IMPLEMENTAÇÃO DE MELHORIAS NO PROCESSO DE TRATAMENTO TÉRMICO PARA ALÍVIO DE TENSÕES DE COMPONENTES DE COLUNA DE DIREÇÃO

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1 ILHA SOLTEIRA XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de Ilha Solteira - SP Paper CRE05-TC08 IMPLEMENTAÇÃO DE MELHORIAS NO PROCESSO DE TRATAMENTO TÉRMICO PARA ALÍVIO DE TENSÕES DE COMPONENTES DE COLUNA DE DIREÇÃO Marcelle P. Marotti 1 e Antônio J. Silva Neto 2 Instituto Politécnico, IPRJ, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, UERJ CP 97282, , Nova Friburgo, RJ, Brasil 1 2 Resumo Francisco A. Cantelmo Timken do Brasil Ind. e Com. Ltda. Nova Friburgo, RJ, Brasil O presente trabalho visa a implementação de melhorias no processo de tratamento térmico de componentes de coluna de direção fabricadas na empresa Timken do Brasil Comércio e Indústria. Ao ser constatado que componentes da coluna de direção, denominados garfos estampados, apresentavam trincas ao receberem sucessivas dobras, foi feito um estudo do processo em um trabalho anterior, no qual foi proposta a implementação de uma canalização nos cestos onde as peças são acondicionadas para serem inseridas no forno de recozimento tipo poço. Esta canalização, implementada neste projeto, permite uma melhor homogeneização da temperatura e conseqüentemente melhor desempenho das peças. Além disso, está sendo realizado um estudo para encontrar o tempo ótimo de permanência à temperatura de trabalho e de resfriamento, visando uma redução no tempo de processamento e economia de energia. 1. Introdução O setor metal-mecânico ocupa o segundo lugar na composição da parcela industrial do PIB da Região Centro-Norte Fluminense. Este setor está focado principalmente nas indústrias automotiva e de ferragens. No setor automotivo, uma das principais empresas instaladas em Nova Friburgo é a Timken do Brasil Comércio e Industrial. O Instituto Politécnico e a Timken do Brasil vêm a quatro anos trabalhando no sentido de estabelecer uma parceria tecnológica que poderá contribuir com o desenvolvimento da região através da capacitação tecnológica dos profissionais das empresas e dos alunos das instituições de ensino e pesquisa, bem como na otimização de processos já existentes e desenvolvimento de novas tecnologias. Na planta de Nova Friburgo, a Timken produz colunas de direção para os modelos Gol, Parati e Saveiro da Volkswagen, para os modelos Fiesta, Ecosport e Cargo da Ford, além de colunas para exportação (E-Z- GO, BOBCAT, CLUBCAR e GEM). Uma das etapas do processo de produção das colunas de direção envolve o alívio de tensões das peças, denominadas garfos estampados, mediante recozimento. Foi observado que há a ocorrência de trincas nas peças processadas, de onde se pode concluir que algum parâmetro do tratamento precisa ser melhor ajustado. Para estudar este problema, Souza (2004) fez uma análise experimental do tratamento térmico de recozimento em seu projeto final de graduação do curso de Engenharia Mecânica do Instituto Politécnico (IPRJ) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). Como resultado do estudo realizado, foi sugerida a colocação de uma canalização central no cesto que é utilizado para comportar as peças dentro do forno, o que facilita a passagem de ar e, conseqüentemente, proporciona um aquecimento mais homogêneo e rápido das peças. O presente projeto visa, não somente implementar as melhorias propostas, como também encontrar o tempo ótimo de permanência à temperatura de operação e monitorar a variação da temperatura na direção longitudinal e radial do forno, além de analisar todos os resultados obtidos quanto à economia de energia, redução do tempo de processamento e melhoria na qualidade da peça produzida.

2 2. Metodologia 2.1. Breve descrição do processo e ações corretivas realizadas A Figura 1- apresenta uma visão geral do forno e a Fig. 1- a área interna do forno. Figura 1 Visão geral do forno; Área interna do forno. Os garfos estampados, fabricados por transformações a frio, são submetidos ao processo térmico de recozimento para alívio de tensões. Neste processo, as peças são inseridas pela parte superior dos fornos, depois de posicionadas no interior de um recipiente cilíndrico (cesto), como pode ser visto na Fig. 2. Figura 2 Cestos carregados com as peças Os fornos possuem resistências elétricas ao redor da cavidade e uma grade que orienta e sustenta o cesto carregado de peças. As resistências elétricas consistem na fonte térmica para aquecimento das peças. No fundo de sua área interna, os fornos possuem uma ventoinha que proporciona a homogeneização da temperatura do ar durante o seu funcionamento. O cesto é carregado com um determinado número de peças e estas permanecem em tratamento térmico durante um tempo especificado a priori. O aquecimento é feito de forma lenta, elevando a temperatura das peças a um valor abaixo da temperatura crítica de mudança de fase. Podemos cronometrar o tempo de permanência à temperatura programada utilizando um controlador de tempo existente no painel. Os fornos possuem também um controlador de temperatura constituído por um termostato que desliga ou aciona as resistências elétricas que aquecem o forno conforme a temperatura programada é atingida. O cronômetro é programado para acionar quando o forno atinge a temperatura selecionada e, então, começa a contar o tempo de permanência, após o qual o forno é desligado automaticamente e a tampa aberta pelo operador para o resfriamento. Depois de passarem pelo tratamento térmico, as peças são lavadas (tamboreadas) estando então prontas para serem processadas.

3 No início do trabalho, era observado que aproximadamente 500 peças por mês apresentavam trincas após receberem o tratamento térmico. Essas trincas aparecem na região destacada na Fig. 3 após sucessivas dobras às quais as peças são submetidas. Além de estampadas essas peças sofrem redução de espessura na região em destaque, de 6,0 mm para 4,5 mm, ou seja, 25% de redução na espessura, o que produz um acúmulo adicional de tensões nessa área. Figura 3 Garfo estampado EHL; Garfo após dobra: região que eventualmente trinca. Do número de peças que apresentam trincas, algumas são lixadas na região afetada e outras são retrabalhadas. Quando não é possível lixar ou retrabalhar as peças, ocorre o descarte das mesmas. A presença de trincas ocasiona uma possível parada no processo industrial (dependendo da demanda), além de significar perda de material e gasto desnecessário de energia, daí a necessidade de se propor meios eficientes para evitá-las. Ao final do projeto, pretendemos alcançar um resultado em que um número mínimo de peças apresente trincas. Durante o estágio que realizei na Timken, no período de agosto de 2004 a janeiro de 2005, tive a oportunidade de acompanhar o trabalho desenvolvido no sentido de corrigir deficiências do forno para a implementação do projeto. Este trabalho foi desenvolvido de acordo com um levantamento prévio da demanda de ações corretivas por mim realizado. Foram reparados os refratários do forno e o sistema de isolamento térmico e vedação da tampa. O ajustador de temperatura analógico foi substituído por um digital para facilitar a programação e o acompanhamento da temperatura no interior do forno Detalhamento do projeto A Figura 4 ilustra a curva completa do processo, ou seja, aquecimento, permanência e resfriamento das peças. Aquecimento Permanência Resfriamento Figura 4 Representação da curva do processo de tratamento térmico. São necessárias, aproximadamente, 6 horas para que os fornos atinjam a temperatura programada, 5 horas de permanência na temperatura indicada e 11 horas de resfriamento, consumindo um tempo total de 22 horas. O consumo de energia elétrica dos dois fornos juntos, em cada tratamento térmico realizado, é de

4 422,2 kwh. Como são realizados em média 17 tratamentos por mês em cada forno, temos um consumo mensal de kwh. Temos o objetivo de reduzir o tempo de processamento implementando uma canalização central nos cestos para a passagem de ar. Com a implementação das melhorias propostas, almejamos diminuir o tempo total para 14 horas, conseqüentemente, teremos uma diminuição no consumo de energia para, aproximadamente, kwh, o que representa uma diminuição de quase 50% do consumo mensal. Na Figura 5 é apresentado um esquema da canalização implementada no cesto. Figura 5 Canalização Central do cesto. Canalização inserida no cesto. A primeira etapa foi a avaliação do cesto com a canalização e o cesto sem a canalização. Também foi feito o monitoramento da temperatura sem o cesto para que se pudesse verificar a distribuição de temperaturas no interior do forno. Foi feita também uma corrida com o cesto sem peças, para analisar o efeito do cesto na distribuição de temperatura. E por fim, foi monitorada a temperatura no forno com os dois cestos, sem e com a canalização. Com o objetivo de avaliar qual a variável que mais influencia no tratamento térmico, projetamos os experimentos utilizando o Método de Taguchi, que é um método econômico e nos permite obter resultados realizando um número reduzido de experimentos. Na próxima etapa do projeto, serão realizados testes de forma a se determinar o tempo ótimo de permanência na temperatura programada. Para isso, será reduzido o tempo atual de 30 em 30 minutos. Esses experimentos serão realizados nos laboratórios do Instituto Politécnico devido à inviabilidade de serem realizados nos fornos da Timken, visto que seria gasto um longo tempo, o que prejudicaria todo o processo produtivo. O forno que será utilizado para realizar os teste onde se busca reduzir o tempo de resfriamento é um forno elétrico tubular alimentado por uma tensão de 220V com potência de 2,5kVa, podendo atingir temperaturas de até 1200ºC. Este forno foi instrumentado por Agostinho (2004) em seu projeto final de graduação do curso de Engenharia Mecânica do Instituto Politécnico (IPRJ) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). É possível programá-lo de forma que etapas de aquecimento, permanência e resfriamento sejam semelhantes às dos fornos de recozimento da Timken. Na Figura 6 é apresentada uma foto do forno que será utilizado em laboratório. Após retirar as peças do forno, serão feitos testes de dureza e de tração e a análise metalográfica de amostras para analisar o comportamento e as propriedades das peças. Figura 6 Forno elétrico tubular.

5 Também tem-se o objetivo de reduzir o tempo de resfriamento retirando o cesto do forno em um tempo menor. O tempo será reduzido de 30 em 30 minutos e em seguida realizados testes para analisar o comportamento das peças. Os experimentos para reduzir o tempo de resfriamento poderão ser realizados nos fornos da Timken, pois as peças para análise serão submetidas às mesmas condições que as peças produzidas para montagem das colunas de direção, serão apenas retiradas em tempos diferentes, e assim produção não será prejudicada. Ao se retirar o cesto do forno em um tempo menor, outro tratamento térmico poderá ser feito imediatamente. Dessa forma, as peças do novo lote já encontrariam o forno a uma temperatura mais elevada que a ambiente e, assim, consumiriam menos tempo para alcançar a temperatura de trabalho, o que poderá levar a um menor consumo de energia. Serão realizados os testes para averiguar se o desempenho das peças não será prejudicado por estas iniciarem o tratamento partindo de uma temperatura diferente da temperatura ambiente. Resultados Para o desenvolvimento dos testes foram feitos reparos nos refratários dos fornos de recozimento da empresa e ajustes no sistema de controle e painel elétrico. Foi desenvolvido um protótipo do cesto com a canalização e foi possível então fazer uma avaliação em relação ao cesto não vazado na qual foi de fato constatado que no cesto com a canalização o aquecimento das peças é mais homogêneo e o forno atinge a temperatura de trabalho mais rapidamente. Atualmente estão sendo concluídos os experimentos para aplicação do Método de Taguchi, através do qual será possível identificar as variáveis que mais influenciam no processo de tratamento térmico. Conclusão Ao final do trabalho terão sido obtidos resultados significativos com relação à redução do tempo de processamento, visto que atualmente são consumidas aproximadamente 20 horas para realizar todo o processo de tratamento térmico, transformando-o assim e um gargalo no processo produtivo, o que prejudica o planejamento das etapas subseqüentes. Além disso, com a redução do tempo de processamento é esperada uma redução considerável no consumo de energia. Referência Bibliográfica Agostinho, W. R., Instrumentação e Controle de um Forno Elétrico Tubular de 2,5 kva, Projeto de Final de Curso, Instituto Politécnico, IPRJ, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, UERJ, Dewitt, D. P., Incropera, F. P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa, LTC, 5º edição, Souza, E. S., Análise do Processo de Recozimento de Componentes de Colunas de Direção para a Indústria Automotiva, Projeto de Final de Curso, Instituto Politécnico, IPRJ, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, UERJ, 2004.

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