A utilização dos softwares do sistema CAD/CAE/CAM torna-se cada vez mais importante para o aprimoramento do processo de forjamento em matriz fechada. A ferramenta CAE possibilita a avaliação do processo de forjamento virtualmente, otimizando a produção industrial e reduzindo o custo final do produto através do mínimo uso da matéria-prima. O objetivo deste trabalho é apresentar os recursos de softwares no forjamento de uma biela para as ferramentas motorizadas
As tecnologias computacionais são recursos utilizados para atender às demandas do processo produtivo de forjados, pois possibilitam aprimorar ações de desenvolvimento admitindo maior facilidade, eficácia e agilidade na obtenção de produtos e processos inovadores. Desse modo, a incorporação de sistemas computacionais em processos de fabricação permite a otimização no desenvolvimento de produtos forjados, tomada prévia de decisão em cada fase do processo e redução da repetição de tarefas que oneram o desenvolvimento de produtos e processos em tempo e custo [1].
No forjamento de bielas, a descrição tridimensional de um componente no sistema CAD (Computer Aided Design), dentro de tolerâncias que atingem o mínimo 1/10mm, é fundamental para uso destas tecnologias para etapas seguintes: simulação computacional (CAE – Computer Aided Engineering) ou fabricação de matrizes (CAM – Computer Aided Manufacturing) [2].
Na simulação, é analisado o preenchimento das matrizes, definição da necessidade de formas intermediárias, esforços que ocorrem no ferramental, influência do tipo de máquina, preenchimento das cavidades, análise da influência de raios e cantos, deformação elástica das matrizes, determinação da garganta de rebarba, avaliação dos efeitos da dilatação térmica, determinação da linha de repartição [3].
Já na etapa de simulação, são executadas operações de controle do projeto estabelecido preliminarmente. Caso seja verificado um preenchimento incompleto da cavidade, devem ser alterados raios, ângulos ou até mudar parâmetros do processo de forjamento. No passado, estas etapas eram sempre analisadas em prolongadas e oneradas operações experimentais [4].
Após ter sido desenvolvido o projeto no CAD, com a análise sobre o efeito das variáveis no processo, inicia-se a etapa de fabricação do ferramental com a ajuda do sistema Edgecam (sistema de CAM para usinagem de produção de moldes e matrizes). A construção do ferramental, com máquinas de usinagem com controle numérico computadorizado (CNC), necessita de informações transmitidas da área de projetos, em que as superfícies foram descritas através de modelos matemáticos via CAD/CAM [5]. As máquinas de usinagem também precisam de um sistema específico para receber os dados e iniciar a operação de usinagem [6].
O software Simufact.forming® é utilizado para realizar as simulações. Foi escolhido o Método dos Elementos Finitos (FEM – Finit Element Method), assim sendo, a malha possui pontos de rede, chamados de “nós”, os quais são fixados no corpo em análise. Conectando os pontos de rede, criam-se os elementos de material e a coleção de elementos produz a malha denominada Lagrangiana. Com a deformação do corpo, os pontos de rede se movem no espaço e os elementos se distorcem. O solucionador calcula, portanto, o movimento de elementos de massa constante [7, 8].
A importância do sistema CAD/CAE/CAM será exemplificada com a simulação do processo de forjamento a quente de uma biela de ferramentas motorizadas.
Metodologia
Para a realização da simulação numérica do processo de perfuração, utilizou-se o software Simufact.Forming 11.0 pelo Método dos Elementos Finitos. Esse processo de forjamento em matriz fechada consiste na movimentação da matriz superior e da matriz inferior na direção perpendicular à geratriz cilíndrica, porém, em sentidos opostos, com o propósito de formar uma biela usando as matrizes que foram modeladas através do software SolidWorks 2012, como mostrado na Fig.1.
Após a determinação das dimensões finais da biela definem-se as dimensões as dimensões da peça forjada levando em consideração a contração do material juntamente ao projeto de saída de rebarbas (também chamado de calha de rebarba). Realiza-se a modelagem da peça forjada com a saída de rebarba, sendo esta modelagem utilizada para o projeto da matriz.
Inicialmente, foi executado o forjamento com geratriz cilíndrica e, em seguida, com geratriz apresentando pré-forma, com as dimensões alteradas, como mostra a Fig.2 (na página anterior). Ambas geratrizes foram modeladas com o uso do software SolidWorks 2012. No primeiro caso, a geratriz cilíndrica apresenta massa aproximada de 138g e, no segundo, aproximadamente 120g.
Os dados de entrada para a simulação numérica estão mostrados na Tabela 1. Os parâmetros térmicos, tais como o coeficiente de transferência de calor, foram determinados conforme estão indicados no software e a emissividade foi alterada para 0,5 devido à formação de carepa, oxidação da superfície do aço quando em contato com o ar, oriunda do aquecimento da peça de trabalho. O material definido para ambas geratrizes foi o aço SAE 4140 e o material que constitui as matrizes foi o aço ferramenta H13. Com o intuito de executar o forjamento a quente, foi estabelecida a temperatura de 1200ºC para as geratrizes e, para as ferramentas, a temperatura de 200ºC, a fim de minimizar a transferência, por condução, da peça para as matrizes.
O equipamento determinado foi uma prensa mecânica excêntrica, sendo necessário inserir os dados de entrada para a continuação da simulação, conforme mostrado na Tabela 2.
O atrito interfacial estabelecido entre a peça de trabalho e as ferramentas, encontrado na biblioteca do software Simufact.Forming 11.0 para forjamento a quente de ligas metálicas, foi de 0,4. O atrito é consideravelmente elevado, em função de tratar-se de um processo de conformação a quente, devido à formação de carepas que aumenta, significativamente, o coeficiente de atrito. Valores precisos quanto ao coeficiente de atrito podem ser obtidos por ensaios de compressão do anel, amplamente mencionado na literatura [13].
Para a execução da simulação computacional foi criada uma malha para a geratriz cilíndrica com elementos finitos de 1mm, formando uma malha com 11.928 elementos e, para a geratriz com pré-forma, utilizando a mesma malha, são 10.140 elementos finitos, como mostrado na Fig.3.
De acordo com a representação da Fig.3, com base no software Simufact.Forming 11.0, foi simulado o processo de forjamento em matriz fechada para os dois casos de geometria inicial.
Resultados
Com base na simulação numérica Método dos Elementos Finitos, obteve-se o valor das forças necessárias ao forjamento em função do deslocamento. Demonstrados em um gráfico de dispersão, onde os pontos indicam a força em cada instante. Os gráficos da Fig.4 e Fig.5 demostram esta relação.
Na simulação realizada com geratriz cilíndrica, obteve-se o preenchimento completo das cavidades das matrizes, porém, ocorreu a formação excessiva de rebarba e, consequentemente, o desperdício de material, além da força necessária para o forjamento ser maior, como demonstrado nas Fig.4 e 5. A Fig.6 mostra a distribuição de deformações com a utilização da geratriz cilíndrica e a formação excessiva de rebarba.
Quando se utilizou a geratriz com pré-forma, obteve-se pouca rebarba e a força para conformação foi menor do que no primeiro caso, como demostrado na Fig. 7.
A ferramenta de CAM utilizada para a programação da usinagem CNC foi o Edgecam 2010. Devido à integração existente entre os softwares CAD/CAM, é possível abrir o arquivo nativo do SolidWorks no Edgecam, ou seja, sem a necessidade de salvar o arquivo em outras extensões, o que, em alguns casos, gera distorções de informações ou até mesmo perda de alguns dados.
Depois de abrir o arquivo, é utilizado um recurso para identificar todas as características da peça, chamado de “feature find”. Através dele, o software reconhece automaticamente todas as dimensões do modelo, tais como diâmetros dos furos, profundidade dos rebaixos, etc. Com isso, evitam-se erros, garantindo que a peça a ser usinada é exatamente igual à peça modelada. Ainda, antes de iniciar a programação da usinagem, é identificado o local do ponto zero da usinagem (Fig.8) para que a máquina tenha uma referência através de uma coordenada geométrica. Por fim, é inserido uma representação do material bruto a ser usinado, chamado de “stock”.
Terminada esta etapa de preparação, é iniciada a programação da usinagem da peça. Para tanto, selecionou-se a ferramenta de desbaste de 6mm de diâmetro e 13mm de altura de aresta de corte com avanço de 500mm/min nos eixos X e Y, 200mm/min no eixo ‘Z” e 3.500 rpm. A profundidade de corte (ap) foi de 1mm. As linhas em amarelo da Fig.9 representam os caminhos a serem percorridos pela ferramenta de usinagem do desbaste.
Observa-se na Fig.10 a simulação do desbaste, sendo, Fig.10A o ínicio da usinagem e Fig.10B o final do desbaste na cavidade da matriz.
Pela simulação, é possível perceber a necessidade de um acabamento com uma ferramenta menor para diminuir o sobremetal deixado pelo processo de desbaste (Fig.11). É importante observar a ferramenta para que ofereça o acabamento necessário, não pode ser muito pequena, pois poderá quebrar com facilidade.
A região denominada de canal de rebarba está pronta, por isso a estratégia de usinagem seguinte deter-se-á apenas na cavidade da biela. Para esta operação, utilizou-se uma ferramenta de topo com 2mm de diâmetro e 10mm de altura de aresta de corte, com avanço de 800mm/min nos eixos X e Y, 350mm/min no eixo ‘Z” e 6.000 rpm, que é a rotação máxima do centro de usinagem disponível. A profundidade de corte utilizada foi de 0.2mm.
Por fim, é realizada uma estratégia de acabamento, apresentada na Fig.12, que atua em superfícies planas para obter-se o acabamento superficial desejado da matriz de forjamento da biela. Nesta operação, utilizou-se uma fresa de topo com 1mm de diâmetro e 10mm de altura de aresta de corte com avanço de 800mm/min nos eixos X e Y, 500mm/min no eixo ‘Z” e 6.000 rpm, com a profundidade de corte foi de 0.2mm.
Depois de finalizado o programa no software Edgecam, os dados são enviados ao centro de usinagem, através de códigos, os quais são interpretados pela máquina para a fabricação da matriz. A máquina utilizada para isso é um centro de usinagem vertical da Romi, modelo Discovery 760, com comando Siemens 810D. O CNC é conectado a um computador externo através de uma interface padrão chamada de RS-232. Por essa interface, o computador transfere os dados gerados pelo CAM para a máquina CNC.
Conclusões
Os dados apresentados neste trabalho mostram que os sistemas CAD/ CAE/CAM são fundamentais para a indústria de forjados, pois diminuem o tempo de projeto, apresentando falhas e dificuldades que aparecerão durante o processo físico. Os softwares de CAD são indispensáveis na indústria metal-mecânica. A ferramenta de CAE para forjamento mostra esforços e tensões durante o processo de forjamento e determina melhor preenchimento e geometria inicial da geratriz. Observa-se que a simulação realizada com a pré-forma de geratriz cilíndrica obteve o preenchimento completo das cavidades das matrizes, porém, ocorreu a formação excessiva de rebarba desperdiçando material, além de ser necessário maior esforço para conformação. A ferramenta de CAM ajuda a determinar a melhor ferramenta de usinagem, estratégia utilizada, juntamente às dificuldades encontradas no processo e estimativa de tempo necessário para usinagem, que ajuda a organizar a programação do setor de usinagem ou estimar o custo necessário para a obtenção das matrizes.
[our_team image=”” title=”Referências” subtitle=”” email=”” phone=”” facebook=”” twitter=”” linkedin=”” vcard=”” blockquote=”” style=”vertical” link=”” target=”” animate=””] [/our_team]
[1] KANITAR, F. P. Análise do desenvolvimento dos sistemas CAD/CAE/CAM nos diversos setores do conhecimento sob a ótica da propriedade Industrial. DissertaçãoCEFET/RJ, 2005;
[2] YAMAKAMI, W. J., BUTTON, S. T. Forjamento a quente de precisão: Uma proposta para flexibilização. Acesso via portal UNICAMP: http://www.fem.unicamp.br/~sergio1/laboratorio/sistfex.pdf. Março,2013;
[3] HARTLEY, P., PILLINGER, I.: Numerical simulation of the hot forging process. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. Volume 195, Pag 6676-6690, October 2006;
[4] ADOLF, W.: Schmiedeteile – BedeutungGestaltungHerstellung – Anwendung. InformationstelleSchmiedestück-VerwendungimIndustrieVerbandDeutscherSchmieden e. V. (IDS), 1998;
[5] MARTELLO, L. Desenvolvimento do Processo de Forjamento da Liga de Alumínio AA6351 com Auxílio de Computação Numérica. Dissertação de Mestrado. UFRGS – PPGEM, Porto Alegre/RS, 2007;
[6] FRIEDRICH, H.: Schmiedeteilkonstruktionmit CAD/CAM. CAX in DeutschenSchmieden (IDS), 1996, pg 7-9;
[7] PERONI, R. E MARTINELLI, G.: Experiences in High Speed Milling of Forgings Dies. Anais da III Conferência Internacional de Forjamento (XIX SENAFOR), Porto Alegre, 1999, pg. 283-288;
[8] MARQUES, A. Estudo do forjamento de peças vazadas a partir de geratriz tubular. Dissertação de Mestrado. UFRGS – PPGEM, Porto Alegre/RS, 2013;
[9] HELLENO, A. L., & SCHUTZER, K. (2004). Fatores que influenciam a usinagem de moldes e matrizes com altas velocidades. Revista de Ciência & Tecnoligia, 7-14.
