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
Abril 2020 Número 26 www.sfeditora.com.br
Forjamento Radial Moldando Inovações Futuras Forjamento a Quente em Matriz Aberta: Revisão dos Métodos de Cálculos Taxas de Resfriamento Otimizadas de Aços Microligados (Parte I) Influência de Lubrificante no Desgaste de Aço na Conformação Capacitação de Forjarias Brasileiras na Simulação Numérica: Estudo FEI
CONTEÚDO ARTIGOS 10
Considerações Sobre o Processo de Forjamento a Quente em Matriz Aberto: Revisão Literária Dos Métodos de Cálculos O forjamento em matriz aberta é caracterizado pela compressão de massa metálica entre matrizes superior e inferior, em regiões localizadas da peça, deformando-se de maneira livre sendo a forma final obtida por intermédio da manipulação entre golpes sucessivos da prensa com matrizes planas.
15
Taxas de Resfriamento Otimizadas de Aços Microligados (Parte I)
27
Influência de um Lubrificante Utilizado em Processos de Conformação Mecânica na Taxa de Desgaste de um Aço em Diferentes Patamares de Rugosidade
Este artigo aborda o problema de resfriar adequadamente os aços microligados forjados. Esta primeira das duas partes discutirá os benefícios técnicos e comerciais dos aços microligados forjados. O processo de forjamento desses aços é traçado do tarugo à peça cortada.
Os lubrificantes são elementos muitas vezes indispensáveis nos processos de conformação mecânica e seu custo é relativamente baixo quando comparado ao valor final do componente produzido pelo processo, evitando o contato metal-metal entre o billet e o ferramental e minimizando danos.
18
Estudo de Caso Real Para Capacitação de Forjarias Brasileiras na Simulação Numérica
23
Departamentos & Colunas Editorial EUA ....................................... 04 Editorial Brasil ..................................... 05 Coluna: Lubrificantes ......................... 06 Coluna: Simulação ..............................08 Índice de Anunciantes ..................... 09 Novidades ............................................ 09
A utilização da simulação numérica está se tornando cada vez mais comum para aqueles que planejam estudar o comportamento dos materiais e das matrizes em forjamento, como o preenchimento das cavidades, ocorrência de defeitos.
23
Moldando Inovações Futuras com Forjamento Radial O forjamento radial é um processo no qual altas forças são transferidas por contato com a superfície das ferramentas para alterar o diâmetro de uma peça por deformação. Nas máquinas de forjamento radial, a rotação da peça é realizada de maneira otimizada e controlada diretamente por um acionamento rotativo oscilante do manipulador.
Na Capa: Uma máquina de forjamento radial GFM RF-100 reduz o diâmetro da barra de aço pág. 27. Outubro 2019 -
3
EDITORIAL
Dean M. Peters, Editor nos EUA
IoT: Passado, Presente e Futuro
D
e acordo com a Wikipedia,
- Internet of Things), cuja definição
em 1982, a Carnegie Mellon
continua a evoluir junto com as
isso. O crescimento explosivo da IoT
University de Pittsburgh
Claro, há uma desvantagem em tudo
tecnologias eletrônicas e de comunicação
dá origem a problemas de privacidade,
instalou uma máquina de Coca em um de
que a suportam. Em sua forma mais
segurança e cibersegurança que
seus edifícios. Não qualquer máquina de
simples, a IoT é a conexão de qualquer
podem prejudicar dispositivos e redes
Coca-Cola, é claro, mas uma modificada
dispositivo que você pode ligar e desligar
inteligentes. Muitos sistemas IoT são
que se tornou o primeiro aparelho a ser
à Internet ou a outro dispositivo. Na
amplamente desregulados e vulneráveis
conectado à Internet, como era naquela
verdade, as coisas são mais complexas do
a todos os tipos de hacking digital e uma
época. A partir desta conexão, pode-
que isso.
miríade de violações inadvertidas ou
se monitorar remotamente o estoque
À medida que o acesso às redes de
da máquina de venda automática e a
banda larga aumenta, o custo desse acesso
temperatura das bebidas que ela contém.
diminui e à medida que a penetração
Durante a década seguinte e mais,
motivadas por crimes. Deixe o comprador avisado. Este subsegmento de rápido
do telefone celular caminha em direção
crescimento da IoT é chamado de Internet
o conceito e a utilidade de conectar
à universalidade global, todos podemos
das Coisas Industrial (IIoT - Industrial
coisas à Internet ganharam a atenção
esperar que a mudança de paradigma
Internet of Things). A IIoT veio para ficar
de pesquisadores, desenvolvedores e,
em direção a dispositivos “inteligentes”
e, na minha opinião, todos os gerentes
finalmente, da comunidade empresarial.
continue em um ritmo rápido. Os
e operadores de negócios desse setor
À medida que o conceito de conexão
consumidores veem isso como iluminação
devem estar cientes e planejar investir
com a Internet se consolidou, o mesmo
inteligente, sistemas de gerenciamento
em máquinas e dispositivos inteligentes
ocorreu com o conceito de conectar
de energia, câmeras de segurança,
conforme a necessidade. Eles podem
coisas umas às outras.
campainhas de vídeo e sistemas de
otimizar e definir melhor os recursos de
entretenimento inteligentes, para citar
manufatura da sua organização.
Em 1999, Bill Joy, um dos fundadores da Sun Microsystems, apresentou as comunicações entre dispositivos no
apenas algumas coisas. De particular interesse para os leitores
Fórum Econômico Mundial em Davos,
desta coluna é como as tecnologias que
Suíça. Naquela época, o termo “Internet
habilitam e conduzem a IoT podem ser
das coisas” foi atribuído a Kevin
integradas em ambientes industriais,
Ashton, da Procter & Gamble, que via a
particularmente de manufatura.
Dean Peters
identificação por radiofrequência (RFID
A manufatura entrou na era das
Editor da FORGE nos EUA
- Radio-Frequency Identification) como
máquinas que podem se controlar e
essencial para o sistema da Internet das
compartilhar dados com a gerência que
coisas, que permitiria aos computadores
pode diagnosticar (e às vezes se curar)
gerenciar coisas individuais.
quando está prestes a quebrar ou exigir
Anos depois, em algum lugar entre
manutenção preventiva; que pode nos dar
2008 e 2009, a Cisco Systems estimou
“olhos” através da videografia em lugares
que existiam mais coisas do que pessoas
remotos; que pode coletar montanhas
conectadas à Internet. Alguns analistas
de dados; e que pode se comunicar
afirmam que o número de coisas
com outras máquinas e pessoas.
conectadas à Internet já ultrapassou em
Coletivamente, essas máquinas podem
muito o número de pessoas no planeta.
otimizar nossos processos de fabricação e
Assim, chegamos ao que hoje chamamos de Internet das Coisas (IoT 4
- Abril 2020
torná-los mais eficientes e responsivos às demandas do cliente e do mercado.
EDITORIAL
Udo Fiorini, Editor
Pandemia
D
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
esde metade de Março deste
de forjamento radial.” É o artigo de capa da
ano, quando decidimos aqui
revista.
na empresa de passarmos a
Mestrandos e doutorandos da UFRGS,
trabalhar em home office, prometi a mim
capitaneados por Lírio Schaefer, trazem o
mesmo não dar destaque a notícias sobre
excelente artigo Forjamento a Quente em
o Corona Vírus. Sem motivação política. É
Matriz Aberta: Revisão dos Métodos de
que eu achava, e continuo achando, que se
Cálculos. Neste artigo faz-se uma revisão dos
você não tiver conhecimento científico que te
conceitos quanto aos cálculos de tensão e
dê respaldo, não manifeste achismos. Fique
deformação a partir de imagens esquemáticas
calado. E outro motivo foi que a primeira
que satisfazem a idealização da apresentação
impressão era que em dois, máximo três
conceitual.
meses, tudo estaria voltando ao normal. Mas, não foi bem assim a sequência.
O pessoal da SFTC, Scientific Forming Technologies Corporation, do software
Estamos neste momento na metade
Deform, de Ohio EUA, traz a primeira parte
do quinto mês, indo célere ao sexto mês.
do texto Taxas de Resfriamento Otimizadas
Continuando com o grupo em home office,
de Aços Microligados. O artigo aborda o
uma e outra vez em reunião presencial. A
problema de resfriar adequadamente os aços
melhor notícia que tivemos nos últimos
microligados forjados. Esta primeira parte
tempos foi divulgada esta semana: pela
aborda a modelagem de materiais e taxas
primeira vez em toda essa história da
críticas de resfriamento.
pandemia, não houve mortes em dos dias da
O quarto artigo tem um valor especial
semana passada aqui em Campinas. Festejo
para nós da revista FORGE. Alunos da FEI
geral. Notícia que nos dá ânimo de continuar.
fizeram um detalhado estudo sobre 191
Seguir em frente.
publicações apresentadas na revista FORGE
E é neste espírito que apresentamos esta
em um determinado espaço de tempo, para
edição da FORGE. Embora o mercado de
concluírem seu excelente artigo Estudo de caso
forjarias não esteja respirando os melhores ares
real para Capacitação de Forjarias Brasileiras
já há tempos, a tecnologia continua evoluindo.
na Simulação Numérica. Não entro em
E nós do Grupo Aprenda temos como missão
detalhes do resultado para não estragar o seu
difundir estes avanços. Cinco ótimos artigos
prazer de ler este interessantíssimo estudo que
são apresentados nesta edição:
muito nos orgulha.
Os diretores técnicos da GFM, tanto
Outro grupo de mestres e engenheiros
dos EUA como da Áustria apresentam um
da UFRGS escreveu e nós publicamos nesta
trabalho sobre Forjamento Radial, que
edição o artigo Influência de um Lubrificante
segundo eles está Moldando Inovações
Utilizado em Processos de Conformação
Futuras. Me chamou atenção este parágrafo,
Mecânica na Taxa de Desgaste de um Aço
que dá a dimensão da importância do processo
em Diferentes Patamares de Rugosidade.
no futuro: “As tendências do forjamento radial
Apresentando a avaliação do desempenho
estão claramente definidas. Os eixos do rotor
de lubrificantes em diferentes níveis de
para motores elétricos estão agora aparecendo
rugosidade superficial.
no mercado automotivo. Seu design típico
Udo Fiorini
parece basear-se nas capacidades da tecnologia
Editor da FORGE no Brasil
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 Iago Emerick - Publicidade, iago@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437 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 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 EDIÇÃO E PRODUÇÃO NOS EUA Dean M. Peters, Editor dean@forgemag.com • +1 216-570-4537 Bill Mayer, Editor Associado bill@forgemag.com • +1 412-306-4350 Linda Becker, Editora Colaboradora beckerl@bnpmedia.com • +1 262-564-0074 Karen Talan, Gerente de Produção talank@bnpmedia.com • +1 248-244-6246 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 As opiniões expressadas em artigos, colunas ou pelos entrevistados são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente a opinião dos editores.
Outubro 2019 -
5
LUBRIFICANTES
Henri Strasser
Lubrificante de Matriz – 15 Grafite Sintético, o Insubstituível
C
omo é sabido, esta coluna
automatizados, onde uma capacidade de
eficiência de lubrificação da camada.
relata as observações,
formação de camada a alta temperatura e
Também a expressão da janela de
deduções, estudos
com muita rapidez são requeridas.
e principalmente o
Até então, se trabalhou com uma
temperatura de trabalho que começa em 100ºC, por si, já se revelou um engano já
acompanhamento ativo de testes de campo,
janela de trabalho do lubrificante que
que na realidade o trabalho do lubrificante
oportunidades que são verdadeiros tesouros,
começava em 100ºC, temperatura de
começa a alta temperatura da superfície
agora reforçado pela parceria com meu
evaporação da água até uma temperatura
das matrizes e é ele que vai abaixando a
amigo de longa data, Emerson Fabrete.
máxima chamada de molhamento,
temperatura pela evaporação da água e
Na coluna anterior comentei que a
que é a temperatura máxima na qual o
assamento do grafite à superfície quente.
lubrificação de matrizes de alguns processos
lubrificante consegue “molhar”, aderir à
Portanto passamos a considerar a
só os viabiliza com a utilização do grafite e
superfície quente para formar camada. No
temperatura mínima do final da janela
que as tentativas de substituição do grafite
entanto, ficou provado que, se os 100ºC são
de funcionamento do lubrificante como
por um lubrificante sem grafite são difíceis e
suficientes para secar a totalidade da água
sendo 200ºC e na temperatura máxima e
até impossíveis.
veículo do grafite não haverá calor suficiente
inicial é que se encontram as diferenças.
Mostramos que um grafite bem
para a mecânica de adesão do grafite à
Pelas minhas observações, os grafites
selecionado e bem aplicado possibilita os
superfície quente. Isso ocorre quando a
naturais, mesmo com granulometria muito
melhores resultados em termos de vida de
substância orgânica que acompanha o
fina tem uma capacidade de formação de
matriz, preenchimento da gravura, redução
grafite o “assa” à superfície quente. Deduz-se
camada cerca de 300ºC enquanto que os
de força de forjamento, qualidade do
que a camada de grafite é constituída de
grafites sintéticos conseguem formá-la
forjado e redução de sucata.
uma boa camada de aderência formada até
a quase 400ºC. Esses 100ºC a mais são
Agora encontramos mais uma limitação
no mínimo 200ºC, e quando a temperatura
muito importantes pois representam
dentro do próprio grafite. Não é qualquer
abaixa de 200ºC forma-se uma camada de
mais uma oportunidade de formação
grafite que viabiliza certos processos
acumulação, mas como ela não está bem
de camada do grafite. Além do mais, o
de forjamento cada vez mais rápidos e
aderida não consegue contribuir com a
grafite sintético apresenta o que chamo
Retirada da peça C
º
μm
450
Temperatura da matriz Espessura da camada
400
20
350 300
de “efeito oportunista” de formação de Pequena convecção Fortes turbulências Temperatura de molhamento do lubrificante Temperatura de evaporação da água Espessura do filme diminue devido ao efeito de lavagem da camada lubrificante
15
250 200
10
0
iniciante formação de camada, isto é, o grafite sintético não só forma uma camada a temperatura elevada, mas ele começa a formar camada mesmo acima de 400ºC. Isso quer dizer que não haverá
ocorrer a formação da camada lubrificante, evitando assim a fadiga térmica que -2
-1
Início da pulverização
0
1 Tempo
2
3
4
5
6 Segundos
7
nucleia as micro-trincas superficiais e principalmente ganhando tempo de ciclo. No Gráfico 1, a temperatura de
Gráfico 1
6
uma refrigeração acompanhado de uma
das superfícies quentes para só depois
5
50 0
com temperatura acima de 400ºC, há
necessidade de um processo de refrigeração
150 100
camada. Pulverizado sobre uma superfície
- Abril 2020
LUBRIFICANTES
Henri Strasser da pulverização.
Retirada da peça C
º
Pequena convecção Fortes turbulências
μm
450 Temperatura da matriz Espessura da camada
400
Conclusão
Temperatura de molhamento do lubrificante
20
Temperatura de evaporação da água
350 300 250 200 150
O grafite sintético começa a formar camada
15
Espessura do filme diminue devido ao efeito de lavagem da camada lubrificante
10
0
grafite natural começa a formar camada a cerca de 300ºC. Isso faz com que o grafite sintético comece a formar camada mais rapidamente. Característica essa que vem de encontro com os modernos processos de forjamento automático onde o tempo
5
100 50
a cerca de 400ºC enquanto que o melhor
para a lubrificação de matrizes é escondido 0 -2
-1
0
1
Início da pulverização
2 Tempo
3
4
5
6
7
forjadas.
Segundos Henri Strasser é engenheiro e sócio-diretor na
Gráfico 2
molhamento do lubrificante de matriz é
atrás do tempo de manipulação das peças
No Gráfico 2, a temperatura de
de cerca de 400ºC. A espessura de camada
molhamento do lubrificante de matriz é de
é de mais de 20 µm e começa a se formar
cerca de 300ºC. A espessura de camada é
em menos de 1 segundo após início da
de um pouco mais de 15 µm e começa a se
pulverização.
formar em cerca de 2 segundo após início
Strasser Consultoria de Projetos Ltda. Ele pode ser contatado em: henristrasser@uol.com.br.
Abril 2020 -
7
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Alisson Duarte
Análises de Matrizes no Forjamento
O
s fenômenos físicos que acontecem nas matrizes são resultados dos esforços apli-
cados pela peça sendo forjada na superfície da cavidade da matriz. Além disso, outros fatores como temperatura e velocidade também influenciam no comportamento da matriz. Simplificadamente, as tensões a que a matriz é submetida são a origem dos defeitos observados na prática. Para falarmos um pouquinho sobre isso, tomemos uma peça de geometria relativamente simples
Fig. 1. ACorpo moedor forjado [Magalhães et al. Sim. num. desgaste matriz forj. a quente. SENAFOR’09]
Fig. 3. Falha em matriz de forjamento [Bergeron et al. Failure an. H13 gear blank forg. dies. Michigantech, 2004]
como a “bola” forjada na Fig. 1. Durante o
tre outras, também são de considerável in-
processo, a bola exerce uma pressão na ca-
teresse na análise de matrizes. Por exemplo,
vidade da matriz, resultando, por exemplo,
observa-se na Fig. 4 a ocorrência de trincas
em tensões trativas na direção tangencial
por fadiga termomecânica. A simulação
da matriz, como mostrado esquematica-
mostrou uma vida em fadiga de baixo ciclo,
mente na Fig. 2. Trincas radiais podem ou
assim como obtido na prática. As análises
não ser originadas em defeitos pré-exis-
mostraram também elevadas tensões resul-
tentes ou de geometrias que concentrem
tantes na região das trincas, claro. Soluções economicamente viáveis
tensões, mas certamente aparecem por
existem e dependem de cada caso. A
causa das tensões. Como exemplo prático,
simulação computacional funciona como a
apresenta-se na Fig. 3 uma matriz om trinca radial. Desgastes e deformações plásticas, en-
Fig. 2. Vista de cima esquemática da matriz inferior representando tensões trativas em um ponto
nossa prensa virtual, sendo eficiente na análise das matrizes e permitindo a implementação de soluções antes mesmo do primeiro tryout.
Resumo de ciclos
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300
Fig 4. Previsão de 233 ciclos de forjamento para falha por fadiga via simulação no QForm
8
- Abril 2020
Alisson Duarte atua no setor de Engenharia da SIXPRO Virtual&Pratical Process. É também professor do Dep. de Eng. de Materiais da UFMG e do Dept. de Eng. Metalúrgica da PUC Minas. Possui Pós-Doutorado em Metalurgia da Transformação.Ele pode ser contatado em alisson@sixpro.pro.
NOVIDADES Sixpro oferece curso online de Simulação de Defeitos de Forjamento e Previsão de Defeitos em Matrizes de Forjamento A empresa Sixpro irá realizar um curso
de forjamento;
online nos dias 14 e 15 de setembro de
matrizes.
• Capacitação na análise de defeitos
2020 para profissionais e estudantes
Benefícios:
em forjados com base em simulação;
de nível técnico e superior na área de
• Visão crítica de aspectos que
metalmecânica. O curso tem como
influenciam na ocorrência de defeitos em
objetivo ensinar a prevenção de defeitos
forjados.
• Capacidade de simular processos de forjamento; • Compreensão acerca do estado de tensões;
de forjamento como dobras e falta
E também nos dias 24 e 25 de
de preeenchimento. Fornecer um
setembro será realizado o curso online
entendimento técnico da influência do
Previsão de Defeitos em Matrizes de
projeto matrizes e das pré-formas nesses
Forjamento. O curso tem como objetivo
influenciam na ocorrência de defeitos em
defeitos e uma experiência junto a um
fornecer um conhecimento em simulação
matrizes.
software de simulação, através de uma
de processos de forjamento com foco na
Para mais informações acesse o site:
licença teste.
análise de eficiência das matrizes, testando
www.sixpro.pro ou no email:
O que o aluno irá aprender:
novos projetos ou modificações dessas
• Configurar e rodar simulações de
matrizes.
forjamento em 2D e 3D;
• Capacitação na análise de defeitos em matrizes de forjamento; • Visão crítica de aspectos que
comercial@sixpro.pro
O que você aprenderá:
• Estabelecer materiais, prensas/
• Configurar a montagem de
martelos, parâmetros de processo e
matrizes com ou sem interferências para
condições de contorno;
simulação;
• Analisar Tensões, Deformações e
• Verificar a variação térmica nas
Temperaturas no forjado;
matrizes;
• Prever falta de preenchimento,
• Mensurar o estado de tensões nas
dobras e defeitos de escoamento;
matrizes;
• Entender o conceito de dano
• Calcular as deformações elásticas
relacionado a trincas no forjado.
e eventuais deformações plásticas nas
Benefícios:
matrizes;
• Capacidade de simular processos de
• Prever desgastes relativos nas
forjamento;
matrizes;
• Compreensão acerca de fatores
• Definir quantidade de golpes para
metalúrgicos que influenciam o processo
ocorrência de fratura por fadiga nas
Índice de Anunciantes Página 9
Empresa
Contato
Enomoto Technology
www.enomt.co.jp
3ª capa
Prensas Schuler
www.schuler.com.br
2ª capa
Grupo Aprenda
www.grupoaprenda.com.br
Metalurgia
www.metalurgia.com.br
Portal Aquecimento Industrial
www.aquecimentoindustrial.com.br
21, 4ª capa 14, 34
Abril 2020 -
9
>>> Processos
Considerações Sobre o Processo de Forjamento a Quente em Matriz Aberto: Revisão Literária dos Métodos de Cálculos
d) a)
b) e)
f)
c)
Fig. 1. Parâmetros utilizados no processo de simulação
Luana De Lucca de Costa, André Rosiak, Lírio Schaeffer, Laboratório de Transformação Mecânica - LdTM , UFRS - Porto Alegre, RS - Brasil O forjamento em matriz aberta é caracterizado pela compressão de massa metálica entre matrizes superior e inferior, em regiões localizadas da peça, deformando-se de maneira livre, sendo a forma final obtida por intermédio da manipulação entre golpes sucessivos da prensa com matrizes planas ou geometricamente simples, aplicável na produção de peças de grande porte ou na preparação de pré-formas para indústria de processamento. Neste artigo faz-se uma revisão dos conceitos quanto aos cálculos de tensão e deformação, aspectos macro e microestruturais do processo de forjamento em matriz aberta.
O
recalque e o estiramento são
0,6 (Fig. 1 (b), (c), (d)). Ondulações na su-
Entre estas variáveis estão: o material a ser
as operações básicas do for-
perfície da peça podem ocorrer, geralmente,
deformado, dimensões das matrizes, con-
jamento em matriz aberta.
devido à pequena largura b. A Fig. 1 (e)
dições e interação entre metal e matriz, os
No recalque ocorre a redu-
mostra o aspecto da peça após operações
mecanismos de deformação plástica, as ca-
ção em altura de um lingote que tem o seu
em, aproximadamente, metade da barra. O
racterísticas do produto final, as condições
diâmetro aumentado devido ao escoamento
acabamento das faces forjadas é realizado
de transferência de calor e, finalmente, o
do material no sentido transversal da peça.
trocando as matrizes por outras de maior
tipo de equipamento usado para o processo
O estiramento, por outro lado, consiste na
largura, com razão de mordida, SB, próxima
[4]. Estas
redução do diâmetro e consequente aumen-
de 1. A peça obtida, após acabamento, é
nos físicos que ocorrem simultaneamente
to do comprimento do lingote, resultado de
mostrada na Fig. 1 (f) [2,3].
durante o forjamento tornando difícil uma
sucessivas compressões que fazem o material escoar na direção do eixo da peça [1]. A Fig. 1 ilustra o estiramento de parte
A força máxima desenvolvida durante
variáveis traduzem-se em fenôme-
correlação quantitativa. Numa prensa, por
o processo forjamento em matriz aberta irá
exemplo, as características estão relaciona-
determinar a capacidade e definir os limites
das com a capacidade de impor força-ener-
de uma barra, que é uma operação comu-
de tensão elástica admissíveis para o equi-
gia ao sistema, que depende muito do seu
mente realizada em matriz aberta. A opera-
pamento utilizado no forjamento. Existem
dimensionamento [5].
ção é realizada com sucessivas compressões
variáveis que interferem e atuam no com-
e avanços da barra entre matrizes de largura
portamento estrutural do equipamento em
dos aspectos macroestruturais menciona-
b e com razão de mordida, SB, entre 0,4 e
função dos mecanismos de ação e reação.
dos, há aspectos microestruturais regidos
10
- Abril 2020
Na produção de peças forjadas, além
>>> Processos
pelos fenômenos metalúrgicos, tais como, a transição de fases, a
Equação 6: =
precipitação, a recristalização e o crescimento de grão. Sendo a
(Eq. 6)
transição de fase a transformação da austenita em ferrita, perlita, bainita e martensita. A precipitação quando ocorre gera o aumento da resistência do material. Os fenômenos de amaciamento, recuperação/recristalização estática ou dinâmica, restauram e controlam o
Onde VF é a velocidade de deslocamento da ferramenta e hi é a altura instantânea. Quando ocorre variação na velocidade de deslocamento da fer-
comportamento microestrutural na deformação. Esses fenômenos
ramenta durante a deformação, a velocidade de deformação pode
metalúrgicos regem diretamente as propriedades mecânicas do
ser calculada pela Equação 7[3]:
produto
forjado [6]. Desta
forma, um avanço expressivo no processo
de forjamento a quente pode ser dado, ligando-se os fatores macro e =
microestrutural no processamento de aços. Cálculos Aplicados no Forjamento em Matriz Aberta
(Eq. 7)
Onde VF0 e VF1 são as velocidades de deslocamento da ferramen-
No cálculo dos principais parâmetros de forjamento, a tensão de escoamento (kf ) é imprescindível para quantificar força, trabalho, tensão na ferramenta, entre outros, e depende de muitas variáveis,
ta no inicio e no final da deformação. O fator alargamento (S) relaciona o aumento da largura da geratriz com a redução em altura pode, e é calculado pela Equação 8[8]:
.
sendo que as principais são a deformação (φ), a velocidade de deformação ( φ ) , e a temperatura durante o processo de forjamento (ϑ)
(Eq. 8)
[7].
A tensão (σ) é definida como a razão entre a força (F) e a secção
Ainda, devido ao embarrilamento da barra, torna-se difícil medir a deformação natural na largura, mas o aumento do comprimen-
(A) onde esta força atua, como mostra a Equação 1:
to pode ser medido precisamente usando a relação da constância de (Eq. 1)
volume, Equação 9:
As teorias de escoamento, como as de Tresca e Von Mises, mos-
(Eq. 9)
tram que dependendo da combinação das tensões atuantes em um corpo, a o escoamento plástico pode ou não ocorrer. A partir da equação de Von Mises, simplificada, pode-se calcular a tensão equi-
Substituindo na Equação 8, obtêm-se o coeficiente de alongamento, Equação 10:
valente (σeq) pela Equação 2: (Eq. 10) Se S=1, então toda a deformação se manifestaria em alargamen(Eq. 2) Onde σx, σy e σz são as deformações normais e estão representadas na Fig. 3.
to da barra, enquanto se S=0, toda a deformação resulta em alongamento da barra. A razão de mordida (B) é a razão da largura de contato matriz-
As deformações verdadeiras (φ) podem ser calculadas pelas
-peça (SB) pela altura ou diâmetro inicial da geratriz[3], Equação 11:
Equações 3, 4 e 5: B=
(Eq. 3)
(Eq. 4)
(Eq. 11)
(Eq. 5) A força (F) de forjamento é calculada a partir da Equação 12:
Onde φy corresponde à deformação verdadeira em altura, h e h0 são as alturas inicial e final da geratriz; φz é a deformação verdadeira
F=
(Eq. 12)
em largura, w e wo são as larguras inicial e final da geratriz; e φx é a deformação verdadeira em comprimento, l e l0 são os comprimentos inicial e final da geratriz.
.
A velocidade de deformação (φ) pode ser calculada a partir da
Onde Ad é a área de contato peça-matriz para secções circulares, Equação 13a, e retangulares, Equação 13b. E kw, Equação 13 (Equação de Siebel), é a resistência a deformação. Abril 2020 -
11
>>> Processos
w Ďƒz
S
w
ho
Ďƒy
Ďƒx Ďƒy
h1
Ďƒx Ďƒz
b
Fig. 2. Relaçþes geomÊtricas no Forjamento em Matriz Aberta.(8) ºC
Fig. 3. Representação das deformaçþes normais: Ďƒx, Ďƒy e Ďƒz [7]
1200 1143.75 1031.25 918.75 806.25 693.75 581.25 468.75 356.25 300
(Eq. 17)
Onde CS ĂŠ a constante de radiação, A ĂŠ a superfĂcie de radiação e T ĂŠ a temperatura
Fig. 4. Variação da temperatura no processo de forjamento em matriz aberta [9]
absoluta do corpo.
jamento ocorre a transformação do trabalho Ad = SB.d0 Ad = SB.d0
As caracterĂsticas de deformação dos
(Eq. 13a)
de conformação em aumento de temperatu-
materiais e suas leis consecutivas determi-
(Eq. 13b)
ra (que pode ser calculado pela Equação 15:
nam como os mesmos escoam durante o processo de forjamento. A tensĂŁo de escoa-
.�
(Eq. 14) Onde d0 Ê o diâmetro inicial da barra,
(Eq. 15)
mento pode ser obtida atravĂŠs da curva de escoamento, que ĂŠ definida como sendo a
Onde Ď‘c ĂŠ o aumento na temperatura,
variação da tensão de escoamento kf em
ĂŠ o coeficiente de atrito entre as ferramentas
Îąc ĂŠ a energia nĂŁo transformada em calor, kf
e a barra, e kf ĂŠ a tensĂŁo de escoamento do
Ê a tensão de escoamento, φ Ê a deformação
verdadeira, φ , e da velocidade de deforma-
material da barra.
verdadeira, CM ĂŠ o calor especifico do mate-
ção, φ , para condiçþes de deformação a
A variação da temperatura no processo
rial e corresponde Ă densidade do material.
quente[7]. Diversos mĂŠtodos para levanta-
de forjamento em matriz aberta esta repre-
A queda na temperatura (Ď‘) devido ao
função da temperatura, T, da deformação
.
mento de curvas de escoamento foram de-
sentado, a partir de imagens obtidas na si-
contato da peça com o ferramental pode ser
senvolvidos, tais como, os ensaios de tração,
mulação numÊrica, na Fig. 4. A peça em aço
obtido a partir da Equação 16:
compressão, torção e outros citados na lite-
foi aquecida a 1200ÂşC (a) e permanece nesta
)
(Eq. 16)
por radiação para o ambiente a 25ºC (b)
ratura e descritos por Garcia, Spim e Santos[13].
temperatura atĂŠ o inĂcio da perda tĂŠrmica Onde Ď‘F ĂŠ a temperatura da ferramenta,
A expressĂŁo da tensĂŁo de escoamento
e por condução com as matrizes a 300ºC,
Ď‘M ĂŠ a temperatura inicial da geratriz, t ĂŠ o
(kf ) para o forjamento a quente, onde a
alĂŠm do aumento devido ao trabalho de
tempo de contato peça-ferramenta, ι Ê o
temperatura e a velocidade de deformação
conformação. No final do processo de com-
coeficiente de transferĂŞncia de calor e h ĂŠ a
tem fundamental influĂŞncia, pode ser calcu-
pressĂŁo (c) as maiores perdas tĂŠrmicas sĂŁo
altura da peça ou região de cålculo.
lada pela Equação 18:
na superfĂcie da peça, chegando a valores prĂłximos a
550ÂşC [9].
Como mencionado, no processo de for12
- Abril 2020
A perda tÊrmica (Qs) por radiação Ê
(Eq. 18)
determinada pela Lei de Stefen-Boltzmann, Equação 17:
Onde kfo ĂŠ a tensĂŁo de escoamento
>>> Processos
quando a deformação verdadeira é 1MPa;
As operações de forjamento visam tam-
[5] SOUZA, E. N. (2008). Otimização do perfil de
e m1, m2, m3 e m4 são as constantes ma-
bém a homogeneização do tamanho de grão
velocidade de uma prensa hidráulica de for-
temáticas do material que representam a
austenítico. A homogeneização é geralmente
jamento através de simulação por elementos
influencia da temperatura, da deformação
obtida em barras de diâmetro pequeno ou
finitos. Tecnologia em Metalurgia e Materiais,
e da velocidade de deformação que adaptam
material com uma taxa de redução de pelo
as expressões matemáticas às curvas experi-
menos 4:1[12]. Como consequência, o tra-
mentais.
tamento térmico de normalização pode ser
evolução microestrutural no forjamento a
suprimido e uma temperabilidade aprimora-
quente com matriz fechada por simulação
da é alcançada.
física e numérica. Dissertação de Mestrado -
Aspectos Micorestruturais no Forjamento em Matriz Aberta
ABMM. [6] REGONE, W. (2009). Acompanhamento da
UNICAMP, Campinas, SP, Brasil.
No forjamento, a deformação produzida
Conclusão
resulta num certo grau de direcionalidade
Os conceitos sobre cálculos das tensões e
da microestrutura na qual segundas fases
deformações no processo de forjamento a
e inclusões são orientadas paralelamente à
quente em matriz aberta possuem amplo
direção de maior deformação. Quando se
amparo literário, definidos e consolidados
Guanabara Dois, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
observa a microestrutura macroscopicamen-
como informações válidas no meio acadê-
[9] POLOZINE, A. (2001). Influência dos Parâme-
te, ela aparece como linhas de escoamento
mico e industrial. Foram apresentados os
tros Térmicos no Processo de Forjamento.
ou estrutura fibrosa. A existência de uma
cálculos para alargamento, estiramento, cál-
31º SENAFOR, Disponível em: www.ufrgs.br/
estrutura fibrosa é característica de todas as
culos das tensões normais a partir de imagens
peças forjadas e isso não é considerado como
esquemáticas que satisfazem a idealização da
um defeito de forja. Entretanto, a estrutura
apresentação conceitual.
[7] SCHAEFFER, L. (2001). Forjamento - Introdução ao Processo. Ed: Imprensa Livre, Porto Alegre, RS, Brasil. [8] DIETER, G. E. (1981). Metalurgia Mecânica. Ed:
ldtm, Porto Alegre, RS, Brasil. [10] SCHAEFFER, L. (1992). Curvas de escoamento como parâmetro fundamental para a simulação. 7° SEMINÁRIO NACIONAL DE
fibrosa resulta em propriedades de fadiga e ductilidade em tração menores na direção
Agradecimentos
FORJAMENTO, pp. 167-176, Porto Alegre, RS,
normal às fibras (direção transversal)[8].
Os autores agradecem ao CNPq pelo finan-
Brasil
O forjamento, a princípio, elimina a
ciamento dos projetos relacionados a esta
[11] HANDBOOK, A. V 14 (1993). Forging of Car-
estrutura bruta de fusão proveniente do
pesquisa e ao Laboratório de Transformação
bon and Low Alloy Steels. Ed: ASM INTERNA-
lingote. Esta “quebra” da estrutura dendrí-
Mecânica (LdTM).
TIONAL. In: V 14, Forming and Forging , pp. 215-221.
tica ocorre devido a uma compressão dos braços das dendritas provocada pela defor-
Referências
mação a quente, causando uma redução do
[1] FROTA JR., R. T. (2009). Avaliação dos parâme-
espaçamento interdendrítico e reduzindo
tros do processo de forjamento a quente em
as distâncias necessárias para a difusão das
matriz aberta pelo método dos elementos
segregações, o que favorece a homogeneiza-
finitos. Dissertação de Mestrado - Instituto
ção por efeito da temperatur [11]. Todavia,
Tecnológico da Aeronáltica, São José dos
as segregações, visto que os elementos em
Campos, SP, Brasil.
[12] LIMA, F. B. (2006). Microestrutura e tenacidade de aços baixa liga tipo 41XX. Dissertação de mestrado - UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. [13] GARCIA, A. ,. (2000). Ensaios dos Materiais. Ed: LTC, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. A autora Luana De Lucca de Costa é Engenhei-
[2] HELMAN, H., & CETLIN, P. R. (2005). Funda-
ra Mecânica, Mestre em Processos de Fabrica-
mínima de estarem distribuídos de maneira
mentos Da Conformação Mecânica Dos
ção. Doutoranda no Programa de Pós-Gradua-
uniforme, geram dificuldades no processo de
Metais. 2ª Edição Ed: Guanabara Dois, Rio de
ção em Minas, Metalurgia e Materiais (PPGE3M)
Janeiro, RJ, Brasil.
da UFRGS. O autor André Rosiak é Engenheiro
uma liga solidificada têm probabilidade
forjamento, pois a resposta não uniforme das diferentes regiões segregadas às forças de for-
[3] COLOMBO, T. C. (2012). Análise numérica
Metalúrgico, Mestrando no Programa de Pós-
jamento geram deformações, recristalizações,
do forjamento em matriz aberta para a
-Graduação em Minas, Metalurgia e Materiais
crescimento de grão e texturas não uniformes
produção de eixos vazados. Dissertação de
(PPGE3M) da UFRGS. O autor Lírio Schaeffer é
Mestrado - UFRGS, Porto Alegre, RS, Brasil.
Engenheiro Mecânico, Doutor em Engenharia,
[12]. Desta forma, as regiões segregadas po-
dem persistir mesmo após a conformação a
[4] ALTAN, T. (1999). Conformação de Metais:
Professor Titular na UFRGS. Os autores podem
quente do componente, na forma de bandas
Fundamentos e Aplicações. Ed: EESC-USP, São
ser contatados pelos e-mails luana.lucca@ufrgs.
de composição química diferenciada [6].
Carlos, SP, Brasil.
br, andre.rosiak@ufgrs.br e schaefer@ufrgs.br. Abril 2020 -
13
INDUSTRIAL Conheรงa sobre a revista HEATING >>> Processos
Acesse: aquecimentoindustrial.com.br/ publicacoes/revista-industrial-heating-brasil Contato: contato@aquecimentoindustrial.com.br contato@grupoaprenda.com.br grupoaprenda.com.br (19)3288.0437
14
- Abril 2020
Acesse nosso portal.
>>> Processos
Taxas de Resfriamento Otimizadas de Aços Microligados (Parte I) James Miller, John Walters – Scientific Forming Technologies Corporation (SFTC); Columbus, Ohio, Chester Van Tyne – Colorado School of Mines; Golden, Colo., EUA Este artigo aborda o problema de resfriar adequadamente os aços microligados forjados. Esta primeira das duas partes discutirá os benefícios técnicos e comerciais dos aços microligados forjados. O processo de forjamento desses aços é traçado do tarugo à peça cortada, concentrando-se no desafio enfrentado pelos forjadores: resfriamento controlado. Este artigo abordará a modelagem de materiais, taxas críticas de resfriamento e químicas. A Parte II abordará detalhes sobre coeficientes de transferência de calor, experimentação, simulação de produção e resultados finais, permitindo um uso mais extenso dessa classe de aços.
O
s aços microligados são aços carbono simples ou de
o que reflete a enorme atração em relação a esses aços pela indústria
baixa liga, com pequenas adições (daí o nome micro-
automotiva.
ligado) de elementos adicionais, principalmente vanádio. Essa classe de aços foi desenvolvida na década
Forjando Aços Microligados
de 1960 para aplicações em chapas de aço e tubulações, com o nióbio
A Fig. 1 mostra o fluxo do processo de aços microligados forjados. Na
desempenhando um papel importante, apesar de sua "pequena parte".
maior parte, esse processo é estável. O aço microligado é da mais alta
Na década de 1980, os forjadores começaram a martelar e prensar
qualidade, sendo muito homogêneo e quase livre de defeitos. As ope-
grandes quantidades de componentes de aço microligados para apli-
rações de aquecimento são rápidas, eficientes e uniformes. As opera-
cações que exigem propriedades mais elevadas e garantidas.
ções de forjamento geralmente estão sob controle, criando geometrias
Os aços microligados têm maior resistência e tenacidade, quando comparados aos aços de baixa liga com a mesma microestrutura, que
uniformes com o mínimo de rebarba. Além das operações de aços microligados, nota-se a ausência de
na maioria das vezes é ferrita-perlita. Embora os aços microligados
tratamento térmico. Peças de aço microligadas projetadas e forjadas
não possuam a combinação de alta resistência à tenacidade dos aços
adequadamente eliminam a necessidade de tratamento térmico,
temperados e revenidos, eles possuem resistência e tenacidade sufi-
eliminando essencialmente austenitização, têmpera e revenido pós-
cientes para muitas aplicações. Sua real vantagem está na economia
-forjamento. Embora os aços microligados sejam um pouco mais
obtida durante os tratamentos térmicos subsequentes. De fato, o trata-
caros que os aços que substituem, a economia de custos obtida com a
mento térmico é eliminado para os aços microligados, economizando
eliminação do processamento térmico supera os custos incrementais
tempo e dinheiro e compensando quaisquer custos incrementais
do aço. Com as etapas do processo ascendente sob controle, o único
incorridos pela adição dos elementos de microligações (por exemplo,
grande desafio atual para forjamentos microligados é o resfriamento
nióbio ou, para nossa discussão, vanádio).
controlado.
Forjados de aço microligado têm bom desempenho em aplicações
Reconhecendo a necessidade generalizada de controlar o res-
automotivas, incluindo virabrequins, bielas e componentes do sistema
friamento de peças forjadas microligadas, pelo menos dois grupos
de transmissão. Eles também são usados em ferramentas manuais.
estavam pesquisando esse tópico. Em uma subvenção concedida pela
A maioria das peças forjadas de aço microligadas são prontamente
Fundação de Pesquisa Educacional da Indústria de Forja (FIERF -
produzidas em grandes volumes com pesos moderados (0,5 a 5 kg),
Forging Industry Educational Research Foundation) em 2012, a CoAbril 2020 -
15
>>> Processos
Resfriamento
Aquecimento
• Química microligada consistente
• Indução otimizada ou
aquecimento de forno a gás
• Alta limpeza
• Projeto de ferramental
otimizado para operações de enchimento da cavidade e forjamento
• Projeto de ferramental
otimizado para operações de enchimento da cavidade e forjamento
Forjamento
Aço
Fig. 2
lorado School of Mines (CSM) propôs experimentos de laboratório
A modelagem probabilística é usada quando defeitos significativos
para identificar taxas de resfriamento ideais para aços microligados.
ocorrem em um processo com baixa frequência. Por exemplo, certas
Ao revisar a proposta, representantes da Jernberg Industries e da SFTC
técnicas de modelagem prevêem fraturas ocasionais ou grãos grandes
- Scientific Forming Technologies Corporation discutiram como os
que podem levar à falha em serviço de um componente forjado.
mesmos dados poderiam aprimorar a prática industrial atual. Além disso, os mesmos dados podem aprimorar simulações para reduzir
Taxas críticas de Resfriamento e Microestrutura
futuros ciclos de desenvolvimento de processos. As empresas colabora-
Para aços microligados com vanádio com uma microestrutura ferrita-
ram na integração total desse conteúdo para modelagem aprimorada
-perlita, a maior resistência ocorre quando o carbonitreto de vanádio
e precisa (Fig. 2).
finamente disperso precipita a forma como precipita a interfase. Em
A modelagem mecanicista é apropriada quando um processo é bem compreendido e pode ser quantificado com equações. Um exemplo simples é o de um objeto caindo através do ar a partir de uma
outras palavras, os precipitados se formam ao mesmo tempo em que a austenita se decompõe em ferrita e perlita (Fig. 3). Para aços microligados, a taxa de resfriamento é crítica para
altura conhecida perto da superfície da Terra. Se o arrasto aerodinâmi-
produzir precipitação entre fases e maximizar a correspondente resis-
co é negligenciado, a velocidade de queda é uma função da altura com
tência e dureza. Como se deseja que a formação do precipitado ocorra
certeza e precisão. Da mesma forma, no forjamento, a transferência de
simultaneamente com a decomposição da austenita, há também uma
calor é diretamente simulada com precisão excepcional, assumindo
região crítica de temperatura sobre a qual a taxa de resfriamento pre-
que os modelos incorporem dados físicos válidos.
cisa ser mantida.
Ao simular processos complexos, as equações exatas geralmente
Para um forjamento de tamanho razoável, verificou-se que as ta-
não estão disponíveis. Nesses casos, o analista freqüentemente recorre
xas de resfriamento dentro de uma bandeja após o forjamento variam
à modelagem empírica. Essa técnica inverte o comportamento de pro-
de 0,06 a 0,2°C / segundo, dependendo da localização - inferior, média
cessos conhecidos. Um bom exemplo na indústria de forja é o modelo
ou superior. Essas taxas de resfriamento costumam ser muito lentas
Archard, que é um excelente indicador de desgaste. Embora imperfei-
para a formação de precipitados interfásicos em aços microligados
tos, os modelos empíricos são excelentes ferramentas de engenharia.
com vanádio. É necessária uma taxa mais rápida, geralmente realizada
Os modelos empíricos geralmente exigem algum ajuste fino para cor-
por ventiladores de ar e uma esteira transportadora ou acelerada com
responder a uma variedade de processos.
um spray de névoa de água, para garantir uma microestrutura ideal
Colorado School of Mines Experimentos de laboratório conduzidos para identificar taxas de resfriamento ideais, financiados pela Forging Industry Educational Research Foundation (FIERF).
Fig. 2
16
SFTC & Jernberg Industries Produção simulada e verificada por meio de testes de peças físicas. Dados integrados de todas as fontes para validar, complementar e combinar os dados com os respectivos modelos. Fig. 3
- Abril 2020
>>> Processos
Tabela 1
térmico e o resfriamento. A faixa de temperatura crítica para todos os três aços, acima das taxas de resfriamento testadas, foi de 700 a 500°C. A Figura 4 mostra os dados de dureza versus taxa de resfriamento para a liga de aço 15V30M. A dureza atinge o pico quando a taxa de resfriamento é de Tabela 2
cerca de 0,6°C / segundo. A faixa de taxas de resfriamento em que os
com as propriedades correspondentes.
valores máximos de dureza são obtidos está entre 0,4-0,9°C / segundo.
O grande desafio no desenvolvimento do processo de resfriamen-
Dados semelhantes de dureza versus taxa de resfriamento foram
to pós-forjamento é projetar e implementar a melhor taxa de resfria-
obtidos para os aços 38MnVS6 e 15V41. A Tabela 2 mostra as taxas de
mento para obter propriedades máximas para um determinado aço de
resfriamento nas quais a dureza máxima é atingida para cada um dos
forjamento microligado. Voltando à Metalurgia 101 (Metallurgy 101):
aços. Note-se que a temperatura crítica em que essas taxas de resfria-
o processo determina a microestrutura determina as propriedades!
mento devem ser mantidas é de 700 a 500°C.
Químicas e Microestrutura
Reconhecimentos
Para determinar a taxa de resfriamento crítico, três aços microligados
Os autores agradecem à Jernberg Industries por suas contribuições
de vanádio para forjados foram investigados nos laboratórios da CSM
nos experimentos, testes de produção e relatórios de projetos envolvi-
como parte de um projeto patrocinado pela FIERF. A tabela I lista a
dos nesses esforços. Markus Knoerr, vice-presidente de engenharia
composição nominal desses aços.
de Jernberg na época, é creditado com o conceito original do projeto
As amostras foram usinadas a partir do raio médio das barras de
FIERF. A equipe também agradece ao FIERF por apoiar os esforços da
aço. Cada amostra foi tratada termicamente em uma Gleeble 3500
CSM e apoiar a transferência de tecnologia em todo o setor, pois for-
(nota do editor: Gleeble 3500 é um equipamento de teste térmico e
nece peças acessíveis e de alta qualidade para aplicações exigentes.
mecânico). As amostras foram aquecidas a 1200°C a uma taxa de 10°C / segundo, mantidas por 60 segundos e depois resfriadas a várias taxas.
Continuação
A faixa de temperatura de transformação para formação de ferrita e
Procure a Parte II deste artigo na próxima edição da FORGE, onde
perlita foi determinada por análise dilatométrica dos dados da Gleeb-
ilustraremos como os dados de taxa de resfriamento gerados na Colo-
le. A microestrutura e a dureza foram determinadas após o tratamento
rado School of Mines foram aplicados para melhorar a modelagem de resfriamento. Usando esses e outros dados, a equipe desenvolveu um
400
modelo para correlacionar a dureza à taxa de resfriamento, que é um
150V30M
conceito extremamente poderoso para o forjador em design de processos, previsão de propriedades de peças e garantia de qualidade.
Dureza (HV)
350
James Miller é diretor de vendas e marketing e colaborador frequente da FORGE. John Walters é vice-presidente da Scientific Forming Technologies
300
Corp. (SFTC), de Columbus, Ohio, EUA. Eles podem ser contatados em
Taxa de resfriamento crítica
jmiller@deform.com e jwalters@deform.com, respectivamente ou em 250
+1 614-451-8330. Co-autor e colaborador frequente da FORGE, Chet van 0.0
0.5
1.0
1.5
Taxa de Resfriamento (°C/s) Fig. 4
2.0
Tyne é Professor Emérito, Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, EUA. Ele pode ser contatado em cvantyne@mines.edu. Abril 2020 -
17
>>> Processos
Estudo de Caso Real Para Capacitação de Forjarias Brasileiras na Simulação Numérica Alfredo Antonio Jacques Martinelli, Gabriel Gambirazio Grau de Oliveira, Lucas Gibrail, Lucas Scardelatto, Marcos Paulo Reis de Souza, Pedro Henrique Simões Bento Falcirolli, Rafaela Adriana Uribe Pinto, Renan Prado Ribeiro, Rodrigo Pires Caetano, Vinícius Roque Novo e Prof. Dr-Ing. Mauro Moraes de Souza - Centro Universitário FEI – São Bernardo do Campo, Brasil Projeto de Parceria Entre Forjaria Brasileiras e o Departamento de Engenharia Mecânica Plena do Centro Universitário FEI.
A
utilização da simulação
e otimização de processo em um ambiente
pontos (nós), que são ligados entre si e for-
numérica está se tornando
virtual [1].
mam os “elementos”, que, por sua vez, juntos
cada vez mais comum para
é capaz de resolver equações diferenciais de
formam a chamada “malha”, a qual permite
aqueles que planejam es-
Isso acontece, pois, a simulação
geometrias complexas sob grandes deforma-
resolução dos cálculos de esforços através de
tudar o comportamento dos materiais e das
ções de maneira mais rápida que os cálculos
formulações diretas ou não das matrizes que
matrizes em forjamento, como o preenchi-
manuais e com precisão superior aos mes-
interligam os elementos [2].
mento das cavidades, ocorrência de defeitos,
mos. Esses métodos computacionais são pos-
previsão de possíveis falhas em ferramentas
síveis pois discretizam peças complexas em
Fundido
Usinado
Forjado
Essa importância pode ser observada, também, através da análise dos artigos e colunas do principal meio de publicação do forjamento – a edição brasileira da revista Forge – a qual mostra que, há mais de 8 anos, a simulação vem sendo palco de discussões sobre tecnologia, otimizações e sustentabilidade para as forjarias. Um terço dessas pu-
Sem fluxo de grãos
2% do volume são poros e pequenas cavidades
Não ótimo/ fluxo de grão interrompido
Ótimo/ fluxo de grãos interrompidos
Poros e pequenas cavidades são soldadados por processos de conformação como laminação ou forjamento
Fig. 1. Representatividade da simulação nas edições da revista Forge edição brasileira
18
- Abril 2020
blicações, feitas nas edições de abril de 2015 e de outubro de 2018, discutiam assuntos relacionados à simulação. Sua importância é tanta que, em abril de 2013, a revista Forge publicou sua primeira capa dedicada a um
>>> Processos
revista Forge, é possível observar que exis-
Representatividade da Simulação nas Edições da Revista FORGE Edição Brasileira
tem alguns temas que são frequentemente abordados, como é o caso das expectativas do mercado, o uso de lubrificantes e discussões sobre tecnologias, conforme mostra o Gráfico 2 abaixo. Assim, através de um diagrama de Pareto, quaisquer um desses assuntos se tornaria um forte candidato para uma pesquisa no segmento dos forjados. Foi pensanQuantidade de artigos relevantes (decrescido dos assuntos de simulação)
Capa dedicada a um artigo de simulação
Quantidade de artigos relevantes sobre simulação Mediana Representatividade da simulação por edição
do nisso que, no segundo semestre de 2019,
Colunas dedicadas a abordagem de simulação
o tema “simulação numérica para grandes deformações a quente” foi escolhido para
Assuntos Abordados nas Revistas FORGE Edições Brasileiras
Porcentagem acumulada
Artigos e colunas publicados
Gráfico. 1. Representatividade da simulação nas edições da revista Forge edição brasileira
desenvolvimento do Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) de Engenharia Mecânica no Centro Universitário FEI em São Bernardo do Campo. Depois de escolhido o tema relevante a partir das edições da revista Forge, faz-se ainda necessário saber se, de fato, o trabalho terá um impacto significativo na indústria de forjamento. Para isso, foi feita uma análise dos 32 artigos e colunas publicados que continham conteúdos sobre simulação numéri-
Quantidade de artigos publicados por assuntos
Porcentagem acumulada
Gráfico. 2. Assuntos abordados nas revistas Forge edições brasileiras
ca. O resultado aponta que apenas 1 artigo foi em sua totalidade publicado pela indústria, do restante, 13 publicações envolviam pelo menos um autor ligado às empresas de apoio às forjarias – empresas de vendas de softwares
Indústria; 1; 3%
Academia; 18; 56%
ou consultorias – e 56% de todo esse conteúdo destina-se às publicações feitas por autores relacionados ao meio acadêmico, como representado no Gráfico 3 abaixo. Com isso, durante a primeira parte de desenvolvimento do projeto, através de visitas
Softwares e consultorias; 13; 41%
à indústria, de conversas com profissionais do setor e com apoio de revisões científicas, pôde-se identificar que as principais causas
Gráfico. 3. Área de publicação dos artigos sobre simulação
das forjarias deixarem de protagonizar o
artigo sobre simulação numérica e, quatro
em azul a quantidade de artigos publicados
papel de desenvolvimento tecnológico neste
anos depois, passou a incluir rigorosamente
que não tratam de simulações por elementos
assunto são os altos custos para a compra
uma coluna dedicada à abordagem de si-
finitos, já as colunas em laranja, indicadas
de equipamentos e da licença, alto aporte de
mulação computacional para conformação
acima destas, apontam os artigos e colunas
investimento para capacitação de seus pro-
plástica através do processo de forjamento.
que abordaram em seus assuntos a simulação
fissionais e um escasso tempo que os profis-
numérica.
sionais deste ramo possuem disponível para
O Gráfico 1 retrata esse cenário. A análise feita a partir de vinte e duas edições da revista Forge edição brasileira traz nas colunas
Ao levantar uma abordagem mais aprofundada de todas as 191 publicações na
investir em novos aprendizados, implicando em maior defasagem entre os conhecimentos Abril 2020 -
19
>>> Processos
é tecnologia.
Formação de Capital Humano Geração de conhecimento e tecnologia
Sabe-se que, ainda hoje, a importância Consultoria Software Treinamento Hotline
Forjarias
dos forjados é essencial para o mundo da mobilidade, já que mais de 70% de massa dos componentes de uma transmissão são feitos pelo processo de forjamento [3]. Isso se deve, ao refino de grão e aumento de resistência mecânica, tenacidade e à fadiga, além do
Empresas de apoio
Academia
fibramento, que dificulta a propagação de trincas pelas solicitações perpendiculares às linhas deste fluxo, se sobressaindo aos proces-
Desenvolvimento de Software Geração de conhecimento
sos de conformação convencionais, como a fundição e a usinagem, em alguns casos (Fig.
Fig. 2. Grupos de suporte às forjarias e suas interações
1) [4]. No Brasil, o cenário econômico veio sofrendo muitas derrapadas nas últimas décadas de forma que as forjarias nacionais foram perdendo espaço na indústria global. As
Competitividade
Benefício Custo
forjarias que sobreviveram presenciam hoje um cenário acirrado de competição, no qual as grandes empresas contêm conhecimento e tecnologia para continuar operando no mercado e as demais buscam incessantemente novos meios para se manter nele, requerendo ainda mais esforços para conquistar novos
Fig. 3. Composição da competitividade
clientes. No cenário atual do país, com a crescente Inovações Soluções Desenvolvomento Tecnológico Competitividade
indústria da mobilidade [6], são necessários caminhões, ônibus, tratores e veículos de
Forjarias
transporte individuais para atenderem as dimensões continentais do Brasil. Além disso, a importação de veículos se torna cada vez mais dificultosa a curto prazo em períodos Empresas de apoio
Academia
de instabilidade econômicas, como a alta cotação monetária [7] e o caso da epidemia do COVID-19 que se iniciou em Wuhan, a “Detroit chinesa”, o qual, apesar de não possuir risco de desabastecimento de peças
Fig. 4. Interseção entre os grupos de suporte e às forjarias
nas montadoras brasileiras, já interrompeu
da academia e os conhecimentos que se têm
sobrecarga de trabalho, impossibilitando
a produção de linhas de montagem em ou-
de fato dentro das forjarias brasileiras.
esses funcionários a buscarem novas oportu-
tros países [8]. Somado a isso, com a queda
nidades tecnológicas, e, consequentemente,
da Selic, caem os juros em todo o mercado,
deste setor pela sua produtividade, a fim de
pode-se observar um aumento na defasagem
o que corrobora para juros mais baixos de
continuar no mercado, o quadro de funcio-
dos processos brasileiros em relação aos de-
empréstimos e investimentos produtivos,
nários acaba sendo reduzido, o que gera uma
mais países desenvolvidos quando o assunto
como maquinário, modernização e consu-
Paralelamente, com a alta demanda
20
- Abril 2020
>>> Processos
mo, convergindo assim para uma situação mais favorável à produção
mundial. Para isso, é necessário que a indústria comece a intensificar
nacional de componentes forjadas para abastecimento da indústria
parcerias acadêmicas, buscando novos programas que fomentem o
automobilística no Brasil.
desenvolvimento tecnológico, como o projeto Ferramentarias Brasi-
Em dezembro de 2019, antes mesmo do SARS-CoV-2 chegar ao
leiras Mais Competitivas (FeB+C) [13]. Estes programas trazem opor-
Brasil, o desemprego no país atingia quase 12 milhões de pessoas [9],
tunidades de renovação do ambiente produtivo das forjarias e oferece
com a situação atual, este número poderá dobrar até agosto de 2020
subsídios que estimulam a adesão aos mesmos. Dessa maneira, as
[10], portanto, o país precisará gerar novos empregos, o que só acon-
forjarias precisam deixar de acreditar que Pesquisa e Desenvolvimento
tecerá se essas empresas se mostrarem competitivas, particularmente
é uma área de baixo retorno de investimento e começar a enxergar
num mundo em que a indústria 4.0 é a tendência. Nesse cenário, estão
essas parcerias como um investimento e sobrevivência para o mercado
presentes robôs autônomos, internet das coisas, manufatura aditiva,
interno e externo.
computação em nuvem, ciberseguranca, dentre outros, os quais se destaca também a simulação [11]. Assim, para sair do caminho do desemprego e do baixo lucro, as
Logo, o projeto, de parceria Indústria-Academia, busca o caminho contrário ao adotado muitas vezes pelo meio acadêmico, que sugere melhorias através de revisões cientificas para tentar trazê-las, depois,
forjarias precisam de pessoas mais capacitadas tecnologicamente para
para um plano real. Utilizando o caminho reverso, o trabalho explora
assumirem uma postura ativa frente às tecnologias emergentes, para
as oportunidades no campo através do levantamento de dados para
que programas de incentivos e melhoria, como Rota 2030 [12], possam
que possa, de fato, melhorar um problema real e existente nas empre-
ser incorporados no escopo dessas indústrias, e, consequentemente,
sas.
ser possível a elas acompanharem o desenvolvimento não só de seus
Para seguir esta linha, foi apresentada uma proposta de apre-
principais clientes – que possuem parcerias enraizadas com as uni-
sentação do projeto ao Sindiforja, ficando clara neste encontro a
versidades –, mas também para conseguirem competir com o cenário
necessidade de aproximação da universidade com esse setor, que não
Abril 2020 -
21
>>> Processos
está presente hoje, mas que, opostamente, é rotineiro ao seu principal cliente – a indústria automotiva. Além disso, a possibilidade de visitas
petitividade dessas indústrias. O projeto visa justamente aproximar estes círculos, aumentando
a forjarias de diferentes tamanhos e tecnologias foi fundamental para a
a intersecção existente entre eles através do trabalho mútuo entre as
validação da pesquisa que trata da necessidade da simulação nessas in-
três áreas: academia, forjarias e empresas de apoio (Fig. 4), permitindo
dústrias. Observou-se que as empresas líderes de mercado já usufruem
levar para o setor inovações, soluções, desenvolvimento tecnológico e
desta tecnologia há algum tempo, demonstrando grandes resultados, o
aumento de competitividade no mercado brasileiro e mundial. Acre-
que possibilita a redução do refugo em seus processos. Na contramão,
dita-se, assim, que as universidades possam transcender o seu papel
não é impossível que ocorra uma tendência a contornar a falta de tec-
atual de fornecer profissionais talentosos para um mercado, indo
nologia com o aumento do material para preenchimento das matrizes,
além, com ações que levem o aumento de competitividade no ramo
com vista a evitar novos índices de refugo durante o forjamento e ace-
de forjaria, criando uma base sustentável de conhecimento acadêmico
lerar a produção, mas com penalizações no custo final.
e experiência para profissionais da indústria no seu local de trabalho
O apoio à indústria de forjamento é possível, por um lado, por
que os capacite e os torne autossuficientes para absorverem novas
empresas responsáveis por promover consultorias, vendas de softwa-
tecnologias através de soluções de problemas reais de forjamento em
res, treinamentos de profissionais e hotlines às forjarias e, por outro
processos com baixa produtividade, utilizando o método dos elemen-
lado, a academia, responsável pela relação direta com as empresas atra-
tos finitos e conhecimentos teóricos na prática, contribuindo, assim,
vés do auxílio no desenvolvimento de softwares e geração de conhe-
para a capacitação das forjarias brasileiras no uso da simulação por
cimento e recursos humanos. Para as forjarias, a universidade serve
elementos finitos do forjamento, para sua independência tecnológica,
como meio de garantir a formação de capital humano na geração de
promovendo o uso da simulação numérica para inovação e aumento
conhecimento e capacitação às novas tecnologias, conforme ilustrado
de competitividade das forjarias brasileiras, alinhado com os valores
na Fig. 2.
humanos e sustentáveis [14].
Portanto, não se trata de simplesmente oferecer soluções pontuais às empresas, mas ir até essas e apoiar seus profissionais em seus locais
Referências
de trabalho, através de troca de experiências e conhecimentos, aumen-
[1] WALTER, John. Qual o próximo passo no desenvolvimento da simulação
tando sua competitividade no mercado, pois, para se observar um aumento factível de competitividade, é necessário que haja mutualmente um aumento dos benefícios e uma redução de custos (Fig. 3). Desta maneira, quando o assunto é inovação, a simulação sai à frente de demais grupos de melhorias, pois esta é capaz de promover um aumento real de benefícios ao mesmo tempo que possibilita a redução de cus-
de forjamento?. Revista FORGE do Brasil. n. 10. 2013. [2] DUARTE, Alisson. Elementos Finitos, como assim?. Revista FORGE do Brasil. n. 20. 2017. [3] NAUNHEIMER, Harald et al. Automotive transmissions: fundamentals, selection, design and application. 2nd ed. 2011. [4] TYNE, Chester Van. WALTERS, John. Materiais para forjamento: aço-car-
tos, permitindo às empresas um retorno muitas vezes a curto prazo,
bono e aços de baixa-liga. Revista FORGE do Brasil. n. 7. 2011.
dando mais capacidade de serem competitivas de imediato, já que o
[5] BEHRENS, Bernd-Arno. KNIGGE, Julian. PFEIFFER, Insa. In: Bettles,
método dos elementos finitos é tido como um acelerador do processo
Colleen. Barnett, Matthew. Woodhead Publishing Series in Metals and
de conhecimento que permite uma assertividade muito maior quando
Surface Engineering: Advances in Wrought Magnesium Alloys. Woodhe-
comparada ao número de tentativas de implementação de mudanças
ad Publishing, 2012. p. 376-389.
de processo em um ambiente real de trabalho, convergindo os resulta-
[6] MATTOS, Marcelo. Importação de veículos cai em março por conta de
dos a pontos mais próximos daqueles que serão observados no try-out
alta do dólar. Jovem Pan. 04 abr. 2019. Disponível em: <https://
dos produtos, possibilitando, assim, a redução de custos durante a execução do ferramental. E são inúmeros os benefícios apresentados pela sua implementa-
Os autores Alfredo Antonio Jacques Martinelli, Gabriel Gambirazio Grau de Oliveira, Lucas Gibrail, Lucas Scardelatto, Marcos Paulo Reis de Souza,
ção, como a aceleração do tempo de capacitação, devido este acon-
Pedro Henrique Simões Bento Falcirolli, Rafaela Adriana Uribe Pinto, Renan
tecer “on the job”, ou seja, a academia vai até a indústria para atuar
Prado Ribeiro, Rodrigo Pires Caetano, Vinícius Roque Novo e Prof. Dr-Ing.
com seus funcionários na busca de soluções para problemas reais na
Mauro Moraes de Souza fazem parte do Projeto de Parceria Entre Forjaria
prática, acelerando os processos de melhoria, reduzindo o custo de
Brasileiras e o Departamento de Engenharia Mecânica Plena do Centro
matéria prima e desenvolvendo know-how em parceria com a empre-
Universitário FEI – São Bernardo do Campo, Brasil. Eles podem ser contata-
sa em uma via de mão dupla, motivando as equipes e valorizando o
do em unierenribeiro@fei.edu.br ou masouza@fei.edu.br
profissional, ganhando, com isso, produtividade e aumentando a com22
- Abril 2020
>>> Processos
Moldando Inovações Futuras com Forjamento Radial
Uma máquina de forjamento radial GFM RF-100 reduz o diâmetro da barra de aço
Brad Fair – American GFM Corporation; Chesapeake, Va. Robert Koppensteiner and Martin Auer – GFM GmbH; Áustria O forjamento radial é um processo no qual altas forças são transferidas por contato com a superfície das ferramentas para alterar o diâmetro de uma peça por deformação. Nas máquinas de forjamento radial, a rotação da peça é realizada de maneira otimizada e controlada diretamente por um acionamento rotativo oscilante do manipulador. O processo está ganhando popularidade com o advento dos veículos elétricos.
A
inda na primeira metade do século passado, um
O princípio por trás do forjamento radial pode ser subdividido em
jovem engenheiro não tinha certeza se deveria seguir
quatro partes: um acionamento por meio de um eixo excêntrico; um
sua paixão pela nova indústria emergente de motores
mecanismo biela-manivela (Fig. 1) para a conversão de um movimento
de aeronaves ou pela indústria de conformação de aço. Ele conheceu
rotativo em um movimento linear; movimento senoidal do martelo e
o processo de forjamento radial e percebeu como ele poderia reduzir
um arranjo radial desses martelos para evitar espalhamento desneces-
fortemente as limitações da transmissão de potência mecânica através
sário de material.
de eixos. Após o tumulto da Segunda Guerra Mundial, ele fundou uma empresa de engenharia mecânica em Steyr, na Áustria, que oferecia esse
Diferença entre Forjamento Rotativo e Forjamento Radial
tipo avançado de máquina - a "máquina de forjamento radial".
Apesar da semelhança básica dos processos, há diferenças significativas
O termo “rotary swaging" (em Português “forjamento rotativo”)
entre o forjamento rotativo e o forjamento radial da empresa GFM.
descreve um processo semelhante ao forjamento radial. O termo “swa-
Normalmente, as máquinas de forjamento rotativo executam apenas
ging” é ainda mais antigo, do início do século XIX. O significado origi-
processos de conformação a frio em um sistema aberto, refrigerado e
nal era "moldar ou dobrar usando uma ferramenta". Em máquinas de
lubrificado com óleo. A força é transmitida por ferramentas convexas.
forjamento rotativo pares opostos de ferramentas atuam repetidamente
Isso limita a capacidade das máquinas de forjamento rotativo, que po-
e sequencialmente, um após o outro, sobre uma peça cilíndrica.
dem transferir apenas forças limitadas e processar apenas tamanhos de
Os tipos de máquinas de forjamento rotativo incluem sistemas de rotação interna, externa e dupla. Para sistemas de rotação interna, as matrizes giram em torno da peça. Por outro lado, para sistemas de rotação externa, elas apenas se movem radialmente.
peças menores (geralmente de arames a barras com menos de 10 cm de diâmetro). O processo de forjamento rotativo é menos robusto, pois a rotação da peça não é ativamente controlada, sendo a mesma apenas arrastada Abril 2020 -
23
>>> Processos
G C
k
B
E I
A
F
K
D
Fig. 2. a) Princípio do forjamento radial; b) Primeiro tipo de máquina de forjamento radial (versão vertical, 1948)
Fig. 1. O mecanismo biela-manivela pode ser descrito como uma “haste deslizante com manivela e ranhura”. De W. J. M. Rankine, A Manual of Machinery and Millwork (um manual de máquinas e trituradores) (ed. 6, Londres, 1887, p. 169)
em uma máquina de energia limitada.
pelas matrizes. Isso difere substancialmente do forjamento radial, du-
processo controlado. Juntamente com esses benefícios, a utilização da
rante o qual altas forças são transferidas via superfície de contato peça/
tecnologia CNC para controle do processo permite alcançar as vanta-
matriz e o movimento senoidal radial atua na peça. Nas máquinas de
gens do processo de forjamento de precisão para vários tipos de formas
forjamento radial, a rotação da peça é realizada de maneira controlada
de seção transversal, tais como redonda, quadrada, retangular, hexago-
e otimizada de forma direta por um acionamento rotativo oscilante do
nal ou octogonal.
Do processo incremental derivam diretamente benefícios tais como reduzida necessidade de potência, ferramentas versáteis e um
manipulador, o que leva a um processo mais confiável e robusto. Forjamento Radial de Última Geração Mais Sobre Forjamento Radial
Os bem conhecidos tipos de máquinas SX ainda são amplamente uti-
O engenheiro austríaco Bruno Kralowetz cunhou o termo "forjamento
lizados em todo o mundo. Ao longo das décadas, no entanto, benefícios
radial". A empresa que ele fundou foi a GFM, que é a abreviação alemã
adicionais foram alcançados através de diferentes tipos de máquinas. A
de “empresa para tecnologia de fabricação e construção de máquinas”
tecnologia evoluiu de simples modelamento superficial para forjamen-
(Gesellschaft für Fertigungstechnik und Maschinenbau).
to massivo profundo. Essas características divergem e se tornam mais
As primeiras máquinas possuíam três martelos e o material passava verticalmente pela máquina. O princípio de operação (mostrado
Tópico
Forjamento Forjamento Forjamento a quente semiquente a frio
como fluxo horizontal de material) e uma imagem da segunda má-
Baixa força de forjamento +++
++
+
quina de forjamento radial construída são mostrados nas Figs. 2a e b,
Pouca ou nenhuma formação de carepa
+
++
+++
Forjabilidade
+++
++
+
respectivamente. Quase um século após a invenção do forjamento radial, as mais avançadas máquinas de forjamento radial se apóiam nos seguintes princípios básicos: acionamento por eixo excêntrico, mecanismo biela-manivela para converter movimento rotativo em movimento linear e o arranjo radial de vários martelos. O método pertence ao grupo de processos conhecidos com “forjamento em matriz aberta”. Nesta perspectiva, é um processo de forjamento incremental com curso e energia limitados. Em um acionamento normal de virabrequim, a força é fornecida até um determinado ângulo, mas esse não é o caso da máquina de forjamento radial GFM. Na máquina da GFM grandes volantes são usados para reduzir a potência necessária do acionamento e transformar uma máquina força limitada (relacionada com a restrição do ângulo), 24
- Abril 2020
Baixo risco de defeitos
+
++
+++
Baixo custo de usinagem
+
++
+++
Peças com massa até
11000kg
50kg
30kg
IT9-11 IT11-12
IT9-10 IT10-11
IT7-9 IT9-10
20-50µm >50-150µm approx. 20-30%
5-15µm >10-30µm approx. 20-50%
2-5µm >3-10µm
φ ≤2,7 15:1 (93%)
φ ≤1,6 5:1 (80%)
φ ≤0,7 2:1 (50%)
approx. 120%
100%
approx. 160%
Tolerâncias internas e externas de acordo com DIN/ISSO 286 Rugosidade (Rz) interna e externa Tensão de escoamento (T, grade) Deformação logarítmica - (T, grade) alongamento (redução em área) Custos de forjamento
100%
>>> Processos
a
b
a
Visão detalhada
b
Bloco deslizante Eixo excêntrico Ferramenta de ajuste Sistema de retração Selo Ram
Fig. 3. a) Pequena forjadora radial automotiva SKK; b) Corte através de uma máquina de forjar do tipo SKK (projeto real)
específicas. O tipo de máquina mais vendido para forjamento a frio e
Fig. 4. a) Eixo tubular monobloco (eixo lateral); b) Eixo vazado em caixas de transmissão modernas
A expansão dos limites técnicos foi suportada pelo recurso de
semiquente é a máquina SKK com ajuste mecânico (Figs. 3a e 3b).
avanço por passes. Com este tipo de máquina, mais material pode ser
Esse processo confiável e robusto atinge a mais alta precisão. Este tipo
deformado por passe, minimizando o tempo de contato com a fer-
de máquina foi desenvolvido especificamente para as exigências da
ramenta e, assim, o resfriamento da peça. A obtenção de um forjado
indústria automotiva. Com o uso de um mandril flutuante é eco-
com grão finos e fibramento compacto é possível pela combinação de
nomicamente viável a obtenção de eixos vazados com precisão interna
recursos da máquina e tecnologia de processos e ferramentas.
incomparável. Eixos de acionamento (Fig. 4a) e eixos de transmissão automática (Fig. 4b) são aplicações típicas de sucesso. As máquinas podem processar diferentes materiais em diferentes
As modernas ferramentas de simulação baseadas no FEA (Finite Element Analysis) permitem a otimização dos processos sem a realização de experimentos demorados e dispendiosos. A sofisticada, mas
temperaturas de conformação e, assim, oferecer uma flexibilidade
fácil de usar ferramenta de software FEA é integrada ao controle das
inigualável. As propriedades mais importantes das diferentes faixas de
modernas máquinas de RF. Rotinas inteligentes permitem a execução
temperatura estão resumidas na Tabela 1.
de simulações rápidas apesar da complexidade numérica e iteratividade
Uma célula de produção típica para forjamento semiquente é mostrada na Figura 5.
dos cálculos. As ferramentas de simulação fornecem indicadores de porosidade, desenvolvimento da rede de carbonetos e bandeamento.
O tipo RF (Radial Forging) é o estado da arte do forjamento radial há 20 anos. Neste sistema, o ajuste do ferramental no diâmetro é
Limites Tecnológicos
feito hidraulicamente por meio de um cilindro. Esse tipo de máquina
Para precisão ou acuidade geométrica, apenas pequenas melhorias
fornece potência suficiente e a capacidade de deformar o material
adicionais são esperadas. Os limites que serão e precisam ser mais avan-
profundamente até a linha central da peça, permitindo um interior
çados são a deformabilidade de vários tipos de materiais.
consolidado e minimizando a taxa geral de redução. Uma vantagem é
A deformabilidade intrínseca é uma propriedade do material em si. No
o curto tempo de contato com as ferramentas. Isso é de importância
entanto, novas máquinas de forjamento radial expandem os limites de
crucial para peças de material altamente ligados ou superligas e é es-
deformabilidade pela utilização de estados vantajosos de tensão du-
pecialmente verdadeiro para seções transversais pequenas e peças mais
rante o forjamento. A conformação da peça por todos os lados, combi-
longas.
nada com geometrias de ferramentas e sequência de passes otimizadas, Abril 2020 -
25
>>> Processos
mentar, o forjamento radial tornar-se-á o principal processo de fabricação para produção desse tipo de eixo. Outro tópico são os novos e emergentes tipos de aço e superligas. O potencial do aço e das superligas ainda não foi totalmente explorado. Centenas de engenheiros de materiais estão projetando novas classes de materiais metálicos que sejam competitivas contra o avanço de materiais compósitos. O design de peças com o menor peso possível exige maior capacidade de carga mecânica e às vezes térmica. A deformabilidade limitada, característica das novas classes de materiais (aços altamente ligados e superligas), está direcionando as melhores práticas para o forjamento radial. Juntamente com a máquina, tecnologias modernas como servo Fig. 5. Célula de produção moderna para forjamento radial semiquente de eixos
controles, motores de torque e sistemas sofisticados de acionamento
permite o forjamento, inclusive, de materiais suscetíveis a trincas.
confiabilidade do processo, as limitações das ferramentas devem ser
Essa é uma das vantagens mais importantes em relação a processos
abordadas. Classes de materiais aprimoradas, revestimentos sofistica-
alternativos, como o forjamento convencional em matriz aberta e a
dos, lubrificantes ecológicos e conceitos de resfriamento interno bem
laminação.
projetados são o verdadeiro foco para o desenvolvimento do processo.
Baixos Custos Operacionais e Sustentabilidade
Conclusão
Comparado ao forjamento em matriz aberta, o processo requer sig-
O forjamento radial encontrou seu nicho em várias peças ocas de for-
nificativamente menos potência e menos energia elétrica (até cerca de
ma complexa e sua capacidade de forjar aços altamente ligados e super-
50%). Isso se deve em parte a um acionamento elétrico direto, que evita
ligas. O processo oferece alguns benefícios interessantes que se tornarão
a baixa eficiência energética de acionamentos hidráulicos e, em parte,
ainda mais importantes e difundidos devido a exigências emergentes
ao efeito de balanceamento do volante. Essas vantagens mantêm as
de material, rendimento, confiabilidade e propriedades do material.
dominam o desenvolvimento. Para aumentar a produtividade e a
despesas operacionais baixas e, portanto, representam uma tecnologia ambientalmente amigável e sustentável.
Este artigo foi gentilemente traduzido pelo Dr. Eng. Alberto Brito e Prof. Lírio Shaefer da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Futuro do Forjamento Radial As tendências do forjamento radial estão claramente definidas. Os eixos
O co-author Brad Fair é vice presidente da American GFM Corporation,
do rotor para motores elétricos estão agora aparecendo no mercado
Chesapeake, Va. Ele pode ser contatado em @agfm.com or 757-487-2442.
automotivo. Seu design típico parece se basear nas capacidades da
O co-author Robert Koppensteiner é diretor geral da GFM GmbH, Austria.
tecnologia de forjamento radial. A melhor abordagem é um processo
Ele pode ser contadado em koppensteiner@gfm.at. O co-author Martin
de forjamento semiquente. Imagens de eixos de rotores EV típicos são
Auer é diretor da Forging Technologies at GFM GmbH, Austria. Ele pode ser
mostradas na Fig. 6. À medida que o número de veículos elétricos au-
contatado em auer@gfm.at.
Fig. 6. Exemplos de eixos de rotores de veículos elétricos
26
- Abril 2020
Influência de um Lubrificante Utilizado em Processos de Conformação Mecânica na Taxa de Desgaste de um Aço em Diferentes Patamares de Rugosidade
>>> Lubrificantes
Luana De Lucca de Costa, André Rosiak, Lirio Schaeffer, Laboratório de Transformação Mecânica - LdTM , UFRS - Porto Alegre, RS - Brasil Os lubrificantes são elementos muitas vezes indispensáveis nos processos de conformação mecânica e seu custo é relativamente baixo quando comparado ao valor final do componente produzido pelo processo. Além disso, os lubrificantes possuem uma importante função no processo, evitando o contato metal-metal entre o billet e o ferramental e minimizando danos causados pelo desgaste. A rugosidade superficial é uma particularidade que exerce influência no contato entre as protuberâncias superficiais (billet x ferramental). Em interações superficiais, conhecer as características topográficas é necessário para compreender os fenômenos tribológicos que atuam durante o contato superficial. A análise das características da superfície também são informações fundamentais para o entendimento dos mecanismos de desgaste. Tendo esta informação como premissa, o presente trabalho visa avaliar a variação da taxa de desgaste de um par de material metal-metal (SAE 4140 e DIN100Cr6), avaliando o desempenho do lubrificante em diferentes níveis de rugosidade superficial entre as amostras, através da utilização de um dispositivo para ensaios tribológicos pino-sobre-disco, avaliando assim a perda de massa das amostras após o ensaio.
O
presente trabalho tem como
do comportamento do lubrificante perante o
objetivo avaliar a influência
nível de rugosidade superficial dos corpos de
dos lubrificantes identificados
prova ensaiados. Essa metodologia procura
como: “Lubrificante 1”, “Lu-
contribuir para a adequada seleção de lubrifi-
brificante 2” e “Lubrificante 3” (comumente
cante em casos que um determinado patamar
utilizados nos processos de conformação
de rugosidade é conhecido.
mecânica a frio) no desgaste durante uma interação entre superfícies do tipo metal-me-
Determinação do Desgaste por Mudan-
tal de um par de material, constituído pelos
ça de Massa
aços SAE4140 e DIN100Cr6, sob influência
A mudança de massa é medida como a dife-
de diferentes patamares de rugosidade super-
rença entre a massa da amostra registada an-
ficial (Nível C, Nível B e Nível A), através de
tes e depois do ensaio tribológico. Da mesma
um dispositivo para ensaios tribológicos do
forma como todos os detritos provenientes
tipo pino-sobre-disco (Fig. 1). Esta prática
do ensaio devem ser coletados e reservados
visa elaborar uma avaliação tribológica preliminar oferecendo uma melhor compreensão
Fig. 1. Dispositivo para ensaios tribológicos do tipo pino-sobre-disco [1]
para análises posteriores [2]. Resultados confiáveis através da técnica Abril 2020 -
27
>>> Lubrificantes
influência da rugosidade em uma superfície apenas é relevante quando ocorre o rompimento das protuberâncias ou rompimento do filme lubrificante, ocasionando o contato com a superfície oposta [5]. A textura das superfícies é classificada conforme suas características: • Nano e micro rugosidade são variações superficiais no comprimento de uma onduFig.2. Esquema de um único dano gerando uma camada ativa [8]
lação, caracterizados por picos e vales com amplitudes e espaçamentos variados. • Ondulação é a irregularidade superficial definida como macro rugosidade; suas prin-
(a)
(b)
cipais causas são resultados do processo de fabricação como a incorreta fixação da peça, vibração e deformações ocasionadas por tratamentos térmicos. • O termo camada é definido por Bhushan, porem é conhecido como direção
Fig.3. Tipos de geometria de contato, onde: (a) Conformante e (b) Não-conformante. Adaptado de [10]
das estrias, que indica a direção principal das irregularidades superficiais causadas pelo
de mudança de massa são alcançados fre-
Condições Topografias Superficiais
método de fabricação na qual a superfície foi
quentemente com o auxílio de uma balança
Em interações entre superfícies, compreender
condicionada.
analítica (adequadamente calibrada), para
as características topográficas superficiais se
tal, deve-se conduzir corretamente o preparo
torna necessário para o entendimento dos
na textura superficial que contem desvios
dos mensurandos, adotando cuidados como
fenômenos tribológicos que atuam durante
abruptos da forma nominal de um compo-
limpeza adequada e correto manuseio dos
o contato superficial. A análise das caracterís-
nente. O termo falha é conhecido como erro
mesmos, através da utilização de luvas e
ticas da superfície também são informações
de forma.
pinças [3].
fundamentais para o entendimento dos
A relação entre a perda de massa e a
• Falhas são interrupções indesejadas
As texturas da maioria das superfícies
mecanismos de desgaste, assim como o atri-
utilizadas na engenharia são classificadas
densidade da amostra é utilizada para deter-
to. Contaminantes atmosféricos, presença
como: aleatórias, isotrópicas ou anisotrópi-
minar o volume desgastado (Equação 1) em
de óxidos, dureza e planicidade em escala
cas, além de estarem atreladas ao processo de
medições de perda de massa [2].
microscópica, são algumas características
fabricação [6].
que devem ser observadas em contatos entre [1]
superfícies [4]. A rugosidade superficial é uma particu-
Onde: VD é o Volume desgastado dado
Introdução ao Desgaste O desgaste é definido por Bayer como um
laridade que exerce influência no patamar de
dano causado na superfície de um material.
em mm³, M é a Perda de massa dada em g e ρ
contato entre as protuberâncias das super-
As formas mais comuns de danos são carac-
é a Densidade da amostra dada em g/cm³ [2].
fícies. Para manter baixa a possibilidade de
terizadas pela perda de material, deslocamen-
Stachowiak e Batchelor complementam
alguma interação entre protuberâncias de su-
to de material ou perda volumétrica de mate-
que a capacidade de absorção das amostras,
perfícies, a utilização de lubrificantes é neces-
rial. Em ensaios tribológicos com a finalidade
assim como a corrosão, desgaste em ambien-
sária em determinados níveis de rugosidade,
de avaliar o comportamento de desgaste, é
tes corrosivos e utilização de fluidos orgâni-
contudo, em contatos rolantes em condições
usual utilizar a perda de massa como medida
cos como lubrificantes, são fortes fatores que
normais de carga, velocidade e lubrificação
ou perda volumétrica [7].
influenciam a determinação do desgaste [3].
pode haver deformação elástica das com uma película lubrificante entre as superfícies. A
28
- Abril 2020
Uma superfície influenciada pelo desgaste pode apresentar um único dano, porém,
>>> Lubrificantes
1 2
3 4
Fig. 7. Pontos equidistantes de medição da rugosidade nas amostras do tipo disco Fig. 4. Caracterização superficial de amostras D1 à D4 do tipo disco, oriundas do processo de corte durante o torneamento, ampliados 25X
a)
b)
Fig. 8. Ensaio P-S-D não lubrificado (a) e ensaio P-S-D lubrificado (b)
dissolução ou pela separação física atômica. Ludema também destaca que tanto processos mecânicos ou químicos, podem influenciar separadamente ou em conjunto um material, Fig. 5. Caracterização superficial de amostras D5 à D8 do tipo disco, padronizadas através do processo de lixamento, ampliados 25X
como por exemplo: abrasão em um meio corrosivo. Não há muitos dados que possam
na maioria dos casos é comum uma super-
2 demonstra o evento em que uma camada
prevenir o comportamento de um material
fície apresentar mais de um tipo de dano
ativa transforma a superfície do material sob
sob condições de desgaste, porém há muitas
causado pelo desgaste. A definição da camada
a influência de grandes forças normais e de
informações a respeito de seleção de mate-
ativa se refere à camada superficial com todas
cisalhamento e calor proveniente de atrito.
riais. Na falta de dados prévios da influência
as características tribológicas durante o con-
O relaxamento desta camada, envolvendo
do desgaste a única alternativa é aliar a sele-
tato superficial de desgaste, já a denominação
transformações de fase adicionais, ocorrerá
ção de materiais com as análises de falha de
camada relaxada dá-se a superfície após a
em algum determinado tempo, após o conta-
desgaste, para isso existem ferramentas que
retirada das forças atuantes e após a mesma
to de desgaste ser cessado [8].
possibilitam simular e mensurar um índice
atingir a temperatura ambiente [8]. É relevante estudar-se a camada relaxada,
Para Ludema, o grande desafio na reso-
de desgaste condizente com a real aplicação
lução de problemas causados pelo desgaste
do material em questão. A correta concepção
pois é através dela que se obtêm conclusões
é descobrir o tipo de desgaste que os com-
de projeto do engenheiro é a principal forma
sobre o modo de falha, melhoria de proje-
ponentes estarão sujeitos. O material pode
de conferir ao componente em questão uma
to, seleção de materiais ou outros aspectos
ser removido da superfície de contato sólido
maior resistência ao desgaste, porém nem
dependendo da finalidade da análise. A Fig.
de três maneiras, classificadas por: fusão,
engenheiros ou pesquisadores podem ante-
Fig. 6. Caracterização superficial de amostras D9 à D12 do tipo disco, padronizadas através do processo de lixamento com uma maior gama de lixas em relação as amostras anteriores, ampliados 25X
cipar em quais combinações de mecanismos que ocorrerão uma experiência próxima a Abril 2020 -
29
>>> Lubrificantes
Massa de Discos
A finalidade da lubrificação é reduzir o atrito e o desgaste, além de possuir a capacidade de transportar calor e transportar detritos oriundos de um processo de deslizamento ou rolamento entre superfícies em contato. A lubrificação é introduzida entre um contato superficial na forma líquida, sólida ou gasosa. Há diversas variáveis que
Massa (g)
influenciam na lubrificação, entre elas são destacadas: a rugosidade superficial, a carga de contato exercida, a temperatura e as condições de contato (tanto deslizantes, como rolantes), a velocidade do componente em que o lubrificante foi introduzido, as condições ambientais e as propriedades físicas e químicas do lubrificante [10]. Inicial (g) Final (g)
Segundo Cheng, há duas geometrias para superfícies em lubrificação, elas são denominadas: Conformante e não-conformante (Fig.
Fig. 9. Perda de massa das amostras do tipo disco (Comparativo entre a Massa Inicial e a Massa Final) Massa de Esferas
3). Cheng exemplifica que em contatos rolantes do tipo conformante, normalmente as superfícies são separadas por uma película espessa de lubrificante (óleo ou gás) gerada hidrodinamicamente pelas velocidades de superfície ou hidrostaticamente por um lubrificante externamente pressurizado. Estas superfícies comumente operam no regime de lubrificação hidrodinâmica ou hidrostática de filme espesso.
Massa (g)
A lubrificação por meio de contato não-conformante, ocorre em uma região muito pequena e concentrada, conhecida como zona hertziana. Nestes contatos, a espessura do filme é extremamente fina, da mesma ordem da rugosidade da superfície, além da elevada pressão exercida no lubrificante, que influenciará a deformação elástica da superfície Inicial (g) Final (g) Fig. 10. Perda de massa das amostras do tipo esfera (Comparativo entre a Massa Inicial e a Massa Final) Rugosidade Rz x Taxa de Desgaste
do mesmo [10]. Materiais e Métodos O procedimento para mensurar o coeficiente de desgaste através da técnica de perda de massa possui as seguintes etapas: • Preparação superficial das amostras; • Medição da dureza das amostras;
Rz (μm) - Amostras Discos
• Medição da massa inicial das amostras; • Verificação superficial das amostras através da técnica de microscopia ótica; • Medição da rugosidade das amostras do tipo disco; • Ensaio tribológico do tipo pino-sobre-disco; • Medição da massa das amostras após o ensaio. Os pares de material selecionado para o ensaio são compostos por: • Amostras do tipo disco confeccionadas em aço SAE4140, obtidas
Fig. 11. Influência da rugosidade superficial na taxa de desgaste das amostras do tipo esferas
através de tarugos cilíndricos, e usinadas através do processo de torne-
realidade, o caminho mais prudente é simular um mecanismo de des-
amento, identificadas pela letra “D”;
gaste, desde que se parta da premissa de um sólido conhecimento em mecanismos e equipamentos dedicados a observar o comportamento e a influência do desgaste [9].
• Amostras do tipo pino (esferas) adquiridas comercialmente, confeccionadas em aço DIN100Cr6, identificadas pela letra “E”; • A identificação do par de material é exposta pelas letras “DE” seguidamente do número das amostras disco e esfera. Exemplo: Par de
Introdução à Lubrificação 30
- Abril 2020
material “DE1” = “Disco 1”& “Esfera 1”.
>>> Lubrificantes
Tabela 1: Composição química dos corpos de prova
C
Tipo
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
DIN100Cr6
0,95 a 1,10
0,15 a 0,35
0,25 a 0,45
0,03
0,03
1,35 a 1,65
–
SAE 4140
0,38 - 0,43
0,15 - 0,35
0,75 – 1,00
0,03
0,04
0,8 – 1,1
0,15 – 0,25
A composição química destes materiais
Tabela 2: Características dos lubrificantes Lubrificante 1 2 3
Tipo Óleo Sintético Óleo Mineral Óleo Mineral
Massa (1,0 mL)
Densidade a 20/4ºC
Viscosidade - cSt a 40ºC (mm2/s)
1,0748 g
0,959
737
0,9450 g
0,945
100
0,9309 g
0,930
90
As principais características dos lubrificantes utilizados no ensaio tribológico estão expostas na Tabela 2. Preparação Superficial Com a finalidade de classificar as amostras do tipo disco em três patamares distintos de
Tabela 3: Rugosidade Ra inicial das amostras do tipo discos Disco
pode ser observada na Tabela 1.
Ponto 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Média
Ra (µm)
Ra (µm)
Ra (µm)
Ra (µm)
Ra (µm)
rugosidade (Nível A, Nível B e Nível C), as superfícies das amostras foram preparadas através dos processos de usinagem e lixa-
D1
2,59
3,66
3,15
3,13
3,13
D2
4,99
3,59
3,17
2,43
3,55
D3
3,28
3,55
3,37
2,08
3,07
ordem decrescente, ou seja, inicia-se a análise
D4
2,71
2,52
3,33
3,26
2,96
tribológica no maior patamar de rugosidade
D5
0,69
0,73
0,79
0,65
0,72
até o menor patamar que as amostras pos-
D6
1,31
0,66
1,14
1,01
1,03
suem.
D7
0,75
0,46
0,82
0,86
0,72
D8
1,07
1
0,99
0,72
0,95
4) possuem valores de rugosidade provenien-
D9
0,06
0,08
0,27
0,1
0,13
tes da operação de corte através do processo
D10
0,05
0,07
0,07
0,06
0,06
de torneamento. Estes valores de rugosidade
D11
0,08
0,14
0,13
0,07
0,11
foram classificados como “Nível C”, pois
D12
0,07
0,1
0,16
0,05
0,10
entre as demais amostras, possuem elevados
5) possuem valores de rugosidades prove-
Tabela 4: Rugosidade Rz inicial das amostras do tipo discos Disco
mento. Os três patamares de rugosidade das amostras do tipo disco estão organizados em
As superfícies das mostras D1 à D4 (Fig.
valores de rugosidade superficial. As superfícies das amostras D5 à D8 (Fig.
Ponto 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Média
Ra (µm)
Ra (µm)
Ra (µm)
Ra (µm)
Ra (µm)
nientes da uniformização através do processo
D1
13,72
17,33
13,80
14,92
14,94
de lixamento. Estas amostras foram classifica-
D2
27,09
15,14
14,44
15,13
17,95
das como “Nível B”, pois possuem rugosidade
D3
16,47
17,92
15,62
10,53
15,14
superficial com valores intermediários entre
D4
10,43
13,15
15,08
15,14
13,45
D5
4,88
6,12
6,17
4,81
5,50
D6
8,10
5,32
10,24
8,55
8,05
D7
4,75
3,75
5,37
7,14
5,25
D8
7,29
8,17
6,94
4,67
6,77
D9
0,77
1,06
5,51
1,85
2,30
D10
0,39
0,88
0,67
0,55
0,62
D11
0,51
3,01
1,47
0,87
1,47
D12
0,61
0,75
0,98
0,69
0,76
as amostras ensaiadas. As superfícies das amostras D9 à D12 (Fig. 6) utilizam uma maior variedade de lixas de diferentes tamanhos de grãos, visando um melhor acabamento em relação aos patamares de rugosidade das amostras anteriormente citadas. Estas amostras foram classificadas como “Nível A”. Avaliação Pré-Ensaio Abril 2020 -
31
>>> Lubrificantes
ambiente em que eles ocorrem. O tipo de
Tabela 5: Mensuramento das massas das amostras discos e esferas Par de Material DE1
Amostra Acabamento
Lubrificante
Nível C
1
DE2
Nível C
DE3
Nível C
DE4
Nível C
DE5 [*]
Nível B
DE6
Nível B
DE7
Nível B
DE8
Nível B
DE9 DE10 DE11 DE12
Massa
Nível A Nível A Nível A
Nível A
2
3
-
1
Identificação
Perda de Massa (g)
tribômetro utilizado para o presente ensaio foi o P-S-D (pino-sobre-disco) que atende a norma ASTM G99.
D1
0,0022
E1
0,0054
D2
0,0263
E2
-0,0001[***]
D3
0,0008
• Força: 40 N;
E3
0,0009
• Velocidade: 850 RPM;
D4
-0,0015[***]
• Tempo de duração do ensaio: 562 s;
E4
-0,0001[***]
• Pista de desgaste: Ø 40 mm;
D5
0,0032
E5
0,0053
D6
0,0020
Os parâmetros utilizados para a realização do ensaio tribológico e as informações das amostras utilizadas estão listadas resumidamente abaixo:
• Amostra Disco: Ø 44,30 mm e espessura de 10 mm; • Amostra Pino: esfera de rolamento Ø 10,20 mm;
E6
0,0000
D7
-0,0014[***]
E7
0,0003
D8
-0,0018[***]
E8
0,0004
- [**]
D9
-0,0324[***]
E9
0,0047
1
D10
0,0009
E10
0,0004
D11
-0,0018[***]
das amostras, antes e após ensaio, foi utili-
E11
-0,0004[***]
zada uma balança analítica com resolução
D12
-0,0011[***]
de 0,0001 g e capacidade máxima de até
E12
0,0001
2
3
2 3
• Condição de desgaste: Não lubrificado e lubrificado; • Distância de deslizamento: 1000 m; • Temperatura de ensaio: 18 °C; • Umidade relativa do ar (durante o ensaio): 78 a 81 %. Resultados Para realizar a medição de perda de massa
220,0000g, devidamente calibrada. Os resul-
[*] No par de material DE5 houve interrupção momentânea devido a ocorrência de um incidente elétrico no dispositivo. [**] Ensaio realizado sem a presença de lubrificante. [***] Em dados de perda de massa indicados como o sinal negativo “-” houve ganho de massa aderida durante o ensaio tribológico
tados podem ser observados na Tabela 5.
Com o auxílio de um durômetro foram
ção ao desgaste das amostras do tipo esfera
rugosímetro.
realizados ensaios para verificar a dureza das
Após a execução dos ensaios, podemos verificar na Fig. 9 que o desgaste das amostras do tipo disco é menos significativo em rela(Fig. 10).
amostras do tipo disco. A dureza das amos-
Ensaio Tribológico
tras está entre 270 HB e 280 HB. A média da
O ensaio tribológico consiste em reproduzir
amostras do tipo esfera ensaiadas com a
dureza adotada foi de 277 HB. A dureza das
de forma controlada o desgaste entre uma
utilização de lubrificante mantiveram valo-
esferas está compreendida entre 62 HRC a
amostra fixa (esfera) exercendo uma deter-
res de Taxa de Desgaste (W) na ordem de
66 HRC, confirmada com o auxílio de um
minada força sobre uma amostra rotativa
-1,125[***] a 1,125, com exceção da amostra
microdurômetro, aplicando-se uma carga de
(disco), em um ambiente com a presença de
E3 que sofreu um desgaste maior em relação
HV 0,2. A dureza média das amostras do tipo
um lubrificante ou não (Fig. 8). O dispositivo
às demais amostras. Os valores da Taxa de
esfera foi de 883 HV (65 HRC).
apropriado para tal finalidade é conhecido
Desgaste podem ser verificados na Tabela 6 e
por tribômetro e pode ser confeccionado
Tabela 7.
A média da rugosidade inicial (Tabela 3 e Tabela 4) foi mensurada em quatro pontos
em diversos tipos, para reproduzir diversos
equidistantes (Fig. 7), com o auxílio de um
mecanismos de desgaste e assim como o
32
- Abril 2020
Na Fig. 11 podemos observar que as
Conclusão
>>> Lubrificantes
Tabela 6: Valores da avaliação tribológica das amostras do tipo disco após ensaio
Amostras Discos
Volume Desgastado (VD)
Taxa de Desgaste (W)
VD (103 mm³)
W (1010 mm³/m)
Constante Coeficiente de da Taxa de Desgaste (k) Desgaste (ka) ka (1010 mm³/ k (10³ adm) N.m)
Nível C: Neste nível de rugosidade superficial o Lubrificante 1 e o Lubrificante 3 apresentaram um comportamento superior em relação ao Lubrificante 2, mantendo um menor Volume Desgastado (VD). Nível B: O contato superficial do par de
D1
280,2548
6,1730
0,1543
1,9968
D2
3261,1465
71,8315
1,7958
23,2357
presença de um patamar de rugosidade que
D3
101,9108
2,2447
0,0561
0,7261
propiciou o acumulo de lubrificante nos va-
D4
-178,3439[***]
-3,9283[***]
-0,0982[***]
-1,2707[***]
les da superfície da amostra D6, não causou o
D5
407,6433
8,9789
0,2245
2,9045
desgaste da amostra E6. A atuação do Lubri-
D6
254,7771
5,6118
0,1403
1,8153
ficante 2 neste nível de rugosidade superficial
D7
-178,3439[***]
-3,9283[***]
-0,0982[***]
-1,2707[***]
apresentou um melhor desempenho, em
D8
-229,2994[***]
-5,0507[***]
-0,1263[***]
-1,6338[***]
relação ao comportamento do Lubrificante 3,
D9
-4127,3885[***]
-90,9118[***]
-2,2728[***]
-29,4076[***]
observado na amostra E8.
D10
114,6497
2,5253
0,0631
0,8169
D11
-229,2994[***]
-5,0507[***]
-0,1263[***]
-1,6338[***]
mar menor de rugosidade apresentou um
D12
-140,1274[***]
-3,0865[***]
-0,0772[***]
-0,9984[***]
valor de VD maior em relação a uma superfí-
material DE6, utilizando o Lubrificante 1 na
Nível A: O Lubrificante 1 em um pata-
cie mais rugosa, isso ocorreu devido a menor Tabela 7: Valores da avaliação tribológica das amostras do tipo esfera após ensaio
Amostras Esferas
Volume Desgastado (VD)
Taxa de Desgaste (W)
VD (103 mm³)
W (1010 mm³/m)
Constante Coeficiente de da Taxa de Desgaste (k) Desgaste (ka) ka (1010 mm³/ k (10³ adm) N.m)
D1
689,6552
15,191
0,380
15,224
D2
-12,7714[***]
-0,281[***]
-0,007[***]
-0,282[***]
capacidade de armazenamento de lubrificante nos vales superficiais do par de material. A atuação do Lubrificante 2 nesse patamar de rugosidade ocasionou a aderência de material na amostra E11 (Fig. 14). O melhor desempenho em relação ao VD neste patamar de rugosidade foi do Lubrificante 3 (Fig. 15).
D3
114,9425
2,532
0,063
2,537
D4
-12,7714[***]
-0,281[***]
-0,007[***]
-0,282[***]
D5
676,8838
14,909
0,373
14,942
vimento de um Dispositivo para Ensaios
D6
0,0000
0,000
0,000
0,000
Tribológicos do tipo Pino-Sobre-Disco.
D7
38,3142
0,844
0,021
0,846
Seminário de Inovação e Tecnologia do IFSul ,
D8
51,0856
1,125
0,028
1,128
D9
600,2554
13,222
0,331
13,251
D10
51,0856
1,125
0,028
1,128
D11
-51,0856[***]
-1,125[***]
-0,028[***]
-1,128[***]
D12
12,7714
0,281
0,007
0,282
Referências [1] ACCADROLLI, G.; VERNEY, J. C. K. Desenvol-
v. 1, p. 10-15, 2017. [2] NEALE, M.; GEE, M. A Guide to Wear Problems and Testing for Industry. William Andrew, 2001. [3] STACHOWIAK, G.; BATCHELOR, A. W. Experimental Methods in Tribology. Elsevier, 2004.
Os resultados após ensaio das esferas E1, E5 e E9 (ambas sem lubrificação), comprovam
superfície de rugosidade menor (D9). Em relação ao tipo de lubrificante uti-
que a rugosidade é um importante fator que
lizado, pôde-se observar que o Lubrificante
influencia no desgaste a seco dos metais (Fig.
1 (Fig. 13) apresentou um desempenho
12). As amostras (E1 e E5) sofreram uma
superior aos demais lubrificantes, no tocante
perda de massa significativa resultante do
desgaste (perda de massa), tendo como base
contato entre as superfícies com rugosidades
as três classes de patamares de rugosidade
mais elevadas (D1 e D5) em relação a uma
ensaiadas (Nível C, Nível B e Nível A):
[4] SARKAR, A. D. Wear of Metals: International Series in Materials Science and Technology. Elsevier, 1976. [5] STOLARSKI, T.A. Tribology in Machine Design. Butterworth-Heinemann, 1990. [6] BHUSHAN, B. Introduction to Tribology. John Wiley & Sons, 2013. [7] BAYER, R. G. Mechanical Wear Fundamentals Abril 2020 -
33
>>> Lubrificantes
Rz (μm) - Amostras Discos
Sem Lubrificante Rugosidade Rz Volume Desgastado (VD)
Volume Desgastado Esferas (103mm3) Fig. 12. Relação entre a rugosidade Rz e o VD – Ensaio sem Lubrificante
Rz (μm) - Amostras Discos
Lubrificante 1 Rugosidade Rz Volume Desgastado (VD)
Volume Desgastado Esferas (103mm3) Fig. 13. Relação entre a rugosidade Rz e o VD – Ensaio com Lubrificante 1 and Testing, revised and expanded. CRC
em Minas, Metalurgia e Materiais (PPGE3M) da
Press, 2004.
UFRGS.
[8] HOGMARK, S.; JACOBSON, S.; VINGSBO, O.
O autor Lirio Schaeffer é Engenheiro Mecânico,
ASM Handbook: Friction, Lubrication, and
Doutor em Engenharia, Professor Titular na
Wear Technology. Vol. 18. ASM International,
UFRGS. Os autores podem ser contatados pelos
1992.
e-mails luana.lucca@ufrgs.br, andre.rosiak@
[9] LUDEMA, K. C. ASM Handbook: Friction, Lubrication, and Wear Technology. Vol. 18. ASM International, 1992. [10] CHENG, H. S. ASM Handbook: Friction, Lubrication, and Wear Technology. Vol. 18. ASM International, 1992. A autora Luana De Lucca de Costa é Engenheira Mecânica, Mestre em Processos de Fabricação. Doutoranda no Programa de Pós-Graduação em Minas, Metalurgia e Materiais (PPGE3M) da UFRGS. O autor André Rosiak é Engenheiro Metalúrgico, Mestrando no Programa de Pós-Graduação
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