da
só com cabeçote longitudinal com bicos dedicados a áreas.
regulagem de pressão de ar e meio nestas zonas.
Enfim, são enormes as possibilidades que estão disponíveis
O estado da arte de um cabeçote de lubrificação dinâmica é o que mostram as Figs. 1 e 2, na ida por uma matriz é aplicado o ar de
através destes equipamentos para o aumento de produção e qualidade de forjados.
sopro de carepa, a 1ª fila de bicos pulveriza água de refrigeração e a 2ª fila aplica o lubrificante. Na volta, há uma inversão e o ar de sopro
Henri Strasser é engenheiro e sócio-diretor na Strasser Consultoria de
de carepa é expelido por tubos direcionados para trás, a agora 1ª
Projetos LTDA. Ele pode ser contatado em: henristrasser@uol.com.br.
ÚN
ALGUMAS VANTAGENS DE NOSSOS EQUIPAMENTOS:
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Sem ativação do freio mecânico, após um ciclo de pressão. O uso permanente da lona de freio, ausência da embreagem, proporciona menos manutenção.
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- Abril 2019
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SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Leandro Octaviano & Pedro Malaquias
Payback Positivo
A
utilização de simulações
temente da representatividade do comporta-
computacionais baseadas no mé-
mento do material inserido no software. Nas
todo dos elementos finitos nos
simulações de forjamento é necessário inserir
processos de forjamento se torna
as propriedades termofísicas e o comporta-
vantajosa devido aos seus elevados custos e
mento mecânico do material e, se necessário,
dificuldades técnicas inerentes ao processo.
das matrizes, sendo tudo em função da
Os processos de forjamento deman-
temperatura e da taxa de deformação. A
dam mão de obra qualificada, grandes
obtenção experimental dessas propriedades
Fig. 2. Peça metálica otimizada
quantidades de energia tanto para o aque-
tem valor elevado e é escassa na literatura,
ainda que a massa da rebarba simulada
cimento da peça, no caso de forjamento a
além de dependerem da composição química
tenha sido a mesma da rebarba real.
quente, quanto para funcionamento dos
da matéria prima e do seu processamento
martelos e prensas, consumo de matéria
anterior. É possível obter essas propriedades
simulações de maneira a se modificar a
prima e grande quantidade de horas de
através do software de cálculo de proprieda-
pré-forma utilizada para o processo de
trabalho que incluem tempo de pessoal
des de materiais JMatPro, inserindo então
forjamento, reduzindo-se a rebarba obtida.
e de maquinário. Esses custos são, ainda,
no software DEFORM para simulações do
Após algumas tentativas foi possível
maximizados nas atividades de implemen-
processo de forjamento.
reduzir em 50% a massa da rebarba obtida,
tação de um novo processo ou na solução de um problema crônico de produção.
Para exemplificar as capacidades dos
Posteriormente, foram realizadas
como pode ser observado na Fig. 2. Além
softwares de simulação computacional
da redução na rebarba, outros ganhos no
no forjamento utilizando o DEFORM e
processo também puderam ser investiga-
na redução dos custos na implementação de
o JMatPro, apresenta-se simulações do
dos a partir das simulações realizadas.
novos processos ou na resolução de problemas
forjamento a quente de um componente.
no sentido de reduzir a quantidade necessária
A rebarba formada no componente real
via simulação, ou a aquisição de um
de “tryouts”, reduzir a quantidade de matéria
como forjado antes da operação de corte
software como o Deform e o JMatPro,
prima, reduzir a quantidade de operações e
da rebarba bem como o resultado da simu-
dever ser compreendido como um
reduzir a quantidade de mão de obra. Vale
lação podem ser observados na Fig. 1.
investimento e não como um custo. No
As simulações computacionais atuam
lembrar, também, que as simulações ajudam
A rebarba real apresenta variações
Assim, o investimento em consultoria
caso da empresa de consultoria e represen-
de maneira efetiva nas tomadas de decisão,
na sua forma de uma peça para outra em
tação Sixpro, todos os seus trabalhos
sem substituir a necessidade de um “tryout”.
razão da prática operacional. Já a rebarba
partem de uma análise econômica, tendo
A capacidade de prever a realidade ou a
simulada considerou uma condição total-
como premissa um payback positivo e de
qualidade dos resultados obtidos por meio
mente controlada. Isso explica a diferença
curto período de tempo.
das simulações computacionais depende for-
visual entre as rebarbas real e simulada, Pedro Stemler é Assistente Técnico da SIXPRO Virtual&Practical Process, empresa especializada em simulação computacional. Mestrando em Metalurgia Física e graduado em Engenharia Metalúrgica pela UFMG. Leandro Octaviano Colaborador da SIXPRO Virtual&Practical Process, empresa especializada em simulação computacional. Graduando em Engenharia Mecânica pela Universida-
Fig. 1. Aspecto da rebarba a) forjada e b) simulada
de Federal de Minas Gerais (UFMG). Abril 2019 -
19
>>> Matriz
Emprego da Teoria Elementar da Plasticidade para o Forjamento em Matriz Aberta de um Componente Cilíndrico Vazado - Parte II Fábio Junkes Corrêa - Laboratório de Transformação Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Porto Alegre (RS) Lirio Schaeffer - Laboratório de Transformação Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul - Porto Alegre (RS) O Forjamento em Matriz Aberta é o método mais apropriado para componentes de grande porte com geometria de revolução e quando há o propósito de provocar o seu alongamento. Para estimar o valor da força de forjamento, existem algumas formas como aplicação de modelos matemáticos, utilização de simulação numérica pelo método dos elementos finitos ou realização de experimentos físicos.
D
ando continuidade ao artigo Emprego da Teoria
to (l) do tarugo é de 110 mm. Para aplicação do segundo recalque,
Elementar da Plasticidade para o Forjamento em
conforme está representado na Fig. 6, o tarugo é rotacionado 90° em
Matriz Aberta de um Componete Cilíndrico Vaza-
torno do seu eixo axial (eixo y) e, com isso, estabelecido o mesmo
do, apresentamos aqui a segunda parte.A anterior
procedimento, porém é preciso calcular as dimensões resultantes da
pode ser encontrada na Banca Digital do Portal Aquecimento Industrial, no endereço www.aquecimentoindustrial.com.br/banca-digital/revista-forge.
aplicação do primeiro recalque. Com as novas dimensões estabelecidas é possível aplicar a TEP. Para o emprego da TEP, foi utilizado um par de matrizes planas, induzindo um achatamento na região deformada como mostram
Material e Métodos
as Fig.s 5 e 6, utilizando-se o Método das Tiras. Para a inicialização
Para o Forjamento em Matriz Aberta, foi selecionado um tarugo
do procedimento matemático da TEP são necessários os dados de
cilíndrico vazado com o material AISI 4140. Conforme está repre-
entrada, como as constantes do material m1 = 0,0023, m2 = 0,116,
sentado na Fig. 5, a compressão foi efetuada a partir do contato entre
m3 = 0,131 e os dados do processo de forjamento (Tabela 1) para
o tarugo e as matrizes durante o forjamento, aplicando-se uma redução em altura (εh) de 10% em relação ao diâmetro inicial, ou seja,
Tabela 1. Dados de entrada do processo
considerando-se o diâmetro inicial (h0) de 183 mm, foi programado
Temperatura matrizes (ϑm)
um deslocamento (Δh) de 18,3 mm na direção z. A partir do contato
Temperatura das peças (ϑp)
1.100ºC
entre o tarugo cilíndrico e as matrizes, previu-se uma altura final
Dimensões do tarugo (Fig 3.)
Ø183x110 mm
Velocidade da ferramenta (vf)
5,0 mm/s
Têmpera e revenimento (μ)
0,4
(h1) de 164,7 mm. O avanço (contato ferramenta/peça) na direção y foi de 40% em relação ao comprimento do tarugo cilíndrico, equivalente a uma distância de 44 mm, considerando-se que o comprimen20
- Abril 2019
30°C
>>> Matriz
Tabela 2. Resultados da aplicação da TEP para o primeiro recalque
Tira
0
serem utilizados na equação 4. Por se tratar de forjamento a quente, considera-se uma temperatura acima da temperatura de recristalização (BULLOCH, 2006). O atrito interfacial entre as matrizes e a peça foi determinado um valor significativamente elevado, devido à possível formação de carepas durante o forjamento e por não possuir lubrificação adequada (BÖRDER, 2005).
αi
αi
[mm]
φ (hi) φ (hi) ln h/h0 vf/h [-] [s-1] [mm]
ρ
h0m
[mm] [mm] [°] [rad] [rad]
i
Fig. 5. Distância da aplicação do primeiro recalque
Δxi
x
him
0,0
0,0
0,0
0,0
0,38
183,0
164,7
0,105
0,030
1
9,4
9,4
0,0
0,0
0,38
182,6
164,7
0,103
0,030
2
18,7
9,4
0,0
0,0
0,38
180,7
164,7
0,093
0,030
3
28,1
9,4
0,0
0,0
0,38
177,0
164,7
0,072
0,030
4
37,5
9,4
0,0
0,0
0,38
171,2
164,7
0,038
0,030
5
46,9
9,4
0,0
0,0
0,38
163,1
161,3
0,011
0,031
6
56,2
9,4
0,0
0,0
0,38
152,5
152,0
0,003
0,033
7
65,6
9,4
0,0
0,0
0,38
138,6
138,3
0,002
0,036
8
75,0
9,4
0,0
0,0
0,38
120,3
120,2
0,001
0,042
9
84,3
9,4
0,0
0,0
0,38
94,9
94,8
0,001
0,053
10 93,7
9,4
0,0
0,0
0,38
40,0
39,9
0,001
0,125
Δσxi σxi kfi f(xi) σxi-1 = σxi Δxi.[g(xi) - f(xi). Tira kf0.e-m. ϑ. φi g(xi) 2/h [tan(α i m2. φi m2 σxi +Δσxi 2/hi . kfi . + ρ) i tan (α + ρ) tan(α)] [MPa] [MPa] [MPa] 0
62,2
0,30
0,005
22,07
0,00
1
62,1
0,30
0,005
20,16
1,91
2
61,3
0,30
0,005
18,20
1,96
3
59,5
0,29
0,005
16,23
1,97
4
55,4
0,27
0,005
14,37
1,87
primeiros recalques, durante o forjamento de um tarugo cilíndrico
5
47,8
0,24
0,005
12,74
1,63
objetivando o seu alongamento. O procedimento matemático é
6
40,7
0,21
0,005
11,29
1,45
executado de forma sequencial, onde cada estágio subsequente
7
38,0
0,22
0,006
9,76
1,53
A partir da equação ordinária diferencial (equação 01) para o Método das Tiras foram iniciados os cálculos, aplicando as equações subsequentes (equações 05 a 13), objetivando calcular a força em cada tira. O modelo matemático foi aplicado para os dois
depende dos dados do estágio anterior para prosseguir os cálculos.
8
35,7
0,24
0,007
8,03
1,73
Após a aplicação do primeiro recalque na direção z, obtém-se uma
9
33,9
0,29
0,008
5,81
2,22
simetria plana em função do par de matrizes planas utilizadas no
10
30,9
0,62
0,020
0,00
5,81
Tira
σzi σzi = σxi + kfi
σzim σzi + σzi-1/2
ΔAi Δxi.li
Fzi/2 σzim.ΔAi
Fzi 2 x Fzi
[MPa]
[mm2]
[kN]
[kN]
processo, evidenciando que a tensão em z é distribuída na direção x, provocando o alargamento do tarugo. A partir das dimensões iniciais e finais da peça forjada (Fig.s 5 e 6) é aplicada a TEP.
i
[MPa]
Resultados
0
84,3
84,3
0,0
0,0
0,0
Como ponto de partida, o tarugo cilíndrico foi discretizado (Fig.
1
82,2
83,3
447,3
37,2
74,5
7 e 8), dividindo-as em 10 tiras, mostrando uma vista da seção
2
79,5
80,9
447,3
36,2
72,4
transversal do tarugo cilíndrico antes e depois de submetido ao
3
75,8
77,6
447,3
34,7
69,5
4
69,7
72,7
447,3
32,5
65,1
5
60,5
65,1
447,3
29,1
58,3
6
52,0
56,3
447,3
25,2
50,3
7
47,7
49,8
447,3
22,3
44,6
8
43,7
45,7
447,3
20,5
40,9
9
39,7
41,7
447,3
18,7
37,3
10
30,9
35,3
447,3
15,8
31,6
primeiro recalque e ao segundo recalque. Enquanto a Fig. 7 mostra a discretização da peça para o primeiro recalque, a Fig. 8 mostra a discretização para o segundo recalque. As tiras são cotadas usando a expressão ∆xi (xi - xi-1) para, posteriormente, calcular as tensões na direção x. As Fig.s 7 e 8 mostram a altura menor e maior de cada tira e, para a realização dos cálculos, considerou-se a altura média, tanto para as tiras antes de serem comprimidas (h0m) como para as tiras
Força Total:
Abril 2019 -
544,4 kN
21
>>> Matriz
Tabela 3. Resultados da aplicação TEP para o segundo recalque
Tira
Δxi
x
αi
αi
[mm]
him
h0m
[mm] [mm] [°] [rad] [rad]
i
φ (hi) φ (hi) ln h/h0 vf/h [-] [s-1] [mm]
ρ
0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,38
187,4
164,7
0,129
0,030
1
8,5
8,5
0,0
0,0
0,38
187,0
164,7
0,127
0,030
2 17,0
8,5
0,0
0,0
0,38
185,5
164,7
0,119
0,030
3 25,5
8,5
0,0
0,0
0,38
182,5
164,7
0,102
0,030
4 34,0
8,5
0,0
0,0
0,38
177,7
164,7
0,076
0,030
5 42,5
8,5
0,0
0,0
0,38
171,2
164,7
0,038
0,030
6 51,0
8,5
0,0
0,0
0,38
162,6
160,4
0,014
0,031
7 59,5
8,5
0,0
0,0
0,38
151,7
149,8
0,013
0,033
8 68,0
8,5
0,0
0,0
0,38
137,8
135,5
0,017
0,037
9 76,5
8,5
0,0
0,0
0,38
119,7
117,0
0,023
0,043
10 85,0
8,5
0,0
0,0
0,38
94,6
93,1
0,017
0,054
Fig. 6. Distância da aplicação do segundo recalque
Δσxi σxi kfi g(xi) f(xi) σxi-1 = σxi Δxi.[g(xi) - f(xi). Tira kf0.e-m. ϑ. φi 2/hi . kfi . m2. φi m2 tan (α + ρ) 2/hi [tan(α σxi +Δσxi + ρ) i tan(α)] [MPa] [MPa] [MPa] 0
63,7
0,310
0,005
31,3
0,0
1
63,6
0,309
0,005
27,5
3,8
2
63,1
0,307
0,005
23,9
3,6
3
62,0
0,301
0,005
20,5
3,4
4
59,9
0,291
0,005
17,3
3,2
5
55,4
0,269
0,005
14,5
2,9
6
48,9
0,244
0,005
11,9
2,6
7
48,0
0,257
0,005
9,3
2,6
depois de serem comprimidas (him). A primeira tira, por exemplo,
Fig. 7. Aplicação do Método das Tiras em um tarugo cilíndrico vazado. a) Antes do primeiro recalque. b) Depois do primeiro recalque
8
49,0
0,290
0,006
6,5
2,8
tem um altura máxima de 183 mm e uma altura mínima de 181,2
9
49,9
0,342
0,007
3,4
3,1
mm. Com isso, o valor médio da primeira tira é de 182,1 mm
10
46,6
0,400
0,009
0,0
3,4
como apresentado na cotagem da Fig. 7.
σzi σzi = σxi + kfi
σzim σzi + σzi-1/2
ΔAi Δxi.li
Fzi/2 σzim.ΔAi
Fzi 2 x Fzi
MPa]
[mm2]
[kN]
[kN]
Tira i
[MPa]
Para calcular a tensão de escoamento (kƒ), a partir da equação 04, em cada tira é usada a deformação (ϕh) na direção da altura (equação 02), a velocidade de deformação φh na direção da altura (equação 03) e a temperatura (ϑ) de 1.100ºC. Calcula-se a tensão (σx) na direção x a partir da equação 07 que
0
95,0
95,0
0,0
0,0
0,0
1
91,1
93,1
447,3
41,6
83,2
leva em consideração o resultado da aplicação das equações 05 e 06
2
87,1
89,1
447,3
39,8
79,7
para calcular g(xi) e f(xi) as quais fazem parte da equação diferencial
3
82,6
84,8
447,3
37,9
75,8
ordinária. Para calcular g(xi) e f(xi) é preciso identificar “α” quando
4
77,3
79,9
447,3
35,7
71,5
5
69,8
73,5
447,3
32,9
65,8
houver ângulo entre as tiras e calcular “ρ” aplicando arctg(μ). Com a
6
60,8
65,3
447,3
29,2
58,4
7
57,3
59,1
447,3
26,4
52,8
8
55,5
56,4
447,3
25,2
50,5
9
53,3
54,4
447,3
24,3
48,7
10
46,6
50,0
447,3
22,3
44,7
tensão de escoamento (kƒ) e com a tensão (σx) na direção x é possível calcular a tensão (σz) na direção z através a aplicação do Critério de Escoamento de Tresca (equação 10), encontrando a tensão na direção z em cada tira. Após encontrar a tensão em z em cada tira e, calculando a área superficial de contato ferramenta/peça (equação 12), é calculada a força em cada tira (equação 13), possibilitando
Força Total:
22
- Abril 2019
631,0 kN
encontrar a força final para aplicação do recalque.
>>> Matriz
Agradecimentos Os autores agradecem o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), a Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e as instituições de apoio financeiro como CNPq e CAPES. Referências [1] BÖRDER, C.: Análise do coeficiente de atrito no ensaio do anel para o forjamento a quente. Trabalho de curso do Mestrado Profissionalizante em Engenharia Automotiva da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo 2005; [2] BULLOCH, J. H.; YOUNES, C. M.; BERNARD, P. J.; HEARD, P. A detailed fitness-for-purpose assessment of turbine valve spindles. Engineering Failure Analysis, v. 13, Issue 5, p. 747-766, 2006. Fig. 8. Aplicação do Método das Tiras em um tarugo cilíndrico vazado. a) Antes do segundo recalque. b) Depois do segundo recalque
O modelo matemático é empregado para a metade da peça como representado nas Fig.s 7 e 8. Assim, a força (F) calculada
[3] CLEARY, P. W.; PRAKASH, M.; DAS, R.; HA, J.: Modelling of metal forging using SPH. Applied Mathematical Modelling, v. 36, Issue 8, p. 3836-3855, 2012; [4] COLOMBO, T. C.: A. Análise numérica do Forjamento em Matriz
para cada tira é multiplicada por dois para encontrar a força neces-
Aberta para a produção de eixos vazados. Dissertação de Mestrado
sária considerando as duas metades, ou seja, a peça inteira.
em Engenharia Metalúrgica – Programa de Pós-Graduação em Enge-
Nas tiras 6, 7, 8, 9 e 10 das Fig.s 7 e 8 é observado que, apesar de não haver o contado com a ferramenta, ocorre uma redução da al-
nharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais – PPGEM, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre - RS, 2012.
tura, em função da compressão causada pelo par de matrizes planas.
[5] EDELMAN, F.; DRUCKER,: D. C. Some extensions of elementary plasti-
Entretanto, a redução provocada nas primeiras linhas (1, 2, 3, 4 e 5) é
city theory.Journal of the Franklin Institute, v. 251, Issue 6, p. 581-605,
dissipada para as demais linhas reduzindo as alturas das tiras.
June 1951;
A Tabela 2 mostra o resultado dos cálculos, baseado na TEP, utilizando o Método das Tiras, para o primeiro recalque do tarugo
[6] FERESHTEH-SANIEE, F.; JAAFARI, M.: Analytical, numerical and experimental analyses of the closed-die forging.Journal of Materials
cilíndrico (Fig. 7). O somatório das forças localizadas em cada tira
Processing Technology. v. 125-126, p. 334 – 340, September 2002;
permite a determinação do valor da força total (Ftotal) para execu-
[7] KCHAOU, M.; ELLEUCH, R.; DESPLANQUES, Y.; BOIDIN, X.; DEGALLAIX,
ção do primeiro recalque que foi de 544,4 kN. O segundo recalque é efetuado da mesma forma que o primeiro, onde a peça é discretizada como mostra a Fig. 8. Neste caso, divide-se também em 10 tiras a partir da linha de centro até a periferia do tarugo. A Tabela 3 mostra os resultados obtidos no segundo recalque (Fig. 08). O somatório das forças localizadas em cada tira permite a determinação da força total que é de 631,0 kN.
G.: Failure mechanisms of H13 die on relation to the forging process – A case study of brass gas valves. Engineering Failure Analysis, v. 17, Issue 2, p. 403-415, 2010; [8] MARTINS, P., RODRIGUES, J. Tecnologia Mecânica. Vol 1. Capítulo 7: Método da Fatia Elementar, p. 389-411, Lisboa: Escolar Editora, 2005; [9] SCHAEFFER, L.: Forjamento: Introdução ao Processo. 2ª Edição. Porto Alegre – RS: Editora Imprensa Livre, 2006; [10] SCHAEFFER, L.; ROCHA, A. S.: Conformação Mecânica: Cálculos
Conclusão
Aplicados em Processos de Fabricação. 1ª Edição. Porto Alegre – RS:
Com base nas informações inicias como as propriedades mecâni-
Editora Imprensa Livre, 2007.
cas do material e as dimensões do componente com geometria de revolução foi possível aplicar a Teoria Elementar da Plasticidade e,
O autor Fábio Junkes Corrêa é engenheiro mecânico no Laboratório de
com isso, estimar o valor da força total exigida para forjar o com-
Transformação Mecânica (LdTM), Departamento de Metalurgia, UFRGS,
ponente analisado em cada estágio. Contudo, quando há a neces-
Porto Alegre (RS), fabio.correa@ufrgs.br. O coautor Lirio Schaeffer é
sidade de mensurar a força requerida de forjamento de um com-
Prof. Dr. -Ing. Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica
ponente, pode-se aplicar a TEP para prever a força de forjamento
(LdTM), Departamento de Metalurgia, PPGEM, UFRGS, Porto Alegre
sem precisar recorrer a softwares de simulação computacional,
(RS), schaefer@ufrgs.br.
reduzindo custos do processo de forjamento. Abril 2019 -
23
>>> Micro Forjamento a Frio
Micro Forjamento a Frio Ajuda a Estender a Vida Útil de Matrizes Brian Guild e Karan Billing - Accurapuls Canada Inc.; Edmonton, Alberta - Canadá O desgaste e a falha final das matrizes de forjamento são inerentes ao processo de forjamento de metal. A Accurapuls Canada Inc. oferece um micro processo de forjamento a frio (ou “hammer-peening”) que trabalha a frio toda a superfície de uma matriz para endurecer, acabar e/ou manter a integridade da superfície da matriz.
M
atrizes de forjamento são propensas a vários
forjamento são a dureza e a rugosidade da superfície.
mecanismos de falha, e a substituição ou reparo
Neste artigo, discutiremos essas falhas com mais detalhes e
pode ser dispendioso e demorado. Por esta razão,
como o micro forjamento a frio pode oferecer uma solução eficaz e
é importante dar todos os passos possíveis para
econômica para esses desafios.
maximizar a vida útil da ferramenta. Matrizes de forjamento experimentam dois tipos de fadiga. O
Micro Forjamento a Frio
primeiro é em forjamento a frio, onde o contato repetido com uma
O micro-forjamento a frio (MCF - Micro Cold Forging), também
peça de trabalho leva à fadiga mecânica. A segunda é em forjamen-
conhecido como machine hammer peening, é um processo auto-
to a quente, onde a matriz de forjamento sofre fadiga térmica além
matizado de tratamento de superfície que emprega um martelo de
da fadiga mecânica. Essas tensões térmicas levam a rachaduras na
peening controlado eletronicamente fixado a uma máquina-ferra-
superfície da matriz. Esse fenômeno é comumente chamado de
menta CNC, robô ou máquina para fins especiais. A fresadora CNC
"verificação de calor".
que executa os cortes finais de fresamento é a mais usada, portanto,
Outra causa comum de falha na matriz é o desgaste. Isto é especialmente verdadeiro em aplicações de forjamento de matriz aberta. No forjamento de matriz aberta, um tarugo aquecido é co-
outra máquina ou configuração não é necessária. A Fig. 2 mostra o martelo MCF preso a um robô. A máquina-ferramenta manipula o martelo em direção à su-
locado na metade inferior de um conjunto de matrizes correspon-
perfície da matriz da peça da mesma forma que faria com uma
dente. À medida que a metade superior do conjunto de matrizes
ferramenta de corte, e o dispositivo pontiagudo com ponta esférica
é forçada para baixo sobre o tarugo aquecido, a peça de trabalho é
entra em contato e percorre a superfície, conferindo uma força de
deformada no formato da matriz como material e a rebarba é con-
impacto rápida e recíproca. Tanto a frequência de impactos (até 500
vertida para além da superfície da matriz. Dois fatores principais
marteladas por segundo) quanto a força de impacto (até 400 libras
que afetam o desempenho de desgaste das superfícies de matriz de
por acerto) são variáveis para otimizar os resultados. A Fig. 3 mostra
Tarugo aquecido
Deformação plástica Matriz superior
Fig. 1. Forjamento por impressão da matriz
24
- Abril 2018
o martelo operando em uma matriz de forjamento. Um de nossos clientes usa esse processo para dar acabamento e
Rebarba
manter suas matrizes de forjamento. No passado, quando rachaduras
Matriz inferior
ou desgaste ocorriam na superfície das matrizes, eles teriam que refazer a matriz removendo até 30 mm de material. No entanto, eles agora
>>> Micro Forjamento a Frio
mente forçado além de seu limite de resistência durante as operações de forjamento, o material eventualmente falhará. Esta falha é geralmente na forma de rachaduras na superfície, fazendo com que a matriz produza peças fora da tolerância com um acabamento superficial ruim até que seja reparada.
a)
No forjamento a quente, não apenas as matrizes experimentam a fadiga mecânica associada ao martelamento repetido de uma peça de trabalho, eles também sofrem fadiga térmica. Quando a superfície da
Fig. 2. Dispositivo de forjamento a frio montado no robô Kuka
Fig. 3. Operação de martelamento em uma matriz de forjamento
matriz é repetidamente aquecida e resfria-
implementaram uma nova abordagem.
da peça de trabalho original. Em outras
a tensões internas no material. A formação
palavras, uma matriz de forjamento feita de
de fissuras como um produto da fadiga
ladas (peened) antes de serem usadas na
aço de ferramenta muito duro não terá o
térmica é comumente referida como "veri-
produção. Em intervalos periódicos, quando
mesmo aumento de dureza que uma matriz
ficação de calor" (heat checking).
uma matriz sofre desgaste em áreas de alta
de aço com baixo teor de carbono.
Matrizes recém-fabricadas são marte-
tensão, ela é polida manualmente para re-
Mesmo em aços duros, nosso processo
da, os ciclos de expansão e contração levam
Os engenheiros costumam estimar o limite de resistência das ligas de aço como
mover o material danificado. Depois disso, as
pode fornecer aumentos significativos de
sendo metade da resistência à tração final do
áreas danificadas são re-peened e nitretadas.
dureza. Por exemplo, em aço AISI 1045 tem-
material. O endurecimento por tensão é uma
Usando este método, nosso cliente eliminou
perado, observamos que a dureza Vickers
maneira conhecida de aumentar a resistência
efetivamente a formação de rachaduras em
aumenta até 9,9%, de 527 HV para 579 HV
à tração final de um material. O processo de
HRC)[4]. O
aço ferramenta AISI
suas matrizes de forjamento usando o MCF.
(51-54,1
Eles relataram que suas matrizes estão duran-
H13, um aço típico usado em matrizes de
superfície da peça de trabalho. Por esta razão,
do 95% a mais entre intervalos de reparo. Em
forjamento a quente, é temperado de sua
é uma excelente maneira de aumentar a vida
outro exemplo, um cliente aumentou em até
dureza Vickers original de 177 HV para uma
útil das matrizes de forjamento.
dez vezes a vida útil de suas matrizes.
dureza que varia de 370 HV a 560 HV (37.753 HRC), dependendo da aplicação.
Melhorias na Natureza
MCF efetivamente endurece por tensão toda a
Ótima Rugosidade da Superfície
Como o MCF é um processo de tra-
A rugosidade da superfície das matrizes de
O desgaste é um tema complexo, especial-
balho a frio, os aumentos de dureza de-
forjamento é um assunto delicado. Se a su-
mente difícil de quantificar e analisar pelo
pendem da força de rendimento. Os aços
perfície da matriz for muito áspera, a matriz
fato de existirem vários mecanismos e tipos
H13 e 1045 que são resfriados a alta dureza
sofrerá um desgaste abrasivo maior, levando
de desgaste. O mecanismo de desgaste de
têm uma força de escoamento semelhante
a uma falha mais rápida e a um acabamento
forjamento mais prevalente é a abrasão. O
e respondem de maneira semelhante ao
superficial ruim da peça forjada. Uma super-
desgaste abrasivo é governado pela relação
nosso processo de acabamento superficial.
fície de matriz excessivamente lisa diminui
de dureza entre o material abrasivo (neste
Com base nessas informações, o MCF é
a retenção de lubrificante entre a matriz e
caso, a peça de trabalho) e o material gasto
uma opção viável para aumentar a dureza e
a peça de trabalho. O intervalo ideal para a
(neste caso, o molde). Se a matriz for mais
o desempenho de desgaste de suas matrizes
rugosidade média aritmética de matriz de
dura que a peça de trabalho, a taxa de des-
de forjamento a quente.
forjamento (Ra)está fora da especificação. O
gaste da matriz será bastante reduzida[2]. Nosso processo mostrou aumentar a dureza da superfície em profundidades de até 1,4
mm[3]. Os
aumentos de dureza estão
inversamente correlacionados com a dureza 26
- Abril 2018
processo de polimento manual é, portanto, Melhorando o Desempenho de Fadiga
inconsistente. O polimento manual de uma
Em última análise, as falhas de fadiga redu-
matriz de forjamento requer um conjunto
zem-se ao limite de resistência do material.
de habilidades muito específico, e pode
Quando o material da matriz é repetida-
ser difícil conseguir pessoal capacitado. As
>>> Micro Forjamento a Frio
Annals, vol. 65, no. 2, pp. 809-832, 2016;
ramentas de corte de consumíveis especiais que realmente “cortam” o aço em vez de
[4] B. Adjassoho, E. Kozeschnik, C. Lechner, F.
simplesmente deslizar, raspar ou arrastar
Bleicher, S. Goessinger and C. Bauer, “In-
a superfície, o que pode levar a defeitos
duction of Residual Stresses and Increase
superficiais. Em terceiro lugar, as operações
of Surface Hardness by Machine Hammer
de corte simplesmente não conseguem
Peening Technology,” Annals of DAAAM for
uma suavidade perfeita. Portanto, apesar
2012 & Proceedings of the 23rd Internatio-
das melhores práticas de fresamento final,
nal DAAAM Symposium, vol. 23, no. 1, pp. 697-702, 2012;
o polimento secundário continua sendo um processo necessário para obter a rugo-
[5] D. Nowak, “Investigation of Surface Roughness and Lay on Metal Flow in Hot
sidade superficial desejada.
Forging,” Master’s, Marquette University,
A automação deste processo de poliFig. 4. Peça de amostra usinada (observe a transição entre a superfície fresada e a superfície acabada)
2014;
mento através do MCF é uma excelente alternativa ao polimento manual ou ao fre-
[6] Lechner, C., Bleicher, F., Haberson, C., Bauer,
partículas cerâmicas transportadas pelo
samento de superfície avançado para obter
C. and Goessinger, S., “The use of Machine
ar do equipamento de polimento também
as especificações de suavidade da superfície
Hammer Peening technology for smoothe-
representam um risco para a saúde do pes-
necessárias. Os potenciais benefícios e eco-
ning and structuring of surfaces,” Annals of
soal. O polimento manual também é um
nomias de introduzir este processo em aca-
DAAAM for 2012 & Proceedings of the 23rd
processo muito demorado.
bamento e reparo de matriz de forjamento
International DAAAM Symposium, 23(1), pp.
só começaram a ser descobertos.
331-336, (2018).
Uma maneira de abordar a necessidade de um acabamento de superfície altamente refinado é usinar a superfície da matriz da
Referências
O autor principal Brian Guild é VP, Diretor de
forma mais suave possível antes do poli-
[1] M. Groover, Fundamentals of Modern
Comunicações da Accurapuls Canada, Inc. Ele
mento. No entanto, esse método também possui limitações inerentes. Em primeiro lugar, essas operações de corte exigem
Manufacturing, 5th ed. Hoboken, NJ: John
pode ser contatado em +1 780-445-0920 ou
Wiley & Sons, Inc., 2013, p. 446;
brian@accurapuls-canada.com. O co-autor
[2] Pintaude, Giuseppe & Sinatora, Amilton
Karan Billing é analista técnico na Accurapuls
muito tempo de usinagem, utilizando as
& Albertin, E. (2005). A review on abrasive
Canada, Inc. Ele pode ser alcançado em +1 780-
melhores e mais caras máquinas-ferramen-
wear mechanisms of metallic materials;
802-0125 ou karanbillingeit@gmail.com. Para
ta, com altas velocidades, avanços, precisão,
[3] V. Schulze, F. Bleicher, P. Groche, Y. Guo and
rigidez e capacidade de processamento de
Y. Pyun, “Surface modification by machine
programas. Em segundo lugar, requer fer-
hammer peening and burnishing,” CIRP
adicional informações visite https://accurapuls-canada.com.
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Abril 2018 -
27
>>> Aços Limpos
A Evolução dos Aços Limpos Fig. 1. Barras Gerdau SBQ em um leito de resfriamento
Eduardo Scheid e Denise Correa de Oliveira – Gerdau Special Steel North America; Monroe, Michigan - EUA Melhorias nos processos de fabricação de aço resultaram em avanços na sua limpeza que, por sua vez, geram produtos de uso final de alta qualidade. O aço limpo é produzido controlando-se criteriosamente os parâmetros nas operações de fusão, refino, desgaseificação e lingotamento. A demanda por aços limpos continuará a aumentar devido à pressão global por eficiência energética e regulamentações mais rígidas de emissão de CO2.
O
aço é um material incrível quando se considera sua
em dois grupos: exógeno e endógeno. As inclusões exógenas são
versatilidade. O aço pode alcançar as características
formadas a partir de interações químicas ou mecânicas não inten-
necessárias para uma vasta gama de produtos finais;
cionais e da reoxidação do aço líquido com seus arredores, como
é relativamente de baixo custo comparado a muitos
escórias, pó de molde e refratários. Elas são maiores que as inclu-
outros materiais; é infinitamente reciclável sem perda de proprie-
sões endógenas, que são normalmente formadas devido às reações
dade; e pode ser produzido em massa, com produção global anual
durante o processo de refino. Inclusões endógenas são geralmente
de mais de 1,5 bilhão de toneladas.
classificadas como sulfetos, aluminas, silicatos e outros óxidos. Elas podem ser de tamanhos muito pequenos, tornando-as mais difíceis
O Que é Aço Limpo?
de flotar no aço líquido.
Em comparação com apenas algumas décadas atrás, melhorias nos
A composição, o tamanho, a quantidade e a distribuição de in-
processos de fabricação de aço e avanços nos métodos de avaliação
clusões têm um grande efeito nas propriedades de uma peça. O pa-
melhoraram substancialmente a qualidade do aço. Esses avanços
pel dos produtores de aço limpo é minimizar as inclusões e, conse-
resultaram em extremo controle de composição química, bem
quentemente, reduzir seu efeito prejudicial sobre os produtos finais.
como de novas técnicas de refino para aumentar a limpeza do aço.
Peças de aço, particularmente peças móveis para aplicações
Este alto nível de limpeza é o que a indústria chama de aço limpo.
em equipamentos de transporte, são especialmente suscetíveis aos
Simplificando, os aços limpos possuem elevado controle de inclu-
efeitos de inclusões não metálicas. Essas inclusões podem contri-
sões não-metálicas, com limites restritos em termos de tamanho,
buir para reduzir a vida útil em fadiga em peças expostas a rotação
forma, composição, distribuição e frequência. Como resultado, os
contínua, como cubos de roda, engrenagens de transmissão e eixos,
aços limpos são capazes de superar outros materiais e se destacam
virabrequins e eixos de comando de válvulas. Falhas prematuras
em condições de altas cargas aplicadas, como usados em equipa-
nesses componentes altamente solicitados impulsionaram para o
mentos de transporte e outras aplicações.
desenvolvimento de aços mais limpos.
Inclusões não metálicas são partículas formadas no proces-
Muitos estudos sobre a composição e forma das inclusões fo-
so de fabricação de aço. Essas partículas podem ser classificadas
ram conduzidos para entender a relação entre o tipo de inclusão,
28
- Abril 2019
Índice de contagem relativa de inclusões
>>> Aços Limpos
4.0
Teste de ultrassom por imersão de alta frequência
3.0
2.0
1.0
0.0
Processo padrão
Processo de aço limpo
Fig. 2. O teste de ultrassom por imersão fornece uma análise sofisticada de potenciais defeitos em uma amostra representativa do material
Fig. 3. Um exemplo de um resultado de teste de ultrassom por imersão
interface entre aço e inclusão, e iniciação de trincas. Por exemplo,
um aspecto importante na produção de aço limpo. Recentes desen-
o efeito na interface inclusão-aço tem sido de particular interesse.
volvimentos na tecnologia de lingotamento, tais como simulação
Sulfetos, aluminas e outros óxidos têm diferentes comportamentos
de fluidodinâmica (CFD - Computer Fluid-Dynamics) e modelos
de ligação e terão efeitos diferentes no aço. Pesquisas mostram que
utilizando água, têm sido usados para estudar o comportamento
inclusões que facilmente se desconectam da matriz de aço , como a
de fluxo. O objetivo é estudar os melhores modelos de distribuidor e
alumina, são as que geram microfissura inicial rápida, consequen-
modificadores de fluxo para aumentar a flotação de inclusão e evitar a
temente reduzindo a vida em fadiga.
re-oxidação do aço, além de diminuir a turbulência. Além disso, refratários usados em revestimentos do distri-
Como é Produzido Aço Limpo
buidor, dispositivos de proteção e válvula submersa tem sido
O processo de produção de aço limpo começa no pátio de sucata.
melhorados tanto em materiais quanto em projeto. Esforços sig-
Sucatas com quantidades limitadas de certos elementos, como cobre,
nificativos tem sido feitos para evitar a re-oxidação resultante do
estanho, enxofre e fósforo, resultarão em aços mais limpos. As ligas
contato entre o ar e o aço durante o lingotamento. Os aços limpos
usadas na produção de aço limpo também precisam de controles de
são lingotados sob uma atmosfera protetora usando gases inertes
qualidade rigorosos em relação à sua composição química e elemen-
como o argônio e, às vezes, nitrogênio para protegê-los do contato
tos residuais.
com o ar. As tecnologias de inertização com argônio no distribui-
Diversos parâmetros-chave do processo de fusão, refino,
dor, alem de pós de moldes e pós de cobertura de distribuidor,
desgaseificação e vazamento são então controlados apropriadamente
assim como novos dispositivos de controle de adição de fluxo estão
para produzir o aço líquido com os atributos certos. Estes incluem
em constante evolução.
o controle do nível de oxigênio no aço (desde o vazamento até o produto final), engenharia de escória e controle de composição
Como Aço Limpo é Medido
química. Também é importante que ocorra mínima passagem de
Testes não destrutivos das barras de aço, como inspeção automática
escória quando o aço líquido é transferido do forno para a panela,
de ultrassom e campo magnético, são o primeiro filtro para entender
onde começa o refino secundário.
a limpeza do aço e oferecer feedback para melhoria do processo.
O refino secundário é composto de dois estágios: refino e de gaseificação. Durante o refino, a composição química do aço e da
Mesmo os aços mais limpos terão algum pequeno nível de impureza, o que é inerente ao processo.
escória e a temperatura do aço são ajustadas até que os resultados
Portanto, é importante entender a limpeza do aço e sua capa-
desejados sejam alcançados. O aço é então enviado para a estação
cidade de atender a função do produto final. Tamanho e localiza-
de desgaseificação a vácuo, onde é agitado sob vácuo para remover
ção das inclusões podem influênciar o desempenho final. O nível
gases indesejados, como hidrogênio, nitrogênio e oxigênio. Nesta
aceitável de limpeza do aço para um determinado produto pode
fase, é importante monitorar a pressão, vazão e tempo, a fim de se
não ser aceitável para outros. Por exemplo, rolamentos, engrena-
obter uma interação adequada entre escória e aço.
gens e eixos têm processos de produção únicos, com suas próprias
Uma vez que o processo de desgaseificação a vácuo esteja com-
necessidades específicas de teste de produtos. O teste de fadiga é
pleto, o foco é evitar a re-oxidação e promover a flotação das in-
um bom exemplo. Além dos testes tradicionais de flexão, torção e
clusões antes da solidificação. Essa "metalurgia terciária" tornou-se
fadiga tração-compressão, podem ser necessários testes mais espeAbril 2019 -
29
>>> Aços Limpos
Sobre a Gerdau A divisão norte-americana de aços especiais da Gerdau é especializada na produção de aços para os mercados de veiculos leves e pesados, agricola, equipamentos de construcao e industrial em geral. A divisão está sediada em Jackson, Michigan, e tem plantas de produção de aço em Jackson e Monroe, Michigan, e Fort Smith, Arkansas. A empresa também tem uma instalação de tratamento térmico de aço em Huntington, Indiana. A Gerdau está focada em tecnologias de aço limpo e continua a dar passos significativos na produção sustentável de aços limpos. Com os recentes processos de Aciaria desenvolvidos, além dos controles rígidos, a Gerdau está produzindo aços com qualidade de rolamento em seus lingotamentos contínuos. Em 2019 a usina de Monroe passa a produzir blooms de 240 mm, o que resultará em maior grau de redução, melhor qualidade superficial e aços mais limpos com menos inclusões. A Gerdau também está investindo mais de US $ 70,3 milhões nos próximos três anos para atualizar as tecnologias de forno a arco elétrico e refino secundário na planta de Monroe. cíficos, como teste de fadiga de contato para rolamentos e teste de
ternários. Esta técnica está sendo usada como uma ferramenta para
fadiga por flexão de dentes para engrenagens.
feedback do processo e Pesquisa e Desenvolvimento.
Historicamente, métodos indiretos foram usados para corre-
Outro bom exemplo é o teste ultrassônico de imersão. Frequ-
lação com a limpeza, como o teor de oxigênio e aumento de nitro-
ências de 10 a 100 MHz são usadas para investigar a quantidade
gênio. O conceito é que quanto menos exposição o aço tem para à
de inclusões em um determinado volume de aço. Este é um desen-
atmosfera, menor é a captação de oxigênio e nitrogênio, tornando o
volvimento significativo, considerando que essas inclusões eram
aço mais limpo. Hoje, esse conceito evoluiu para incluir diferentes ti-
microscópicas previamente determinadas em seções transversais
pos de caracterizações e criou mais discussões sobre essa correlação.
polidas e microscópios óticos. Agora, um volume muito mais re-
Métodos tradicionais de avaliação de limpeza do aço, como
presentativo de um lote de pode ser avaliado com segurança.
ASTM E45, ISO 4967 e JIS G 0555, foram complementados por testes de dissolução ácida, teste em espectrômetro de emissão ótica
O Futuro do Aço Limpo
(OES-PDA), análise de microscopia eletrônica de varredura, análi-
A demanda por aços limpos continuará a aumentar devido a pressão
se estatística de valor extremo e testes de ultrassom por imersão.
global por eficiência energética e regulamentações mais rígidas de
Técnicas recentes de investigação estão considerando inclusões
emissão de CO2. Os fabricantes de autopeças e veículos (principalmente
tão pequenas quanto 1 micrômetro. Além disso, a composição
automotivos) continuarão desenvolvendo projetos objetivando redução
química da inclusão pode ser determinada por recursos automati-
de peso, para melhor eficiência de combustível e expectativas de desem-
zados de microscopia eletrônica de varredura, que plotam as com-
penho mais altas, levando a um aumento na demanda de qualidade em
posições químicas e tamanhos das inclusões em diagramas de fase
toda a cadeia de fornecimento, incluindo os produtores de aço. Tecnologias futuras para produzir aço limpo incluirão ter mais visibilidade de testes de produtos em tempo real. O surgimento de testes de ultrassom de imersão de alta frequência elevou a capacidade de detectar inclusões não metálicas muito pequenas que não eram possíveis de serem detectadas no passado. Ser capaz de controlar essas pequenas inclusões através da combinação de diferentes técnicas, poderá ser a chave para avanços reais. O co-autor Eduardo Scheid, BSc., é engenheiro metalúrgico. Ele pode ser encontrado em eduardo.scheid@gerdau.com. Co-autora Denise Correa de Oliveira, MSc, PhD, é engenheira de materiais. Ela pode ser encontrada em
Fig. 4. Um microscópio eletrônico de varredura é usado para observar superfícies de amostras com ampliações extremamente altas para caracterizar a estrutura geral e a química de uma amostra
30
- Abril 2019
denise.oliveira@gerdau.com. Ambos os autores são especialistas em P&D da Gerdau Special Steel North America em Monroe, Michigan, EUA.
04 E 05
FEI
>>> Aços Limpos
NOVEMBRO
2019 www.grupoaprenda.com.br
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Mídia Oficial:
VII Seminário: Tecnologia do
Forjamento 7 th Forging Technology Seminar Nov 04 and 05 Abril 2019 -
31
>>> Processos
Gerenciamento de Recursos Via Integração de Sistemas MES/ERP Ron Beltz - Throughput Consulting, Inc.; Delafield, Wisconsin - EUA Neste primeiro de dois artigos, as definições e diferenças entre sistemas de planejamento de recursos empresariais (ERP) e sistemas de execução de manufatura (MES) são consideradas. A Parte II considerará as vantagens de integrar ambos os sistemas no interesse da eficiência operacional e de produção, bem como um serviço superior ao cliente.
A
tualmente, a maioria das empresas de forja continua dis-
tem um forno a gás existente e planeja expandir seus negócios, au-
cutindo a necessidade de estabelecer uma integração de
mentar sua taxa de produção e/ou processar diferentes tamanhos
informações que seja coordenada e resumida entre seus
de peças e ligas que poderiam exigir temperaturas alvo mais altas.
vários departamentos. Apenas para sobreviver no com-
Existem dois designs híbridos típicos:
petitivo mundo dos negócios, a gerência sênior precisa ter as ferramentas adequadas de relatórios resumindo uma infinidade de operações de
• Aquecimento por indução seguido por aquecimento em um forno a gás;
cada departamento no formato certo e dentro de um prazo específico.
• Preaquecimento de aço em um forno a gás a temperaturas
Mais importante, eles devem poder contar com essas informações para
elevadas (por exemplo, 800-900 °C) seguido por aquecimento por
tomar decisões estratégicas. Portanto, ter a informação correta integrada
indução até a temperatura final.
entre os vários departamentos internos da empresa é fundamental.
Ambas as abordagens têm suas próprias vantagens e podem fornecer uma combinação atraente de custo-benefício, economia
ERP, MES ou Ambos?
de espaço e processamento tecnicamente vantajoso.
Em alguns casos, projetos híbridos que consistem em uma combinação de um forno de indução e um forno a gás podem oferecer
O Que é o MES?
vantagens. Este seria o caso quando, por exemplo, um cliente já
Em sua forma mais básica, os sistemas de execução de manufatura
32
- Abril 2019
>>> Processos
são sistemas computadorizados usados na manufatura tradicional para rastrear, controlar e documentar as etapas envolvidas desde a criação da ordem de serviço até o envio dos produtos acabados. (Observe que ele também pode incluir o processo real de cotação do cliente antes da ordem de serviço, já que algumas etapas de processamento têm cobranças associadas a elas, enquanto outras não.)
“...a gerência sênior precisa ter as ferramentas adequadas de relatórios resumindo uma infinidade de operações de cada departamento no formato certo e dentro de um prazo específico.”
O MES fornece informações que ajudam os tomadores de decisão a entender como as condições atuais no chão-de-fábrica podem
mas ouvimos de muitas empresas ao longo dos anos que muitas não
ser otimizadas para melhorar o rendimento e reduzir os gargalos.
têm todas as funcionalidades de que precisam. Além disso, foram
Eles trabalham em tempo real para melhor permitir a orquestração
desenvolvidos sistemas de planejamento de necessidades de material
coerente de múltiplos recursos e centros de trabalho envolvidos no
(MRP - Material Requirements Planning), mas ainda faltava algo.
processo geral de produção, como material, recebimento, pessoal,
É por isso que muitas empresas, desde então, adicionaram o
equipamentos / máquinas, processos embarcados de fornecedores
MES para dar suporte total à operação de fabricação, ao mesmo
externos, embalagem / remessa e outros serviços de suporte.
tempo em que permitem uma melhor tomada de decisões no seu
O MES geralmente opera em várias áreas funcionais que
escritório e uma resposta imediata às solicitações dos clientes. Não
trabalham juntas para concluir os processos de negócios gerais,
é mais necessário colocar os clientes em espera para rastrear o sta-
enquanto coleta métricas relacionadas à qualidade que podem ser
tus de um pedido ou remessa. Alguns MES também fornecem um
anexadas permanentemente a cada ordem de serviço individual,
Portal do Cliente para melhor atendimento ao cliente.
incluindo fotografias, vídeos e outras mídias em tempo real. Isso
A maioria dos sistemas ERP corporativos não está integrada ao
pode ser especialmente importante quando for necessário seguir
chão de fábrica, causando discrepâncias entre produção planejada
as especificações e diretrizes rigorosas de processamento das re-
versus produção real, capacidade subutilizada e custos de fabrica-
gulamentações “em vigor”, em que a documentação e a prova de
ção mais altos. Felizmente, a maioria das divisões corporativas tem
processos, eventos e ações podem ser necessárias.
a liberdade e a capacidade de selecionar uma solução MES para
Às vezes, esses dados são incluídos em uma declaração de cer-
fornecer a visibilidade de fábrica que seu sistema ERP não possui.
tificação (cert). Isso pode ser enviado ao cliente certificando que os
Além de substituir as planilhas e as notas de papel que há mui-
processos, procedimentos e instruções operacionais corretos foram
to tempo são usadas na manufatura para acompanhar a produção,
seguidos ao concluir seu pedido. Muitas empresas me contataram
o MES se tornou o principal elemento de conexão entre o chão-
discutindo as “deficiências” de seu sistema de ERP, e uma das áreas
-de-fábrica e os sistemas corporativos. Ao substituir os métodos
que faltam é a capacidade de criar um certificado, que um bom
tradicionais baseados em papel pelo MES, as empresas podem
MES pode fornecer com muita facilidade.
lidar com exceções em tempo real, de modo que os registros em
Alguns sistemas ERP incluem uma parte da funcionalidade necessária para melhor controle e visibilidade do chão de fábrica,
lote e os registros do histórico de dispositivos possam ser revisados enquanto a fabricação estiver em andamento, e não apenas a pós-produção. Eles também podem iniciar uma ação corretiva e preventiva (CAPA - Corrective And Preventive Action) para aliviar um problema contínuo em um processo de produção. Em setores altamente automatizados, o MES fornece uma ponte intermediária de coleta e gerenciamento de dados para sistemas de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition) ou sistemas de controle de processo que efetuam a automação de máquinas. Esses dados em tempo real podem, então, fazer parte do histórico de ordem de trabalho armazenado de um trabalho. O MES fornece uma ponte que integra o gerenciamento de produção às configurações de engenharia, gráficos, diagramas e especificações documentadas. Ao longo dos anos, os padrões industriais e os modelos de processamento refinaram o escopo da funcionalidade MES. Este escopo inclui: Abril 2019 -
33
>>> Processos
• Criação e personalização de processos (ou seja, receitas) durante o processo;
• Gerenciamento de segurança e conformidade e manutenção de registros;
• Gestão de recursos (equipamentos, pessoal, matérias-primas); • Agendamento para centros de trabalho, equipamentos, pessoal; • Qualificação de equipamentos, pessoal, fornecedores para um trabalho específico;
• Controle estatístico de processos (SPC); regras estatísticas para ajudar a detectar tendências; • Captura de mão de obra direta e indireta em cada trabalho de produção;
• Permitir características de plano de controle do tipo variável, unidades convertidas e algoritmos de arredondamento;
• Acompanhamento em tempo real de produção, coleta de dados e análise de desempenho;
• Documentação / trilha de auditoria mostrando conformidade com requisitos de especificação;
A chave é encontrar uma solução que se “encaixe” bem com seus processos / procedimentos operacionais. Quais são algumas das
• Notificação automática em tempo real de “eventos desencadeantes” no chão de fábrica;
economias que as forjarias podem obter quando utilizam o MES? Para citar apenas alguns: redução nas rejeições, aumento no número
• Gerenciar, planejar e controlar a manutenção do equipamento de produção (e restringir o uso quando necessário);
de ordens de serviço concluídas, redução nos custos de manutenção, economia média de tempo de inatividade da máquina e quantidade
• Inventário e Gerenciamento de Pedidos de Compras (incluindo notificação automática de níveis de pedidos);
de tempo economizado por semana no agendamento. Na Parte II deste artigo, discutiremos a integração dos sistemas
• Fornecimento de instruções operacionais em tempo real, ví-
MES e ERP em sua empresa.
deos, diagramas, palavreado especificação; • Especificar requisitos de inspeção/teste, juntamente com a
Autor Ron Beltz é Diretor - Contas Estratégicas da Throughput / Bluestreak, Delafield, Wisconsin. Ele pode ser contatado pelo número +1
coleta de dados de qualidade exigida; • Análise de risco (identificação, avaliação e priorização de ris-
888-785-0509 x 710 ou pelo e-mail ron.beltz@go-throughput.com. Para informações adicionais, visite www.go-bluestreak.com.
cos através de modelos de risco);
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