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: mauro.souza@amtektekfor.com

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