Anos atrás, na área de usinagem, a substituição de ferramentas monolíticas por ferramentas utilizando pastilhas de corte (Figura 1) mais baratas e facilmente substituíveis, montadas em um suporte, trouxe inúmeros benefícios econômicos e tecnológicos aos processos.
Na conformação mecânica, o custo das ferramentas no processo de forjamento em matriz fechada representa atualmente entre 17 e 35% do custo total de um componente forjado. Essa parcela, devido ao custo da ferramenta, é em grande parte determinada pela vida útil da mesma.
Um processo de forjamento a quente envolve um sistema complexo no qual um billet metálico, normalmente a 1000ºC, no caso de forjamento de aço, é deformado entre duas matrizes para a obtenção de uma forma final desejada. Normalmente, as matrizes são aquecidas a temperaturas entre 200°C e 300ºC com o objetivo de evitar um choque térmico muito violento entre o metal forjado e a ferramenta. Outra razão pela qual as matrizes são aquecidas é que, a temperatura ambiente, os aços nos quais elas são confeccionadas apresentam uma fragilidade relativamente alta, não sendo capazes de resistirem às altas tensões que se desenvolvem durante o processo. Em razão disso, durante o processo, as ferramentas são submetidas a tensões, deformações e gradientes de temperatura que provocam, em uma fina camada superficial, desgaste térmico e adesivo, bem como fadiga termomecânica. Por outro lado, se uma chapa relativamente fina puder ser moldada e bem adaptada à superfície da cavidade da matriz, formando um inserto (copiando o conceito das ferramentas de usinagem com insertos), esse material é que sofrerá os processos de desgaste e fadiga relatados acima. Se, além disso, essa “máscara” (Figura 2) puder ser fabricada em um material menos nobre e facilmente substituída quando apresentar problemas, isto poderá trazer uma grande vantagem econômica ao processo.
O Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), em cooperação com o Instituto de Conformação Mecânica (IBF) da Universidade Técnica de Aachen (RWTH), na Alemanha, está iniciando projeto de pesquisa cuja proposta é a realização de um abrangente estudo de natureza teórico-experimental, investigando a aplicação de tal conceito a uma geometria simples e o comportamento básico do inserto quando em serviço submetido aos mecanismos de desgaste e fadiga.
Devido à aplicação da força necessária para deformar o metal, altas tensões normais se desenvolvem na interface entre o metal sendo deformado e a ferramenta. No momento em que a deformação é iniciada, estabelece-se um movimento relativo entre as superfícies da matriz e do billet, gerando atrito e calor na interface (mesmo com a utilização de lubrificantes), com o desenvolvimento de tensões tangenciais, no mínimo iguais à metade da tensão de escoamento do material sendo forjado. À medida que a deformação prossegue, vai existindo cada vez mais área de contato entre a superfície do billet e a superfície da ferramenta e um maior tensionamento da ferramenta. À medida que os detalhes da matriz vão sendo preenchidos, altas tensões, que podem ser muito maiores que a tensão de escoamento do material, se desenvolvem nesses pontos. Quando o forjamento está quase completo, inicia-se a formação da rebarba. Neste ponto, o tensionamento da ferramenta atinge o valor máximo.
Todo esse carregamento mecânico e variações de temperatura levam a matriz a falhar com o tempo e definem sua vida útil. Os principais fenômenos que contribuem para a falha da ferramenta após um determinado número de ciclos de forjamento são: (a) desgaste abrasivo; (b) fadiga mecânica; (c) fadiga térmica; (d) amolecimento; (e) deformação plástica; (f) fragilização superficial [1-12].
Nas primeiras etapas do projeto será estudada a hipótese, sugerida por estudos preliminares, de que uma máscara produzida em uma chapa metálica fina pode ser usada para evitar o desgaste abrasivo e adesivo de matriz de forjamento, e também para reduzir as principais tensões térmicas e mecânicas, que contribuem para fadiga da ferramenta. O estudo será conduzido por meio de simulações numéricas validadas por experimentos de forjamento. Deverá ser verificado para que geometrias de peça e matriz o fluxo de material ocorre, de forma a não provocar qualquer movimento relativo entre a máscara e a matriz base. Nesses casos, prevê-se que o desgaste adesivo e abrasivo da ferramenta base será insignificante. Isso será inicialmente investigado através de um estudo de simulação numérica em que a máscara metálica e a ferramenta base são modeladas separadamente e o contato entre elas ocorre apenas devido a efeitos do atrito. Adicionalmente, a continuação de estudos utilizando simulação numérica deverá fornecer informações sobre como a máscara metálica influencia as tensões na ferramenta. A expectativa, suportada por pesquisas preliminares, é que as tensões térmicas na matriz base serão bastante reduzidas apenas devido ao fato de a máscara reduzir o gradiente térmico a que a mesma fica sujeita durante o ciclo de forjamento.
Todo o desenvolvimento deverá ser feito utilizando-se matrizes relativamente simples, com e sem máscara. Com isso, por meio da comparação direta das tensões e temperaturas que se ocorrem em cada caso, deverá ser possível realizar uma primeira estimativa do efeito da máscara sobre a vida da matriz de acordo com o conceito de uma curva de Wöhler para um componente submetido a ciclos térmicos e mecânicos.
Com relação a uma aplicação prática futura do conceito de máscaras sobre matrizes de forjamento, deverão ser avaliadas que geometrias de máscaras podem ser fabricadas por operações simples de conformação de modo a terem um custo competitivo. Isto poderá ser feito comparando-se o custo de fabricação das mesmas com o custo de fabricação de peças forjadas com geometrias similares. Finalmente, deverá ser avaliado o quão simples deve ser o processo de fabricação de uma máscara, de modo a ser o processo economicamente viável.
Se os resultados desse estudo mostrarem que o conceito é tecnicamente, ou seja, forem obtidas maiores vidas de matriz e/ou vantagens econômicas, o conceito deverá ser expandido. Isto significa que o mesmo processo de desenvolvimento deverá ser aplicado à produção de um componente forjado de geometria mais complexa fornecida por um parceiro industrial. O LdTM e o IBF buscam parceiros industriais interessados em participar desse estudo.
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