A Timken Company investiu recentemente US$ 35 milhões em uma nova prensa de forjamento em linha para melhorar os seus produtos. A prensa foi instalada de forma que a empresa pudesse usar o seu processo de forjamento-laminação, o qual aumenta a eliminação de defeitos do produto e resulta em aumento da consolidação do centro em peças com seções transversais maiores se comparado com o uso da laminação sozinha. O desafio de instalar essa prensa sem interromper a produção também foi cumprido com sucesso
Implementar um projeto de US$ 35 milhões e não interromper a produção. Esse foi o desafio ao qual a The Timken Company foi confrontada quando escolheu expandir sua capacidade de produção de aço com a instalação de uma nova prensa de forjamento em linha. A Timken, fabricante de componentes de aço de alto desempenho e de componentes mecânicos, tem um bom histórico de implementações bem-sucedidas e este projeto rapidamente se tornou outra inovação de processo para a empresa.
Na Faircrest Steel Plant da Timken em Canton, Ohio, nos EUA, os engenheiros da empresa projetaram a maior parte do equipamento de forjamento para residir em um novo edifício ao lado da laminação existente (Figura 1). No entanto, algumas partes do novo equipamento – mesa de lingote, berço e mesa dos cilindros de laminação e partes da transferência aérea – necessitaram de uma instalação no edifício do laminador. No caso da transferência aérea o projeto da Timken foi concebido para mover o produto para trás e para a frente nas duas áreas.
Os funcionários da planta de Faircrest decidiram sobre a difícil tarefa de instalar e comissionar este equipamento de forma segura, até mesmo com lingotes sendo transportados em guindastes e sobre toda a linha de laminação. Isso implicou em um planejamento detalhado do trabalho diário, observadores de segurança para assessorar as equipes de instalação da aproximação de lingotes quentes e um extenso sistema de comunicação para informar e orientar as equipes de trabalho, quando era necessário evacuar uma área específica.
A equipe concluiu a instalação e comissionou o equipamento dentro do planejado e sem incidentes, com planejamento e análise cuidadosos, recebendo a maior parte do crédito para o sucesso alcançado.
Avaliando a Indústria e as Necessidades do Cliente
Mesmo antes da implementação já era um desafio, a Timken primeiramente necessitava avaliar com cuidado e justificar o investimento de US$ 35 milhões em uma prensa para forjamento. A empresa aprendeu com os clientes que eles queriam alta qualidade de fusão em laminados com grandes diâmetros e com garantia de centros isentos de defeitos. A Timken levou essa necessidade para o seu processo de desenvolvimento de novos negócios (NBD – new business development). O NBD é um método que já tem uma década e é utilizado internamente para integrar a identificação das necessidades do mercado, desenvolvimento de caso, desenvolvimento de soluções técnicas e implementação do projeto.
Não demorou muito tempo para tomar a decisão e adicionar barras com diâmetros grandes com centros isentos de defeitos ao seu portfólio de produtos. A partir daí, a ideia do novo produto avançou com equipes multifuncionais revisando as necessidades do mercado, dos clientes e técnicas. Uma equipe técnica, em seguida, aumentou os esforços para projetar uma especificação para o equipamento que atendesse consistentemente a essas necessidades e desenvolveu uma ferramenta de seleção de fornecedores detalhada para avaliar toda a compra dos equipamentos de forma independente, da capacidade técnica até as características dos fornecedores.
Esta ferramenta permitiu que a equipe técnica removesse as predisposições do processo de seleção de fornecedores e comprasse a prensa de forjamento apropriada.
Submetidos a um Exaustivo Processo de Preparação Técnica
Antes da aquisição da prensa de forjamento as expectativas técnicas passaram por uma fase de prova de conceito para confirmar as capacidades e benefícios da aquisição proposta. Esta parte do processo NBD incluiu uma modelagem por elementos finitos (FEM), ensaios físicos e avaliação do produto para validação.
Na sequência foi feita uma avaliação técnica rigorosa envolvendo um grupo totalmente multifuncional de engenheiros e fabricantes, desenvolvimento de aplicações, vendas e marketing. Seu objetivo era transformar as tendências técnicas observadas desde a fase de prova de conceito em relações preditivas e diretrizes que, em seguida, levaram à fabricação de barras com grandes diâmetros forjadas-laminadas e com alta qualidade.
Por meio da combinação dos resultados do FEM, ensaios com fornecedores globais e testes de ultrassom para validação (UT), a Timken sabia exatamente o que esperar quando realizou o processamento do primeiro produto com centro isento de defeitos nesta nova prensa de forjamento com matriz aberta de 3.000 toneladas.
Utilizando Modelagem Computacional Avançada e Simulação
Todas as simulações de forjamento e de laminação com FEM utilizaram o programa de software comercial DEFORM-3D para definir e controlar todo o processo do forjado-laminado. Para abranger todo o processo foi necessário quatro projetos na modelagem para a prensa de forjamento e dois para os laminadores.
As simulações, em geral, caem em duas categorias: planejamento de experimentos (DOE – Design of Experiments) ou o desenvolvimento de uma receita de produção. O DOE trabalha sistematicamente avaliando o impacto de parâmetros-chave de processo e identificando as condições de deformação críticas necessárias para criar centros sem defeitos. Simultaneamente, as simulações para o desenvolvimento de uma receita aplicaram as condições do planejamento e especificaram as sequências de forjamento para os testes reais. A Figura 2 mostra a correlação dimensional favorável entre a forma do lingote forjado simulada e a real para o primeiro teste real, construindo uma confiança na precisão do modelo. A chave para o processo de modelagem foi compreender as diferenças fundamentais entre os modelos de deformação do forjamento e da laminação para ajudar a produzir um produto superior.
Forjamento e Laminação para Centros Isentos de Defeitos, Controle da Forma
O forjamento durante o processo forjado-laminado aumenta a eliminação de defeitos devido à deformação na linha central. A deformação no forjamento em matriz aberta ocorre com a peça em condição estacionária entre as matrizes de forjamento superior e a inferior. A deformação penetra em toda a seção transversal do lingote (ou barra) durante um curso de forjamento. Isso cria uma maior consolidação do centro (curando as microporosidades) em seções transversais maiores do que a laminação sozinha (veja a Figura 3 para um exemplo do padrão de deformação na seção transversal criado em um processo de forjamento em matriz aberta).
A laminação facilita o controle da forma final com a deformação localizada na superfície. Isso ocorre em uma região localizada do tarugo/barra onde os cilindros estão em contato com a peça. A peça se move durante o processo de deformação limitando a quantidade de redução por passe de laminação, mantendo a velocidade da peça e permanecendo sob o limite de carga de laminação. Devido à natureza da deformação localizada na superfície de laminação (Figura 3), a Timken otimizou as sequências de passes dos cilindros para avançar para tolerâncias dimensionais mais rigorosas.
Aprendendo com os Testes e Validações Globais de Forjamento
A modelagem utilizada para desenvolver as sequências de forjamento garantiu que qualquer teste fornecia um avanço no conhecimento e capacidades da empresa e que o produto forjado-laminado testado passava por rigorosos padrões de validação. A inspeção por ultrassom foi a ferramenta-chave utilizada para calibrar e validar a qualidade da eliminação de defeitos que as ferramentas avançadas de modelagem previram.
A Figura 4 mostra uma varredura UT verdadeira (linhas azuis) de produtos forjados-laminados que atingiram com sucesso a uma especificação estrita de ultrassom (sem indicações acima dos limites das linhas vermelhas e verdes). A Figura 5 mostra um resumo dos resultados UT medidos para rotas de processos forjado-laminado e somente laminado com vários diâmetros de barras. Os resultados indicam que a conformidade com o padrão de UT melhora significativamente com a introdução do processo forjado-laminado.
A combinação dos estudos empíricos com os resultados de UT forneceu os dados necessários para transformar os modelos de simulação em ferramentas de otimização preditivas. A Timken utilizou as receitas desenvolvidas por meio das avaliações da modelagem e dos testes como sementes para o start-up da prensa. Os operadores da produção pegaram essas receitas e as otimizaram para a eficiência no fluxo de trabalho da Faircrest Steel Plant, aplicando as orientações-chave dos esforços de modelagem e testes para alcançar centros sem defeitos e os requisitos finais de forma.
Melhorando a Confiabilidade e o Desempenho
O novo processo forjado-laminado da Timken fornece uma expansão na gama de produtos, aumenta a produtividade e a qualidade e aumenta a capacidade. Para os clientes, a limpeza e ausência de defeitos dos centros das barras de grandes diâmetros são traduzidas em uma melhoria na confiabilidade e no desempenho de seus componentes em aplicações críticas em todo o mundo.
Enquanto o mundo continua a empurrar os limites, as indústrias continuam explorando maneiras de obter maior desempenho do seu produto e otimizando as operações. A Timken tem fornecido produtos forjados-laminados com grandes diâmetros a seus clientes líderes de mercado, oferecendo-lhes a oportunidade de criar produtos melhores e maiores para melhorar a produtividade e desempenho.
O processo forjado-laminado oferece produtos com o melhor dos dois mundos. Com a deformação alcançada na prensa de forjamento e a precisão dimensional do laminador, o processo forjado-laminado cria barras com diâmetros maiores capazes de atender aos requisitos rigorosos de ausência de defeitos e permite que as barras de grandes diâmetros da Timken liderem a indústria em isenção de defeitos e controle de tamanho.
