Simulação do forjamento a quente de uma peça comercial

O projeto de manufatura de componentes metálicos, bem como a sua otimização, vem sendo conduzido ao longo dos anos utilizando o método das tentativas e erros, baseado na experiência profissional do pessoal técnico envolvido no processamento. Todavia, este procedimento necessita de experimentação em escala industrial, que é bastante oneroso. Um outro procedimento que pode minimizar esta fase de experimentação é a simulação numérica do processamento industrial.  Neste caso, reconstrói-se o processo industrial com o auxilio de um computador, que com a utilização de um software refaz virtualmente o processamento.

 Neste exercício faz-se a simulação do processo de forjamento industrial a quente em matriz fechada de uma peça de interesse comercial, avaliando-se as variações da deformação, da temperatura, da taxa de deformação e da evolução microestrutural durante a manufatura. A ideia básica foi tomar uma peça comum, que é usualmente fabricada por várias forjarias pertencentes ao nosso parque industrial, como a peça gancho de bola que é utilizada como suporte de sustentação de cabos e outras peças.  

Usualmente, este tipo de peça é confeccionada em aço baixo carbono, como o aço SAE 1020, que é fornecido pelas indústrias siderúrgicas na forma de barras cilíndricas. Essas barras são cortadas e aquecidas em um forno de indução. O processo de forjamento consiste em um conjunto de deformações sucessivas em matrizes fechadas que impõem a forma final da peça. Simultaneamente às mudanças de forma, têm-se alterações na microestrutura do material deformado e, assim, nas propriedades do produto manufaturado.

 

Processo Industrial

      O processo industrial utilizado como referência para este trabalho consiste no aquecimento por indução do blank até 1040ºC, seguido por três deformações sucessivas para promover a pré-distribuição da massa e outras duas deformação sucessivas para dar a forma final à peça. A distribuição de massa é realizada por uma matriz fechada com dois estágios de recalque e um de achatamento, como mostrado na figura abaixo. A forma final é imposta por uma matriz com dois estágios de forjamento (pré-forjamento e forjamento final), como mostrado na figura abaixo.

 

Matriz de forjamento 1            Matriz de Forjamento 2

Matrizes fechadas utilizadas no forjamento industrial

A temperatura na superfície da peça pode ser medida durante o processo de forjamento utilizando um pirômetro ótico. A figura abaixo mostra a evolução da temperatura com o tempo para peças manufaturadas pelo processo em referência.

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Gráfico ilustrativo do processo industrial

Depois do forjamento final a rebarba é removida e a peça é resfriada até a temperatura ambiente. As peças obtidas após cada estágio do processo estão monstradas na figura abaixo.

 

Peças conformadas após os estágios de forjamento 1-6 (da esquerda para a direita): 1-2: recalque; 3: achatamento; 4-5: forjamento em matriz fechada; 6 produto final após remoção da rebarba.

 

Simulação numérica

            O software de análise por elementos finitos  DEFORM-3D foi utilizado para reproduzir todo o processo de forjamento a quente do produto gancho bola, analisando a variação da temperatura, deformação, taxa de deformação e a evolução microestrutural durante o forjamento. As geometrias das ferramentas de forjamento foram todas importadas a partir de arquivos de CAD e assumidas com o comportamento rígido. Para o material de partida a geometria foi gerada a partir do próprio software e adotado um comportamento plástico. A tabela abaixo mostra um resumo dos principais parâmetros utilizados na simulação.

 

Equação Constitutiva

            A equação constitutiva para a deformação a quente do aço em estudo está descrita abaixo:

 

 

Evolução Microestrutural

            A evolução microestrutural pode ser descrita pelas equações:            

 

 

Resultados da Simulação 

Recalque

            A geometria obtida ao final da simulação do primeiro estágio do recalque (step 100) está apresentada na primeira imagem da figura abaixo. Ve-se nesta figura que o processo de deformação não foi homogênio; está concentrado na parte superior da barra, alcançando valores próximos a 0,8 à meia altura da barra, enquanto que a parte inferior da barra não sofreu deformação. A temperatura manteve-se bastante homogênia, havendo perda de calor apenas na superficie da barra. A fração recristalizada dinamicamente tem um comportamento similar à deformação; concentrado-se na parte superior da barra.

          Observando a geometria da barra deformada é visível que esta encurvou-se no meio de sua parte superior. Atendo a relação entre a altura da barra e seu diâmetro pode-se esperar que ocorreu a sua flambagem nesta etpa de deformação.

 

Resultado da simulação para o 1º estágio:  (a) distribuição de deformação equivalente sem corte da barra e (b) com corte longitudinal da peça. (c) Distribuição de temperaturas e (d) fração de grãos recristalizados dinamicamente. 

         O segundo estágio do processo de forjamento (step 220) consistiu no recalque da barra deformada anteriormente. Vê-se que a distribuição de deformações é heterogênia, concentrando-se na parte central da peça e indicando heranças da flambagem ocorrida no primeiro recalque. A distribuição do tamanho médio dos grãos tem distribuição similar a deformação.  

         

 Resultado da simulação para o 2º estágio:  (a) distribuição de deformação equivalente; (b)Distribuição de temperaturas  e (c)  distribuição do tamanho de grãos recristalizados dinamicamente.

Achatamento

            As próximas imagens foram obtidas ao final do terceiro estágio de deformação (step 320), ou seja: após o achatamento. Vê-se que os maiores valores de deformação e de taxa de deformação estão concentradas na parte central da peça. Há gradientes de temperatura, sendo que a perda de calor é maior na parte inferior da peça. Vale observar que há um aumento de temperatura alcançando 1051 ºC na parte central da peça.

     

Resultado da simulação para o 3º estágio:  (a) distribuição de deformação equivalente; (b) distribuição de taxa de deformação e (c) Distribuição de temperaturas.

         Como consequência dos gradientes de deformação, de taxa de deformação e de temperatura, a frção recristalizada dinamicamente se concentra na parte superior da peça, gerando grãos dinamicamente recristalizados com tamanhos médios proximos a 25 microns.

       

Fração volumétrica e tamanhos dos grãos recristalizados dinamicamente no terceiro estágio de deformação.

        Durante o tempo de espera após o achatamento, o material recristaliza-se estaticamente em partes das região não recristalizadas dinamicamente, como mostrado na figura abaixo.Também, há crescimento de grãos neste tempo.

      

Fração volumétrica e tamanho dos grãos recristalizados estaticamente no intervalo após o terceiro estágio de deformação.

          A região com maior grau de deformação, no centro da altura da barra, tem o tamanho de grão inicial de 100 µm  reduzido para aproximadamente 30 µm. Na região inferior, onde o material permanece dentro da ferramenta a deformação é praticamente nula e o tamanho de grão permanece inalterado.

 Pré-forjamento

            A geometria obtida ao final da simulação do pré-forjamento, a distribuição de deformação equivalente, a distribuição da taxa de deformação, a fração recristalizada dinamicamente e a fração recristalizada estaticamente após o intervalo de 5,2 s entre estágios são exibidas na figura abaixo. Devido ao fluxo de material para o preenchimento da cavidade da matriz, ocorre uma maior distribuição da deformação, concentrado os maiores gradientes nas regiões de início de formação da rebarba. As regiões que apresentam 100% de recristalização dinâmica são locais sujeitos a grandes deformações, indicando que nestas regiões a deformação imposta superou a deformação crítica para iniciar este mecanismo de amaciamento.

      

Resultado da simulação do pré-forjamento: (a) distribuição de deformação equivalente; (b) distribuição da taxa de deformação sem corte e (c) com corte.

          

 Resultado da simulação do pré-forjamento:  (a) fração recristalizada dinamicamente no pré-forjamento e (d) fração recristalizada estaticamente após o intervalo de 5,2s.

          Nesta etapa fica bastante claro que a evolução microestrutural é bastante heterogênea; tanto a recristalização dinâmica quando a recristalização estática ocorrem de forma diferenciadas em diferentes partes da peça.

Forjamento final

      Neste estágio é realizado o acabamento e adequação dimensional do produto final. A geometria obtida ao final da simulação do forjamento final e a distribuição de temperatura são mostradas na figura abaixo.

              

Resultado da simulação do forjamento final: (a) distribuição de deformação e (b) distribuição de temperatura (ºC) 

          Novamente, pode-se ver que a evolução microestrutura é heterogênea, tanto durante quanto após a deformação.

            

 Evolução da recristalizção no forjamento final: (a) fração recristalizada dinamicamente; (b) fração recristalizada estaticamente apos 2 s e (c) após 5s.

 

 Influência dos estágios de forjamento na microestrutura

       Para validar a simulação numérica, tamanhos de grãos austeniticos calculados foram comparados com tamanhos de grão medidos em peças forjadas industrialmente. A amostragem foi realizada imediatamente após o forjamento final em posições similares nas peças forjadas e simuladas. Essas posições foram escolhidas, pois representam diferentes condições de deformação e, assim, diferentes evoluções microestruturais. A figura abaixo indica as posições escolhidas e a tabela a seguir indica os valores medidos e calculados. 

Peça após a conformação do estágio 5 indicando as posições das amostras para verificação do tamanho médio de grão austenítico

Posição Tamanho de grão na simulação (em µm) Tamanho de grão medido  (em µm)
    a         45          52
    b         20          26

       

        A figura abaixo mostra a evolução dos tamanhos médio dos grãos austeniticos  nas posições a(S2) e b(S1) nos vários estágios do forjamento. Vê-se que na parte superior da peça, onde teve maior deformações nos primeiros etágio, o temanho médio dos grãos é sempre menor, enquanto que na parte inferior da barra, que só foi subetida a grandes deformações nos últimos estágios do forjamento, só há refinamento de grãos nos estágios finais.

Evolução do tamanho de grão austenítico com os estágios de forjamento.

           Paralelamente a evolução microestutural, uma comparação dos resultados obtidos pela simulação com as peças retiradas do processo industrial observou-se que houve boa concordância na reprodução da geometria e na distribuição de temperaturas na superfície da peça. A simulação foi capaz de predizer as condições de deformação, de tal modo que o colar formado no segundo estágio é consequência da flambagem do material ocorrida no primeiro estágio, o que retrata o cenário do processo real. O valor máximo de 1051 ºC na temperatura do terceiro estágio indicou que neste estágio houve o aquecimento adiabático no núcleo do material.

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