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Fabricação e Caracterização de Componentes Forjados para Transmissões
Mauro Moraes de SouzaJuliano SavoyThales Sardinha Garcia SouzaMárcio Henrique Pereira
Apresentado em 11 de Agosto de 2014 no Parque Tecnológico de Sorocaba – PTS
Agenda
• Indústria de Forjados
• Forjados na indústria automobilística – Transmissões
• Produto Forjado – DNA do forjado
• Aplicações de produtos forjados – Transmissões
• Técnicas de forjamento
• Fabricação de componentes forjados – O projeto
• Dúvidas
Indústria de Forjados – Visão global pela Euroforge
Total
Automobilística
Ferroviária
OutrasAeroespacial
Mineração
AgrícolaConstrução Mecânica
Fonte: http://www.euroforge.org/statistics/production-figures.html - 2014
Indústria de Forjados – Visão do mercado nacional pelo SINDIFORJA
1%
4%
24%
71%
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Centro-Oeste
Norte
Nordeste
Sul
Sudeste
Distribuição das forjarias no Brasil
Fonte: Schuler – Metal Forming Handbook
(%)
Fonte: Sindicato das Indústrias de Forjados – SINDIFORJA 2014
Indústria de Forjados – Brasil
2,923,1
2,29
2,752,47
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
2010 2011 2012 2013 2014 (prev)
Faturamento (bilhões R$)
R$
Fonte: Sindicato das Indústrias de Forjados – SINDIFORJA 2014
Indústria de Forjados – Brasil
622656
489
587
530529558
415
499
450
0
100
200
300
400
500
600
700
2010 2011 2012 2013 2014 (prev.)
Consumo de aço
Produção de forjados
Fonte: www.euroforge.org
Fonte: www.gerdau.com.br
Consumo de aço e produtos forjados (mil toneladas)
Fonte: Sindicato das Indústrias de Forjados – SINDIFORJA 2014
Fatores ligados à Indústria de Forjados
Fonte: www.gerdau.com.br
(%)
58 5754
46
29 28 28 29?
12 11 11 12?
0
10
20
30
40
50
60
2008 2012 2015 (prev.) 2025 (prev.)
Aço ( * )
Powertrain
Transmissão
Composição estimada de peso nos veículos
Fonte: www.getrag.com
Fonte: ( * )www.aluinfo.com.br/novo/consumo_aluminio_ira_dobrar - 2014
Forjado nas Transmissões
1 - Engrenagens2 - Eixos3 - Diferencial4 – Sincronizadores5 – Luvas6 - Cubo de Embreagem7 - Carcaça8 - Rolamentos9 - Fixadores10 - Buchas11 - Retentores12 - Garfos
1 1 1 11
2
2
3
4/5 4/5 4/5
6
70% massa
Fonte: Naunheimer H., Automotive Transmission, 2nd edition
Aplicações de produtos forjados - Transmissões
Produto forjado – DNA do forjado
• Consumo eficiente de matéria-prima
• Flexibilidade de volume de produção
• Superioridade de propriedades mecânicas finais
• Eliminação de etapas posteriores de tratamento térmico
• Eficiência das etapas posteriores de manufatura
• Custo de fabricação competitivo
Fonte: www.euroforge.org
Fonte: Hatebur
Fonte: Internet
Fonte: http://www.euroforge.org/fileadmin/user_upload/eLibrary/IMU_Basic_Knowledge_English_final_11-03-14.pdf
Cu
sto
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Complexidade
Média qualidade Alta qualidadeBaixa qualidade
Baixo grau de adaptação ao produto final
Moderado grau de adaptação ao produto final
Elevado grau de adaptação ao produto final
Cu
sto
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Complexidade
Média qualidade Alta qualidadeBaixa qualidade
Baixo grau de adaptação ao produto final
Moderado grau de adaptação ao produto final
Elevado grau de adaptação ao produto final
Cu
sto
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Usinagem
Produção
Ferramental
Material
Complexidade
Média qualidade Alta qualidadeBaixa qualidade
Baixo grau de adaptação ao produto final
Moderado grau de adaptação ao produto final
Elevado grau de adaptação ao produto final
$
Produto forjado – Consumo eficiente de matéria-prima
Produto forjado – Consumo eficiente de matéria-prima
xFonte: Catálogo Hatebur Fonte: Catálogo Hatebur
ForjadoUsinado
Técnicas de forjamento – Flexibilidade de volume de produção
Temperatura de forjamento: De 1000° C até 1250° C
Ocorre recristalização dos grãosQUENTE
� Geometrias complexas� Grandes deformações� Peças mais pesadas� Menor esforço de conformação� Fibramento� Média qualidade dimensional e
superficialFonte: Internet
Fonte: Internet
Técnicas de forjamento – Tipos de máquinas a quente
Prensa Hidráulica Prensa Mecânica Prensa Horizontal
Técnicas de forjamento – Tipos de máquinas a quente
• Prensa de forjamento vertical
Fonte: Schuler Handbook
Prensa Eumuco 2000 ton Prensa Auxiliar 400 ton
Técnicas de forjamento – Tipos de máquinas a quente
• Prensa de forjamento horizontal
Fonte: www.youtube.com/40 hatebur hot forging
43
21
Técnicas de forjamento – Flexibilidade de volume de produção
FRIO
� Elevada qualidade dimensional e superficial
� Fibramento� Limitação geométrica� Maior esforço de conformação� Custo de ferramental� Encruamento
25° C
300° C
Temperatura de forjamento: em geral, temperatura ambiente
Não ocorre recristalização de grãos
Técnicas de forjamento – Tipos de máquinas a frio
Prensa Hidráulica Prensa Mecânica Prensa Horizontal
Técnicas de forjamento – Flexibilidade de volume de produção
MORNO
� Bom acabamento superficial� Diminuição do esforço de
conformação� Precisão dimensional � Custo de fabricação
Forjamento a forno: De 500° C até 900° C.
Técnicas de forjamento – Tipos de máquinas a morno
Prensa Mecânica Prensa Horizontal
Dimensionamento do sobremetal
Fabricação de componentes forjados – O projeto a quente
Dimensões do produto final
Dimensões do blank forjado
Sequência de forjamento
Cálculo da força de forjamento
Seleção da máquina
Projeto do ferramental
Simulação MEF Try-out Produção seriada
Fabricação de componentes forjados – Dimensões do produto
Fabricação de componentes forjados – Dimensionamento do sobremetal – DIN7523 e DIN7526
• Ângulos de saída de ferramenta externos (A°)
• Ângulos de saída de ferramenta internos (B°)
• Raios externos (RE)
• Raios internos (RI)
• Diâmetro de furo (ØZ)
• Diâmetro máximo da peça (ØX)
• Altura da peça (H)
• Altura da flange (M)
• Alma (F)
• Tolerâncias
Fabricação de componentes forjados – Dimensionamento do sobremetal
Dimensões de projeto Sobremetal para usinagem Blank forjado
Fabricação de componentes forjados – Sequência de forjamento
Corte Preparação Gravura final Furação e Rebarbação
Prensa Vertical
Prensa Horizontal
Corte Preparação Gravura final Furação
Recuperação dinâmica
Ten
são
σf
Deformação ϕ
Deformação ϕ
Fabricação de componentes forjados – Força de forjamento
Alta ϕ
Baixa ϕRecuperação dinâmica e Recristalização
Ten
são
σf
Fonte: Handbook of Metal Forming Handbook – Lange, K. – 1985
Fabricação de componentes forjados – Força de forjamento
Fonte: Souza et al – Umformtechnik Plastomechanik und Werkstoffkunde -
125 MPa
Fabricação de componentes forjados – Força de forjamento
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
C10 - Hot Forging
100Cr6 - Hot Forging
Ø peça forjada (mm)
Forç
a d
e fo
rjam
ento
(kN
)
45% maior
Fonte: Metal Forming Handbook – Schuler
Fabricação de componentes forjados – Força disponível
Fonte: Catálogo de Máquina – Komatsu
Dis
tân
cia
do
PM
I (m
m)
Força (t)
Rebarba
Alma
80 165 270 415 715 905
1000800630400250160
PMS
PMI
Alma
Rebarba
Fabricação de componentes forjados – Projeto do ferramental
Matriz aberta Matriz fechada
Punção
Matriz
Peça forjada
Extrator
Matriz superior
Matriz inferior
Peça forjada
Extrator
Rebarba
Ferramentasuperior
Peça Forjada
Ferramentainferior
Fonte: Metal Forming Handbook – Schuler
Fabricação de componentes forjados – Seleção de máquina
Seleção de
Máquina
Força de conformação
Produção necessária
Massa do forjado
Limitações geométricas (peça / máquina)
Fabricação de componentes forjados – Simulação MEF
Fabricação de componentes forjados – O projeto a frio
Dimensões de projeto Sobremetal para usinagem Blank forjado
Fabricação de componentes forjados – O projeto a frioCorte Preparação Gravura final
Fabricação de componentes forjados – Sequência de forjamento
Corte Tratamento térmico
Decapagem ForjamentoLubrificação
Fabricação de componentes forjados – Cálculo de força de forjamento
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
42CrMo4 - Cold Forging
C10 - Cold Forging
Ø peça forjada (mm)
Forç
a d
e fo
rjam
ento
(kN
)
Fonte: Metal Forming Handbook – Schuler
Fabricação de componentes forjados – Quente x Frio
Fonte: Autran, J., L., A. e Souza, M., M. – Viabilidade Econômica e Precisão de Forjamento a Frio de Peças Funcionais de Médio Porte – 1992
Fabricação de componentes forjados – Quente x Frio
Fonte: Autran, J., L., A. e Souza, M., M. – Viabilidade Econômica e Precisão de Forjamento a Frio de Peças Funcionais de Médio Porte – 1992
Fabricação de componentes forjados – Quente x Frio
Fonte: Autran, J., L., A. e Souza, M., M. – Viabilidade Econômica e Precisão de Forjamento a Frio de Peças Funcionais de Médio Porte – 1992
Fabricação de componentes forjados – Quente x Frio
Fonte: Autran, J., L., A. e Souza, M., M. – Viabilidade Econômica e Precisão de Forjamento a Frio de Peças Funcionais de Médio Porte – 1992
Fabricação de componentes forjados – Quente x Frio
Fonte: Autran, J., L., A. e Souza, M., M. – Viabilidade Econômica e Precisão de Forjamento a Frio de Peças Funcionais de Médio Porte – 1992
Fabricação de componentes forjados – Quente x Frio
Fonte: Autran, J., L., A. e Souza, M., M. – Viabilidade Econômica e Precisão de Forjamento a Frio de Peças Funcionais de Médio Porte – 1992
Fabricação de componentes forjados – Quente x Frio
Fonte: Metal Forming Handbook – Schuler
IT 80,033 mm ou ±0,0165 mm
Ø24IT 130,33 mm ou ±0,165 mm
Forjamento a quente a frio
Peso da peça 0,05 – 1.500 kg 0,001 – 30 kg
Precisão DIN ISO 286 IT13 – IT16 IT8 – IT11
Qualidade superficial (Rz) > 50 – 100 µm > 10 µm
Conformabilidade ϕ < 6 ϕ < 1,6
Necessidade de usinagem Alta Baixa
Exemplo:
Superioridade de propriedades mecânicas finais – Resfriamento controlado
Aquecimento
900° C – 1050° C
Entrada da esteira
500° C – 700° C
Saída da esteira
Blank forjado
1200° C – 1250° C 1150° C – 1250° C
Fonte: Diagrama TTT cortesia da GERDAU
Superioridade de propriedades mecânicas finais – Resfriamento controlado
Variação da temperatura do tratamento térmico
Energia Elétrica
Lead Time
Número de processos
Forjamento
Resfriamento
Contorlado
Tempo =>
Tem
per
atu
ra=>
Dúvidas?
Muito obrigado pela sua atenção!
Dr.-Ing. Mauro Moraes de SouzaChief Engineer
e-mail: [email protected]
Telefone: +5511-21524943
www.amtektekfor.com
Bibliografia Recomendada
• Euroforge – www.euroforge.org - acessado em 20 de Julho de 2014• SINDIFORJA – www.sindiforja.com.br• NAUNHEIMER, H. – Automotive Transmission, 2nd edition• DIN7523 – Projeto de forjados• DIN7526 – Tolerâncias de forjados• Metal Forming Handbook – Schuler• Lange, K. – Handbook of Metal Forming – 1985• SOUZA, M., M., KOPP, R., Doltsinis, V., I., S. - Umformtechnik Plastomechanik
und Werkstoffkunde, 1993 • AUTRAN, J., L., A., SOUZA, M., M. – Viabilidade Econômica e Precisão de
Forjamento a Frio de Peças Funcionais de Médio Porte – 1992 • DIETER, G., E. –Mechanical Metallurgy, 1988• ASM Handbook – Volume 14 - Forming and Forging, 1988• ALTAN, T., OH, S., GEGEL, H. – Conformação de Metais – Fundamentos e
Aplicações, 1999