BR112018072696B1 - Dispositivo de recalque e prensa para forjamento - Google Patents

Abstract

Dispositivo de recalque que compreende uma matriz superior (1) e uma matriz inferior (2) que podem ser deslocadas de acordo com uma direção vertical (3) entre uma posição aberta e uma posição fechada, onde cada matriz (1, 2) compreende uma superfície inclinada (4) e compreendendo o dispositivo elementos recalcadores (5) que têm uma superfície inclinada complementar (6) que está em contato com a superfície inclinada (4) de cada matriz (1, 2), tanto na posição aberta como na posição fechada, estando dispostos os ditos elementos recalcadores (5) em frente um ao outro de maneira que pelo menos em qualquer posição distinta da aberta, estão em contato por algumas superfícies não inclinadas (7), opostas às superfícies inclinadas complementares (6).

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de recalque e a uma prensa, que tem aplicação na indústria metalúrgica, e mais concretamente no âmbito dos processos de conformado mediante forjamento, permitindo uma melhora do processo de forjamento de aço a quente com prensas verticais, denominado em inglês drop forging, conseguindo-se uma redução do material sobressalente, comumente denominado rebarba, que é produzido na estampagem até chegar a uma peça ou produto final forjado.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Na atualidade são conhecidos processos de forjamento de aço a quente com prensas verticais, nos quais, até chegar a uma determinada peça final, que pode chegar a ser complexa, como é o caso de um virabrequim, é produzido um determinado desperdício de material, dada a sequência de operações que é necessária seguir até chegar à dita forma objetiva.

[003] Este material sobressalente ou rebarba é devido ao dimensionamento da bucha de partida que é produzida em função da seção mais desfavorável da peça a forjar, obtendo-se uma sobra de material excessivo em peças com volumetrias muito irregulares.

[004] O indicador de qualquer peça que é encarregada de medir a quantidade de material sobressalente é chamado Fator de carga (Fc), que é obtido na relação do peso de aço da bucha de partida e o peso da peça terminada.

[005] Este indicador permite comparar o gasto de material produzido nos processos atuais de forjamento livre a quente.

[006] Atualmente existem diversos métodos especiais para otimizar o dito fator de carga da bucha de partida antes do conformado prévio e final das peças em prensa vertical.

[007] Os métodos do estado da técnica com pré-forma da bucha de partida são basicamente os seguintes: - Laminado, que pode ser longitudinal ou transversal. - Recalcado horizontal, que pode ser com forma ou livre. - Outros métodos, como o de forjamento rotatório, denominado em inglês como swaging.

[008] Não obstante, esses processos de pré-forma para seu posterior forjamento a quente apresentam uma série de inconvenientes, tal e como exposto a seguir: - Implicam instalações externas nas linhas de produção, que implica um maior gasto em termos de investimentos e maiores dificuldades técnicas, que afetam o produto final em termos de qualidade e custo. - Complexidade técnica do processo, devido ao aumento de fatores a se controlar, o que implica uma menor eficiência. - Devido ao fato de serem operações externas ao processo de forjamento a quente convencional, é produzido um esfriamento excessiva da bucha de partida, o que implica aumentos de desgaste das matrizes de forjamento, produzindo certa dificuldade em manter um ciclo de vida otimizado para os ditos equipamentos e ferramentas, com a consequência de ter um maior número de paradas das máquinas e linhas de produção, além de uma limitação das tolerâncias estreitas. - São produzidos aumentos elevados no consumo energético do processo. - Em função da complexidade dos processos são criados gargalos nas instalações, o que altera o ciclo de produção do processo. - Requerem pessoal adicional experiente para o controle de processo. - No caso do recalque horizontal, parte da barra que não será deformada tem uma temperatura fria, o que leva a um posterior aquecimento da totalidade da bucha de partida, aumentando consideravelmente o consumo energético mencionado anteriormente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] A presente invenção se refere a um dispositivo de recalcado, bem como a uma prensa que compreende o dito dispositivo, se o dispositivo pode ser incorporado em qualquer equipamento de forjamento que permite reduzir significantemente os tempos e custos de processo bem como a quantidade de material sobressalente, dado que se consegue reduzir as dimensões da bucha de partida em relação aos processos e equipamentos do estado da técnica para obter uma mesma peça final.

[010] O dispositivo que a invenção propõe compreende uma matriz superior e uma matriz inferior que podem ser fixadas em uma prensa para forjamento, de maneira que as ditas matrizes podem ser deslocadas de acordo com uma direção vertical entre uma posição aberta e uma posição fechada, de maneira que na posição fechada a distância entre as matrizes é menor que na posição aberta.

[011] Pois bem, de acordo com a invenção, cada matriz compreende pelo menos uma superfície inclinada em relação à da direção vertical. Da mesma forma, o dispositivo compreende pelo menos dois elementos de recalque, onde cada elemento de recalque tem uma superfície inclinada complementar que está em contato com a superfície inclinada de cada matriz, tanto na posição aberta como na posição fechada. Os ditos, pelo menos dois elementos de recalque estão dispostos em frente um ao outro de maneira que pelo menos em qualquer posição distinta da aberta, estão em contato por algumas superfícies não inclinadas, opostas às superfícies inclinadas complementares, ou seja, que na posição aberta também podem estar em contato pelas superfícies não inclinadas.

[012] Desse modo, é possível reduzir o desperdício de material ao forjar qualquer peça, como no caso dos virabrequins, este desperdício é maior quanto mais assimétrica seja a geometria do virabrequim.

[013] Os processos do estado da técnica, diferentemente da invenção, requerem maquinário específico e passos extra que não são requeridos no caso da invenção.

[014] A invenção utiliza a própria prensa na qual é realizado o forjamento para fazer o recalque longitudinal, que até agora costumava ser feito transversalmente por trechos.

[015] Portanto, de acordo com a invenção, a posição, de acordo com uma direção longitudinal, perpendicular à direção vertical dos elementos de recalque, é diferente nas posições aberta e fechada.

[016] É contemplado, de acordo com uma modalidade preferencial, que as superfícies não inclinadas estejam contidas em um plano perpendicular à direção vertical.

[017] Da mesma forma, cada elemento de recalque pode ser mantido unido à sua respectiva matriz, com possibilidade de deslizamento em relação às superfícies inclinadas, mediante meios de guia, o que impede sua separação e colabora na definição de sua trajetória de deslizamento.

[018] Com o objetivo de reduzir o impacto entre o elemento de recalque e a matriz, bem como devolver os elementos de recalque à sua posição original quando o dispositivo passa da posição fechada para a posição aberta, é contemplado que o dispositivo compreenda meios elásticos em cada elemento de recalque e sua correspondente matriz.

[019] Tal e como mencionado, um segundo aspecto da invenção se refere a uma prensa para forjamento, que compreende um dispositivo de recalque como o descrito anteriormente.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS DOS DESENHOS

[020] Para complementar a descrição que se está realizando, e com o objetivo de ajudar para uma melhor compreensão das características da invenção, de acordo com um exemplo preferencial da modalidade prática do mesmo, é anexada como parte integrante da dita descrição uma série de desenhos onde, com caráter ilustrativo e não limitativo, foi representado o seguinte: A figura 1 mostra uma vista esquemática superior do dispositivo da invenção na posição aberta; A figura 2 mostra uma vista em perspectiva do dispositivo representado na figura anterior sem a matriz inferior e um dos elementos de recalque; A figura 3 mostra uma vista em perspectiva do dispositivo na posição fechada; A figura 4 mostra uma vista em perspectiva do dispositivo representado na figura anterior sem a matriz inferior e dois dos elementos de recalque; A figura 5 mostra uma vista esquemática em perspectiva unicamente da matriz inferior com os elementos de recalque na posição aberta e uma bucha ou lingote sem conformar; A figura 6 mostra uma vista esquemática em perspectiva como a da figura anterior na posição fechada e com a peça já conformada; A figura 7 mostra um esquema das diferentes seções a conformar em um lingote para obter um virabrequim.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[021] À vista das figuras resenhadas é possível observar como em uma das possíveis modalidades da invenção o dispositivo de recalcado que a invenção propõe compreende uma matriz superior (1) e uma matriz inferior (2) que podem ser fixadas em uma prensa para forjamento, de maneira que as ditas matrizes (1, 2) podem ser deslocadas de acordo com uma direção vertical (3) entre uma posição aberta e uma posição fechada, de maneira que na posição fechada a distância entre as matrizes (1, 2) é menor que na posição aberta.

[022] Cada matriz (1, 2) compreende pelo menos uma superfície inclinada (4) em relação à direção vertical (3), compreendendo o dispositivo pelo menos dois elementos de recalque (5), onde cada elemento de recalque (5) tem uma superfície inclinada complementar (6) que está em contato com a superfície inclinada (4) de cada matriz (1, 2), tanto na posição aberta como na posição fechada, estando dispostos os ditos, pelo menos dois elementos de recalque (5) em frente um ao outro de maneira que pelo menos em qualquer posição distinta da aberta, estão em contato por algumas superfícies não inclinadas (7), opostas às superfícies inclinadas complementares (6).

[023] Tal e como apreciado nas figuras, a posição, de acordo com uma direção longitudinal (8), perpendicular à direção vertical (3) dos elementos de recalque (5) é diferente nas posições aberta e fechada.

[024] Na modalidade representada, onde é mostrada a prensa, as superfícies não inclinadas (7) estão contidas em um plano perpendicular à direção vertical (3).

[025] Cada elemento de recalque (5) é mantido unido à sua respectiva matriz (1, 2), com possibilidade de deslizamento em relação às superfícies inclinadas (4, 6), mediante meios de guia (9), que consistem em um guia longitudinal.

[026] Da mesma forma, o dispositivo compreende meios elásticos (10) entre cada elemento recalcador (5) e sua correspondente matriz (1, 2), consistentes em molas.

[027] O principal objeto da invenção é fabricar equipamentos e ferramentas capazes de realizar em uma operação, um recalcado em sentido longitudinal em uma prensa vertical destinada ao forjamento livre a quente para reduzir o fator de carga. Isso pressupõe uma redução de matéria-prima.

[028] Além disso, os equipamentos e ferramentas foram projetados levando-se em consideração o dimensionamento das linhas de produção atuais, o que não implica um investimento adicional em maquinário, evitando, assim, sua custosa integração em linhas automatizadas de forjamento de virabrequins.

[029] O recalque longitudinal de forjamento vertical a quente compreende equipamentos e ferramentas capazes de conformar uma bucha de partida de uma só vez. Tal e como é possível apreciar no esquema da figura 7, onde foi representada a obtenção de um virabrequim de 4 cilindros, 4 contrapesos e elípticas, são consideradas as seguintes etapas para obter a dita peça. Mesmo que nesta modalidade foi representada a obtenção de um virabrequim, este mesmo exemplo é válido para a obtenção de qualquer peça de volumetria variável, cujo gradiente volumétrico seja ao redor de 10%.

[030] A peça apresenta volumes irregulares em todo o seu comprimento, o que é comum. Até agora, nos processos do estado da técnica, a bucha de partida para começar o forjamento era extraída da seção mais desfavorável, pois ela contém um fator de carga elevado, sendo este um aspecto que consegue melhorar a invenção.

[031] De acordo com a invenção, são desenvolvidas matematicamente as fórmulas e o processo para o redimensionamento da bucha de partida de acordo com a seção mais desfavorável. Para isso, são estudados os limites do processo, dando lugar a um novo método de cálculo para a repartição dos volumes em função das características geométricas.

[032] Isso é conseguido com o dispositivo da invenção, dado que conceitualmente este novo processo de recalque é capaz de ser integrado nas instalações atuais e mais comuns dentro do forjamento a quente, evitando assim o investimento em novos maquinários e suas consequentes especializações na matéria.

[033] De acordo com a invenção, é convertido o movimento vertical da prensa e matriz em um movimento longitudinal dos elementos de recalcado com o objetivo de repartir o volume de acordo com o que a peça requer.

[034] Para conseguir o objetivo da invenção, o dispositivo compreende a definição de algumas rampas que fazem com os que os elementos recalcadores sejam movidos no sentido longitudinal. Isto é devido ao fato de que as prensas dispõem de trajetos determinados de acordo com os passos de forjamento posteriores que estão situados na mesma bancada, tratando de conseguir que este novo processo seja totalmente flexível ao introduzi-la na mesma linha de produção do componente sem afetar assim seu ciclo de produção.

[035] A definição destas rampas é importante para superar as forças de atrito que podem ser geradas.

[036] Portanto, estes movimentos vêm determinados e devem ser sincronizados de acordo com: - Os limites do processo que virão determinados por: o Dados de volumetria para identificar a conveniência do processo de recalque. o Limites de deformação da bucha de partida, para evitar o risco de encurvadura. Deste modo, são obtidas algumas linhas de fibramento satisfatórias para garantir um ótimo processo de forjamento em passos posteriores. o Critérios de projeto de equipamentos e ferramentas, onde são expostas as medidas limites da prensa e da trajetória, o atrito a se levar em conta, como as dimensões dos porta-matrizes. - Os parâmetros de recalcado e volumetria com sua respectiva formulação. - Dimensões dos equipamentos e ferramentas, de acordo com os valores extraídos da formulação anterior.

[037] Por isso é decidido realizar um conceito de matriz que dispõe de carros longitudinais capazes de reorientar os ditos volumes, com o objetivo de reduzir o fator de carga, ou seja, eliminar material sobressalente além de todas as vantagens que isso implicaria.

[038] Uma modalidade preferencial da invenção é centralizada no uso de prensas, por motivos de disponibilidade, dada sua estendida utilização. Neste sentido, um aspecto novo da invenção é a própria integração do recalcado longitudinal em prensas.

[039] A definição dimensional dos equipamentos e ferramentas de recalcado longitudinal depende diretamente da trajetória do martelo de forja e da abertura da prensa, também denominada luz no ponto morto superior.

[040] Os equipamentos e ferramentas do recalcado, portanto, são ajustados a esta característica de trajetória limitada (C), ou seja, à altura livre a se respeitar é sempre a trajetória da prensa.

[041] Considerando que a invenção contempla integrar o dispositivo ou utensílio de recalcado na própria prensa e na linha de produção da mesma peça a forjar, no da modalidade preferencial, um virabrequim, o ideal seria que a matriz de recalcado longitudinal fosse ajustada às dimensões em XYZ das matrizes a fim de aproveitar a estrutura projetada dos porta-matrizes, entretanto, tal e como foi mencionado, os equipamentos e ferramentas de recalcado devem ser ajustados à trajetória (C) da prensa. Portanto, para respeitar o parâmetro da trajetória, os elementos de recalcado longitudinais que a invenção propõe devem ser deslocados longitudinalmente mediante rampas ao mesmo tempo que a prensa chega à sua posição fechada.

[042] Ao abaixar a prensa, os utensílios de recalcado entram em contato entre eles e graças às rampas/guias incluídas na matriz e à força de reação que o movimento vertical da prensa lhes transmite, faz com que se desloquem longitudinalmente.

[043] Portanto, a definição do ângulo destas rampas é importante, e está relacionado ao mínimo ângulo necessário para vencer as forças de atrito, além de estar ligado aos comprimentos de recalcado da bucha.

[044] Os utensílios das extremidades são deslocados mais do que os centrais, o valor depende da volumetria da peça, isso é devido ao fato de que o ângulo da rampa β e a altura da matriz não devem ser maiores que a altura do porta-matriz (PT).

[045] Deve ser considerado, portanto, que a inclinação da rampa tem que ser suficiente de modo que o componente correspondente da força exercida pela prensa supere ou vença a força de atrito existente entre ambas as superfícies.

[046] Para definir as variáveis do processo, é analisada a sistemática de definição do esmagamento que será realizado.

[047] Em primeiro lugar, é realizada uma análise volumétrica da peça, no caso da presente modalidade um virabrequim, com o qual são obtidos alguns volumes máximo e mínimo. Deve-se levar em conta que nestes volumes já foi aplicado o Fc (fator de carga objetivo).

[048] É dimensionada a bucha de partida (0o), que é obtida em função da seção mais favorável, que coincide com o Vmin e sua formulação é a seguinte: (neste tipo de virabrequim este Vmin costuma ser dado por (V3, V4, V7 y V8))

[049] A seguir é obtido o valor do diâmetro (0f) a recalcar (a aumentar), para ser ajustado à volumetria da peça.

[050] Os comprimentos finais de recalque (Lf) são conhecidos, já que são 2 vezes o modulo

[051] Devido à simetria ou aos valores semelhantes da volumetria (de V2 a V9) é extraído:

[052] Estes comprimentos finais são iguais à posição final dos utensílios de recalque que são expostos seguidamente.

[053] Por outro lado, conhecendo-se o diâmetro inicial da bucha de partida e a soma dos volumes do componente (Vi... V10) multiplicado pelo fator de carga objetivo, é possível retirar o comprimento da bucha de partida a recalcar.

[054] Tal e como indicado, o comprimento da bucha está relacionado às posições iniciais dos utensílios de recalcado.

[055] Cada utensílio de recalcado dispõe de três molas que trabalham a compressão, em estudos posteriores haverá evolução no cálculo otimizado de suas características.

[056] Nas figuras i, 2 e 5, são apreciados os equipamentos e ferramentas abertos, já nas figuras 3, 4 e 6 eles estão fechados, de maneira que os utensílios entram em contato e graças à reação de força devida à baixa da prensa e ao vencimento da força de atrito, são sincronizados e começam a ser deslocados em sentido longitudinal e vertical simultaneamente. Na posição de fechamento, a prensa está no ponto morto inferior, e o deslocamento longitudinal está em seu final de trajetória.

[057] As dimensões de cada utensílio de recalcado devem ser dimensionadas de forma suavizada e graças à experiência em outros projetos, por exemplo um chanfro com ângulo de 30° permite que o material recalcado não tenha uma mudança brusca, já que o dito material tende a copiar a geometria do utensílio, e é considerado 0,5 M de parte reta.

[058] A largura total dos elementos recalcadores definidos inicialmente são no mínimo i M no total, sempre e quando não seja uma largura pouca em termos de esforços devido ao conformado.

[059] Este valor varia em função dos resultados extraídos da simulação de forjamento do recalque longitudinal.

[060] Considerando a descrição e o grupo de figuras, o especialista na matéria poderá entender que as modalidades da invenção que foram descritas podem ser combinadas de múltiplas maneiras dentro do objeto da invenção. A invenção foi descrita segundo algumas modalidades preferenciais da mesma, mas para o especialista na matéria ficará evidente que múltiplas variações podem ser introduzidas nas ditas modalidades preferenciais sem exceder o objeto da invenção reivindicada.

Claims (6)

1. Dispositivo de recalque que compreende uma matriz superior (1) e uma matriz inferior (2) que podem ser fixadas a uma prensa para forjamento, de maneira que as ditas matrizes (1, 2) podem ser deslocadas de acordo com uma direção vertical (3) entre uma posição aberta e uma posição fechada, de maneira que na posição fechada a distância entre as matrizes (1, 2) é menor que na posição aberta, em que cada matriz (1, 2) compreende pelo menos uma superfície inclinada (4) em relação à direção vertical (3), compreendendo o dispositivo pelo menos dois elementos de recalque (5), em que a posição de acordo com uma direção longitudinal (8), perpendicular à direção vertical (3) dos pelo menos dois elementos de recalque (5), é diferente nas posições aberta e fechada, caracterizado por cada elemento de recalque (5) ter uma superfície inclinada complementar (6) que está em contato com a superfície inclinada (4) de cada matriz (1, 2), tanto na posição aberta como na posição fechada, estando dispostos os ditos, pelo menos dois elementos de recalque (5) em frente um ao outro de maneira que pelo menos em qualquer posição distinta da aberta, estão em contato por algumas superfícies não inclinadas (7), opostas às superfícies inclinadas complementares (6).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma posição dos elementos de recalque (5), de acordo com uma direção longitudinal (8), perpendicular à direção vertical (3), ser diferente nas posições aberta e fechada.

3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por as superfícies não inclinadas (7) estarem contidas em um plano perpendicular à direção vertical (3).

4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por cada elemento de recalque (5) ser mantido unido à sua respectiva matriz (1, 2), com possibilidade de deslizamento em relação às superfícies inclinadas (4, 6), mediante meios de guia (9).

5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por compreender meios elásticos (10) entre cada elemento de recalque (5) e sua correspondente matriz (1, 2).

6. Prensa para forjamento, caracterizada por compreender um dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5.

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