WO2016162857A1

WO2016162857A1 - Forja de aço a quente em prensa horizontal

Info

Publication number: WO2016162857A1
Application number: PCT/IB2016/052050
Authority: WO
Inventors: Artur José PEREIRA TEIXEIRA MENDES
Original assignee: Tecniforja Forjagem E Estampagem De Pecas Tecnicas Lda
Current assignee: Tecniforja Forjagem E Estampagem De Pecas Tecnicas Lda
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2017-10-10
Also published as: EP3282025A1; US20180056369A1; US11065673B2

Abstract

A presente divulgação diz respeito a um processo de forjamento de aço, em particular um processo de forjamento de aço a quente em prensa horizontal de um tubo de metal, de preferência um tubo de aço cilíndrico.

Description

D E S C R I Ç Ã O

FORJA DE AÇO A QUENTE EM PRENSA HORIZONTAL

Domínio técnico

[0001] A presente divulgação diz respeito a um processo de forja de aço, em particular um processo de forja de aço a quente em prensa horizontal de um tubo de metal, de preferência um tubo de aço cilíndrico.

Estado da técnica

[0002] A melhor solução existente até agora para obtenção de uma peça, é através do processo de forja a quente em prensa vertical, a partir de varão maciço de aço.

[0003] Esta solução obriga a uma posterior operação de maquinagem profunda, demorada e mais dispendiosa, para se obter a peça para aplicação final.

[0004] Estes factos são divulgados para ilustrar o problema técnico que a presente divulgação soluciona.

Descrição geral

[0005] O principal objetivo da presente divulgação é introduzir evolução na tecnologia para obtenção de uma peça forjada a partir de um tubo metálico, de preferência um tubo de aço cilíndrico.

[0006] O processo tradicional de forja é um processo de forja a quente em prensa vertical e baseia-se na realização dos seguintes pontos: corte da matéria-prima no comprimento necessário à obtenção da peça pretendida; aquecimento do varão maciço de aço; forja a quente do varão maciço de aço em prensa vertical; operação de rebarbar de modo a remover a sucata da peça; tratamento térmico para conferir as propriedades mecânicas necessárias e furação profunda da peça com vista à obtenção da peça final. [0007] A matéria-prima do processo de forja tradicional (forja a quente em prensa vertical) é um varão maciço de aço pelo que este processo obriga a ações de maquinagem profunda. Estas ações de maquinagem profundas são demoradas, dispendiosas e responsáveis por produtos de inferiores características, em particular produtos de média e fraca qualidade.

[0008] Em contraste, a presente divulgação descreve uma solução mais rápida, duradoura e menos dispendiosa do que o processo de forja tradicional (forja a quente em prensa vertical). A divulgação agora exposta descreve a obtenção de uma peça com uma geometria específica a partir de um tubo, utilizando um processo de forja de aço a quente em prensa horizontal.

[0009] Esta divulgação permite utilizar um tubo, de preferência um tubo cilíndrico de aço como matéria-prima, em oposição a um varão maciço de aço como é usado no processo tradicional (processo de forja de aço a quente em prensa vertical). Este tubo, de preferência cilíndrico de aço, pode ser cortado no comprimento necessário à produção da peça e posteriormente moldado, em que o diâmetro, ou a espessura, ou o diâmetro e a espessura da peça final terá 1,5 - 2,5 vezes do diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e a despessura do tubo inicial, sem ruturas ou defeitos na peça final, sendo que a variação de 1,5 - 2,5 vezes não é referente ao comprimento do tubo, uma vez que o referido tubo é cortado de acordo com o comprimento necessário à produção da peça.

[0010] Entende-se como tubo, cano ou conduta, um cilindro (embora possa possuir outros formatos, como o retangular, por exemplo) oco comprido em metal. Pode variar de diâmetro, espessura de parede e comprimento, em que por diâmetro entende-se o diâmetro externo.

[0011] Esta divulgação permite obter uma peça final resistente e estruturalmente estável a partir de um tubo, com os seguintes passos: aquecimento parcial do tubo, de preferência cilíndrico de aço, e posterior submissão do mesmo a duas ou mais deformações (estampagem) em forja de prensa horizontal; operação de rebarbar para retirar a sucata da peça, caso haja necessidade de tal; arrefecimento controlado da peça até à temperatura ambiente e por fim, processos de acabamento como por exemplo torneamento do tubo até à configuração final pretendida.

[0012] Nesta divulgação entende-se que um tubo é geralmente um cilindro oco comprido - embora possa possuir outros formatos, como o retangular e é em metal. Pode variar em diâmetro, em espessura, ou em diâmetro e espessura.

[0013] Numa primeira etapa do processo de forja de aço a quente em prensa horizontal, um tubo de preferência cilíndrico de aço passa por um processo de aquecimento parcial e feito em forno elétrico de indução. Após o processo de aquecimento parcial do tubo, de preferência cilíndrico de aço, este é sujeito a três diferentes deformações (estampagem). Por fim, a peça é arrefecida de forma controlada, no sentido de conferir as propriedades mecânicas requeridas à peça final e obtenção da peça forjada com uma geometria muito próxima da peça semiacabada, o que reduz fortemente a operação de maquinagem seguinte.

[0014] Todas as etapas do processo de forja de aço a quente em prensa horizontal caracterizam-se pela produção da peça final feita com controlo integrado de aquecimento e a partir de um tubo, de preferência cilíndrico de aço.

[0015] As vantagens da presente divulgação são:

• o fluxo das fibras da matéria-prima não é interrompido, isto é, a deslocação das fibras é no sentido do seu posicionamento na matéria-prima, o que confere maior estabilidade da peça e redução de tensões na mesma;

• o processo de maquinagem posterior é bastante mais barato com tempos de ciclo mais baixos e com ferramentas mais baratas;

• os próprios equipamentos necessários a esta operação não terão de ser tão robustos, dada a redução de esforços necessária para o efeito;

• o manuseamento da peça forjada é mais simples e prático, uma vez que por este processo a peça forjada pesa cerca de 50 % menos do que a obtida pelo processo tradicional; • o equipamento de forja necessário à execução da peça pelo novo processo de forja de aço a quente em prensa horizontal não necessita de tanta potência e capacidade quando comparado com o processo tradicional, uma vez que a área projetada é muito menor, logo o processo de forja de aço a quente em prensa horizontal é mais barato e rápido de ser amortizado;

• diminuição do consumo de matéria-prima .

[0016] Pelos factos enumerados, a presente divulgação tem larga aplicação na indústria mundial de forjamento de peças em aço e destina-se a obter peças a partir de um tubo com uma conformação específica e, que mantenham as mesmas propriedades mecânicas que as peças obtidas por outros processos - nomeadamente a partir de varões maciços, e que ainda simultaneamente sejam mais leves.

[0017] O presente pedido diz respeito a um processo de forja, ou processo de forjamento, que tem como finalidade alterar o formato do tubo metálico, em particular um tubo cilindro de aço, em que uma porção da peça obtenível tem um diâmetro, ou uma espessura, ou um diâmetro e uma espessura entre 1,5 - 2,5 vezes o diâmetro, a espessura ou o diâmetro e a espessura do tubo metálico. O processo referido nesta divulgação compreende os seguintes passos: aquecer uma porção do tubo metálico que se pretende alterar o formato;

prensar a porção aquecida para aproximar a porção aquecida a uma geometria pré-definida da peça a obter;

submeter a porção aquecida e prensada da peça a uma segunda prensagem para obter a porção da peça a obter com a geometria pré-definida da peça a obter; em que a geometria pré-definida da peça a obter tem uma porção da peça a obter com 1,5 - 2,5 vezes o diâmetro, ou a espessura, ou o diâmetro e a espessura, do tubo metálico.

[0018] N uma forma de realização, a peça a obter pode ser uma luva/garfo eixo (sleeve yoke) nomeadamente de camiões. [0019] Numa forma de realização, o processo de forja pode compreender adicionalmente uma terceira ou quarta prensagem da peça.

[0020] Numa forma de realização, a prensa é uma prensa do tipo horizontal.

[0021] Numa forma de realização, a porção da peça a obter pelo processo de forja pode ter entre 1,8 - 2,3 vezes do diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura do tubo metálico, de preferência 1,9 vezes do diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura do tubo metálico; 2 vezes de diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura do tubo metálico; 2,1 vezes de diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura do tubo metálico; 2,2 vezes do diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura do tubo metálico.

[0022] Numa forma de realização, o tubo metálico é um cilindro.

[0023] Numa forma de realização, tubo metálico é um tubo de aço.

[0024] Numa forma de realização, o processo de forja pode compreender ainda o aquecimento parcial do tubo, de preferência cilíndrico de aço, com uma temperatura entre 1300 °C e 1400 °C, de preferência entre 1340 e 1360 °C.

[0025] Numa forma de realização, o aquecimento parcial do tubo, de preferência um tubo cilíndrico de aço, pode ser feito num forno elétrico de indução.

[0026] Numa forma de realização, o forjamento do tubo cilíndrico de aço pode ser parcialmente aquecido é realizado em 180 segundos, de preferência 120 segundos, de preferência 60 segundos, de preferência 30 segundos, de preferência 15 segundos.

[0027] Numa forma de realização, o processo de forja pode ainda compreender um arrefecimento controlado do tubo metálico, de preferência do tubo cilíndrico de aço, nomeadamente usando rampas de temperatura em particular com uma temperatura entre 900-1000 °C até à temperatura ambiente, com uma velocidade do tapete em cerca de 8 m/h e com um caudal de ar debitado de cerca de 200m³/h. [0028] N uma forma de realização, o processo de forja pode ainda compreender uma passagem da peça por um túnel de arrefecimento com uma variação de velocidade do tapete do túnel e uma variação do caudal de ar forçado que passa no mesmo de modo a promover o arrefecimento controlado do tubo metálico, em particular um tubo cilíndrico de aço. A velocidade do tapete do túnel pode variar, em particular entre 5 - 20 m/h, de preferência 10 - 15 m/h e o caudal de ar debitado no interior do túnel pode variar entre 100 - 300 m³/h, de preferência 120 - 290 m³/h, e suas combinações.

[0029] O presente pedido descreve ainda uma peça obtenível pelo processo de forjamento descrito a partir de um tubo, de preferência cilíndrico de aço, em que a peça final apresenta características mecânicas equivalentes a de peças obtidas a partir de varões maciços.

[0030] N uma forma de realização, a peça a obter é uma peça para um automóvel, em particular para um camião; sendo que a referida peça pode ser um eixo, um semi-eixo de um automóvel, ou luva/garfo eixo (sleeve yoke) nomeadamente de camiões.

[0031] N uma forma de realização, a peça a obter pode compreender um peso entre 0,150 - 40 kg.

[0032] Ao longo da descrição e reivindicações a palavra "compreende" e variações da palavra, não têm intenções de excluir outras características técnicas, como outros componentes, ou passos. Objetos adicionais, vantagens e características da divulgação irão tornar-se evidentes para os peritos na técnica após o exame da descrição ou podem ser aprendidos pela prática da divulgação. Os seguintes exemplos e figuras são fornecidos como forma de ilustrar, e não têm a intenção de serem limitativos da presente divulgação. Além disso, a presente divulgação abrange todas as possíveis combinações de formas de realização particulares ou preferenciais aqui descritas.

Breve descrição das figuras

[0033] Para uma mais fácil compreensão da solução juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais da divulgação que, contudo, não pretendem limitar o objeto da presente divulgação. [0034] Figura 1: Fluxograma do processo de forja de aço a quente em prensa horizontal.

[0035] Figura 2: Perspetiva lateral do tubo cilíndrico de aço inicial.

[0036] Figura 3: Perspetiva lateral do tubo cilíndrico de aço aquecido em que:

1 representa a zona do tubo que foi sujeita a aquecimento;

2 representa a zona do tubo que não foi sujeita a aquecimento.

[0037] Figura 4: Perspetiva lateral do tubo cilíndrico de aço colocado na matriz pré com tubo cilíndrico de aço aquecido em que: 3 representa a matriz.

[0038] Figura 5: Perspetiva frontal da matriz pré com pré forma.

[0039] Figura 6: Perspetiva lateral superior da matriz final com pré-forma.

[0040] Figura 7: Perspetiva lateral superior da peça final com peça final.

[0041] Figura 8: Perspetiva superior do tubo cilíndrico de aço inicial.

[0042] Figure 9: Perspetiva lateral do tubo cilíndrico de aço inicial aquecido.

[0043] Figure 10: Perspetiva lateral do tubo com a segunda pré-forma.

[0044] Figure 11: Perspetiva lateral do tubo final com rebarba.

[0045] Figure 12: Perspetiva lateral do tubo sem rebarba em que (a) representa a espessura da peça obtida após o processo de forja agora divulgado.

Descrição detalhada

[0046] A obtenção de uma peça através de um processo de forja de aço a quente em prensa horizontal, em que a peça obtida não necessita de maquinação e não apresenta fissuras é feita através da realização de três ou de quatro etapas:

• aquecimento da matéria-prima ou tubo, de preferência um tubo cilíndrico de aço;

• forjamento em três etapas da porção tubo a alterar parcialmente aquecido; • rebarbagem da sucata produzida e

• opcionalmente arrefecimento controlado da peça forjada.

[0047] A primeira etapa de obtenção de uma peça através de um processo de forja de aço a quente em prensa horizontal abrange o aquecimento do tubo, de preferência um tubo cilíndrico de aço. Numa realização preferencial, a matéria-prima, sob a forma de tubo, de preferência cilíndrico de aço, é aquecida parcialmente num forno elétrico de indução. Desta forma, apenas se aquece o comprimento do tubo, de preferência cilíndrico de aço, que se pretende deformar por forja de aço a quente em prensa horizontal, ficando o restante inalterável por estar muito próximo da temperatura ambiente.

[0048] Durante esta primeira etapa, o tempo e a temperatura final de aquecimento são monitorizados e ajustados de acordo com a configuração da peça final pretendida . Esta monitorização é de particular importância, uma vez que garante a uniformização do processo, quer na posterior deformação da matéria-prima, quer na composição química da peça final. No sentido de se obter a deformação necessária da matéria-prima, esta é aquecida até uma temperatura que ronda os 1300 - 1400 °C.

[0049] A segunda etapa do processo de forja em aço a quente em prensa horizontal consiste no forjamento da matéria-prima ou tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido. No decorrer desta etapa é necessário realizar os seguintes passos de estampagem:

• aumento do diâmetro, da espessura ou do diâmetro ou espessura do tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido;

• aproximação à geometria final da peça e;

• estampagem da peça à geometria final.

[0050] O aumento do diâmetro, da espessura, ou do diâmetro e espessura do tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido realiza-se com o intuito de facilitar a conformação posterior da peça. Desta forma, o tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido é submetido a uma deformação radial no sentido de se obter uma diferença de diâmetros próxima da peça final pretendida, esta diferença varia entre 1,5 - 2,5 vezes da dimensão inicial, em particular varia entre 1,5 - 2,5 vezes o diâmetro, da espessura, ou do diâmetro e da espessura do tubo inicial contudo as diversas operações têm de ser controladas para evitar produtos com defeitos ou com menor rigidez mecânica, etc... Nos casos em que o diâmetro do tubo cilíndrico de aço é próximo do diâmetro que se pretende deformar, este primeiro passo - aumento do diâmetro do tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido - pode ser evitado. Nos casos em que a espessura do tubo cilíndrico de aço é próximo da espessura que se pretende deformar, este primeiro passo - aumento da espessura do tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido - pode ser evitado.

[0051] O segundo passo da etapa de forjamento do tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido caracteriza-se com a aproximação à geometria final, distribuindo-o na proporção correta de forma a encher perfeitamente no terceiro passo. Neste passo é fundamental a concentricidade da ferramenta para que o material se distribua de forma correta, evitando-se assim problemas posteriores de rebarbas ou falhas de enchimento.

[0052] No terceiro passo da etapa de forjamento do tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido, a ferramenta tem a geometria da peça final, permitindo assim obter a peça pretendida após estampar nesta posição. No sentido de se obter uma deformação o mais perfeita possível e, ao mesmo tempo, evitar o desgaste prematuro da ferramenta, as três operações devem ser executadas num período de tempo que não deve exceder de preferência os 180 segundos, de preferência os 120 segundos, de preferência não deve exceder 60 segundos, ou ainda mais preferencialmente não deve exceder os 15 segundos.

[0053] Desta forma, com a realização dos passos que caracterizam a etapa de forjamento, o forjamento da matéria-prima ou tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido, o tubo cilíndrico de aço parcialmente aquecido é sujeito a três diferentes prensagens/deformações/estampagem até à obtenção da peça final. Estas deformações são obtidas através do fecho de uma ferramenta com três diferentes matrizes, provocado pelo movimento de uma prensa horizontal. Assim, a peça final é obtida após o tubo cilíndrico de aço inicial percorrer as três diferentes posições da ferramenta, num tempo que deve, de preferência, ser inferior a 180 segundos, inferior a 120 segundos, inferior a 60 segundos, inferior a 30 segundos ou os inferior a 15 segundos.

[0054] Numa realização preferencial, a etapa de rebarbagem pode ser opcional e pode ser realizada quando é necessário remover a sucata produzida durante as etapas anteriores.

[0055] Numa realização preferencial, a etapa de arrefecimento do processo de forja de aço a quente em prensa horizontal pode ser opcional. O arrefecimento é controlado após a operação de forja, a peça é extraída da ferramenta a cerca de 900 °C e dependendo das operações posteriores, a peça é arrefecida em função da sua aplicabilidade.

[0056] Numa realização preferencial, o arrefecimento controlado da peça tem, também, por função evitar um tratamento térmico posterior na peça, caso se consiga conferir as propriedades mecânicas exigidas através do arrefecimento. A definição do processo de arrefecimento depende da qualidade da matéria-prima, das dimensões da peça e, conforme dito anteriormente, da sua aplicabilidade.

[0057] Numa realização preferencial, o processo de arrefecimento é definido pelo controlo das temperaturas à entrada e saída de um túnel de arrefecimento. Uma vez que esta peça será maquinada posteriormente, pretende-se que o arrefecimento da peça seja lento, de forma a provocar uma normalização. Para tal efeito, fazem-se variar a velocidade do tapete do túnel, entre 5 - 20 m/h, de preferência 10 - 15 m/h e o caudal de ar forçado que passa no mesmo e que pode variar entre 100 - 300 m³/h, de preferência 120 - 290 m³/h, e suas combinações. A definição destes parâmetros é validada através de vários ensaios mecânicos destrutivos e não destrutivos nas peças após arrefecimento.

[0058] Ainda que na presente divulgação se tenham somente representado e descrito realizações particulares da solução, o perito na matéria saberá introduzir modificações e substituir umas características técnicas por outras equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, sem sair do âmbito de proteção definido pelas reivindicações anexas.

[0059] As realizações apresentadas são combináveis entre si. As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações preferenciais.

Claims

R E I V I N D I C A Ç Õ E S

1. Processo de forjamento para obter uma peça a partir da alteração do formato de um tubo metálico em que uma porção da peça a obter tem 1,5 - 2,5 vezes o diâmetro, ou a espessura, ou o diâmetro e a espessura, do tubo metálico, compreendendo os seguintes passos:

aquecer uma porção do tubo metálico que se pretende alterar o formato;

submeter a porção aquecida e prensada da peça a uma segunda prensagem para obter a porção da peça a obter com a geometria pré- definida da peça a obter.

2. Processo de forjamento de acordo com a reivindicação anterior compreendendo adicionalmente uma terceira ou quarta prensagem da peça.

3. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que a prensa é uma prensa do tipo horizontal.

4. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que a porção da peça a obter tem entre 1,8 - 2,3 vezes do diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura, do tubo metálico.

5. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que a porção da peça a obter tem entre 1,9-2,2 vezes do diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura, do tubo metálico.

6. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que a porção da peça a obter tem entre 2-2,1 vezes do diâmetro, ou da espessura, ou do diâmetro e da espessura, do tubo metálico.

7. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que o tubo metálico é um cilindro.

8. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que o tubo metálico é um tubo de aço.

9. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores compreendendo o aquecimento parcial do tubo de aço com uma temperatura entre 1300°C e 1400°C.

10. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que o aquecimento parcial do tubo de aço é feito num forno elétrico de indução.

11. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores em que o forjamento do tubo de aço parcialmente aquecido é realizado em 60 segundos.

12. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anteriores compreendendo ainda um arrefecimento controlado do tubo metálico.

13. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações anterior compreendendo o arrefecimento controlado do tubo de aço com uma temperatura entre 900-1000 °C.

14. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações 12-13 compreendendo a passagem da peça por um túnel de arrefecimento com uma variação de velocidade do tapete do túnel e uma variação do caudal de ar forçado que passa no mesmo.

15. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações 12-14 em compreendendo a passagem da peça por um túnel de arrefecimento em que a velocidade do tapete do túnel varia entre 5 - 20 m/h.

16. Processo de forjamento de acordo com as reivindicações 12-15 em que compreendendo a passagem da peça por um túnel de arrefecimento em que o caudal de ar debitado no interior do túnel varia entre 100 - 300 m³/h.

17. Peça obtenível de acordo com o processo descrito nas reivindicações anteriores.

18. Peça de acordo com a reivindicação anterior em que a peça é uma peça para um automóvel, em particular para um camião.

19. Peça de acordo com a reivindicação anterior em que a peça é um eixo, um semi-eixo, ou luva/garfo eixo.