Simulação Computacional por Elementos Finitos do Processo de Forjamento em Matriz Fechada de Rodas SAE 4140 de Utilização em Ponte Rolante

Transcrição

1 Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Dissertação de Mestrado Simulação Computacional por Elementos Finitos do Processo de Forjamento em Matriz Fechada de Rodas SAE 4140 de Utilização em Ponte Rolante LINCOLN FERREIRA BRAGA Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Mecânica. ORIENTADOR: Prof. Jánes Landre Jr, Dr. Banca Examinadora: Prof. Jánes Landre Jr, Dr. PUC Minas Presidente Prof. Sandro Cardoso Santos, D.Sc. CEFET-MG Examinador Externo Prof. Ernani Sales Palma, Dr.-Ing. PUC Minas Examinador Interno Belo Horizonte, 21 de dezembro de 2005

2 A Deus, aos meus pais, aos meus irmãos e a Maísa.

3 AGRADECIMENTOS A Deus, por tudo que tenho e sou nesta vida; por ter me dado força, garra, persistência e perseverança durante esta árdua, más gratificante, empreitada. Aos meus pais, José Humberto e Terezinha, pela oportunidade da vida. À minha irmã Karen e a meu cunhado Vander, a meu irmão Ronáro e a minha cunhada Ilza, pelo apoio moral e financeiro nos momentos difíceis. À minha namorada, Maísa, pelo apoio, carinho e compreensão durante esta jornada. Ao meu orientador, Prof. Jánes Landre Júnior, pela orientação, estímulo, amizade e otimismo. Aos professores do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, pelo convívio e ensinamentos transmitidos. À Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, por disponibilizar toda a infra-estrutura necessária para a realização deste trabalho. A CAPES pela bolsa parcial concedida; À Valéria, pelo grande apoio, do qual ficarei eternamente agradecido. Aos meus amigos e amigas do Mestrado: Alexandre, Augusta, Camila, Cristiano, Erlano, Hebert, Jomar, Lúcio, Luiz Brant, Marcos, Pamela, Pedro, Valéria e Wallison, pelo apoio, convívio e momentos de descontração que irão deixar saudades.

4 RESUMO O forjamento a quente requer menores forças para se deformar o material, mas ao se comparar com o forjamento a frio, aquele possui uma variação dimensional maior e um acabamento superficial inferior. Conseqüentemente, operações finais de acabamento tornam-se necessárias. Estas operações podem ser minimizadas por um forjamento mais preciso que resulte em um menor número de operações e um menor custo operacional. No entanto, a obtenção da seqüência de produção ideal é complicada e muitas vezes obtida através de métodos empíricos, o que leva a realização de muitos testes e ajustes, que tornam o projeto caro e dependente dos recursos humanos muitas vezes não disponíveis. Com o advento dos métodos numéricos, especificamente aqueles baseados no método de elementos finitos para grandes deformações, tem sido possível com relativo sucesso, a análise do processo de forjamento a quente bem como sua otimização ainda na fase de projeto. Este trabalho objetivou avaliar as variáveis de processo bem como suas restrições no forjamento em matriz fechada de um certo modelo de roda utilizada em pontes rolantes.

5 ABSTRACT Hot forging requires minor forces to deform a material, but in comparison to cold forging, it shows a greater dimensional variation and inferior quality surface finish. Consequently, finishing operations become necessary. These operations can be minimized through a more precise forging process, resulting in less operational cost. However, the determination of an ideal production sequence is complicated and, in most cases, results from empirical methods, which increases the quantity of tests and make the project more expensive and dependent on mostly unavailable human resources. With the advent of numerical methods, especially those based on finite elements for greater deformation, hot forging process analysis has been quite successful, as well as optimization during the project stage. This work objectified the process variables evaluation and also their restrictions in closed die forging, using the model of a belt conveyor wheel.

6 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE SÍMBOLOS X XVI XVII CAPÍTULO 1 1 INTRODUÇÃO Generalidades Objetivos Objetivo geral Objetivos específicos Escopo da dissertação 3 CAPÍTULO 2 4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Noções sobre a fabricação de aços Tipos de elementos de liga Classificação dos aços Sistema americano (AISI) Sistema alemão (DIN) Características do aço AISI-SAE 4140 / DIN 42CrMo Elementos da teoria da Plasticidade Curva de escoamento Encruamento Taxa de deformação Critérios de escoamento Critério de Tresca Critério de Von Mises 17 VI

7 Sumário VII Comparação entre critérios de Tresca e Von Mises Evolução da superfície de escoamento Processos de fabricação por conformação mecânica Classificação dos processos de conformação de acordo com 22 as características de processamento Compressão direta Compressão indireta Tração, dobramento e cisalhamento Classificação dos processos de conformação de acordo com 23 a deformação plástica Classificação dos processos de conformação de acordo com 23 a temperatura de trabalho 2.7 Forjamento de metais Forjamento de metais em matriz aberta Forjamento de metais em matriz fechada Forjamento à quente Variáveis que afetam o forjamento `a quente Temperatura Taxa de deformação Material Atrito Equipamentos e métodos Mecanismo da conformação mecânica Softwares comerciais de simulação computacional por 34 elementos finitos 2.11 Introdução à tecnologia de elementos finitos e características 35 funcionais do software MSC.SuperForm Equações governantes dos vários procedimentos 36 estruturais Sistema e elemento de rigidez da matriz Vetores de carregamento Efeitos não lineares Material não linear Geometria não linear 39

8 Sumário VIII Condições de contorno não linear Critérios de remalhamento do SuperForm Distorção do elemento Penetração da ferramenta Freqüência de incremento Inclinação do ângulo Imediato Parâmetros de remalhamento do SuperForm Elementos finitos isoparamétricos Erros de discretização Procedimentos de solução Características de uma solução utilizando o método de 49 elementos finitos Pré-processamento Criação das geometrias Análise axisimétrica Análise 2-D Análise 3-D Entrada de dados Dados do material Dados do processo Dados da simulação Processamento Pós-processamento Estado da arte 56 CAPÍTULO 3 58 METODOLOGIA Divisão das etapas de trabalho Definição das variáveis do material Ajuste do software através das análises de divergências de 61 resultados entre testes de forjamentos experimentais e virtuais

9 ANEXO III DADOS DA SIMULAÇÃO DO FORJAMENTO DO DISCO (RECALQUE) UTILIZANDO-SE MALHAS COM DENSIDADES VARIANDO EM FUNÇÃO DO VALOR DA DISTORÇÃO DOS LADOS DOS ELEMENTOS 104

10 ANEXO IV ESTIMATIVA COMPARATIVA DA INFRA-ESTRUTURA NECESSÁRIA PARA ANÁLISES VIRTUAIS E EXPERIMENTAIS EM PROCESSOS DE FORJAMENTO Estimativa de infra-estrutura necessária para se testar a viabilidade de um processo de forjamento: ANÁLISE VIRTUAL: Análise do desenho, confecção do modelo e simulação 01 computador Tempo: 20 horas ANÁLISE EXPERIMENTAL: (Confecção das Matrizes para Forjamento da Peça): Análise de desenho e preparação para produção: 01 computador Tempo: 08 horas Corte da Matéria-prima: 01 máquina de corte Tempo: 05 horas Aquecimento da Matéria-prima: 01 forno Tempo: 25 horas 105

11 Anexo IV Estimativa Comparativa da Infra-estrutura Necessária para Análises Virtuais e Experimentais em Processos de Forjamento 106 Forjamento: 05 homens 01 prensa + 01 manipulador Tempo: 02 horas (matriz superior e inferior) Normalização: 02 homens 01 forno + 01 ponte rolante Tempo: 20 horas Usinagem: 03 homens 03 máquinas de usinagem Tempo: 30 horas (matriz superior e inferior) Têmpera: 01 máquina Tempo: 20 horas (Confecção da Peça): Análise de desenho e preparação para produção: 01 computador Tempo: 05 horas Corte da Matéria-prima: 01 máquina de corte Tempo: 05 horas Aquecimento da Matéria-prima: 01 forno Tempo: 25 horas Forjamento: 05 homens 01 prensa + 01 manipulador Tempo: 01 hora

12 Anexo IV Estimativa Comparativa da Infra-estrutura Necessária para Análises Virtuais e Experimentais em Processos de Forjamento 107 Normalização: 02 homens 01 forno + 01 ponte rolante Tempo: 20 horas Usinagem: 03 homens 03 máquinas de usinagem Tempo: 15 horas Têmpera: 01 máquina Tempo: 20 horas

13 ANEXO V MEMÓRIA DE CÁLCULO DA ESTIMATIVA DE CUSTO DO PROCESSO ATUAL DA RODA PROCESSO ATUAL: Diâmetro do disco (D): Ø694±12 mm Espessura do disco (L): 235±10 mm Perda de matéria-prima por descarbonetação (K): 8,5% Densidade do aço (ρ): Kg/m 3 Custo (base Julho/2004) do aço SAE 4140: US$ 0,75 / Kg Cálculo da quantidade de matéria-prima necessária (M MP) : 2 2 π * D 3,14 * 0,694 M MP = * L * * K * 0,235 * *1,085 = 756Kg 4 ρ = 4 Cálculo do custo da matéria prima: Custo Matéria prima = M MP * Custo 4140 = 756Kg * US $0,75/ Kg = US $567,00/ Roda SAE Custo estimado de produção (base Julho/2004): Corte + Forjamento + Usinagem + Tratamento Térmico = US$ 633,00 Estimativa do custo direto total de produção: US$ 1.200,00 108

14 ANEXO VI MEMÓRIA DE CÁLCULO DA ESTIMATIVA DE CUSTO DA CONFECÇÃO DE MATRIZES FECHADAS PARA O FORJAMENTO DA RODA Estimativa do custo direto de produção por matriz: Matéria-prima: 1000 Kg Corte de matéria-prima: 1 hora Tempo total de aquecimento: 25 horas Tempo total de forjamento: 1 hora Tempo total de usinagem: 15 horas Tempo total de tratamento térmico: 40 horas Custo: US$ 1.500,00 Estimativa do custo total (matriz superior e inferior): US$ 3.000,00 109

15 ANEXO VII MEMÓRIA DE CÁLCULO DA ESTIMATIVA DE CUSTO DO DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL FALHO DE ACORDO COM A ETAPA DE PROCESSO EM CADA TENTATIVA Para cada tentativa, o custo difere de acordo com a etapa na qual a falha de desenvolvimento foi detectada, sendo elas: Etapa inicial: a falha é detectada logo após a conclusão da confecção das matrizes superior/inferior. O custo estimado é o da matéria-prima utilizada e do homem/máquina, conforme Anexo VI, sendo de US$ 3.000,00 para o conjunto matriz superior e inferior; Etapa intermediária: a falha é detectada durante ou após o forjamento da peça. O custo estimado é o da matriz, conforme Anexo VI, e o da matéria-prima da peça, conforme Anexo V, sendo de US$ 3.000,00 + US$ 567,00; Etapa final: a falha é detectada durante operações de usinagem ou de tratamento térmico da peça. O custo estimado é o da matriz, conforme Anexo VI, da matéria-prima e do processo da peça, conforme Anexo V, sendo de US$ 3.000,00 + US$ 567,00 + US$ 633,