Conformação a quente: proposta para reduzir set-up e otimização de ferramentas
Resumo
Os sistemas de troca rápida de ferramentas têm permitido a melhoria constante dos processos de conformação. Devido às suas particularidades, a conformação a quente (apesar de algumas vantagens em relação ao processo convencional), dificulta a padronização de ferramentas ou família de ferramentas, tecnologia de grupo e troca rápida de ferramentas. Este trabalho tem como objetivo agrupar peças conformadas a quente em famílias de ferramentas, de modo que possam utilizar uma mesma matriz de pré-forma para todos os diâmetros e alturas, melhorando a flexibilização e agilidade no processo.
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Foto acima: Cássio Aurélio Suski
A análise da viabilidade de se utilizar um mesmo ferramental para todas as pré-formas foi efetuada inicialmente através da simulação das peças, utilizando o programa DEFORM 2D. Observou-se que é possível obter peças conformadas a quente usando uma família de ferramentas que compõem calços, pino e punção em uma família. Utilizando-se uma mesma matriz de pré-forma, com um mesmo tipo de geometria pode-se evitar a troca da mesma, sendo apenas efetuada a troca por desgaste e, consequentemente, diminuindo o tempo de “set-up”. Com isso percebeu-se um ganho considerável na vida útil da ferramenta. A simulação permitiu um tipo de geometria que atende a todos os tipos de peças fabricadas em uma máquina progressiva de três estágios. Assim, possibilita-se uma economia de tempo, material, energia e esforço do operador, evitando a obtenção de peças defeituosas durante a fabricação. Palavras-chave: Forjamento, flexibilização, esforço, ferramental, família e simulação.
Foto acima: Cristian Valmorbida
Introdução
Os processos de conformação a quente distinguem-se do realizado a morno pela faixa de temperatura na qual é realizado, isto é, faixa de temperatura em que ocorrem os mecanismos de recuperação e recristalização. Para a conformação a quente de aços, as temperaturas estão entre 1.100 ºC e 1.280 ºC (Doege, 2000). Aproximadamente metade do custo de um conformado a quente se faz em função do custo da matéria prima. Com o processo de conformação, pode-se alcançar uma economia de 15% dessa matéria prima, e então, o custo do conformado a quente será reduzido em 7,5%. Como exemplo, Douglas (2000) cita que uma peça conformada a quente, com massa de aproximadamente 3,6 kg, resulta em uma redução no custo de usinagem de R$ 2,00, quando comparado com aquele mesmo produto forjado de forma convencional.
A competitividade entre as empresas, em decorrência das exigências dos consumidores e da crescente tendência de rápida obsolescência dos produtos manufaturados, associada à necessidade de redução dos custos indiretos relativos ao financiamento da produção, tem levado a uma busca pela melhoria dos processos produtivos, através de técnicas de organização e fabricação, que atendam estas exigências, tornando-os mais flexíveis, rápidos e econômicos (Button, 1995).
Entretanto, as alterações nestes processos, devidas às novas tecnologias para atender às necessidades do mercado (que exige uma maior diversificação de produtos), fazem com que o tamanho dos lotes de fabricação seja reduzido (Lima, 1989). Os processos de conformação plástica dos metais, devido às suas características como ferramental dedicado, custo elevado de equipamentos, alto tempo de preparação da máquina, produtos contínuos ou semi-contínuos, sempre estiveram ligados aos conceitos de produção em grandes lotes, inviabilizando a sua aplicação para pequenos lotes (Lima, 1989).
Na conformação a quente convencional, o peso do forjado pode atingir o dobro do usinado, representando de 10 a 40% de seu peso (quando um item é necessário ser usinado), aumentando os custos com a compra de material, manipulação, armazenagem, aquecimento até temperatura de forjamento e usinagem (Shipley, 1988). O desenvolvimento da “conformação de precisão”, destacando-se aqui a conformação a quente, morno, isotérmico e a frio, corte de chapas, extrusão hidrostática e a frio de eixos com perfis diversos, estampagem de precisão, proporcionou um avanço em termos de técnicas de organização da produção (Button, 1995).
O forjamento de precisão é o processo de deformação plástica que visa obter forjados com todas as dimensões ou algumas delas, iguais às do produto acabado, sendo denominados, respectivamente, de “net shape” e “near net shape” (Button, 1995). Isto permite a eliminação ou diminuição das etapas de usinagem através da produção de peças mais leves, funcionais, de geometria complexa e tolerância igual ou menor que ±0,25 mm, reduzindo o tempo, energia, material e mão de obra para obtenção da peça acabada (Kudo, 1990; Shipley, 1988).
Entretanto, a conformação a quente requer alta tecnologia e pesquisa para resolver os problemas causados por fatores como a geometria da peça, propriedades mecânicas e químicas do material a conformar, lubrificação, máquina e ferramentas, projeto da peça conformada e usinagem posterior (Kudo, 1990). A. Thomaz (s.d) fornece algumas recomendações para obtenção do conformado a quente com qualidade e economia.
A automação dos equipamentos de conformação ajudou a aumentar a produtividade no período da produção em massa (décadas de 1950 e 1960), mas a falta de flexibilidade dos mesmos aliados à redução do lote e diversificação dos produtos (década de 1970) exigiu o desenvolvimento desta característica. Isto ocorreu para os processos onde a forma da ferramenta não estava vinculada à da peça (Schmoeckel, 1991) e, a partir da década de 1980, com o desenvolvimento na automação industrial, foram implantados também os processos de usinagem (Gomide, 1987; Lima, 1989).
Nos últimos anos, a automação dos processos de conformação com a aplicação da tecnologia CNC, aliada ao sistema de troca rápida de ferramenta, têm possibilitado a flexibilização deste processo para diversos produtos e não somente à determinada família de peças (Lima, 1989; Schmoeckel, 1991). O objetivo da troca rápida de ferramenta é a redução e a simplificação do set-up, por meio da redução ou eliminação das perdas relacionadas à operação de set-up. Na prática, a troca rápida de ferramenta é desdobrada em estratégias e técnicas de implantação, sendo estes os objetos de estudo deste artigo.
A análise parte da metodologia seminal proposta por Shingo (2000), designada Single-Minute Exchange of Die (SMED – livremente traduzida por troca rápida de ferramenta em tempos inferiores a 10 minutos), Shingo (2000) define troca rápida de ferramenta a partir de uma visão primeiramente estratégica, seguida de conceitos para implantação da ferramenta e técnicas de apoio.
Dois grupos de estratégias são sugeridos para minimizar as perdas decorrentes da troca de produtos em uma operação:
1. Estratégias envolvendo habilidades: procedimentos eficientes no set-up resultam do conhecimento sobre o equipamento em estudo e da habilidade e experiência do operador nas tarefas inerentes ao procedimento de setup. Em máquinas mais complexas, utiliza-se o conceito do preparador (operador especialista em preparação de máquina), ficando o operador do equipamento com as tarefas auxiliares da preparação.
2. Estratégias envolvendo tamanho de lote: para reduzir as perdas decorrentes de set-ups longos sobre o desempenho do sistema, uma solução é aumentar o tamanho do lote para compensar a parada do equipamento. A fabricação de grandes lotes, entretanto, pode ser indesejável se resultar em produção antecipada ou formação de estoques. A troca rápida de ferramenta permite a redução dos custos de set-up dos lotes, resultando em lotes de fabricação de tamanho reduzido.
O processo de conformação a quente geralmente começa pelo aquecimento das barras em fornos de indução em temperaturas entre 1.100 ºC e 1.280 ºC, (Doege, 2000). Posteriormente passa em guilhotina da própria máquina (processo de corte da máquina). Em seguida, os forjados passam pelos estágios da máquina para os mesmos serem conformados. A conformação deverá ocorrer em três ou mais etapas que permitam o preenchimento adequado das matrizes. As rebarbas do conformado são retiradas em uma operação de jateamento, imediatamente após o resfriamento dos conformados a quente. Após o jateamento, os conformados são tratados termicamente para obter uma microestrutura adequada à usinagem, se necessário. O tipo de tratamento térmico utilizado para estes tipos de processo é a têmpera (austenitização) e o revenimento.
A troca de matrizes é realizada manualmente ou com a ajuda de dispositivos, quando o peso é excessivo. As matrizes para obtenção da pré-forma e conformados são retiradas e outro conjunto é fixado. Após a fixação, conforma-se o primeiro estágio (pré-forma), verificam-se as dimensões da pré-forma e assim se passa para o segundo estágio. Em seguida passa pelo terceiro estágio, onde é realizado o cisalhamento ou operação de furo (se necessário), e finalmente, há a verificação para saber se as dimensões do forjado estão adequadas. Regulagens e ajustes das matrizes são necessários para obtenção de uma peça boa. O tempo destas regulagens e ajustes pode representar de 40 a 50 % do tempo total gasto na troca do ferramental (Ravassard, 1989).
Na conformação a quente, a expectativa de melhoria vem através do cisalhamento a quente, manipulação de peças quentes e complexas, forjamento sem rebarba, montagem e regulagem rápida das ferramentas, desenvolvimento de prensas hidráulicas rápidas unidirecionais ou multi-eixos, incorporação de tratamento térmico à conformação ou o aproveitamento do calor residual do processo para efetuar as operações de recozimento ou têmpera (Foray, 1993). Um exemplo é o desenvolvimento de aços-liga que permitem a eliminação do recozimento, posterior ao forjamento, sem prejudicar a usinabilidade do material (Lin, 1994).
Os trabalhos de Lima (1989), Schmoeckel (1991) e Matsushita (1990) mostram alguns melhoramentos na automação, flexibilização e controle dos equipamentos de conformação.
A tecnologia de grupo pode produzir bons resultados, viabilizando a produção de pequenos lotes. A formação de famílias de peças, desde o projeto do produto, aumenta as possibilidades de redução do inventário de produção (Lima, 1989) e dos tempos de montagem e desmontagem das ferramentas. Outro modo de flexibilizar os processos de conformação volumétrica é a troca rápida das ferramentas (Lima, 1989) aliada aos esforços para reduzir o seu número e/ou ampliar as aplicações (Ravassard, 1989) de modo a minimizar os tempos improdutivos.
Este trabalho propõe a flexibilização do processo de conformação a quente através da definição de famílias de ferramentas para determinadas peças que possam ser obtidos a partir de uma mesma matriz de pré-forma, independentemente de altura o diâmetro da pré-forma, de forma a minimizar o tempo de troca de ferramenta, desgaste do operador e o set-up de máquina.
Análise, materiais e métodos
Descrição dos processos de conformação
Pode-se analisar neste trabalho a conformação a quente de porcas, arruelas e peças especiais. O processo para obtenção do conformado a quente final adequado à usinagem (se necessário) segue as seguintes etapas: aquecimento da barra, corte do tarugo, forjamento do tarugo, cisalhamento do forjado, jateamento, rosqueamento, tratamento térmico de normalização, limpeza e inspeção. As barras de um aço similar ao SAE 1045 são transportadas até o magazine da máquina por ponte rolante para passar pelo forno de indução. As barras são alimentadas uma a uma por um sistema mecânico com rolos, em seguida (também através de um sistema mecânico), as barras passam por dentro de quatro bobinas de indução. O mecanismo empurra as barras através da guia, deslocando-os de uma distância determinada e recua de modo que a próxima barra entre na máquina. Na saída da última bobina a barra deve estar na faixa de 1.200 ºC a 1.250 ºC.
Conforme a figura 1, um operário liga a máquina (prensa progressiva) para efetuar o corte. Assim a máquina transporta o corte ou tarugo para o primeiro estágio (o transporte é efetuado através de garras ou pinças que levam o forjado de um estágio para outro) para obter a pré-forma e verificar se as medidas estão dentro do especificado em projeto. Caso potivo, segue o processo para o segundo estágio, da conformação da peça propriamente dita. Observa-se se as medidas estão adequadas, e então, passa para o terceiro estágio, que é de cisalhamento ou furação da peça. Após verificar as medidas, liga-se a máquina para produção.
As peças caem em container, que depois de cheio recebe uma tampa metálica para que as peças resfriem lentamente. O mesmo é levado para uma estufa de resfriamento, que gira em torno de quatro a cinco horas. Após o tempo de resfriamento, as peças serão encaminhas para o jateamento para limpeza (retirada de carepas, pequenas rebarbas e outras impurezas). Mais tarde as peças serão rosqueadas antes do tratamento térmico (se necessário). E por fim, a limpeza e inspeção das peças.
Processo de troca das matrizes e punções
A obtenção das peças conformadas tem três etapas, exigindo-se três matrizes e três punções. São fixadas no bloco da prensa progressiva conforme figura 1. Cada matriz é fixada e localizada por meio de quatro parafusos, mais uma tampa aparafusada contra o cabeçote e a mesa da prensa. E os punções são fixados nos suporte de punção, que é fixado por dois parafusos.
Layout Hot Former National 3 Estágios
A troca das matrizes e punções requer que os parafusos sejam afrouxados e sejam retirados. Isto é realizado sem maiores problemas na retirada das matrizes, sendo a remoção realizada manualmente ou com auxílio de um braço mecânico ou ponte rolante, quando o peso for excessivo para o operador.
Depois da retirada das matrizes e seus calços, as novas matrizes são colocadas manualmente com a ajuda de um braço de alavanca. Desta forma, o operador fica com as mãos livres para colocar os parafusos, apertando-os levemente. Quando o peso do conjunto for excessivo, utiliza-se um braço mecânico ou uma ponte rolante para movimentação, posicionamento e apoio durante a fixação da matriz na prensa. Fixadas as matrizes, colocam-se os punções, um a um com seus calços. Uma vez colocados sobre a mesa da prensa, manualmente, com auxílio de um braço mecânico ou ponte rolante, o operador coloca a matriz juntamente com os calços sobre a mesma, de forma que se possam colocar os seus parafusos para fixá-la. Fixadas as matrizes, fixa os punções colocando um a um no suporte dos punções e prende com os parafusos.
Em seguida, verifica-se a fixação do transporte e forja-se uma peça para analisar visualmente a qualidade da pré-forma e da peça. Os ajustes são feitos colocando-se ou retirando-se calços das matrizes e punções, aproximando ou atrasando a cunha, de forma a elevá-las ou abaixá-las, respectivamente. Forja-se outra peça para verificar se as dimensões estão dentro das especificações, caso contrário, efetua-se novo ajuste seguindo os passos descritos acima.
Confecção de família de ferramentas em função da definição da geometria da pré-forma
Propõe-se para a flexibilização do processo de conformação a quente, a formação de famílias de peças em função do volume necessário para a conformação do mesmo, e assim definindo uma família de ferramentas para a confecção de uma pré-forma que se utilize a mesma matriz. São agrupados baseando-se na semelhança geométrica e dimensional entre eles e no volume. A figura 2 mostra o desenho das peças para que se tenha uma noção geométrica do tamanho relativo entre elas.
Figura 2 - Forjados utilizados como modelo
Como não existe uma geometria única para a pré-forma de uma peça específica, algumas recomendações obtidas da literatura e de indústrias que trabalham com conformação são descritas a seguir:
– O corte para obtenção das pré-formas das peças, foi dimensionado de acordo com o volume da peça a ser fabricada, variando-se a altura e o diâmetro, assim garantindo o volume de material necessário para cada tipo de peça a ser fabricado. A fi m de evitar-se a flambagem obedeceu-se a relação L/B ≤1,5, onde L é o comprimento do corte e B o diâmetro.
– O estudo da pré-forma deve levar em conta o volume para obtenção da peça conformada final. A pré-forma deve ser o mais simples possível, de forma a facilitar a conformação da peça propriamente dita, garantir o preenchimento adequado desta, para formação de um forjado sem defeitos. A matriz para obter a pré-forma deve permitir um posicionamento fácil do corte.
– A forma básica da pré-forma mais usual utilizada para obtenção de porcas, arruelas e outras peças especiais são as mostradas na figura 3. De acordo com a complexidade geométrica da peça e tipo de operação que requer durante a conformação, recalque ou extrusão, a pré-forma pode variar a altura e o diâmetro de acordo com as formas apresentada na figura 2.
Figura 3 - ´Pré-forma básica para obtenção de uma peça
– Através do tipo de pré-forma pode-se perceber que anteriormente seriam feitas diversas matrizes, com vários diâmetros para cada tipo de produto. Na figura 4 visualiza-se como era a montagem das ferramentas.
Simulação do processo de conformação
O programa DEFORM, versão 8.1, permite a simulação da deformação do material, podendo-se obter as tensões e deformações atuando nas matrizes e no material sendo deformado. Consequentemente, é possível analisar a formação de possíveis defeitos de conformação quando o tarugo e ou pré-forma proposto são inadequados para obtenção da peça, possibilitando que se façam alterações nos mesmos para novas simulações. Este programa é dividido em três partes:
1) Pré-simulação
2) Simulação
3) Pós-simulação
Na pré-simulação informa-se que o material a ser conformado é um aço SAE 1045 forjado a uma temperatura de 1.250 ºC, adotando-se um fator de atrito constante igual a 0,3. A máquina especificada foi uma prensa progressiva com uma velocidade de 150 peças por minuto. Defi ne-se também quais as superfícies terão seus deslocamentos restritos em determinadas direções e condições de contorno. As geometrias das matrizes e punções (figura 5) podem ser desenhadas em programas CAD importadas para um arquivo IGES que podem ser introduzidas no DEFORM 2D.
São realizadas duas simulações:
1) Para obtenção da pré-forma a partir de um corte ou tarugo.
2) Para obtenção da peça a partir da pré-forma.
As informações sobre a pré-forma obtida na primeira simulação são armazenadas em um arquivo que servirá como dado de entrada sobre o material a ser conformado na segunda etapa. Finalizada a simulação, procede-se a pós-simulação, que permite obter as informações citadas acima. Pode-se fazer quantas simulações forem necessárias para a melhoria no processo de conformação, chegando-se muito perto de um projeto ou processo perfeito, com o mínimo de alterações.
RESULTADOS
Analisando as semelhanças dimensionais e geométricas, as peças foram agrupadas por volume da seguinte forma:
Família 1: altura da pré-forma de 7 a 10;
Família 2: altura da pré-forma 10 a 13;
Família 3: altura de 13 a 15;
Família 4: altura de 15 a 18;
Família 5: altura de 18 a 21;
Família 6: altura de 21 a 24;
Família 7: altura de 24 a 27;
Medidas em milímetros.
Os calços de regulagens, pino e punção (figura 6) são alterados de acordo com a altura e o diâmetro da pré-forma, assim, o conjunto de matriz não se altera, sendo que o diâmetro das pré-formas é definido de acordo com o diâmetro ou chave da 2ª formação. Geralmente, a pré-forma é calculada entre 0,5 a 0,7 mm menor que o diâmetro ou chave da 2ª operação. Desta forma, permite-se a padronização das ferramentas, diminuindo o número de matrizes a uma única matriz, o conjunto de punções com calços necessárias para obtenção das pré-formas, o tempo de troca de matrizes, o inventário de produção, os custos com material para ferramentas e processo de fabricação para obtenção das mesmas.
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O tempo de troca das matrizes será menor, uma vez que somente serão trocadas quando sofrerem desgaste. Os ajustes posteriores à fixação das mesmas podem ser eliminados definindo-se previamente os calços. Para isso, é importante um controle dimensional rígido das matrizes e calços. A proposta de formação de família de peças visa não somente a utilização das mesmas matrizes de pré-forma para todas as peças de uma família, mas também manter os ajustes entre elas, ou seja, a regulagem da máquina será praticamente a mesma, mudando apenas o conjunto das ferramentas, assim as pré-formas terão a mesma altura, visando a padronização do ferramental.
A padronização das ferramentas facilita e agiliza o setup de máquina, evitando a troca de ferramentas, a não ser por desgaste ou eventual quebra, permitindo lotes de produção menores. A otimização das ferramentas migra de uma situação com uma matriz de pré-forma para cada tipo de produto, para apenas uma matriz para todos os tipos de peças. Além disso, pode-se perceber um ganho de eficiência e produtividade das matrizes de pré-forma, conforme figura 6, pois as matrizes do processo antigo, conforme figura 4, tinha uma vida útil de 120 mil peças em média, e com o novo processo, a matriz tem uma vida útil de 800 mil peças, devido a refrigeração ser mais eficiente que o processo anterior. A figura 6 mostra a geometria da matriz de pré-forma junto com os calços, pinos e punção, definindo a famílias de ferramentas, cujo número são 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7. O programa DEFORM permitiu a análise da viabilidade de utilização de um mesmo conjunto de matrizes de pré-forma para obtenção das peças.
Conclusões
É possível a otimização das ferramentas em famílias, visando padronizar as pré-formas e os ajustes entre elas, diminuindo-se assim o tempo de troca das ferramentas. A simulação dos processos utilizando um programa adequado como o DEFORM 2D, pode ajudar a definir as pré-formas e prevenir a formação de defeitos das peças, evitando-se a fabricação de matrizes inadequadas ao processo de uma peça propriamente dita e, consequentemente, a perda de tempo, material e esforço desnecessários que isto representa. A conformação a quente com família de ferramentas, visa a flexibilização dos processos de conformação, requer um planejamento, conscientização e controle da produção para ser mais eficiente, visto que as ferramentas que compõem uma família para uma determinada peça, geralmente, não são solicitadas todas ao mesmo tempo. Usa-se o mesmo tipo de família de ferramentas para muitas e diferentes tipos de peças. Percebe-se um ganho de eficiência e produtividade das matrizes de pré-forma, pois as matrizes do processo antigo têm uma vida útil muito inferior em relação ao processo proposto.
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