TesedeTrefilação-Molas

8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA

INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DO PROCESSO DE TREFILAÇÃO NO

EMPENAMENTO DE BARRAS DO AÇO SAE 9254.

Santos, C.*; Metz, M.*; Azevedo, J. A.*; Rocha, A.º

* Gerdau Aços Especiais Piratini, Av. Getúlio Vargas 3200 – Charqueadas – RS - Brasil º Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Av. Bento Gonçalvez – Porto Alegre – RS – Brasil

*christian.santos@gerdau.com.br

RESUMO

A necessidade de atender aos requisitos de qualidade, prazo e produtividade cada vez mais é um fator imperativo no mundo globalizado. Dentro deste contexto foi realizado um trabalho com o objetivo de melhorar as condições de empenamento das barras obtidas através do processo de trefilação do aço SAE 9254 (para molas). Neste trabalho foram compiladas as inter-relações entre o empenamento de barras como função de geometria da fieira, velocidade de trefilação, pressão e ângulo de endireitamento em bitolas trefiladas de 12,50 e 14,03 mm de diâmetro. Os resultados obtidos permitiram melhorar os níveis de empenamento iniciais, otimizando o processo de trefilação desta qualidade de aço. Foram, desta forma estabelecidos valores limites para as variáveis críticas de processo estudadas, atendendo assim a qualidade exigida pelo cliente, desde que as mesmas sejam respeitadas.

INTRODUÇÃO

O controle do empenamento é um dos grandes desafios na produção econômica moderna e tem ganho importância nos desenvolvimentos envolvendo redução de custos e peso na construção mecânica. Mudanças dimensionais causadas pelos processos mecânicos, como por exemplo, tratamento térmico e trefilação, têm sido alvo de estudos científicos e industriais. Começando pela investigação, o entendimento dos mecanismos e causas do empenamento tem aumentado significativamente, não apenas suportados por modelos e simulações, mas por estudos experimentais mais aprofundados no tema. Aliado a estas novas tecnologias, as empresas metal-mecânicas necessitam ser dinâmicas a fim de tornarem-se competitivas e garantirem sua sobrevivência.

Dentro deste contexto, foi realizado um trabalho com o objetivo de melhorar a qualidade do material, reduzindo a variabilidade do empenamento de barras no processo de trefilação do aço mola (SAE 9254). Frente a tal cenário, em uma primeira etapa foi realizada a caracterização do aço SAE 9254, empregado para molas de suspensão na indústria automotiva, através de ensaios metalúrgicos e mecânicos. Além disto, foram relacionadas às possíveis causas e efeitos de alterações no processo de trefilação do aço que poderiam vir a afetar a operacionalidade da máquina ou qualidade do produto. Adicionalmente, realizaram-se testes objetivando caracterizar e quantificar os fenômenos presentes durante o processo de trefilação.

Neste trabalho foram compiladas as inter-relações do empenamento com parâmetros do processo especificamente: entre pressão de endireitamento, ângulo de endireitamento, velocidade de trefilação e geometria de fieiras utilizadas na trefila. Foi realizada a caracterização mecânica e metalúrgica do aço base, produto laminado e trefilado nas bitolas 12,5 e 14,03mm.

Finalmente, com os resultados obtidos, foram otimizados e padronizados os parâmetros de trefilação, com o intuito de estabilizar a variabilidade do processo e minimizar o empenamento das barras atendendo assim a requisitos de clientes.

Aços Molas

Em inúmeras máquinas e motores é necessário empregar molas que trabalham elasticamente absorvendo esforços e armazenando energia durante certo tempo para devolver depois. O fundamento do funcionamento das molas se baseia na propriedade que alguns materiais possuem entre eles o aço, de poder sofrer importantes deformações elásticas quando submetidas a esforços, onde estas deformações desaparecem logo que cessa o esforço [1]. Uma das principais características que um material deve ter para isto ocorrer é um elevado limite elástico, e isto o aço mola possui. Uma das classes de molas é conhecida como molas helicoidais. Estas constituem um dos principais elementos elásticos na suspensão dos veículos. Tem como objetivo proporcionar conforto e estabilidade. São elas que absorvem os impactos provocados por irregularidades do terreno, onde em conjunto com elementos estruturais, proporcionam conforto e estabilidade, mantendo o equilíbrio e dirigibilidade do veículo. Um exemplo de mola helicoidal é mostrado na figura 1.

Processo de Trefilação

Há três maneiras fundamentais para produzir uma peça de aço com seção especial (características intrínsecas): extrusão a quente, laminação com forma definida e trefilação. Das três formas, a trefilação pode ser considerada a mais conhecida. A trefilação é um processo de conformação a frio onde existe a redução da seção da barra ou fio máquina quando a mesma passa por um perfil (ferramenta chamada fieira) [2]. Esta ferramenta (matriz) composta por metal duro pode ser confeccionada com diversos perfis e geometrias dependendo da aplicação do produto. Este processo mecânico produz uma combinação de propriedades que pode ser benéfica considerando a variedade e diversidade de produção e suas aplicabilidades: combina-se tensão, alongamento e escoamento além de outros fatores do processo de trefilação e por fim encontra-se a capabilidade para produzir barras ou peças com características mais intrínsecas que qualquer outro processo. Há uma série de variáveis e fatores a serem considerados antes de decidir se o processo de trefilação deve ser utilizado. Muitos levam em consideração o design e o volume de produção. Mas se tratando do processo de manufatura, deve-se levar em consideração o número de operações secundárias que a peça deverá ser submetida a chegar a produto final. Isto porque quanto maior o número de operações maior o custo do processo e qualidade envolvidos. Atualmente as máquinas modernas seguem um fluxo de produção em linha, realizando em seqüência diferentes operações: pré-endireitamento, jateamento, trefila, corte e endireitamento / polimento. [3]. A figura 2 mostra um exemplo típico de uma máquina de trefila combinada.

Fig.1: Mola helicoidal Fig. 2 – Máquina de trefilação com processo contínuo

Durante o processo de trefilação existem inúmeras variáveis que contribuem com o empenamento e tensionamento residual da barra, dentre as quais podemos citar: geometria da fieira, coeficiente de fricção, redução de área, velocidade de trefilação e endireitamento.

Geometria da Fieira

O coração de uma máquina de trefilação sem dúvida é a fieira. A fieira é o ferramental básico para o processo porque ela é a matriz das barras. É neste ponto do processo onde ocorre a redução da seção da barra. O fio máquina pré-endireitado passa pela fieira e dois mordentes paralelos alternativamente puxam o fio através da mesma em um movimento contínuo [4]. A redução (relação entre diâmetro inicial d0 e o diâmetro da barra trefilada d1) é realizada na fieira onde a mesma possui geometria muitas vezes complexa podendo influenciar no empenamento e tensão residual do material. Na geometria da fieira, as dimensões geométricas mais importantes que influenciam nestas distorções da barra são conhecidas como: semi-ângulo α, ângulo de contato l e ângulo de entrada L Estas dimensões podem ser visualizadas na figura 3.

Fig. 3: Parâmetros da geometria da fieira que influenciam no processo de trefilação

Um fator que pode minimizar o empenamento nesta etapa do processo é o bom alinhamento da fieira com a linha de trefilação (fio máquina pós pré-endireitamento). Este alinhamento é feito com ajustes (caso necessário) ao longo do processo.

Endireitamento com duplo rolo

As barras trefiladas, que são usadas como produtos finais, devem cumprir severos requisitos: tolerâncias dimensionais apertadas, ter boa rugosidade superficial, baixo empenamento e boas propriedades mecânicas (dureza, tração, alongamento, escoamento, etc). Na trefila combinada, com referência a parte final do

processo de trefilação existe a operação de endireitamento. Este processo é usualmente realizado por uma máquina de endireitamento de rolos, geralmente com dois rolos hiperbólicos (um convexo e outro côncavo) que impõe rotação e compressão transversal na barra que está passando através da máquina em roto-translação. Este endireitamento é realizado a fim de se obter uma maior retilineidade da barra.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Barras acabadas de aço SAE 9254 com diâmetros de 12,50 e 14,03 mm foram obtidas por trefilação em máquina de trefila combinada. Os parâmetros operacionais, reduções utilizadas, bem como as velocidades de trefilação empregadas, geometria de fieira, ângulo e pressão de endireitamento utilizadas nos testes são expressas na tabela 1.

As análises de composição química foram obtidas utilizando espectrômetro de emissão óptica. Já a dureza Brinell do material foi obtida com durômetro. A preparação das amostras para estes ensaios consistiu de corte dos corpos de prova, lixamento e polimento em feltro com pasta de diamante.

Para a análise de microestrutura foi realizado ataque na superfície polida com reagente Nital 2%. A análise de inclusões foi realizada conforme a norma ASTM E 45. As análises das microestruturas foram realizadas na mesma região (meio raio) em todos os corpos de prova e posteriormente visualizadas com Microscópio Óptico.

As variáveis críticas do processo para o presente estudo foram definidas conforme a literatura [3] como: velocidade de trefilação, geometria da fieira, ângulo e pressão dos rolos de endireitamento. No projeto do experimento bem como na análise dos dados empregou-se a ferramenta estatística Design of Experiments (DOE).

A velocidade de trefilação, ângulo e pressão de endireitamento foram ajustados e medidos pelo próprio software da máquina sendo indicado os valores no monitor para controle da operação. A geometria da fieira foi obtida com auxílio do equipamento SCOB (torno de precisão) e o perfil medido com equipamento Taylor Hobson ™_{, indicando o valor de cada variável. A medição do empenamento das barras foi realizada com} auxílio de um relógio comparador. A amostragem das barras acabadas foi realizada aleatoriamente. A barra acabada selecionada foi posicionada em uma mesa com comprimento de 8m com suportes giratórios separados por uma distância de 1m cada. O relógio comparador foi apoiado na parte superior da barra, sendo esta girada no sentido horário e medido o valor do empenamento (em mm) da barra acabada. A figura 4 mostra o método de medição do empenamento.

Tabela 1: Variáveis e parâmetros operacionais

Variáveis de Processo

Bitola (mm)

12,5

14,03

Velocidade de Trefilação (m/min)

50

60

Semi ângulo α (º)

7

10

Redução (%)

14,3

21,9

Ângulo de Endireitamento (º)

15

17,5

Pressão de Endireitamento (A)

10

20

Parâmetros de Processo

Foi utilizado o software estatístico Mini-Tab™ para execução e compilação dos dados e também, correlacionar a média e desvio padrão das medições de empenamento coletados a fim de verificar a variabilidade do empenamento.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Análise da composição química, microestrutura e dureza

A tabela 2 mostra a composição química do material, a dureza antes e após trefila e a microestrutura. Pela análise da dureza verificamos que após a trefila do material temos um encruamento o qual gera um endurecimento do mesmo. Em relação à microestrutura verificamos o tipo perlítica onde esta, após trefila, mostra-se alinhada horizontalmente no sentido da trefilação. Ambos os resultados já eram esperados.

Tabela 2 – Composição em % peso nominal do aço SAE 9254, dureza e microestrutura do material

Elemento Químico C Si Mn P S Cr

% 0,53 1,33 0,65 0,013 0,012 0,65

Dureza antes trefila 225 HB Dureza após trefila 290 HB

Tensão de escoamento σ y = 825 Mpa

Microestrutura

Amostra bruta laminação Amostra Acabada

Influência da velocidade de trefilação no empenamento

A figura 5 mostra a relação do empenamento com a velocidade de trefilação para ambas as bitolas do experimento. Foi observado que variando a velocidade de trefilação de 50 m/min para 60 m/min, há um aumento no empenamento médio das barras acabadas para ambas as bitolas estudadas. Este aumento médio do empenamento é devido a passagem mais rápida da barra pela fieira, criando uma distorção maior entre as tensões do núcleo e superfície da barra, gerando o empenamento. Também com uma maior velocidade no endireitamento e polimento da barra, não é possível obter-se uma retiliniedade tão adequada quando a velocidade é reduzida.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 50 m /min 60 m /min Velocidade de Trefilação E m penamento médi o (mm/ m 12,5 mm 14,03 mm

Fig. 5: Variação do empenamento com aumento da velocidade de Trefilação Influência da geometria da fieira no empenamento

A figura 6 mostra os resultados da variação do semi-ângulo α de 7º para 10º na bitola de 12,5 mm. O aumento deste tende a influenciar fortemente no aumento e variabilidade do empenamento. Isto pode ser explicado pela deformação plástica do material. As zonas de maior deformação do material durante a trefilação são as zonas de entrada do material na fieira. Caso uma fieira possua um ângulo com inclinação elevada (neste caso 10º), haverá pouca área de contato da fieira com a barra, não distribuindo as tensões geradas pela deformação ao longo desta, fixando apenas em um ponto (a zona de contato). Isto ocorre com fieiras que possuem ângulos de contato menores (neste caso 7º), havendo uma maior distribuição de tensões em toda área de contato da barra com a fieira. A figura 7a indica as tensões (região mais escura) concentradas nos cantos onde há o primeiro contato da barra com a fieira. Como o ângulo é alto, o contato é menor. A figura 7b indica as tensões mais distribuídas ao longo da barra devido à incidência menor do ângulo de contato.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 Amostras E m pe na m e nt o ( m m /m ) Semi-ângulo α=10º Empenamento = 0,93 mm/m Semi-ângulo α=7º Empenamento.= 0,57 mm/m

Fig. 6: Variação do empenamento com o aumento do semi-ângulo Fig. 7: Distribuição de tensões na barra Influência dos ângulos e pressão de endireitamento no empenamento

As figuras 8 e 9 mostram os resultados da interação entre geometria de fieira com o ângulo e pressão de endireitamento nas condições propostas. As bases -1 e 1 indicam as condições de contorno utilizadas. Estes

resultados mostram na figura 8 o empenamento médio (mm/m) das amostras e na figura 9 o desvio padrão do empenamento (mm/m). Analisando ambas as figuras observa-se que em um conjunto de interações não temos fatores de significância que influenciam fortemente no empenamento na média. Isto não quer dizer que os fatores em análise não influenciam o empenamento. Cada fator tem sua influência no empenamento, mas quando interagimos os três fatores, nenhum destes implica uma distorção acentuada. Na análise da figura 8, quando verificamos o desvio-padrão, temos uma incidência de forte significância da geometria da fieira no empenamento quando comparada com as condições de contorno do ângulo e pressão de endireitamento. Isto demonstra que um bom alinhamento da fieira com a endireitadeira reduz o empenamento das barras.

Fieira Angulo Pressão

-1 1 -1 1 -1 1 0,65 0,68 0,71 0,74 0,77 m edi a

Fig. 8: Empenamento médio da inter-relação da geometria da fieira, ângulo e pressão de endireitamento

Fieira Angulo Pressão

-1 1 -1 1 -1 1 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 dp ad

Fig. 9: Desvio-padrão médio da inter-relação da geometria da fieira, ângulo e pressão de endireitamento CONCLUSÕES

Este estudo oferece importantes informações sobre as influências dos parâmetros de trefilação (geometria de fieira, velocidade de trefilação, ângulo e pressão de endireitamento) no empenamento de barra.

A composição química mostra que microestrutura do aço SAE 9254 não muda, apenas ocorre um alinhamento da perlita devido ao efeito da trefilação. Também pode-se concluir que a variação da dureza entre a amostra inicial e a trefilada em ambas as bitolas é devido ao encruamento que o material sofre quando passa pela trefila.

As análises realizadas mostram que em uma trefila combinada, quando reduzimos a velocidade de trefilação, teremos uma redução do empenamento médio das barras acabadas. Mas dentre os fatores críticos estudados o que apresentou uma maior influência foi a geometria de fieira, onde o semi-ângulo α tem forte significância no empenamento. A variação dos ângulos e pressão de endireitamento não apresentou influência significativa

no empenamento, apenas cumprindo com suas funções, ou seja, garantindo a retiliniedade e polimento das barras.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer todo o apoio dispensado pela Gerdau Aços Especiais Piratini para a realização deste trabalho.

UNIDADES E NOMENCLATURAS

A Medida de potência da pressão de endireitamento (A) D0 Diâmetro de entrada (mm) D1 Diâmetro de saída (mm) L Ângulo de contato C Carbono Si Silício Mn Manganês P Fósforo S Enxofre Cr Cromo α Semi-ângulo da fieira (º) σy Tensão de escoamento (MPa) REFERÊNCIAS

1. J. A. Barreiro, Aceros Especiales. Ed. Dossat 1966, pág. 127-150.

2. B. A. MacKenzie, Drawn Sections Approach Net Shape. American Machinist, Ago. 1980 3. A. Nakagiri, T. Yamano, M. Konada, Behavior of Residual Stress and Drawing Stress in

Conical-Type Die and Circle-Type Die Drawing by FEM Simulation and Experiment. Wire Journal International, Ago. 2001

4. B. Rivolta, G. Silva, M. Rota e M. Casulito, Drawn Bars: Influence of Straightening Conditions. Wire Journal International, Mai. 2004