Revista FORGE - Abril/ 2020

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 Ê a constante de radiação, A Ê a superfície de radiação e T Ê 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 características 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 superfície da peça, chegando a valores próximos 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

34

- Abril 2020

ufgrs.br e schaefer@ufrgs.br.

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