6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil ANÁLISE NUMÉRICA DO FORJAMENTO A FRIO DE UM COMPONENTE METÁLICO NÃO AXI-SIMÉTRICO Dr. Eng. Daniel Villas Bôas villas@fem.unicamp.br Prof. Dr. Sergio Tonini Button Sergio1@fem.unicamp.br Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Cidade Universitária "Zeferino Vaz" C.P. 6122 13083-970 - Distrito de Barão Geraldo- Campinas - SP Resumo: O forjamento a frio é amplamente utilizado na produção de peças de elevada precisão utilizadas em indústrias automotivas. Com o aumento da demanda produtiva, tem-se buscado conciliar essa precisão em produtos de geometria cada vez mais complexa, como é o caso de peças não simétricas a um eixo de revolução. As vantagens estão associadas à redução do número de operações, o que contribui para a eliminação de etapas intermediárias de tratamento térmico, redução das operações de lubrificação e das etapas posteriores de usinagem. Como consequência, haverá a redução do lead time e custos adicionados ao produto. Essas melhorias têm se tornado possível pela otimização do projeto da pré-forma, auxiliada pela simulação do processo em softwares especialistas que facilitam as análises para o aprimoramento das soluções alternativas. Neste trabalho pesquisou-se o processo para fabricação por forjamento a frio de um componente mecânico denominado tripod. A partir da simulação do processo convencional foi possível avaliar o escoamento do material, o preenchimento das matrizes e as cargas necessárias. De posse destas informações foram propostas alternativas de processo, buscando-se as melhores condições de escoamento do material e de carregamento das ferramentas. Palavras-chave: Conformação mecânica, aços, método de elementos finitos. 1. INTRODUÇÃO Com o aumento da demanda de peças pela indústria automotiva no Brasil, é necessário contar com processos cada vez mais ágeis, como é o caso do forjamento a frio que proporciona grande vantagem competitiva quando associada à tecnologia de engenharia auxiliada por computador para o desenvolvimento do produto. Atualmente, o processo de forjamento frio de peças não axi-simétricas é pouco utilizado pelas forjarias nacionais, que em sua maioria opta pelo forjamento a quente ou a morno, evitando produtos de elevada complexidade geométrica, o que resulta em perda de produtividade e redução de lucros, pela necessidade de operações posteriores de usinagem. Neste trabalho ao optar-se pelo desenvolvimento do forjamento a frio de uma peça com geometria complexa, no caso, denominada tripod, teve-se como objetivo estudar as várias condições de processo, analisar e obter os melhores resultados, em termos de escoamento do material, preenchimento das matrizes e forças de forjamento, que também serão úteis para o planejamento do processamento de peças de geometria similar. Com esses resultados, as forjarias terão disponíveis dados de processos com alto grau de desenvolvimento, que poderão ser utilizados como um diferencial competitivo. Assim, pretende-se avaliar a fabricação de peças net-shape, muito próximas de sua forma e dimensões finais, a serem forjadas com um número reduzido de operações, a princípio duas ou idealmente, uma única operação. Para esse estudo foi utilizado o software Forge 2008, baseado no método dos elementos finitos, que permitiu: Conhecer detalhadamente o processo de fabricação de um tripod por forjamento a frio; Propor direções e ações de forças e velocidades diferentes ao longo do tarugo de partida; Analisar o escoamento do material presente nos vários processos propostos; Determinar as tensões atuantes e as deformações presentes no material conformado; Avaliar o correto preenchimento das matrizes; Determinar as forças necessárias para formação da peça.
2. EXTRUSÃO LATERAL A FRIO Como no forjamento há uma necessidade constante de se produzir produtos com formato cada vez mais complexos, o processo de extrusão lateral apresenta a oportunidade de se aumentar o número e a complexidade de geometrias possíveis de serem produzidas. A extrusão lateral é uma operação de forjamento de precisão realizada em matrizes fechadas para garantir a contínua qualidade das peças trabalhadas, e para evitar a necessidade de operações posteriores como a rebarbação e a estampagem (Song, 2007). Para algumas operações de extrusão lateral é necessária a utilização de matrizes partidas, com a geometria requerida para a peça a ser produzida. Essas matrizes consistem principalmente de duas seções que são posicionadas transversalmente à direção do movimento de prensagem. O processo pode ser dividido em quatro passos: na primeira, o tarugo é colocado dentro da cavidade. As duas seções matriciais são fechadas, e uma força é aplicada fortemente nos dois moldes na posição fechada. Então, o processo de extrusão ocorre pela ação de um ou mais movimentos de prensagem, em direções diversas. A fase final envolve a abertura dos dois moldes e a ejeção da peça final forjada. A extrusão lateral permite a obtenção de produtos com elevada qualidade geral, bom acabamento superficial e tolerâncias dimensionais reduzidas (Fig. (1)). A qualidade de trabalho normalmente encontrada na extrusão lateral a frio de aços apresenta-se entre IT 8 e IT 13, e em situações especiais, obtém-se até IT 7. Já a rugosidade superficial média (R a ) dos produtos pode variar entre 0,3 e 3,5 µm. Figura 1. Exemplos de extrusão lateral (Universidade Técnica de Lisboa). 3. PLANEJAMENTO DOS MODELOS NUMÉRICOS Para realizar a simulação foram geradas as geometrias tridimensionais das ferramentas e da pré-forma com o software de CAD SolidEdge V17, que além de gerar modelos sólidos, tem como propriedade importante a transferência das características superficiais desses modelos (features), para a entrada de dados no software comercial de simulação por método de elementos finitos Forge 2008. Na Fig. (2) é apresentado o modelo do produto denominado tripod, estudado neste trabalho, e suas dimensões principais. O planejamento dos modelos a serem simulados foi realizado com a escolha de quatro configurações de ferramentas: a primeira, denominada caso 1, consiste de uma operação conjugada de recalque e furação do tarugo de partida (Fig. (3)); na segunda, caso 2, as operações de furação e recalque ocorrem simultaneamente (Fig. (4)); na terceira, caso 3, o preenchimento das três cavidades é realizado pelo escoamento do material em matriz fechada (Fig. (5)); a quarta, caso 4, é semelhante à anterior, diferenciando-se apenas pelo escoamento do material em matriz aberta (Fig. (6)). Essas quatro configurações são descritas a seguir.
3.1. Montagem para Furação e Recalque Figura 2. Peça tripod modelo tridimensional e dimensões. A peça é forjada em apenas uma operação. Fazem parte dessa montagem: 1) Punção superior móvel com ação vertical; 2) Matriz; 3) Tarugo de partida; 4) Punção inferior fixo. (c) Figura 3. Esquema de montagem para furação e recalque Início do processo, Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho 3.2. Montagem para Furação e Recalque Simultâneos O forjamento da peça também ocorre em apenas uma operação, porém nesse caso tanto a matriz como o punção se movem na direção vertical. Os componentes dessa montagem são: 1) Punção superior móvel com ação vertical; 2) Matriz; 3) Tarugo de partida; 4) Punção inferior com ação vertical.
(c) Figura 4. Esquema de montagem para furação e recalque simultâneos Início do processo, Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho 3.3. Montagem para Recalque Horizontal em Matriz Fechada Farhoumand (2009) obteve bons resultados em pesquisas com operações críticas de forjamento a frio em matrizes fechadas, em que as condições de escoamento do material são definidas para que a peça seja formada somente ao final da operação. Neste processo alternativo considera-se que a pré-forma passou por um estágio anterior que já definiu a geometria da cabeça e iniciou a formação do furo. A montagem é composta por: (1a) Inserto montado na matriz; 1) Punção superior fixo com ação vertical, 2) Punção lateral móvel com ação horizontal (três punções); 3) Matriz; 4) Pré-forma; 5) Punção piloto inferior fixo (c) Figura 5. Esquema de montagem para recalque horizontal fechado Início do processo, Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho 3.4. Montagem para Recalque Horizontal Aberto A pré-forma também é preparada numa operação anterior. Os componentes são os mesmos da montagem anterior, diferindo apenas pela ausência do inserto na matriz, o que proporciona o escoamento em matriz aberta. 1) Punção superior fixo com ação vertical, 2) Punção lateral móvel com ação horizontal (três punções);
3) Matriz; 4) Pré-forma; 5) Punção piloto inferior fixo (c) 3.5. Pré-Processamento Figura 6. Esquema de montagem para recalque horizontal aberto Início do processo, Montagem em corte, (c) Processo em regime de trabalho Os dados utilizados no pré-processamento adotados para a simulação de todos os modelos anteriormente descritos estão mostrados na Tab. (1). Material do tarugo Tabela 1. Dados utilizados na simulação Aço DIN 20MnCr5 Temperatura inicial do tarugo 20 C Temperatura inicial das ferramentas 20 C Atrito na interface peça x ferramentas (Coulomb) 0,1 Coeficiente de troca de calor entre peça x ferramentas 0,002 Tipo de elemento Tamanho do elemento Tipo de prensa Velocidade de Forjamento tetraédrico 1,5 mm Hidráulica 15 mm/s 4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 4.1 Análise da distribuição da deformação equivalente e do escoamento do material Caso 1 O processo combinado de furação e recalque (Fig. (3)) não se mostrou viável devido ao modo de escoamento do material. Primeiramente, inicia-se o preenchimento das cavidades, no mesmo instante ocorre o escoamento do material para a cavidade inferior da matriz (apontado pelas setas na Fig. 7a), o que provoca seu cisalhamento, comprometendo a continuidade do processo. Caso 2 No processo com furação e recalque simultâneos (Fig. (4)), a peça é formada totalmente, configurando um processo viável e operacional. Segundo Schuler (1998), valores de deformação equivalente até 3,0 são aceitáveis para que não ocorra o rompimento do material deformado. Como pode ser verificado na Fig.(7b), algumas regiões do produto
ultrapassam esse valor, de modo que há risco de falha, e deste modo, essa opção de processo precisa ser cuidadosamente avaliada se colocada em produção. Caso 3 Figura 7 Distribuição da deformação equivalente (Montagem para furação e recalque) Distribuição da deformação equivalente (Montagem para furação e recalque simultâneo) A distribuição de deformação equivalente (Fig. (8a)) obtida na montagem para recalque horizontal em matriz fechada (Fig. (5)), mostra que as regiões com deformação maior que 3,0 são resultado do fechamento da ferramenta, mas podem ser eliminados pelo uso de tarugos com volume preciso e pelo controle do curso da prensa. Isso pode fazer com que essa opção de processo possa ser desconsiderada, pois variações de volume ou de curso podem gerar rebarbas que deverão ser removidas por operações posteriores de usinagem para se obter o produto final. Caso 4 Na montagem para recalque horizontal aberto (Fig. (6)), os valores de deformação equivalente na peça são satisfatórios (Fig. (8b)), ou seja, menores que 3,0, mas o preenchimento completo da matriz só ocorreu com a formação de rebarbas, o que também exigirá um controle preciso do volume para o corte do tarugo. Assim, pode-se concluir que esse processo é viável e que operações de usinagem também serão necessárias para finalizar o produto. Figura 8 Análise da deformação equivalente (Montagem para recalque horizontal fechado) - Análise da deformação equivalente (Montagem para recalque horizontal aberto)
4.2 Análise das cargas de forjamento A seguir serão apresentados quatro estudos relacionados com a análise dos esforços nos diversos componentes empregados nas montagens relativas aos casos 1 a 4. Estudo 1 A Tab. (2) apresenta a intensidade de força aplicada no punção superior (1) mostrado nas Figs. (4), (5) e (6), que apresenta o maior carregamento (750 t 7,5 MN) no caso 2, pois tem como função a extrusão direta do material. Já nos casos 3 e 4, esse punção apresenta carregamentos menores (310 t e 280 t 3,1 e 2,8 MN), pois nesses casos o punção causa o recalque do material na matriz e não é responsável pela formação das extremidades (pés) da peça. A Fig. (9) representa graficamente o melhor comportamento em termos de carregamento do punção superior que se refere à montagem para recalque horizontal aberto (Fig. (6)). Tabela 2 Forças atuantes no punção superior para três configurações de montagem Componente - Punção superior Montagens Furação e recalque Recalque horizontal fechado Recalque horizontal aberto simultâneos (caso 2) (caso 3) (caso 4) Carga (t) [MN] 750 [7,5] 310 [3,1] 280 [2,8] Estudo 2 Figura 9 - Carregamento do punção superior - montagem para recalque horizontal aberto. Na Tab. (3) é mostrada a intensidade da força aplicada no punção inferior (4) referente à Fig.(4) e para o punção (5) referente às Figs. (5) e (6). Como se pode observar, as configurações de montagens para recalque horizontal fechado (caso 3) e aberto (caso 4) apresentam os melhores resultados quando considerados os esforços compressivos, respectivamente -34 t e -27 t (-0,34 e -0,27 MN), sendo o caso 4 aquele que apresenta o menor esforço sobre o punção inferior, como mostrado na Fig. (10). Tabela 3 Força no punção inferior para três configurações de montagem Componente Punção inferior ou punção piloto inferior Montagens Furação e Recalque Recalque Horizontal Fechado Recalque Horizontal Aberto Simultâneos Carga (t) [MN] -155 [-1,55] -34 [-0,34] -27 [-0,27]
Figura 10 - Carregamento do punção inferior - montagem para recalque horizontal aberto. Estudo 3 A Tab. (4) apresenta a intensidade de força aplicada na matriz, componente (2) na Fig. (4) e componente (3) nas Figs. (5) e (6). Para esse componente, as melhores configurações também são a de montagem para recalque horizontal fechado e aberto (casos 3 e 4), respectivamente -260 t e -255 t (-2,6 e -2,55 MN). O gráfico da Fig.(11) apresenta o melhor comportamento da variação de força na matriz para a montagem do caso 4. Tabela 4 Força na matriz para três configurações de montagem Componente Matriz Montagens Furação e Recalque Recalque Horizontal Recalque Horizontal Simultâneo Fechado Aberto Carga (t) [MN] -600 [-6] -260 [-2,6] -255 [-2,55] Estudo 4 Figura 11 - Carregamento da matriz - montagem para furação e recalque horizontal aberto A Tabela (5) mostra a intensidade de força aplicada nos punções horizontais (2) das Figs. (5) e (6) nos eixos X e Y, relativos ao plano horizontal (Fig. (12)). Observa-se que ambas configurações de montagens dos casos 3 e 4 são satisfatórias pois apresentam esforços relativamente pequenos se comparados aos observados nos punções e na matriz. Tabela 5 Comparação de Força entre punção lateral para duas configurações de montagem Componente Punção lateral Montagens Recalque Horizontal Recalque Horizontal Aberto Fechado Eixo X Y X Y Carga (t) [MN] 64 [0,64] -110 [-1,1] 54 [0,54] -100 [-1]
5. CONCLUSÃO Figura 12 - Carregamento do punção lateral - montagem para furação e recalque horizontal aberto Considerando-se as forças aplicadas nos diversos componentes, pode-se concluir que dentre as montagens analisadas, os casos 3 e 4 são os que proporcionaram melhores resultados pois apresentaram os menores esforços, o que permite afirmar que serão os casos em que as ferramentas melhor suportarão as tensões trativas e compressivas desenvolvidas no processo e, portanto, são as que devem apresentar a maior vida útil do ferramental. A montagem relativa ao caso 3 apresentou esforços um pouco maiores que os observados no caso 4, devido ao escoamento do material em contato com o inserto (1a) da matriz (Fig. (5)), causando um aumento gradativo da força até o final do curso, porém, considera-se que o caso 3 não pode ser descartado caso se desejem produtos precisos em operações de forjamento a frio. Já para produtos net-shape a montagem do caso 2 (Fig. (4)) apresentou o melhor resultado em termos de formação dos detalhes geométricos do produto. Por outro lado, apresentou os maiores valores de força nos componentes, o que pode comprometer a vida útil do ferramental. Futuramente, experimentos serão realizados para avaliarem-se os processos propostos e validar os resultados numéricos obtidos neste trabalho. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio financeiro do CNPq e da FAPESP para a realização deste trabalho. 6. REFERÊNCIAS Cai, J., Dean, T. A., Hu, Z. M., 2004, Alternative die designs in net-shape forging of gears, Journal of Materials Processing Technology, No. 150, pp. 48-55. Farhoumand, A., Ebrahim, I. R., 2009, Analysis of forward backward-radial extrusion process, Materials and Design. No. 30, pp. 2152 2157. Schuler, Altan, T., 1998, Metal Forming Handbook, Ed. Springer Verlag, Berlim. Sedighi, M. Tokmechi, S., 2008, A new approach to preform design in forging process of complex parts, Journal of Materials Processing Technology, No. 197, pp. 314-324. Song, J. H., Im, Y. T., 2007, Process design for closed-die forging of bevel gear by finite element analyses, Journal of Materials Processing Technology. No. 192-193, pp. 1-7. Tomov, B. I., Gagov, V. I., Radev, R.H., 2004, Numerical simulations of hot die forging processes using finite element method, Journal of Materials Processing Technology, No. 153 154, pp. 352 358. Toshihiko, M., Suyang, L., 2009, A new definition of complexity factor of cold forging process, Precision Engineering, Vol. 33, No. 1, pp. 44-49. Xianfeng, L. U., 2005, Precision cold extrusion for multi-pole parts, Chinese Science Bulletin, Vol. 50, No. 5, pp. 494 496. Yanling M., Qin, Y., Balendra, R., 2005, Forming of hollow gear-shafts with pressure-assisted injection forging (PAIF), Journal of Materials Processing Technology, No. 167, pp. 294 301. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.
NUMERICAL ANALYSIS OF COLD FORGING A NON-AXISYMMETRIC METALLIC PART Dr. Eng. Daniel Villas Bôas villas@fem.unicamp.br Prof. Dr. Sergio Tonini Button Sergio1@fem.unicamp.br University of Campinas - UNICAMP Cidade Universitária "Zeferino Vaz" Distrito de Barão Geraldo 13083-970 - Campinas SP - Brazil Abstract: Cold forging is widely used in the manufacturing of high precision parts in automobile industries. With the increasing demand of production, new processes have been developed to achieve this precision in products with increasingly complex geometry, as is the case of parts not symmetrical to an axis of revolution. Many advantages are associated with a reduced number of operations, which contributes to the elimination of intermediate thermal treatments, reduction of forming and lubrication stages, and finally less machining. As a result, there will be a reduction of the lead time and of costs added to the product. These improvements have been made possible by optimizing the design of preform by process simulation in expert softwares that facilitate the analysis for the improvement of alternative solutions. In this paper it was evaluated a new process to manufacture by cold forging a mechanical component named "tripod". From the simulation of the conventional process it was possible to evaluate the material flow, dies filling and required loads. With such information alternative processes were proposed, looking for the best conditions of material flow and forging loads. Keywords: Metal forming, steel, finite element method.