8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM AVALIAÇÃO DOS PARÂMETROS DE FORJAMENTO ATRAVÉS DO MÉTODO TAGUCHI COM FOCO NA SOLICITAÇÃO TÉRMICA E MECÂNICA DAS MATRIZES Danilo dos Reis Lima, [email protected] Raoni Barreto de Oliveira, [email protected],2 Charles Chemale Yurgel, [email protected] Rodrigo Santiago Coelho, [email protected] 1 2 SENAI CIMATEC, Instituto Senai de Inovação em Conformação e União de Materiais, Salvador-BA, Brasil Fraunhofer-Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU, Chemnitz, Germany Resumo: No processo de forjamento a quente, a vida útil das matrizes é um fator importante pela sua relação com o custo de produção referente à perda de produtos e troca de ferramentas. Os processos de desgaste das matrizes estão relacionados com os ciclos térmicos e mecânicos aos quais elas são submetidas. Este trabalho apresenta uma metodologia para avaliar os efeitos do atrito, velocidade de prensagem e temperatura inicial da peça e propor uma condição de trabalho melhorada do ponto de vista de solicitações mecânicas e térmicas na matriz. O Método de Taguchi foi utilizado para projetar uma matriz ortogonal de experimentos que são conduzidos virtualmente pelo Método dos Elementos Finitos (MEF). Os resultados obtidos foram avaliados pelo Método de Taguchi para cada parâmetro e uma análise de variância (ANOVA) realizada para determinar a contribuição de cada um desses parâmetros nos resultados. Adicionalmente, uma avaliação sobre a minimização da força máxima e temperatura máxima alcançada na matriz por ciclo foi proposta. As análises mostraram-se eficiente no mapeamento das condições ideais de trabalho para o estudo proposto e é um avanço entre os vários processos de conformação na direção de optimização das solicitações térmicas e mecânicas dos processos. Palavras-chave: Método dos Elementos Finitos, Forjamento a quente, método de Taguchi, vida de ferramenta 1. INTRODUÇÃO A vida das ferramentas de conformação é afetada por complexas combinações de altas tensões mecânicas e térmicas. As primeiras são originadas pelas altas pressões de contato entre a matriz e as peças, e deriva da força utilizada no processo. A segunda provém do ciclo térmico a qual a matriz é sujeita ao entrar em contato com a matéria aquecida, seguido do seu resfriamento (KCHAOU et al., 2010). Nos processos de forjamento a quente, objeto desse estudo, a temperatura das peças está comumente em torno de 1000ºC e as matrizes podem alçar temporariamente temperaturas da ordem de 500ºC. Nessa faixa de temperatura, a dureza do material cai e um processo de deterioração pode ocorrer de forma acentuada (BARRAU et al., 2003). Esse processo de deterioração das matrizes se dá principalmente pelos fenômenos de abrasão, deformação plástica, fadiga térmica e mecânica (BARRAU et al., 2003; KCHAOU et al., 2010; SUMMERVILLE et al. 1995; YURGEL, 2007). Esses mecanismos estão associados ao comportamento do aço quando submetido aos esforções de conformação, aos ciclos térmicos ou a um efeito sinérgico dos dois fatores. No caso do desgaste abrasivo, causada por interações de atrito, o volume desgastado é diretamente proporcional à força no contato entre as superfícies e inversamente proporcional à dureza do material, como pode ser visto na Eq. (1): π= πΎππΏ π» (1) Onde Q é o volume total perdido, K é uma constante adimensional, W é o esforço normal entre as superfícies, L é a distancia do escorregamento entre as superfícies e H é a dureza do material (Archard, 1953). Assim, diminuindo as forças envolvidas na conformação do material, o desgaste da ferramenta pode ser reduzido. Além disso, o efeito térmico também se faz relevante, pois a dureza do material cai com a temperatura a qual ele se encontra. No caso de forjamento, a matriz deve ser capaz de suportar as tensões envolvidas na conformação, porém, as altas temperaturas envolvidas no processo provocam o amolecimento do material fazendo com que, após vários ciclos térmicos, a resistência, principalmente nas camadas em contato direto com a peça, caia consideravelmente, mesmo para aços ferramenta com tratamento superficial diferenciado (PERSSON et al, 2005). Isso também afeta as propriedades de 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM fadiga da matriz, sejam elas térmicas, resultante das tensões geradas pelos gradientes de temperatura, ou mecânicas, geradas pelos ciclos de esforços variantes ao longo do processo (KCHAOU et al., 2010; PERSSON et al, 2005). Para todos os mecanismos apresentados, a temperatura da matriz e o esforço a qual ela é submetida são fatores relevantes no seu desenvolvimento, levando a conclusão de que sua diminuição constitui boa pratica visando o aumento da vida útil das matrizes. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada no método de Taguchi e de elementos finitos, para avaliar os efeitos do atrito, velocidade de prensagem e temperatura inicial da peça. O método de Taguchi consiste em adotar um conjunto de matrizes ortogonais para analisar o efeito de cada parâmetro numa característica especifica e determinar a combinação ótima de parâmetros (LI et al, 2005) de forma que suas saídas tenham a mínima variação e sua média seja mais próxima do valor alvo (TONG et al, 1997). O método tem sido utilizado extensamente na avaliação dos mais diversos parâmetros de conformação mecânica e usinagem onde a característica relevante da peça fabricada pode ser escolhida como base de cálculo para o indicador de qualidade e os parâmetros de processo selecionados para a realização dos experimentos (KO et al, 1999; KOPAΔ et al, 2002; LEE et al, 1998; LI et al, 2005; TONG et al, 1997; YANG et al, 1998). O método oferece ainda a possibilidade de se obter a influência de cada parâmetro com poucos experimentos, se aplicado juntamente a uma análise de variância. O método dos elementos finitos tem o objetivo de resolver problemas de condições de contorno, geralmente modelados na forma de equações diferenciais. Sua aplicação é bastante difundida para cálculos estruturais, onde o problema consiste em encontrar o deslocamento dos nós e as consequências derivadas deste efeito. Entretanto, diversos outros problemas físicos modelados como equações diferenciais podem ser resolvidos como vibrações, condução de calor, escoamento, eletrostática, entre outros (ÖCHSNER et al, 2013; BRAMLEY et al, 2000). Para os processos de conformação, o desenvolvimento da técnica já permite que sejam feitas análises de nível macroscópico (fluxo de material, forca e trabalho requeridos), de nível intermediário (tensões e deformações) e de nível microscópico (tamanho de grão e desenvolvimento microestrutural) (KOPP, 1996). Esses avanços permitem o planejamento do processo visando aspectos determinantes no desempenho das peças conformadas. Neste trabalho, a força máxima de prensagem e a temperatura máxima alcançada pela matriz foram analisadas. 2. METODOLOGIA A aplicação do método de Taguchi é dividida em três etapas: design dos sistemas, design dos parâmetros e design das tolerâncias. O design dos sistemas diz respeito aos meios técnicos para se alcançar o objetivo. No caso em questão, o processo é de forjamento a quente em matriz fechada. A Fig. (1) mostra a ilustração das matrizes e da forma da peça após forjada. Na modelagem do processo, um tarugo de 7/8 pol x 71 mm é aquecido e resfriado durante 3 segundos, simulando o tempo necessário para transporta-lo do forno para a prensa. Ele é então prensado para adquirir a pré-forma no local indicado nas matrizes. Depois disso, outro resfriamento de 3 segundos simula o tempo necessário para posicionar a peça onde ela então toma a forma final. O design dos parâmetros é o objetivo deste trabalho e consiste em determinar níveis ótimos dos parâmetros de processo que tenham influência na qualidade. O design de tolerâncias é a avaliação das variações ao redor do valor dos parâmetros (TAGUCHI et al, 2005). Primeiramente os indicadores de qualidade e os parâmetros foram escolhidos. A matriz ortogonal de experimentos foi construída e o método dos elementos finitos foi utilizado como executor desses experimentos. As razões entre sinal e ruído (S/N) foram calculadas e uma análise de variância foi utilizada para determinar quais parâmetros são significantes. Os passos são então repetidos apenas com os parâmetros significativos e uma otimização que maximize a razão S/N procurada. A Fig. (2) ilustra essa metodologia. Forja final Pré-forma Figura 1. Matrizes e a geometria da peça forjada 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM Planejamento β’Seleção de indicadores de qualidade β’Seleção dos parâmetros relevantes de processo β’Seleção da matriz ortogonal de experimentos Execução β’Execução de experimentos utilizando MEF β’Calculo das razões S/N β’Estudo do efeito dos parâmetros (ANOVA) β’Eliminação dos parametros com pouca significância β’Execução de novos experimentos com os parametros significantes Otimização β’Obtenção da relação entre a razão S/N e os parametros significantes β’Otimização para máximização da razão S/N Figura 2. Resumo da metodologia 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1. Simulação Numérica O método dos elementos finitos foi utilizado como ferramenta para executar os experimentos de forma virtual e gerar os dados necessários. A aplicação do método na simulação de processos de conformação é bem estabelecida e diversos exemplos de sucesso na obtenção de parâmetros e procedimentos podem ser encontrados na literatura (BEHRENS et al, 2007; GAO et al, 2000; JANG et al, 2000; LEE et al, 1998; SONG et al, 2007). A matriz superior foi modelada como rígida e a matriz inferior como rígida e condutora de calor. A peça foi considerada elastoplástica, de material aço AISI 1025 com tensão de escoamento definida pela expressão π = πΆπΜ π , onde C e M são constantes do material dependentes da temperatura e πΜ é a taxa de deformação. Dados dos materiais podem ser vistos na Tab. (1). O processo simulou uma prensa hidráulica de velocidade constante. O processo foi analisado utilizando-se o software comercial Simufact.forming 12.0®. Tabela 1. Dados utilizados na simulação Parâmetros do material da matriz Condutividade térmica 20°C 36,0W / mK 500ºC 36,8W / mK 600ºC 36W / mK Expansão térmica 20-100 ºC 12,5x10-6 m/mK 20-200 ºC 13,1 x10-6 m/mK 20-300 ºC 13,4 x10-6 m/mk 20-400 ºC 13,9 x10-6 m/mk 20-500 ºC 14,0 x10-6 m/mk 20-600 ºC 14,3 x10-6 m/mk Parâmetros do material da peça Temperatura Taxa de deformação C (Mpa) M 0,25 232,35 0,004 980ºC 0,5 285,44 0,032 0,7 286,82 0,032 0,25 111,7 0,075 1090ºC 0,5 118,59 0,08 0,7 120,66 0,082 0,25 64,121 0,077 1205ºC 0,5 66,19 0,094 0,7 60,674 0,105 Fontes: (VILLARES, 2009) e (Simufact.material, 2013) 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM 3.2. Indicadores de Qualidade e Parâmetros Os mecanismos de degradação das matrizes são oriundos principalmente dos ciclos térmicos e mecânicos aos quais elas são submetidas, como discutidos anteriormente. Por isso, como indicadores de qualidade foram utilizados a força máxima de prensagem e a temperatura máxima alcançada pela matriz durante o processo. O objetivo é minimizar tanto a força quanto a temperatura. Os principais parâmetros que afetam os indicadores de qualidade são: temperatura inicial da peça, velocidade de prensagem e coeficiente de atrito. Na construção da matriz ortogonal, 3 níveis foram selecionados para cada um dos 3 parâmetros, resultando na utilização de uma matriz L9. Os valores dos níveis de cada parâmetro podem ser vistos na Tab. (2). Tabela 2. Parâmetros e níveis dos experimentos Legenda A B C Parâmetros Temperatura Velocidade de prensagem Atrito Nível 1 900 5 0,2 Nível 2 1000 15 0,3 Nível 3 1200 25 0,7 Os valores de atrito foram selecionados de acordo com dados de lubrificantes encontrados na literatura para condições de lubrificantes de grafite a base de óleo, agua e sem lubrificante (KOBAYASHI et al, 1989). A Tab. (3) mostra a matriz L9 utilizada com as combinações de níveis para os experimentos dos 3 parâmetros. Tabela 3. Matriz de experimentos L9 Experimento 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Temperatura (ºC) 900 900 900 1000 1000 1000 1200 1200 1200 Velocidade de prensagem (mm/s) 5 15 25 5 15 25 5 15 25 Atrito 0,2 0,3 0,7 0,3 0,7 0,2 0,7 0,2 0,3 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para analisar o desvio da qualidade esperada pelo método Taguchi, utiliza-se a razão S/N. No método, o termo S (sinal) representa o valor desejado e N (ruído), o valor não desejado para a característica em questão (YANG et al, 1998). Deseja-se então o conjunto de parâmetros que gere um maior valor da razão S/N que é definida como: π/π = β10log(πππ·) (2) Onde MQD é a média quadrada dos desvios e depende do objetivo a se alcançar. Existem três categorias de análise da razão S/N de acordo com o objetivo que se deseja alcançar: βvalor nominal é melhorβ, que é quando um determinado valor alvo é buscado; βmenor é melhorβ, que é utilizado quando a minimização dos valores ao máximo é desejada; e βmaior é melhorβ, que é utilizado quando se deseja a maximização dos valores. Para a categoria βvalor nominal é melhorβ, a média quadrada dos desvios é definida como: π 1 πππ· = β(π¦π β π)2 π (3) π=1 Onde yi é o valor medido no teste i de um experimento da caraterística que se busca, S é o valor alvo e n é o numero de testes feitos em um determinado experimento. Para a situação onde βmaior é melhorβ, a MQD é definida por: 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM π 1 1 πππ· = β 2 π π¦π (4) π=1 Por fim, a MQD para a situação βmenor é melhorβ é definida como: π πππ· = 1 β π¦π2 π (5) π=1 Como é desejável se minimizar a força utilizada no processo e a temperatura alcançada pela matriz, ambas se encaixam na categoria βmenor é melhorβ. As Tab. (4) e (5) apresentam a razão S/N calculada. Tabela 4 - Temperatura máxima alcançada pela matriz e razões S/N Experimento 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Temperatura (ºC) 731,48 828,45 1015,05 790,45 937,70 950,75 990,00 999,30 1065,12 Razão S/N -57,28 -58,37 -60,13 -57,96 -59,44 -59,56 -59,91 -59,99 -60,55 Tabela 5 β Força máxima de prensagem e razões S/N Experimento 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Força (tnf) 231,65 180,81 208,66 158,95 211,07 164,19 233,78 101,74 268,49 Razão S/N -47,30 -45,14 -46,39 -44,03 -46,49 -44,31 -47,38 -40,15 -48,58 Como o experimento é ortogonal, o efeito de cada parâmetro em cada nível pode ser separado através da média das razões S/N dos experimentos onde eles participam (YANG et al, 1998). Por exemplo, o efeito do parâmetro atrito no nível 1 é a média das razões S/N nos experimentos 1, 6 e 8 (ver Tab. (2) e Tab. (3)). Os resultados do S/N médio de cada parâmetro em cada nível são apresentados nas Tab. (6) e Tab. (7) e suas representações nas Fig. (3) e (4). Tabela 6 - Razão S/N média para cada parâmetro com relação à temperatura Parâmetro Temperatura Velocidade de prensagem Atrito Nível 1 -58,59 -58,38 -58,95 S/N médio Nível 2 -58,99 -59,27 -58,96 Nível 3 -60,15 -60,08 -59,83 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM -57,50 SN médio -58,00 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Temperatura -58,50 -59,00 Velocidade de prensagem -59,50 Atrito -60,00 -60,50 Figura 3. Diagrama do efeito médio dos parâmetros na temperatura Tabela 7 - Razão S/N média para cada parâmetro com relação à força. Parâmetro Temperatura Velocidade de prensagem Atrito Nível 1 -46,28 -46,23 -43,92 S/N médio Nível 2 -44,94 -43,93 -45,92 Nível 3 -45,37 -46,42 -46,75 -42,5 -43 SN médio -43,5 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Temperatura -44 -44,5 -45 -45,5 Velocidade de prensagem Atrito -46 -46,5 -47 Figura 4. Diagrama do efeito médio dos parâmetros na força Com objetivo de avaliar a contribuição de cada parâmetro no resultado geral dos experimentos foi realizado a análise de variância (ANOVA, sigla em inglês). Para isso, foi calculado a média geral das razões S/N que é obtida pelo somatório das razões em cada experimento dividido pelo total de experimentos: π Μ Μ Μ Μ Μ Μ π/π = 1 β(π/π)π π (6) π=1 Onde k é o numero de experimentos e (S/N)i é a razão S/N no i-ésimo experimento. A soma dos quadrados devido à variação da razão S/N média geral é dada por: π Μ Μ Μ Μ Μ Μ )π β Μ Μ Μ Μ Μ Μ ππ = β((π/π π/π)² π=1 (7) 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM A soma dos quadrados devido à variação com relação à média geral das razões S/N para cada fator é dada por: π Μ Μ Μ Μ Μ Μ )π β Μ Μ Μ Μ Μ Μ πππ = β ππ × ((π/π π/π)² (8) π=1 Onde l é o numero de níveis do parâmetro, Tj é o numero de experimentos em que o parâmetro aparece no j-ésimo Μ Μ Μ Μ Μ Μ )π é a razão S/N média para o parâmetro no nível j. A porcentagem de contribuição do parâmetro é dada nível, (π/π por: π= πππ × 100 ππ (9) A Tab. (8) apresenta a influência da temperatura máxima alcançada na matriz, onde todos os parâmetros apresentaram contribuições significativas. Tabela 8. Análise de variância para a temperatura máxima na matriz Parâmetro Temperatura Velocidade de prensagem Atrito Erro Soma dos quadrados 3,940580103 4,311743298 1,535727632 0,114637268 Contribuição 40% 44% 16% Já na análise da força máxima, a temperatura não apresentou contribuição significativa nessa saída, com apenas 6%, aproximadamente (Tab. (9)). Tabela 9. Análise de variância para a força máxima de prensagem Parâmetro Temperatura Velocidade de prensagem Atrito Erro Soma dos quadrados 2,794090707 11,58619492 12,71788939 23,23466885 Contribuição 6% 23% 25% Como a temperatura inicial da peça apresentou uma contribuição significativa na temperatura alcançada pela matriz e insignificante na força máxima de prensagem, o valor adotado será o que maximiza a razão S/N para a temperatura da matriz apenas, o que corresponde ao nível 1, ou 900ºC, como pode ser visto na Tab. (6). Uma nova matriz foi formulada apenas com os parâmetros mais significantes (atrito e velocidade de prensagem) e novos experimentos foram conduzidos utilizando os mesmos três níveis, como pode ser visto na Tab. (10). Tabela 10. Níveis utilizados para os parâmetros com mais significância Legenda B C Variáveis Velocidade de prensagem Atrito Nível 1 5 0,2 Nível 2 15 0,3 Nível 3 25 0,7 A Tab. (11) mostra a nova configuração de experimentos e os resultados alcançados pelo método dos elementos finitos. Ela também apresenta a razão S/N para a temperatura máxima alcançada pela matriz e para a força máxima de prensagem. 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM Tabela 11. Matriz de experimentos L9 apenas com parâmetros significativos e com resultados Experimento 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Velocidade de prensagem 5 5 5 15 15 15 25 25 25 Atrito Temperatura Força S/N Temperatura S/N Força 0,2 0,3 0,7 0,2 0,3 0,7 0,2 0,3 0,7 731,48 726,72 731,27 823,11 937,70 871,91 863,80 905,58 1065,12 231,65 235,75 265,95 199,20 211,07 328,29 277,57 191,39 268,49 -57,28 -57,23 -57,28 -58,31 -59,44 -58,81 -58,73 -59,14 -60,55 -47,30 -47,45 -48,50 -45,99 -46,49 -50,33 -48,87 -45,64 -48,58 5. OTIMIZAÇÃO Em problemas de objetivo simples, a otimização consiste em buscar um ponto ótimo que maximize ou minimize os objetivos dentro das restrições do sistema. Já em um problema multiobjetivos, nem sempre é possível alcançar em apenas um ponto a maximização ou minimização total, pois cada valor de variável influenciará ambos os objetivos de forma diferente. O objetivo se torna encontrar um conjunto de trocas favoráveis entre os objetivos e não um ponto absoluto. Esses valores, que representam as trocas favoráveis, é a fronteira de Pareto. Nesse conceito, um valor é considerado parte dos parâmetros ótimos de Pareto se não for possível melhorar um objetivo sem influenciar negativamente outro (NGATCHOU et al, 2005). Para obter esses parâmetros, funções que representem os objetivos precisam ser determinadas. Uma regressão relacionando os dados dos parâmetros com o objetivo (que são as razões S/N) fornece as seguintes equações: π/ππ‘πππ = β0,11 × π΅ β 1,30 × πΆ β 56,35 (10) π/ππππçπ = β0,002 × π΅2 β 0,039 × π΅ + 23,68 × πΆ² β 30,2 × πΆ β 51,14 (11) -61,00 -60,00 S/N temperatura -59,00 -58,00 -57,00 -51,00 -51,50 -52,00 -52,50 -53,00 -53,50 -54,00 -54,50 -55,00 -55,50 -56,00 S/N força Analisando a relação entre π/ππππçπ e π/ππ‘πππ com os valores possíveis para B e C (velocidade de prensagem variando de 5 à 25mm/s e coeficiente de atrito assumindo os valores 0,2, 0,3 e 0,7), temos: Atrito 0.2 Atrito 0.3 Atrito 0.7 Figura 5. Gráfico S/N força x S/N temperatura Avaliando a Fig. (5), podemos observar que o grupo de valores com o coeficiente de atrito 0,2 representa a fronteira de Pareto e são as soluções procuradas. Realizando a regressão nesses pontos, tem-se a relação: π/ππππçπ = β0,3422 × π/ππ‘πππ β 71,821 (12) Essa equação pode ser utilizada para a determinação da velocidade de prensagem, mas será sempre uma troca entre um valor mais apropriado para a temperatura e um valor mais apropriado para a força máxima de prensagem. 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste trabalho, um processo de forjamento a quente por matriz fechada foi estudado com o objetivo de avaliar o impacto dos parâmetros na força máxima de prensagem e na temperatura máxima alcançada pela matriz utilizando o método dos elementos finitos como executor de experimentos de forma virtual. O método de Taguchi e a análise de variância foram empregados para analisar a influencia de cada parâmetro de processo no resultado final. As relações entre as variáveis foram determinadas por regressões e uma família de parâmetros ótimos de processo foi determinada chegando as seguintes conclusões: ο· O método de Taguchi é uma ferramenta efetiva na correlação entre as variáveis e determinação dos parâmetros devido a sua metodologia simples para o planejamento de experimento e analise de resultados; ο· A análise de variância permitiu determinar que, para este caso, a temperatura tem pouca influência na força de prensagem, mas esse resultado não deve ser generalizado. A variação entre 900ºC e 1200ºC é indiferente após passar por todas as etapas deste processo, promovendo resultados com pouca diferença; ο· Menores temperaturas iniciais nas peças e menores valores de atrito são desejáveis. A velocidade de prensagem precisa ser avaliada como uma troca entre o objetivo de diminuir a força de prensagem e diminuir a temperatura máxima da matriz, preferindo-se valores que se encontrem na Fronteira de Pareto, que foi determinada através de uma regressão. 7. REFERÊNCIAS ARCHARD, J. F. Contact and Rubbing of Flat Surfaces. Journal of Applied Physics, v. 24, n. 8, p. 981β988, 1953. BARRAU, O. et al. Analysis of the friction and wear behaviour of hot work tool steel for forging. Wear, v. 255, n. 7-12, p. 1444β1454, ago. 2003. BEHRENS, B.-A.; SCHMIDT, I. Improving the properties of forged magnesium parts by optimized process parameters. Journal of Materials Processing Technology, v. 187-188, p. 761β765, jun. 2007. BRAMLEY, A. N.; MYNORS, D. J. The use of forging simulation tools. Materials & Design, v. 21, n. 4, p. 279β286, ago. 2000. GAO, Z.; GRANDHI, R. V. Microstructure optimization in design of forging processes. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 40, n. 5, p. 691β711, abr. 2000. JANG, Y.-S.; KO, D.-C.; KIM, B.-M. Application of the finite element method to predict microstructure evolution in the hot forging of steel. Journal of Materials Processing Technology, v. 101, n. 1-3, p. 85β94, abr. 2000. KCHAOU, M. et al. Failure mechanisms of H13 die on relation to the forging process β A case study of brass gas valves. Engineering Failure Analysis, v. 17, n. 2, p. 403β415, mar. 2010. KO, D.-C.; KIM, D.-H.; KIM, B.-M. Application of artificial neural network and Taguchi method to preform design in metal forming considering workability. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 39, n. 5, p. 771β785, maio 1999. KOBAYASHI, S.; OH, S.-I.; ALTAN, T. Metal Forming and the Finite-Element Method. Nova Iorque: Oxford Univesity Press, 1989. p. 377 KOPAΔ, J.; BAHOR, M.; SOKOVIΔ, M. Optimal machining parameters for achieving the desired surface roughness in fine turning of cold pre-formed steel workpieces. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 42, n. 6, p. 707β716, maio 2002. KOPP, R. Some current development trends in metal-forming technology. Journal of Materials Processing Technology, v. 60, n. 1-4, p. 1β9, jun. 1996. LEE, S. .; YANG, D. . An assessment of numerical parameters influencing springback in explicit finite element analysis of sheet metal forming process. Journal of Materials Processing Technology, v. 80-81, p. 60β67, ago. 1998. LI, B.; NYE, T. J.; METZGER, D. R. Multi-objective optimization of forming parameters for tube hydroforming process based on the Taguchi method. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 28, n. 1-2, p. 23β30, 13 abr. 2005. MSC.SOFTWARE. simufact. material, 2013. NGATCHOU, P.; ZAREI, A.; EL-SHARKAWI, A. Pareto Multi Objective Optimization. Proceedings of the 13th International Conference on, Intelligent Systems Application to Power Systems, p. 84β91, 2005. ÖCHSNER, A.; MERKEL, M. One-Dimensional Finite Elements. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2013. p. 398 PERSSON, A.; HOGMARK, S.; BERGSTRÖM, J. Thermal fatigue cracking of surface engineered hot work tool steels. Surface and Coatings Technology, v. 191, n. 2-3, p. 216β227, fev. 2005. SONG, J.-H.; IM, Y.-T. Process design for closed-die forging of bevel gear by finite element analyses. Journal of Materials Processing Technology, v. 192-193, n. 10, p. 1β7, out. 2007. 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação 18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil Copyright © 2015 ABCM SUMMERVILLE, E.; VENKATESAN, K.; SUBRAMANIAN, C. Wear processes in hot forging press tools. Materials & Design, v. 16, n. 5, p. 289β294, jan. 1995. TAGUCHI, G.; CHOWDHURY, S.; WU, Y. Taguchiβs Quality Engineering Handbook. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2005. p. 1660 TONG, L.-I.; SU, C.-T.; WANG, C.-H. The optimization of multi-response problems in the Taguchi method. International Journal of Quality & Reliability Management, v. 14, n. 4, p. 367β380, 1997. VILLARES. Aços para trabalho a quente - VMO, 2009. Disponível em: <http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/FT_12_VMO.pdf> YANG, W. H.; TARNG, Y. S. Design optimization of cutting parameters for turning operations based on the Taguchi method. Journal of Materials Processing Technology, v. 84, n. 1-3, p. 122β129, dez. 1998. YURGEL, C. C. Substituição do processo de usinagem de forjamento a quente na fabricação da pré-forma de brocas de furação de rochas. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2007. 8. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. EVALUATION OF FORGING PARAMETERS USING THE TAGUCHI METHOD FOCUS ON THE THERMAL AND MECHANICAL DIE SOLICITATION Danilo dos Reis Lima, [email protected] Raoni Barreto de Oliveira, [email protected],2 Charles Chemale Yurgel, [email protected] Rodrigo Santiago Coelho, [email protected] 1 2 SENAI CIMATEC, Instituto Senai de Inovação em Conformação e União de Materiais, Salvador-BA, Brasil Fraunhofer-Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU, Chemnitz, Germany Abstract: In the hot forging process, the life of the dies is an important factor for its relation with the cost of production which is related to the loss of product and tool exchange. The wear processes of the dies are related to the thermal and mechanical cycles to which they are subjected. This work presents a method to assess the initial effects of friction, press speed and temperature on the sample and suggests an improved working condition from the mechanical and thermal stresses point of view. The Taguchi method was used to design an orthogonal matrix of experiments that are conducted virtually by the Finite Element Method (FEM). The results were evaluated by the Taguchi method for each parameter and an analysis of variance (ANOVA) was performed to determine the contribution of each of these parameters in the results. In addition, an evaluation in order to minimize the maximum force and maximum temperature reached in the die per cycle was proposed. The analysis showed to be efficient in mapping the ideal working conditions for the proposed study and is a step forward to the optimization of thermal and mechanical solicitations in forging processes. Key words: Finite Element Method, hot forging, Taguchi method, tool life
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