Nesse contexto, o uso de ferramentas computacionais tem ganhado espaço dentro do processo produtivo. Etapas até então consideradas críticas e com influência nos processos subsequentes puderam, através da associação de simulações, ter o seu comportamento previsto e o seu impacto nas etapas posteriores mensurada e, não raramente, atenuada.

A exemplo dessa associação de simulações, pode-se citar a aplicação da ferramenta computacional no processo de forjamento seguido de têmpera. No que diz respeito ao forjamento, através da simulação, é possível traçar a distribuição de temperatura ao longo da peça durante a conformação, além de ser possível prever defeitos que são comuns ao processo, como por exemplo o dobramento ou a falta de preenchimento, gerados durante o escoamento plástico do material. No caso do tratamento térmico, etapa posterior ao forjamento, é possível obter resultados de caráter metalúrgico e mecânico, como microestruturas, tensões e distorções, permitindo avaliar de maneira simples opções de otimização do processo.

Apresenta-se nas Figs. 1, 2 e 3 alguns resultados das simulações de forjamento e de têmpera em uma flange de aço AISI 1045 (obtido via JMatPro).  A Fig. 1 apresenta o resultado da distribuição de temperatura na peça logo após a conformação a 1100°C. É possível observar que ao final do processo a região que esteve em contato com a matriz inferior teve uma menor temperatura, proveniente da transferência de calor da peça com a ferramenta. Também é possível observar que nas regiões onde ocorreram maior deformação houve um aumento de temperatura, sendo claro o gradiente térmico existente na peça após a conformação. Através do resultado descrito, pode-se dizer que a peça sai do forjamento a uma alta temperatura sendo possível estudar um posterior e imediato tratamento térmico. Essa sequência de processos seria uma alternativa durante a fabricação quando a geometria forjada é muito próxima da geometria final ou mesmo quando não há uma usinagem de acabamento pós-conformação.

Antes de ser submetida à têmpera, logo após ser forjada e rebarbada, considerou-se que a flange foi resfriada ao ar até a temperatura ambiente. Na Fig. 2. é apresentado um resultado de microestrutura (fração volumétrica de martensita) presente na flange após a simulação do tratamento térmico de têmpera em água. Observa-se que as regiões externas, aquelas que tiveram contato direto com o meio, resfriaram mais rapidamente formando martensita, enquanto o núcleo teve menor quantidade do constituinte.

Por último, apresenta-se na Fig.3 a distribuição da dureza na flange após a têmpera. É possível observar, em conjunto com o resultado de microestrutura, que a região de maior dureza foi aquela com maior percentual de martensita, enquanto as regiões no interior da flange tiveram o seu valor de dureza decrescido de forma gradual em acordo com a quantidade volumétrica de martensita presente naquela região. Logo, foi possível avaliar se o tratamento térmico proposto alcançou o seu objetivo e se há possibilidades de otimização do processo através da variação de parâmetros, sem prejudicar as propriedades finais da peça.

Diante de tudo isso, o uso de simulações se mostra uma boa prática na otimização e na previsão das possíveis não-conformidades que possam ocorrer durante toda a fabricação. Tendo em vista a capacidade de se prever o comportamento da peça em cada etapa, é possível variar computacionalmente os parâmetros de processo de maneira a auxiliar no encontro de uma configuração que elimine os problemas e defeitos. Dessa forma, há um ganho em cada etapa do processo produtivo, contribuindo em toda a cadeia produtiva.

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Contudo, apostar em uma ferramenta requer garantia de qualidade e resultados responsáveis, sendo essa capaz de realizar análises de ciclos térmicos, microestruturas finais, tensões residuais e distorções provenientes do tratamento térmico. Para tal efeito, é necessário também o uso de dados de entrada coerentes e seguros sobre o material a ser utilizado na simulação. Dessa forma, o software deve permitir a conexão com dados externos, a fim de se obter um resultado final confiável e satisfatório. A exemplo dessa funcionalidade, muitas empresas fazem o uso do software de tratamento térmico por análise numérica em conjunto com o JMatPro, software descrito em edições passadas nesta coluna, ambos já testados pela SIXPRO.

Através da simulação, operações de tentativa e erro, práticas comuns na indústria, poderiam ter a sua frequência de realização reduzida devido ao direcionamento dado pelos resultados simulados. Além do mais, através das informações disponibilizadas, decisões que acarretam em minimização de custos poderiam ser tomadas de forma mais confiável e assertiva. Essas reduções podem estar baseadas, por exemplo, na redução de energia dos fornos, na implementação de ações corretivas, nas distorções, nas tensões envolvidas ou na otimização do tempo de processo e dos meios de resfriamento.

Apresentam-se nas Figs. 1 e 2 alguns resultados obtidos na simulação de tratamento térmico realizada no software Sysweld para uma engrenagem sujeita a operações de cementação, seguidas de têmpera em óleo, sendo esse um procedimento usual adotado pela indústria na fabricação de engrenagens. O material utilizado para a realização do procedimento foi um Aço-Cromo-Manganês com 0,16 % de carbono, obtido via JMatPro.

É possível observar na Fig. 1 os resultados referentes à quantidade de carbono e sua disposição na engrenagem após a cementação. A partir dos mesmos, é possível mensurar a profundidade alcançada na difusão do carbono. Nesse caso, foi observado um teor máximo de 0,9% de carbono na superfície da peça, revelando se o tratamento proposto foi capaz de atingir ou não a dureza esperada na peça.

Já na Fig. 2 são apresentados os resultados cinemáticos da simulação. O gradiente de cores sobre a engrenagem representa de forma quantitativa qual foi o deslocamento sofrido por um determinado nó da malha em relação a sua posição inicial durante o processo, o que reflete na magnitude da distorção naquela região da engrenagem. No caso realizado, houve um deslocamento máximo de 0,07mm. As distorções foram ampliadas 50x e sobrepostas ao contorno da sua geometria inicial, a fim de se fazer uma análise qualitativa, sendo possível notar o sobremetal da engrenagem após todo o tratamento.

A demonstração apresentada indica a capacidade de se prever possíveis problemas durante a produção como perdas com sobremetal, e maiores distorções ou empenamentos, possibilitando preveni-los sem que se tenha gastos excessivos em tryouts. Essas e outras análises possibilitam, por exemplo, ações voltadas para redução do tempo do processo, economia de gás de forno, etc.

Dessa forma, entendendo todas as funcionalidades e benefícios trazidos pelas simulações ao ambiente industrial, fica simples compreender o papel da simulação computacional na redução de custos dentro do processo produtivo, em especial aos processos de tratamento térmico, considerados os mais sensíveis durante a produção.

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