Inovações em equipamentos e processos para laminação de produtos anulares - Revista Forge
Inovações em equipamentos e processos para laminação de produtos anulares
Publicado por Angelo Sartori em 3 de abril de 2016
Este artigo apresenta aspectos da tecnologia de laminação de anéis sem costura e seus avanços na Muraro Presse, na Itália. Essa tecnologia substituiu o uso de energia hidráulica por um sistema composto por motores elétricos especialmente projetados e parafusos de potência para o fornecimento da capacidade de forja da máquina. Softwares avançados e sistemas de controle estão integrados aos equipamentos
A laminação de anéis, rodas, argolas e de outros produtos anulares é um dos processos mais complicados e fascinantes existentes no reino de forjamento a quente de metais. Os sistemas mais antigos de laminação anular eram controlados manualmente por um operador, que, por sua vez, precisava saber programar com destreza o ciclo de laminação de trabalho apropriado e produzir um anel laminado de qualidade usando alavancas de comando e muita experiência.
Com a passagem dos anos, os adventos da hidráulica moderna e do controle computadorizado permitiram a elaboração de projetos mais sofisticados de plantas de laminação automatizadas. Hoje em dia, é possível programar facilmente um ciclo de laminação radial-axial e automatizar completamente o processo de laminação anular, do começo ao fim.
Durante o desenvolvimento de novos sistemas de laminação anular, criados para tornar os processos modernos ainda mais avançados, nossa equipe precisou responder às seguintes questões:
• Quais são e onde estão os pontos mais fracos das máquinas usadas atualmente no mercado e como podemos desenvolver um novo equipamento que satisfaça as requisições cada vez mais estritas dos consumidores?
• Quais são as possibilidades para desenvolvimento tecnológico neste campo?
• Como podemos trabalhar, de forma a acomodar, ao mesmo tempo, consumidores que usam nossas prensas mecânicas e hidráulicas para preparar simples discos forjados para laminação e aqueles que produzem anéis altamente complexos, a partir de materiais de difícil laminação?
Aperfeiçoando os Equipamentos para Laminação Anular
No fim, descobriu-se que os dois tipos de consumidores, os que produzem discos simples para laminação e os dos anéis complexos, têm interesses similares. Os 11 itens listados abaixo resumem quais são as necessidades comuns entre eles:
• Aumento da velocidade e facilidade para carregamento e descarregamento das peças de trabalho;
• Melhorar a precisão dos equipamentos e a velocidade de cada ciclo;
• Melhorar o preenchimento das cavidades de equipamentos perfilados;
• Aumentar a movimentação do material (axialmente ao anel) durante o ciclo;
• Aumentar o arredondamento da peça de trabalho e calcular seu ciclo de trabalho;
• Reduzir a necessidade de usinagem e gastos;
• Equipar a máquina com sua própria inteligência, ou seja, tornar a máquina capaz de programar a maior parte de seus parâmetros de processo sozinha;
• Adicionar software de simulação de processos por Análise de Elementos Finitos (FEA) que atue com a mesma tecnologia piloto instalada no CNC do equipamento. Isso garante que a planta de laminação anular simulada se comporte e reaja como o sistema real, aumentado o valor e a credibilidade dos resultados simulados numericamente.
No início, nossos engenheiros perceberam que atingir os 11 itens simultaneamente seria uma tarefa quase impossível. Na verdade, a princípio, alguns itens pareciam ser mutuamente exclusivos e incompatíveis com o recondicionamento do projeto do sistema completo. Rapidamente ficou claro que, para alcançar os critérios exigidos e as melhorias almejadas, seria preciso repensar exaustivamente o equipamento em si e as tecnologias envolvidas com seus componentes.
Seriam necessárias muito mais páginas deste artigo para descrever em detalhes todos os pontos de inovação que caracterizam nosso novo sistema de laminação anular. Assim, manteremos as descrições sucintas e examinaremos algumas alterações fundamentais no projeto do equipamento.
O primeiro elemento de mudança que nossa máquina trouxe para o campo de laminação anular axial-radial é a possibilidade de comandar verticalmente o plano de laminação, assim como o cone inferior, durante o ciclo. Dois eixos de controle foram adicionados à máquina, permitindo a movimentação simétrica e assimétrica dos cones inferior e superior durante o ciclo. Esta é uma potencialidade crítica para a produção de determinados formatos de anéis mais complexos, pois possibilita maior controle sobre a deformação da peça de trabalho e, ainda, melhora a redistribuição do material às áreas desejadas durante o ciclo de laminação. Adicionalmente, essa nova tecnologia permitiu a criação de um novo ciclo de trabalho do equipamento que se adapta a peças laminadas particulares, como engrenagens chanfradas usadas no mercado automotivo ou flanges para o mercado de óleo e gás.
Flanges de pescoço feitos de aços inoxidáveis e de ligas Inconel são especialmente difíceis de produzir, porque a fina borda do pescoço pode se tornar muito quente durante a laminação. Todavia, o novo projeto de equipamento de laminação anular utiliza os dois cones móveis ativos e, assim, o problema de superaquecimento do pescoço é resolvido. Além disso, os discos brutos usados para este processo se tornam mais fáceis e mais baratos de produzir.
Contraste com Sistemas Hidráulicos
Caso tivéssemos usado um sistema hidráulico tradicional, teria sido impossível conseguir os aumentos na produtividade, velocidade, precisão, eficiência e sustentabilidade do novo sistema. Por meio do esforço em conjunto das principais plantas da Muraro e da divisão de motores, um novo sistema que envolve a interação de uma série motores elétricos especialmente projetados e parafusos de potência foram criados.
Esse sistema é capaz de atuar exatamente como o hidráulico convencional, porém, com maior precisão em ambas as direções e forças aplicadas. Na verdade, o sistema pode mudar o controle de uma variável para outra em função dos dados detectados pelo CNC e sensores relacionados.
Engenheiros desenvolveram um sistema propulsor capaz de realizar movimentos controlados em incrementos de 0.01 mm, com um tempo de reação de 0.001 s e eficiência maior do que 90%. Estas são grandes diferenças em relação ao sistema hidráulico, sendo que, ainda, o novo sistema projetado oferece duas ordens maiores de magnitude em precisão e sensibilidade.
A necessidade de manutenção também foi bastante reduzida. O entupimento de válvulas, alterações no desempenho do óleo por causa de variações na temperatura, alterações no óleo, entre outros, são consideradas ocorrências do passado. As economias de energia obtidas são significativas. Ainda, a alta precisão do equipamento e a velocidade que pode ser alcançada pela realimentação e pelo circuito controlador permitem que o sistema tenha um controle melhor do processo e eleve a qualidade e a uniformidade do produto final.
Considerações sobre o Software
Ao se analisar a qualidade dimensional de um anel laminado, problemas de ovalidade residual após a laminação e de tempo de ciclo precisam ser considerados. Variáveis como essas não são facilmente compreendidas, e, portanto, estabelecer os parâmetros que vão levar ao resultado desejado é uma tarefa difícil. No entanto, os engenheiros da Muraro trabalharam com muito empenho para integrar o software de produção avançada ao sistema. Nomeado como M-ROLLING, o pacote inclui informações necessárias para programar o sistema de forma rápida e segura. Este software avançado oferece ao operador da máquina "experiência" para determinar habilmente os vários parâmetros de processo, com apenas um simples clique no mouse. Por exemplo, se há a necessidade de laminar um anel com uma seção retangular ou perfilada, o operador pode programar o ciclo diretamente pelo M-ROLLING, então, o software irá calcular os parâmetros de máquina corretos para obtenção do resultado esperado.
O software pode estimar o tempo de ciclo de laminação a ser executado e irá oferecer a capacidade de analisar as várias forças às quais a máquina resiste, em função dos materiais e temperaturas de trabalho. O operador também precisa ser capaz de fazer o balanço correto entre o tempo de ciclo e a ovalidade residual da peça laminada. Também é possível criar uma curva de crescimento do anel em função do seu diâmetro, bem como uma curva que define a variação da espessura do anel e de sua altura durante o ciclo. Ainda, quando houver interesse e necessidade de trabalhar com diferentes formatos de anéis e de perfis, o software poderá calcular as dimensões do disco bruto ideal para cada caso de forjamento, também com um único clique do mouse.
O software M-ROLLING pode ser facilmente instalado em computadores do escritório e, assim, usado para programar remotamente a máquina.
O projeto de máquinas para laminação da Muraro é resultado de muitos anos de experiência com forjamento. Nós temos orgulho de sermos, além de fornecedores de maquinário, parceiros de nossos clientes e de ajudá-los com o plano de processamento, desde simulações digitais do processo até a produção final das peças forjadas e laminadas.
Laminador axial com um anel sem costura sendo processado em seu interior
Figura 1. Uma importante inovação corresponde à capacidade de movimentação do plano de laminação e dos dois cones durante o processo de laminação, para produzir perfis programados de anéis
Figura 2. O impulso radial provém da parte posterior do laminador, onde não há pistões hidráulicos, mas sim elementos de comando eletromecânicos precisos e de alta eficiência
Figura 3. Os tanques são posicionados próximos à fundação da máquina. O primeiro contém água para resfriamento dos motores elétricos que compõem os elementos de comando eletromecânicos
Figura 4. A control desk (mesa de controle) para o equipamento de laminação anular foi simplificada para melhorar a acomodação do operador. Muitas funções foram automatizadas e estão incluídas no software de controle M-ROLLING
Figura 5. O controle remoto do maquinário permite que o operador, ou funcionário de manutenção, controle confortavelmente a máquina no modo de Velocidade Limitada Segura (SLS -Safe-Limited-Speed)
é gerente de desenvolvimento de plantas na Muraro Prensas Hidráulicas, São Bonifácio, Itália. Ele pode ser contatado pelo email angelo.sartori@muraropresse.com. Para mais informações, visite o site: www.muraropresse.com.