ARTIGOS

13 de dezembro de 2021

Fabricação de virabrequins, uma visão geral

Editoria Serrametal – Esse é conteúdo apenas informativo, não realizamos esse tipo de serviço.

 

Uma das peças de automotores mais comuns de serem fabricadas pelo forjamento é o virabrequim. Visto que hoje em dia a busca pela maior qualidade do produto com uma maior produtividade da ferramenta é cada vez maior, é importante levantar alguns aspectos em relação a sua fabricação.

Figura 1 – Virabrequim

O foco do novo ambiente industrial é fabricar produtos de excelente qualidade com o mínimo de gastos e com prazo de entrega eficiente, além de fornecê-los aos consumidores com o melhor preço possível. Na economia global em evolução, o aumento da concorrência é um obstáculo, o que se torna uma grande necessidade para o setor começar a se desenvolver [1].

Na indústria, é possível que os fabricantes desenvolvam e forneçam virabrequins forjados ou fundidos em condições totalmente acabadas ou semiacabadas com vários tratamentos de superfície, como têmpera por indução ou nitretação.

Os virabrequins são projetados e fabricados para desempenho máximo e fornecem eficiência mecânica superior para longos períodos de operação. Os virabrequins de alto desempenho servem para motores automotivos, estacionários, marítimos, tratores, escavadeiras, motores industriais e agrícolas, compressores de ar e compressores de refrigeração.

Os virabrequins são as principais peças giratórias de um motor que são instaladas em uma biela e podem converter o movimento para cima e para baixo em um movimento circular da biela. Normalmente, no processo de fabricação do virabrequim, um tarugo de tamanho adequado é submetido a um tratamento térmico até a temperatura de forjamento necessária e, em seguida, é sucessivamente prensado na forma exigida, pressionando o tarugo entre um par de matrizes sob alta pressão.

Se houver formas complexas ou deformações extremas a serem alcançadas, então, mais do que um conjunto de matrizes é necessário para realizar a tarefa e realizar a modelagem correta.

Figura 2 – Modelagem de componentes do bloco de motor

O forjamento tem alguns benefícios sobre o virabrequim fundido, como:

  • Os forjados são mais resistentes – devido ao trabalho quente e frio que falta em um virabrequim fundido, os virabrequins forjados são mais fortes e duráveis. O forjamento garante uma maior resistência das peças e componentes.
  • Forjados são baratos e confiáveis ​​- há uma série de possíveis defeitos de fundição que podem infiltrar-se no virabrequim. Uma vez que o trabalho a quente afasta as qualidades do produto como resistência, ductilidade e resistência, os virabrequins que são construídos por fabricantes especializados de virabrequins forjados são confiáveis ​​e baratos, pois precisam de menos processos controlados e inspeção.
  • Resposta uniforme ao tratamento térmico – As peças fundidas precisam de um controle sobre os processos de fusão e resfriamento. Consequentemente, isso leva a uma resposta não uniforme ao tratamento térmico que pode afetar as peças acabadas. Os virabrequins forjados respondem previsivelmente ao tratamento térmico e, assim, garantem melhor estabilidade dimensional.

A qualidade de seus produtos é fundamental para qualquer setor de manufatura para poder se destacar diante de seus rivais e assim se tornar a primeira opção de seus clientes. O produto final deve sempre estar de acordo com as especificações. Muitos dos projetos de virabrequim estão implícitos em vários defeitos durante o processo de forjamento, como preenchimento, deslocamento da matriz, sobreposições, corrosão, etc. [1].

Vamos analisar o forjamento para virabrequins multicilindros, por meio da prática de ferramentas de qualidade e estratégias eficazes implementação para aprimorar os padrões da indústria de produção para virabrequins forjados para eliminar defeitos de forjamento nos setores de fabricação de virabrequins.

Logo, é possível analisar a situação do forjamento de virabrequim com o uso de técnicas de qualidade, como a análise de Pareto e gráfico de causa / efeito, para avaliar diferentes defeitos no forjamento de virabrequins industriais, a fim de reduzir o índice de rejeição e aumentar a lucratividade da produção [1].

Por último, recomenda-se que ações corretivas sejam tomadas para lidar com os principais defeitos do virabrequim. A adoção da estratégia correta poderia reduzir a taxa de rejeição de 4,45 por cento para 0,8 por cento [1].

Gráfico de Pareto: O gráfico de Pareto é um histograma básico que pode ser empregado para categorizar e analisar desafios, situações e causas de desempenho operacional [2]. É fácil focar em defeitos específicos que aparecem em alta frequência após a identificação gráfica dos resultados. O diagrama de Pareto distingue entre poucos que são significativos e poucos que são triviais, de forma que outros possam determinar qual dos defeitos reconhecerem primeiro [3]. Conforme mencionado no gráfico de Pareto, haveria um desafio crítico que elimina 80% do problema relacionado à qualidade, de modo que é referido como um método de análise de dados. Conforme mostrado na Figura 3, Pareto (80-20) favorece defeitos de rejeição. De acordo com a Análise, os sub-enchimentos são responsáveis por mais de 84% das rejeições de virabrequins [1].

Figura 3 – Análise de rejeição de defeitos por gráfico de Pareto [1].

Esta é uma possível análise que pode ser aplicada a qualquer empresa, gerando uma eficaz avaliação da situação da empresa, e podendo, ao menos, verificar quais são as melhorias que devem ser aplicadas para os produtos forjados.

Aços e seus comportamentos ao serem forjados

O comportamento de deformação a quente do aço S34MnV pode ser estudado por meio de testes de compressão isotérmica, uma vez que é fixado o valor de temperatura no processo. É analisada a influência da taxa de deformação e da temperatura de deformação na tensão de fluxo [4].

Estudos indicam que para o aço S34MnV com a mesma deformação, a tensão de fluxo diminui com o aumento da temperatura de deformação quando a taxa de deformação é constante e aumenta com a taxa de deformação quando a temperatura é fixa. Ele estabeleceu uma equação constitutiva do tipo Arrhenius polinomial de cinco ordens que se baseia na compensação de deformação [4].

O coeficiente de correlação R entre o valor predito e o valor experimental é 0,9943, e o valor do erro relativo absoluto médio (AARE) (%) é calculado como 3,9749%.

O diagrama do modelo de material dinâmico (DMM) do mapa de processamento térmico também é desenhado para investigar a trabalhabilidade nos aços e sugere que as melhores condições de processamento térmico, em específico para o aço S34MnV, estão dentro da faixa de taxa de deformação de 0,03-0,6 s−1 e faixa de temperatura de deformação de 1030–1150°C. Nos domínios sugeridos, o valor de pico da eficiência de dissipação de potência está entre 34% e 39% [4].

Realizar uma investigação experimental sistemática para avaliar e quantificar o efeito do acabamento da superfície forjada também pode ser um meio de avaliar o processo. Uma das situações é analisar o material em vários níveis de dureza (19 HRC, 25 HRC, 35 HRC e 45 HRC) no comportamento à fadiga de um aço forjado [5].

Quando se realiza esse tipo de estudo, normalmente dentro das empresas possuem um departamento de qualidade onde se realizam testes. Dentro desse departamento, existe um laboratório que prepara corpos-de-prova.

Assim, esses corpos-de-prova são submetidos à flexão e teste de fadiga. As condições de superfície devem ser avaliadas, um acabamento de superfície polido para ser usado como superfície de referência e um acabamento de superfície forjado a quente [5].

Os métodos de aquecimento utilizados para o forjamento podem ser em forno a gás e também o aquecimento por indução, para permitir a comparação dos dois métodos de aquecimento, uma vez que a profundidade de descarbonetação difere entre os dois métodos [5].

Uma vez que o jateamento é um processo muito comum, usado como um processo de limpeza de superfície forjada com o benefício adicional de induzir tensão residual compressiva, o acabamento da superfície forjada a quente foi avaliado com e sem o jateamento [5]. Isso permite que sejam avaliadas as propriedades da superfície do material e da peça forjada.

Uma ampla variedade de metais pode ser forjada. Metais típicos usados ​​no forjamento incluem aço carbono, aço de liga e aço inoxidável. Metais muito suaves como alumínio, latão e cobre também podem ser forjados.

O processo de forjamento pode produzir peças com excelentes propriedades mecânicas com desperdício mínimo. O conceito básico é que o metal original é deformado plasticamente na forma geométrica desejada – dando a ele maior resistência e resistência à fadiga. O processo é economicamente viável com a capacidade de produzir peças em massa e atingir propriedades mecânicas específicas no produto acabado.

Figura 4 – Processo de forjamento

Apesar de grandes benefícios, existem alguns metais que o forjamento não é o método ideal. Como o próprio nome sugere, o ferro fundido deve ser fundido exclusivamente; não pode ser forjado. Além disso, embora se destaque na capacidade de fundição e na obtenção da forma definida pelo molde, o ferro fundido não pode ser soldado de forma confiável devido ao seu alto teor de carbono, o que causa uma solda quebradiça. Como tal, ele não fornece a resistência nem a conectividade de tubulação normalmente exigida por aplicações de alta pressão e alta temperatura. Em tais casos, o aço é uma escolha apropriada.

As ligas de aço normalmente usadas em virabrequins de alta resistência foram escolhidas no que cada projetista considera ser a combinação de propriedades mais desejável. Ligas de aço de médio carbono são compostas principalmente do elemento ferro e contém pequenas porcentagens de carbonos de 0,25% a 0,45%. Uma combinação de elementos de liga, uma mistura dos quais foi cuidadosamente projetada para produzir propriedades específicas na liga alvo, incluindo dureza superficial e dureza do núcleo, resistência à tração final, resistência ao escoamento, resistência à fadiga limite de resistência, ductilidade, resistência ao impacto, resistência à corrosão.

Os elementos de liga mais usados para o material base para o forjamento de virabrequim são: aços carbono ao manganês, cromo, molibdênio, níquel, silício, cobalto, vanádio e, às vezes, alumínio e titânio. Cada um desses elementos adiciona propriedades específicas a um determinado material. O teor de carbono é o principal determinante da resistência e dureza finais com as quais essas ligas podem ser tratadas termicamente. Na Tabela 1 é possível observar os tipos de liga e sua composição química:

Tabela 1 – Principais ligas e suas composições para forjamento de virabrequim

 

Além dos elementos de liga, os aços de alta resistência são cuidadosamente refinados para remover o máximo de impurezas indesejáveis, como enxofre, fósforo, cálcio, etc. Define a porcentagem da fração permitida dos elementos de liga. O método típico de processamento a vácuo é VIM (do inglês: Vacuums induction melting) e VaR (do inglês: Vacuum arc re-meltings).

A fusão por indução a vácuo (VIM) é um processo para a produção de aços de altíssima pureza pela fusão do material por aquecimento por indução dentro de uma câmara de alto vácuo. A refusão a arco a vácuo (VAR) é um processo de refino no qual o aço é fundido novamente dentro de uma câmara de vácuo para reduzir o número de gases dissolvidos no metal. O aquecimento ocorre por meio de um arco elétrico entre um eletrodo consumível e o lingote. Existem outros aços de ultra-alta resistência que não são aços carbono.

Esses aços, conhecidos como aços “fundidos”, são refinados para remover o máximo de carbono possível e contêm grandes quantidades de níquel (15%) como subproduto de suas estruturas cristalinas resultantes. Estes aços podem atingir níveis extremos de resistência e manter excelentes níveis de resistência a impactos.

Se analisarmos ​​os cenários atuais e futuros sobre as possíveis escolhas de materiais para virabrequins de motores de alto desempenho, também com uma visão geral sobre técnicas de endurecimento superficial, tratamentos térmicos e seus potenciais técnicos e de redução de custos, temos que verificar que temos, como estado da arte lidar com motores de alto desempenho [6].

Atualmente, são disputados entre os aços QT (temperado e revenido) e nitretados e os aços MA (Microalloy). Aços QT e nitretado, combinados com duas superfícies. As técnicas de endurecimento (têmpera por indução e laminação de filetes) apresentam o maior potencial em termos de características mecânicas e resistência à fadiga. Por outro lado, os aços MA e o endurecimento por indução garantem altos volumes de produção e dão vantagens em termos de distorção e usinagem das peças, devido à ausência da têmpera, apesar de poderem atingir características mecânicas superiores em comparação com aços QT [6].

A tendência atual em aumentar os poderes do futuro ICE (Internal Combustion Engines) exigirá componentes mais fortes, o que significa que as atuais tecnologias disponíveis para a produção de virabrequins não serão capazes de satisfazer todos os requisitos do projeto (por exemplo: desempenho, produtividade e custos) [6]. Nesse cenário, a utilização de aço bainítico para peças forjadas de motor componentes parecem bastante avançados:

  • Alguns OEMs (Original Equipment Manufacturer) já decidiram usar esses aços para a produção de virabrequins, ainda limitados a baixo desempenho motores;
  • Existem estudos e aplicações reais de ambos os aços bainíticos associados ao endurecimento superficial por indução ou tratamento térmico de nitretação (este aspecto permite ao projetista escolher as melhores soluções sem ser constrangido pelas próprias tecnologias);
  • A estabilidade do material, que não é mais tensionado termicamente, dá a vantagem de economizar material e ajudar a usinabilidade devido a menos estoques superdimensionados.

Por essas razões, o uso deste tipo de aços para o virabrequim ICE apresenta um potencial muito alto. Atualmente, o principal aspecto que precisa ser melhor investigado está relacionado à usinabilidade, que é pior se comparada a outras soluções.

 

Elaboração e Edição: Thiago Cortiz, Renata Brandolin e Karina França
Conteúdo não pode ser publicado ou redistribuído sem prévia autorização.

 

Referências

[1] Amitkumar B. Solanki, Sunilkumar S. Sonigra, Vivek Vajpayee, Implementation of quality tools and effective strategies to boost production market standards for forged crankshafts: A case study of forging industry, Materials Today: Proceedings, 2021,ISSN 2214-7853, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.04.537.

[2] J. Defeo, Juran’s Quality Handbook: The Complete Guide to Performance Excellence, 7th edition., McGraw-Hill Education, Washington, DC, 2016.

[3] E. Grant, R. Leavenworth, Statistical Quality Control, 7th edition., McGraw Hill Education, 2017.

[4] ZHANG, Zhenwei; LI, Heng; ZHOU, Yuwei; GUO, Weimin; JIANG, Rui; ZHU, Yujin. Research on Thermal Deformation Behavior of Marine Crankshaft S34MnV Steel. Steel Research International, [S.L.], p. 2100140, 6 jul. 2021. Wiley. http://dx.doi.org/10.1002/srin.202100140.

[5] S.A. McKelvey, A. Fatemi, Surface finish effect on fatigue behavior of forged steel, International Journal of Fatigue, Volume 36, Issue 1, 2012, Pages 130-145, ISSN 0142- 123,https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2011.08.008.