Fatores de influencia no desgaste de matrizes de forjamento a quente de bielas automotivas
Mauricio Lopez Santaella
DISSERTAÇÃO
Português
T/UNICAMP Sa59f
[Influence factors on forging die wear of automotive connecting rods]
Campinas, SP : [s.n.], 2009.
114 p. : il.
Orientador: Sergio Tonini Button
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica
Resumo: Uma faixa significativa do preço final de produtos forjados é proveniente de custos
referentes a re-trabalho de ferramental devido a falhas superficiais nas matrizes de conformação.
Na busca de uma empresa por maior competitividade em termos de preço e tempo, surge a
necessidade de... Ver mais Resumo: Uma faixa significativa do preço final de produtos forjados é proveniente de custos
referentes a re-trabalho de ferramental devido a falhas superficiais nas matrizes de conformação.
Na busca de uma empresa por maior competitividade em termos de preço e tempo, surge a
necessidade de entender-se os mecanismos de falha das matrizes de modo a aumentar sua vida
útil, evitando situações de risco para a matriz e uma possível falha, diminuindo custos referentes
ao re-trabalho e diminuindo tempos de manutenção e set-ups, tendo por fim um aumento de
produtividade. Além de mudanças conhecidas para o aumento da vida útil das matrizes como, por
exemplo, temperatura e velocidade de forjamento, lubrificação e alterações metalúrgicas
superficiais nas matrizes, pode-se aumentar a vida útil das matrizes com mudanças geométricas
do desenho do forjado. Neste trabalho foi estudado como a modificação dos valores do raio de boca, largura do
patamar de rebarba, maior profundidade de cavidade, raio superior da haste, espessura de rebarba
e temperaturas de forjamento e de matrizes influenciam no processo de desgaste de matrizes de
pré-forma no forjamento de bielas automotivas na região da haste.
Através de simulação numérica e análise estatística pôde-se verificar que os parâmetros que
mais influem no processo de desgaste são os mesmos que influem na profundidade de cavidade
de matriz que por sua vez influem diretamente na largura total de rebarba que escoa pelo patamar
de rebarba, sendo assim a largura de rebarba uma medida comparativa do desgaste.
Foi analisado também o processo de forjamento na região da haste de bielas, podendo-se
verificar quatro etapas distintas para a evolução do desgaste, da tensão normal e do carregamento.
Nessa avaliação verificou-se que o processo de escoamento durante o forjamento difere do
observado em referências bibliográficas disponíveis, podendo-se verificar um processo de
recalque na haste ou de escoamento radial das cabeças do laminado em direção à haste, o que
tende a aumentar o diâmetro do tarugo que por sua vez com diâmetros maiores da haste,
aumentam também o processo de desgaste, portanto sendo um importante fator a ser considerado
em projetos de bielas.
Da análise dos gráficos da força necessária para forjar a região da haste pôde-se verificar
também que a curva gráfica de carregamento se distingue quando há falha de preenchimento de
cavidade quando comparado com um processo sem falha. Por fim através da construção de
gráficos de mapeamento do processo ou sobre-posição de gráficos de contorno para os parâmetros
com os quais houve falha de preenchimento para o desgaste e carregamento, podem-se verificar
regiões otimizadas, sem falhas, com menores valores de desgaste, com aumento da vida útil das
matrizes, garantia de qualidade do produto e possivelmente, redução de matéria-prima.
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referentes a re-trabalho de ferramental devido a falhas superficiais nas matrizes de conformação.
Na busca de uma empresa por maior competitividade em termos de preço e tempo, surge a
necessidade de... Ver mais Resumo: Uma faixa significativa do preço final de produtos forjados é proveniente de custos
referentes a re-trabalho de ferramental devido a falhas superficiais nas matrizes de conformação.
Na busca de uma empresa por maior competitividade em termos de preço e tempo, surge a
necessidade de entender-se os mecanismos de falha das matrizes de modo a aumentar sua vida
útil, evitando situações de risco para a matriz e uma possível falha, diminuindo custos referentes
ao re-trabalho e diminuindo tempos de manutenção e set-ups, tendo por fim um aumento de
produtividade. Além de mudanças conhecidas para o aumento da vida útil das matrizes como, por
exemplo, temperatura e velocidade de forjamento, lubrificação e alterações metalúrgicas
superficiais nas matrizes, pode-se aumentar a vida útil das matrizes com mudanças geométricas
do desenho do forjado. Neste trabalho foi estudado como a modificação dos valores do raio de boca, largura do
patamar de rebarba, maior profundidade de cavidade, raio superior da haste, espessura de rebarba
e temperaturas de forjamento e de matrizes influenciam no processo de desgaste de matrizes de
pré-forma no forjamento de bielas automotivas na região da haste.
Através de simulação numérica e análise estatística pôde-se verificar que os parâmetros que
mais influem no processo de desgaste são os mesmos que influem na profundidade de cavidade
de matriz que por sua vez influem diretamente na largura total de rebarba que escoa pelo patamar
de rebarba, sendo assim a largura de rebarba uma medida comparativa do desgaste.
Foi analisado também o processo de forjamento na região da haste de bielas, podendo-se
verificar quatro etapas distintas para a evolução do desgaste, da tensão normal e do carregamento.
Nessa avaliação verificou-se que o processo de escoamento durante o forjamento difere do
observado em referências bibliográficas disponíveis, podendo-se verificar um processo de
recalque na haste ou de escoamento radial das cabeças do laminado em direção à haste, o que
tende a aumentar o diâmetro do tarugo que por sua vez com diâmetros maiores da haste,
aumentam também o processo de desgaste, portanto sendo um importante fator a ser considerado
em projetos de bielas.
Da análise dos gráficos da força necessária para forjar a região da haste pôde-se verificar
também que a curva gráfica de carregamento se distingue quando há falha de preenchimento de
cavidade quando comparado com um processo sem falha. Por fim através da construção de
gráficos de mapeamento do processo ou sobre-posição de gráficos de contorno para os parâmetros
com os quais houve falha de preenchimento para o desgaste e carregamento, podem-se verificar
regiões otimizadas, sem falhas, com menores valores de desgaste, com aumento da vida útil das
matrizes, garantia de qualidade do produto e possivelmente, redução de matéria-prima.
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Abstract: A significant part of forgings prices is due to costs from reworks of forging dies because of superficial failures on their surfaces. In quest of a higher competitiveness in terms of prices and
production times, it is necessary to understand the mechanisms of die failure to increase... Ver mais Abstract: A significant part of forgings prices is due to costs from reworks of forging dies because of superficial failures on their surfaces. In quest of a higher competitiveness in terms of prices and
production times, it is necessary to understand the mechanisms of die failure to increase its
working life, avoiding risk situations and a possible total failure of the tools, and also decreasing
costs of reworks, and maintenance and set-ups, achieving a higher productiveness. Besides
known changes to increase forging die life such as forging temperature, stroke speed, lubrication
(friction) and superficial metallurgical modification on dies surfaces, it is possible to increase die
life trough geometrical changes of the die sketch.
In this work it has been studied how the modification of the corner radius, flash land width,
depth of cavity, radius of the upper stem, flash thickness and temperatures of forging dies and
workpiece influence the wear of the forging of connecting rods in the stem region from the
preform dies. Through numerical simulation and statistical analysis it was found that the parameters that most influence the process of die wear are the same that affect the die cavity volume which also
influence directly the overall width of flash of the forged part. Therefore, the width of a flash is a
comparative measure of abrasive wear.
It was also analyzed the process of forging in the stem region from connecting rods and it
could be verified four distinct stages in the evolution of the abrasive wear, normal stress and
forging load. Through this validation it was found that the material flow during the process differs
from the observed in available bibliographies and it could be also verified a process of upsetting
in the rods stem or a radial flow of the rolled workpiece heads toward the rods stem, which tends
to increase the diameter of the workpiece stem. Larger diameters increase the process of abrasive
wear, therefore being an important factor to be considered in the design of connecting rods dies.
From the analysis of the necessary load to forge the stem region of the rod it was verified
that the loading pattern is different when the cavity is not completely filled. Finally through the
construction of processing maps it can be determined optimized regions without filling defects,
with lower values of wear and thereby increasing die life, keeping the product quality and
possibly reducing raw material.
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production times, it is necessary to understand the mechanisms of die failure to increase... Ver mais Abstract: A significant part of forgings prices is due to costs from reworks of forging dies because of superficial failures on their surfaces. In quest of a higher competitiveness in terms of prices and
production times, it is necessary to understand the mechanisms of die failure to increase its
working life, avoiding risk situations and a possible total failure of the tools, and also decreasing
costs of reworks, and maintenance and set-ups, achieving a higher productiveness. Besides
known changes to increase forging die life such as forging temperature, stroke speed, lubrication
(friction) and superficial metallurgical modification on dies surfaces, it is possible to increase die
life trough geometrical changes of the die sketch.
In this work it has been studied how the modification of the corner radius, flash land width,
depth of cavity, radius of the upper stem, flash thickness and temperatures of forging dies and
workpiece influence the wear of the forging of connecting rods in the stem region from the
preform dies. Through numerical simulation and statistical analysis it was found that the parameters that most influence the process of die wear are the same that affect the die cavity volume which also
influence directly the overall width of flash of the forged part. Therefore, the width of a flash is a
comparative measure of abrasive wear.
It was also analyzed the process of forging in the stem region from connecting rods and it
could be verified four distinct stages in the evolution of the abrasive wear, normal stress and
forging load. Through this validation it was found that the material flow during the process differs
from the observed in available bibliographies and it could be also verified a process of upsetting
in the rods stem or a radial flow of the rolled workpiece heads toward the rods stem, which tends
to increase the diameter of the workpiece stem. Larger diameters increase the process of abrasive
wear, therefore being an important factor to be considered in the design of connecting rods dies.
From the analysis of the necessary load to forge the stem region of the rod it was verified
that the loading pattern is different when the cavity is not completely filled. Finally through the
construction of processing maps it can be determined optimized regions without filling defects,
with lower values of wear and thereby increasing die life, keeping the product quality and
possibly reducing raw material.
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