O presente trabalho propõe a não dissociação entre a atividade técnica e a análise econômica de todo o cenário envolvido pela prática industrial. Para tanto, aborda-se um estudo de caso, sugerindo a utilização de ferramentas de simulação computacional de materiais e de processos, com alto comprometimento com os fenômenos teóricos fundamentais e com a correta elaboração e validação do modelo computacional

O presente artigo demonstra os resultados econômicos positivos obtidos por uma engenharia metódica e assistida pela simulação numérica. Assim, considera-se uma operação de forjamento por martelamento, sendo possível, no entanto, aplicar a metodologia utilizada a qualquer processo de conformação mecânica, incluindo forjamento por prensagem, matrizes abertas ou fechadas, extrusão e outros.

Martelamento

A conformação mecânica pode ser realizada com o uso de prensas ou marteletes. Conforme a complexidade da geometria da peça final desejada, pode ser necessário o desenvolvimento de operações anteriores à prensagem, ou ao martelamento, denominadas “operações de pré-forma”. Em uma operação de forjamento a quente, por exemplo, o tarugo é aquecido em um forno (Figura 1(a)) e em seguida conformado livremente (em matriz aberta) com o auxílio de um martelete (Figura 1(b)). Assim, a geometria obtida com o martelete é denominada pré-forma.

O martelo é um equipamento bastante eficaz na obtenção de peças complexas, com relativa grande massa metálica, através da deformação plástica. A Figura 2 mostra um martelo de forjamento típico no qual a matriz superior é acoplada a um sistema que se eleva, acumula energia potencial e utiliza essa energia para golpear o tarugo, ou pré-forma. Não raramente, os martelos possuem uma aceleração por ar comprimido, maximizando a energia do golpe de forjamento. Uma vez que a energia empregada pelo martelo é transformada, principalmente, em deformação plástica, além de perdas para todo o sistema, podem ser necessários vários golpes de forjamento em uma mesma peça de trabalho para que se obtenha a geometria final.

Conformar uma peça a altas temperaturas é uma alternativa para se reduzir a energia necessária durante as operações de martelamento, além de permitir maiores deformações plásticas ao material sem que este sofra fraturas durante o processamento. Para demonstrar esse fato, a Figura 3 mostra as curvas de escoamento de um aço SAE 3310, obtidas através do software JMatPro[3], para diferentes temperaturas do material. Observa-se que à temperatura ambiente (25 °C) as tensões necessárias para se deformar plasticamente um material são bastante elevadas quando comparadas com as tensões para o mesmo material a temperaturas acima de 1.000 °C. Com isso, o forjamento a quente é facilitado em detrimento do forjamento a frio, uma vez que o material se torna menos resistente mecanicamente[4].

Além da influência da temperatura no comportamento do material durante a conformação mecânica, a velocidade com que a deformação ocorre também influencia no comportamento do material[4]. Especialmente em operações de martelamento, a velocidade de impacto da matriz contra o tarugo e, consequentemente, a velocidade de deformação desse tarugo são muito elevadas. Uma vez que a deformação pode ser definida, a velocidade com que se deforma o material pode ser descrita como a quantidade de deformação por unidade de tempo, em segundos, resultando no que pode ser chamado de “taxa de deformação”, usualmente dada em “1/s” ou “s-1”. No martelamento, as taxas de deformação podem ultrapassar 1.000 s-1. A influência dessa elevada taxa de deformação sobre a resistência mecânica do material sendo forjado está exemplificada na Figura 4, obtida através do software JMatPro. Observa-se que a curva de escoamento de um dado material metálico a quente aumenta sua resistência à deformação à medida que sua taxa de deformação (velocidade de processamento) aumenta. Ainda, é possível perceber que elevadas taxas de deformação postergam para maiores deformações o processo de rescristalização dinâmica do material em relação a sua deformação plástica sofrida. Vale ressaltar que o aumento da resistência mecânica com a taxa de deformação é maior quanto maior for a temperatura de processamento do material.

Custos

Diante de um processo de fabricação complexo, como é o caso da indústria de forjamento, a tarefa de se elaborar cotações para cada novo produto, solicitado pelo cliente, possui variáveis de relevante incerteza. É necessário considerar custos relativos à quantidade de matéria prima, custos de operação como corte, forjamento, tratamento térmico e acabamento, além de inspeção e custos administrativos.

Com o intuito de se exemplificar o processo de formação de preço em uma forjaria, observa-se a Tabela 1. Os dados correspondem a um caso hipotético, no qual a empresa realizou a previsão de custos e preço de venda, objetivando uma margem de lucro de 40%. No entanto, após apresentação dos preços ao cliente, houve a necessidade de negociação dos valores de venda. Com o intuito de conseguir o cliente e garantir o faturamento, a forjaria aceitou reduzir sua margem de lucro. A Tabela 2 mostra a modificação na previsão de lucro após a negociação do preço de venda para os cinco tipos de peças. É notório que a negociação do preço tem influência direta na receita e, portanto, no lucro da empresa.

De toda maneira, mesmo após a negociação dos preços de venda com o cliente, a empresa continuou gerando lucro. As finanças se mantiveram saudáveis, mas o risco de sobrevivência da empresa aumentou. Então, após o recebimento da Ordem de Compra, foi realizado o “try-out” das novas peças solicitadas pelo cliente. Contudo, observou-se que, para o presente caso hipotético, os custos de fabricação das peças “A” e “B” são na realidade maiores do que o previsto anteriormente durante a fase de cotação de preços. Inclusive, a peça “A” não somente teve seu custo de fabricação aumentado, mas também passou a gerar prejuízo para a empresa.

Sendo a peça “A” um produto estratégico na relação da empresa com o cliente, decidiu-se manter a fabricação da peça “A”, tendo em vista que o cenário ainda resulta em lucro frente à carteira de cinco produtos desse cliente. No entanto, um eventual aumento na quantidade de peças “A” passa a ter efeito direto na redução do lucro da empresa, fazendo com que essa relação fique comprometida. A Tabela 4 mostra o efeito na previsão de lucros caso o cliente aumente o pedido referente à peça “A”.

Em suma, a Figura 5 mostra a evolução do lucro resultante para uma determinada carteira de produtos. A primeira previsão (Figura 5(a)) considerou 40%. Após a negociação com o cliente, a previsão de lucro foi reduzida para 22% (Figura 5(b)). Em seguida, com a Ordem de Compra e o try-out realizado, ajustou-se o custo de fabricação de algumas peças, impactando na previsão (Figura 5(c)). Finalmente, considerou-se um eventual aumento na quantidade de uma peça com margem negativa, situação essa que comprometeria ainda mais a margem de lucro (Figura 5(d)).

Portanto, compreende-se que a metodologia de formação de preço e determinação da margem de lucro até aqui demonstrada constitui um cenário usual na indústria do forjamento. Esse procedimento pode inviabilizar o atendimento ao cliente, impactando na negociação e comercialização de produtos e até mesmo na sobrevivência ou evolução de uma companhia. A Figura 6 mostra um resumo da prática industrial comum na formação de preços, sendo essa entendida como danosa à saúde financeira da empresa. A continuação do presente artigo propõe e demonstra a modificação dessa prática, maximizando a assertividade na cotação de novas peças, além de propiciar o desenvolvimento de melhores práticas no processo de forjamento.

O autor Stemler, P.M.A. é graduado em Engenharia Metalúrgica pela UFMG e Assistente Técnico pela 6Pro Virtual&Practical Process (pedro.stemler@sixpro.pro). O coautor Haase, O.C. é graduando em Engenharia Mecânica pela UFMG e colaborador pela empresa 6Pro Virtual&Practical Process (olavo.haase@sixpro.pro). O coautor Oliveira, F.S. é Engenheiro de Processos em forjaria parceira* e o coautor Oliveira, S.F. é Gerente Industrial na mesma (contato@sixpro.pro). O coautor Lobenwein, R.R. é Engenheiro Mecânico pela UFMG com larga experiência no setor comercial e Gerente Comercial pela 6Pro Virtual&Practical Process (rodrigo@sixpro.pro). O coautor Duarte, A.S. possui pós-doutorado na área de Metalurgia da Transformação, é Professor pela UFMG e pela PUC Minas e Consultor Técnico pela 6Pro Virtual&Practical Process (alisson@sixpro.pro). *A apresentação dos resultados foi autorizada pela forjaria parceira, exceto o seu contato.