10/03/21

A simulação de processos pode, em diversos casos, ser representada por ferramentas mais econômicas do que sistemas computacionais. 

O DOE é uma dessas ferramentas que mostra sua eficácia na análise de um processo de forjamento a quente.

Este trabalho visa demonstrar que ferramentas mais acessíveis que os complexos e onerosos programas de simulação computacional podem ser usados como uma alternativa para a determinação de alguns parâmetros de processo no forjamento a quente em matriz fechada com bastante sucesso. 

Esta seria uma alternativa aos processos de ″tentativa e erro″ ainda muito usuais em alguns processos industriais.

O método de Projeto de Experimentos (DOE) vem sendo largamente utilizado para determinar os fatores de projetos mais significativos afetando uma variável resposta e para estabelecer modelos empíricos representando o relacionamento entre os fatores significativos.

Um experimento é um procedimento no qual alterações propositais são feitas nas variáveis de entrada de um processo ou sistema, de modo que se possam avaliar as possíveis alterações sofridas pela variável resposta, como também as razões dessas alterações.

O processo, ou sistema, pode ser representado pelo modelo mostrado na figura 1. É possível visualizar o processo como uma combinação de operações, máquinas, métodos, pessoas ou outros recursos que transformam algumas entradas em uma saída que tem uma ou mais variáveis-respostas observadas. 

Algumas das variáveis de processo são controláveis, sendo outras não-controláveis .

Figura 1 – Modelo geral de um processo ou sistema (Adaptado de Montgomery, 2005)

Neste estudo, foi realizada uma avaliação dos principais fatores controláveis envolvidos em um processo de conformação a quente com relação a sua contribuição na força resultante de prensagem com o objetivo de apontar qual fator, dentre os fatores analisados, exerce maior influência na força de prensagem neste processo. 

Para a realização deste trabalho foi utilizada a metodologia DOE conforme ilustrado no diagrama de blocos figura 2.

Figura 2 – Diagrama de blocos do experimento realizado

Para este trabalho os fatores selecionados foram: temperatura de forjamento; lubrificante; e geometria da geratriz. Os níveis para as temperaturas de forjamento envolvidos na análise foram 1.100ºC e 1.200ºC, já os lubrificantes escolhidos foram o Lubrodal AT CR6 e o grafite em pó e o fator relacionado com a geometria da geratriz foi o seu diâmetro. 

Para este trabalho foram considerados os diâmetros de 28,6 mm e 25,4 mm correspondendo respectivamente a 1.1/8” e 1”.

A matéria prima utilizada foi o aço ABNT 4140. Este aço tem grande aplicação na construção mecânica e automotiva em componentes que exigem elevada dureza, resistência e tenacidade, como virabrequins, bielas, braços, juntas, engrenagens, eixos e componentes para equipamentos de produção e perfuração de petróleo.

A figura 3 ilustra de maneira simplificada a montagem e relação entre os equipamentos utilizados na aquisição dos dados de força e deslocamento.

Figura 3 – (a) Imagem mostrando a montagem do experimento e sistema de aquisição de dados. (b) Ilustração do ferramental utilizado

A tabela 1 mostra os fatores e cada um dos seus níveis bem como os valores de força máxima de prensagem para cada condição ensaiada desde 5.003 kN para o ensaio executado com a temperatura de 1.200ºC, geratriz de 25,4 mm de diâmetro e lubrificante Lubrodal AT CR6 até 6.233 kN para o ensaio realizado com a temperatura de 1.100ºC, geratriz de 28,6 mm de diâmetro e lubrificante grafite.

Tabela 1 – Máxima força de prensagem para cada ensaio

O processamento dos dados de resposta do Projeto de Experimentos DOE gerou os diagramas mostrados na figura 3 que ilustram o comportamento e a influência de cada um dos parâmetros de processo analisados na variável resposta.

 Este diagrama está em consonância com os resultados esperados em termos de influência negativa ou positiva de cada fator na força de prensagem com relação aos parâmetros temperatura e diâmetro da geratriz.  

Figura 4 – (a) Gráfico dos efeitos principais de cada fator na carga de prensagem. (b) Gráfico de Pareto mostrando a maior influência do lubrificante nos ensaios

Conclusões          

Os resultados do experimento mostraram uma maior influência do fator lubrificante na força de prensagem resultante. A influência do lubrificante foi maior, mesmos quando comparada com quaisquer outras combinações de fatores controlados neste estudo. 

Dentre os lubrificantes testados, o Lubrodal AT CR6 foi o que apresentou o melhor resultado contribuindo mais fortemente para a redução da força de prensagem.

É possível afirmar ainda que o DOE pode ser perfeitamente considerado para processos de forjamento podendo representar uma alternativa viável aos softwares de simulação para a solução de problemas com baixo nível de complexidade.

Co-autor 

Lírio Schaeffer - schaefer@ufrgs.br

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