Este trabalho tem como objetivo avaliar o efeito do processo de agitação eletromagnética (AE) utilizado no lingotamento contínuo (LC) e nas propriedades mecânicas e metalúrgicas dos aços ABNT 1025 (com adições de manganês e silício) forjados a quente, para a confecção de flanges de tubulações industriais. As matériasprimas fornecidas foram caracterizadas através de composição química e macrografia. Compararam-se os aços provenientes de três condições de fornecimento: 1º) LC sem AE somado à laminação a quente (LQ); 2º) LC com AE; e 3º) LC sem AE. Em seguida, foram extraídos billets de seção quadrada de 120mmx120mmx58mm das três condições citadas para subsequentes forjamentos a quente e fabricação de flanges. Assim, são mostrados os resultados das propriedades obtidas e a comparação com a norma de validação ASTM A 105 (especificação padrão para forjados de aço carbono para aplicação em tubulações) utilizada nesse tipo de forjado. Através da norma, foram verificados os requisitos químicos e ensaios de tração e de dureza. As propriedades foram, também, analisadas através de metalografias (macro e micro), ensaios de impacto e ensaios não destrutivos de líquidos penetrantes. Através da teoria elementar da plasticidade, os valores requeridos para a força de forjamento da peça em estudo, durante o processo de forjamento a quente, foram estimados em caráter formativo e didático. De acordo com os fundamentos teóricos observados na revisão bibliográfica e com os resultados práticos obtidos, constatou-se a aprovação dos aços provenientes do LC com AE como alternativa aos provenientes da LQ (tradicionalmente fornecidos às forjarias) para a confecção de flanges forjados desse tipo de aço. Na análise dos forjados provenientes do LC sem AE também ocorreu a reprovação de diversos resultados, mostrando o efeito da AE como alternativa para as propriedades desse tipo de forjado. / The objective of this work is to evaluate the effect of the process of electromagnetic stirring (ES) used in continuous ingot (CI) in the mechanical and metallurgic properties of 1025 ABNT hot forged steels (with the addition of manganese and silicon) for the manufacture of flanges of industrial pipes. At first, the supplied raw materials were characterized trough chemical compound and macrograph. Then, steels from the following three supplying conditions [ 1º) CI without ES plus hot rolling (HR); 2º) CI with ES; and 3º) CI without ES] were compared. Afterwards, billets were extracted from a square section measuring 120mmx120mmx58mm, from the three previous conditions, to be hot forged and to the manufacture of connection flanges. Thus, the results from these properties and the comparison with the validation norm ASTM A 105 (standard specification for steel-carbon forgings for the application in pipes) for this type of forged are shown. Through this norm, chemical requirements, tension and hardness tests were verified. The properties were also analyzed through metallographies (macro and micro), impact tests and non-destructive tests of penetrating liquids. Through the elementary plasticity theory, the demanded values for the forging force of the studied piece, during the hot forging process, were estimated as didactic and formative natures. According to the theoretical substances observed in the bibliography and to these practical results, the steels from CI with ES were approved as an alternative to the ones from HR (traditionally supplied to forging companies) to the manufacture of forged flanges of this type of steel. Moreover, in the analysis of forgings from CI without ES, the disapproval of various results also occurred, showing the effect of ES as an alternative to the properties of this type of forging.

Este trabalho tem como propósito analisar o modelo matemático baseado na Teoria Elementar da Plasticidade (TEP) para o Forjamento em Matriz Aberta (FMA) de tarugos cilíndricos com o intuito de obter um eixo vazado para a utilização em aerogeradores. Foram realizadas simulações computacionais pelo Método dos Elementos Finitos (FEM) com efeito de comparação, utilizando o software Simufact.Forming 11.0. Foi exposto a sequência de cálculos e as interações realizadas para a construção de um modelo matemático a partir da TEP. Esse modelo matemático foi aplicado para os dois primeiros recalques em um tarugo cilíndrico vazado. Ambos os recalques foram executados no processo de Forjamento em Matriz Aberta. Tanto com o procedimento matemático baseado na TEP, quanto na simulação numérica baseado no FEM, foram obtidos os valores de distribuição de deformações, de distribuição de tensões e de forças de compressão requeridos pela prensa de forjamento para ambos os recalques. Com a conclusão dos experimentos físicos foi constatado que os valores das forças obtidos pela Teoria Elementar da Plasticidade (TEP) e pelo Método dos Elementos Finitos (FEM) variaram aproximadamente entre 5 a 15% em relação aos valores experimentais, possibilitando fazer comparações com variações e alterações na metodologia do processo. Observou-se que as regiões que apresentaram maiores concentrações de deformações equivalentes e tensões na direção z pelo modelo matemático (TEP) coincidiram com as regiões de maiores concentrações encontradas no software de simulação numérica (FEM). Desta forma, estima-se para a geometria estudada que a TEP pode ser empregada como uma ferramenta de simulação eficiente no processo de Forjamento em Matriz Aberta. / This paper aims to analyze the mathematical model based on the Plasticity Elementary Theory (TEP) for the Open Die Forging of cylindrical billets in order to get a hollow shaft for using in wind generator. Computer simulations were performed by the Finite Element Method (FEM) with purpose of comparison, using the software Simufact.Forming 11.0. It was exposed the calculations sequence and performed interactions to make a mathematical model from the TEP. This mathematical model was applied for the first two upsetting in a hollow cylindrical billet. Both upsetting were executed in the process of Open Die Forging. Both the mathematical method based in the TEP as the numerical simulation based in the FEM, it were obtained the value of the strains distribution, the stresses distribution and the compressive force required by the forging press for both upsetting. With the physical experiments concluded, it was found that the forces values obtained by the TEP and by the FEM ranged approximately between 5 and 15% compared to the experimental values, allowing make comparisons with variations and changes in the process methodology. It was observed that regions where showed higher concentrations of equivalent strains and stresses in the z direction by the mathematical model (TEP) coincided with the regions of higher concentrations found numerical simulation software (FEM). It’s demonstrated for the geometry studied that the TEP can be employed as a simulation efficient tool in the process of Open Die Forging.

Esse trabalho propõe a investigação da geometria dos contornos internos de eixos vazados para aerogeradores quando aplicados mandris com diferentes diâmetros ao longo de seu comprimento no forjamento incremental em matriz aberta. Tem-se por finalidade a fabricação de um mandril que proporcione à peça forjada formato mais perto do formato final proposto. Foram estudados através do uso de simulações numéricas computacionais com o software Simufact.forming 12 e ensaios com o material modelo plasticina possíveis geometrias de mandris, variando a angulação na região de troca de diâmetros ao longo do comprimento entre 0˚, 30˚ e 60˚, e analisados o comportamento do escoamento do material na região. Com o processo simulatório concluído, foi produzido o mandril que apresentou melhor desempenho e foram realizados testes práticos. No total, duas peças foram forjadas e analisados seus resultados. A geometria proposta da peça foi alcançada, confirmando a escolha da cinemática do processo. A temperatura do mandril foi aferida e comparada com a temperatura durante a simulação, onde no último passe, a medida foi 720°C e a simulada em torno de 620°C. As forças de forjamento apresentaram diferença entre a simulação e forjado na média de 7,6%. / This work proposes the investigation of the internal contour of hollow shafts for wind turbines when applied mandrels with different diameters along its length in incremental open-die forging. It is intended to manufacture a mandrel to provide a forged part closer to the final proposed geometry. Studies were conducted using the numerical computer simulations software Simufact.forming 12 and models of plasticine aiming possible mandrel geometries, varying the angle of the different-diameters region along the length between 0˚, 30˚ and 60˚ and analyzed the behavior of the material flow in the region. As the simulation process was concluded, the mandrel with the best performance was produced and practical tests were performed. In total, two workpieces were forged and analyzed its results. The proposed geometry was achieved, confirming the choice of process kinematics. The temperature of the mandrel was measured and compared with the temperature during the simulation at the last pass, the measurement resulted in 720°C and the simulated around 620°C. The forging forces showed differences between simulation and forging of an average of 7.6%.

Neste trabalho foram utilizados os conceitos de célula flexível de manufatura e de automação utilizando a robótica para desenvolver uma célula robotizada de acabamento de instrumentos cirúrgicos forjados, com o objetivo de obter aumento de produção e flexibilizar o sistema de manufatura. Na produção manual de acabamento dos instrumentos cirúrgicos incluídos no estudo são realizados processos de lixamento, eletropolimento, polimento vibratório, jateamento e polimento com manta sintética e escova. Foi identificado que o sistema utilizando trabalho manual restringe a produtividade a um número de pinças insuficiente para atender à demanda do mercado. Desse modo, foi desenvolvida uma célula robotizada de acabamento, com a intenção de suprir a necessidade do aumento de produção dos instrumentos cirúrgicos. Em paralelo ao desenvolvimento da célula flexível de manufatura, estudaram-se os processos de acabamento utilizados, resultando na eliminação de etapas de acabamento no processo automatizado. Com a célula flexível de manufatura desenvolvida se obteve um aumento de produção de 96,87 % e uma redução nos custos de 50,53 % em relação à linha manual. Os produtos cuja manufatura se deseja automatizar são pinças hemostáticas, de apreensão e de campo que foram selecionadas através da análise da demanda produtiva. A matéria-prima utilizada nestes instrumentos é aço inoxidável martensítico, de denominação AISI 420D. O processo de fabricação utilizado nos componentes é o forjamento, que permite a melhora das propriedades mecânicas, modificando a disposição dos constituintes do material deformado. No entanto, foi avaliada de forma experimental a viabilidade de substituição do forjamento pelo corte laser, visando a eliminação do processo de lixamento dos componentes, com consequente aumento na taxa de produção, o que não foi possível devido à menor resistência obtida pelos componentes assim produzidos. / In this study, were used the concepts of flexible cell manufacturing and automation using robotics to develop a finishing in forged surgical instruments robot cell, in order to get increased production and a more flexible manufacturing system. On completion of the manual production of surgical instruments included in the study of processes are performed grinding, electropolishing, vibratory polishing, sandblasting and polishing synthetic blanket and brush. Was identified that the system using manual labor productivity to a limited number of tweezers insufficient to meet market demand. Thus, was developed a robotic finishing cell, with the intention of meeting the need for increasing production of surgical instruments. In parallel to the development of flexible manufacturing cell, were studied the finishing processes used, resulting in the elimination of finishing steps in the automated process. With the flexible manufacturing cell development was obtained an increase of 96.87% and production cost savings of 50.53% compared to the online manual. The products whose manufacture is desirable to automate hemostat, apprehension and field tweezers that were selected by analyzing the production demand. The raw material used in these instruments is martensitic stainless steel, designations AISI 420D. The manufacturing process used in the components is forginig, which allows the improvement of mechanical properties by modifying the arrangement of the constituents of the deformed material. However, it was experimentally evaluated the feasibility of replacing the forging by laser cutting, in order to eliminate the process of grinding the components, with consequent increase in production rate, which was not possible due to a lower resistance obtained by the components thus produced.

O presente trabalho estuda a conformação da liga de magnésio AZ61 pelos processos de extrusão direta e forjamento, ambos a quente. No processo de extrusão, são submetidos à conformação corpos-de-prova da liga de magnésio AZ61 nos estados fundido e recristalizado. As geometrias de ferramenta são variadas e a influência destas variações sobre a força de processamento e propriedades mecânicas e microestrutura do material são analisada. Demonstra-se que a liga no estado inicialmente recristalizado tem propriedades mecânicas finais superiores à liga inicialmente fundida, embora demande de maior força de processamento. Demonstra-se também que a geometria de ferramenta tem influência sobre as respostas mecânicas obtidas das peças após extrusão. Referente ao processo de forjamento, a liga de magnésio AZ61 é processada apenas no estado recristalizado, variando-se a temperatura e o número de tapas de forjamento. Foi avaliada a influência destas variações de processo nas propriedades mecânicas finais da peça. Ao fim, percebe-se que ao se forjar as peças com múltiplas etapas de forjamento e temperaturas decrescentes, impede-se a recristalização do material, alcançando alto encruamento dos grãos, o que gera, na peça final, propriedades mecânicas superiores ao processo convencional. / This thesis studies the deformation of a magnesium alloy AZ61 by forward extrusion and forging processes, at elevated temperatures. In the extrusion process, the samples were deformed in as cast and recrystallized conditions. The tools geometries were variated and the influences on processing force, mechanical properties and material microstructure were analyzed. Was found that the recrystallized samples have better mechanical properties than as cast samples, after extruded, although it requires more processing force. Also was found that the tool geometry influences on mechanical properties and microstructure of extruded magnesium alloy. Relatively to the forging process, magnesium alloy AZ61 was processed only in the recrystallized state, varying the process temperature and the number of forging steps. Aimed to evaluate the process variations influences on the mechanical properties and microstructure of the final parts. At the end, was observed that when forging parts with multi-step forging and decreasing temperatures, to prevent recrystallization of the material, achieving high strain hardening of the grains, which results in final part with superior mechanical properties to the conventional process.

Les objectifs de cette thèse sont d’établir les corrélations entre l’histoire thermomécanique, la microstructure et la perméabilité aux ultrasons de l’Udimet 720.La première approche est expérimentale et concerne l’étude de l’influence des paramètres thermomécaniques de mise en forme (température, vitesse de déformation et taux de déformation) sur l’évolution microstructurale, et l’identification des mécanismes de recristallisation associés. En parallèle, une modélisation mésoscopique du forgeage a été développée en couplant un modèle cristallin de déformation de type éléments finis et un modèle de recristallisation basé sur la méthode des automates cellulaires, afin de prévoir l’évolution microstructurale en fonction de la microstructure initiale et des conditions thermomécaniques.Une dernière partie traite de l’identification des paramètres microstructuraux néfastes à la perméabilité aux ultrasons, et de la modélisation de la propagation des ultrasons dans un matériau polycristallin pour quantifier l’influence des désorientations et de la taille des grains. / This works deals with the correlations between the thermomechanical process, the microstructure and the permeability to ultrasonic waves of the Udimet 720 superalloy. The first approach is experimental and concerns the influence of the thermomechanical parameters (temperature, strain rate and deformation ratio) on the microstructure evolution. In particular, this study focuses on the identification of recrystallization mechanisms. In parallel, a mesoscopic crystalline modelling of deformation implemented in a finite element code coupled to a recrystallization Cellular Automaton code has been developed and applied to forging processes. The model predicts the evolution of different experimental microstructures as a function of thermomechanical parameters.The last part deals with the identification of unfavorable parameters of the microstructure on the ultrasonic permeation. Moreover a modeling of the ultrasounds propagation in a polycrystalline material is proposed to quantify the effects of the average grain size and the grain misorientation distribution.

Concebido há milhares de anos, o forjamento passa por melhorias contínuas, mantendo-se como um processo de fabricação moderno, capaz de agregar características importantes a produtos forjados que são utilizados em inúmeras aplicações. Na indústria automobilística, responsável pelo consumo de cerca de 60% de todos os produtos forjados, o forjamento mostrou-se como um processo de conformação plástica eficaz no atendimento das especificações de resistência mecânica e nos quesitos de produtividade. Esta demanda por produtos forjados estimulou a busca por processos mais robustos, nos quais as ferramentas de forjamento possuem papel fundamental para possibilitar a produção de lotes maiores sem paradas de máquina devido a falhas. Cerca de 70% das falhas estão relacionadas ao desgaste das ferramentas. Este trabalho buscou identificar no ambiente industrial, os modos de desgaste responsáveis pela degradação da superfície de contato de um punção, fabricado em aço H-10. Um conjunto de punções foi utilizado no forjamento a quente em prensa mecânica excêntrica horizontal e automática de múltiplos estágios, que utiliza água na refrigeração das ferramentas, durante a fabricação de porcas de roda, em aço SAE 1045. Os resultados obtidos basearam-se: (i) nas análises da superfície e da seção transversal de seis punções em microscópio eletrônico de varredura, (ii) na análise da nanodureza e (iii) na variação dimensional e da massa dos punções. Os resultados apontaram para o desgaste da superfície dos punções logo nas primeiras peças forjadas devido à transferência de óxidos do blank para a superfície da ferramenta. Nesta camada transferida para a superfície dos punções, foram encontrados danos causados pelo desgaste abrasivo e pela fadiga térmica. / Since the initial development, thousands of years ago, forging has faced continuous improvements, remaining as a modern manufacturing process, capable of adding important characteristics to forged products that are used in numerous applications. In the automotive industry, responsible for the consumption of approximately 60% of all forged products, the forging has proved to be an effective metal forming process in terms of mechanical strength specifications and productivity requirements. This demand for forged parts has stimulated the search for more robust processes in which the forging tool has a fundamental role to enable the production of larger batches without downtime due to failures. Approximately 70% of these failures are related to tool wear. This work aimed identifying, in an industrial environmental, the wear modes responsible for the degradation of the contact surface of a punch, made of H-10 steel. A series of punches was used for hot forging in a horizontal and automatic multi-stage eccentric mechanical press which uses water for tool cooling, during the manufacture of wheel nuts, made of SAE 1045 steel. Results were based: (i) on the analysis of the surface and cross section of six punches in a scanning electronic microscope, (ii) on nanohardness analyses and (iii) as well as on mass and dimensional variations. Results pointed to the punch wear in the first forged pieces, due to oxides transferring from blank to the punch surface. On this transferred layer to punch surface, have also found damage caused by abrasive wear and thermal fatigue.

Neste trabalho foram utilizados os conceitos de célula flexível de manufatura e de automação utilizando a robótica para desenvolver uma célula robotizada de acabamento de instrumentos cirúrgicos forjados, com o objetivo de obter aumento de produção e flexibilizar o sistema de manufatura. Na produção manual de acabamento dos instrumentos cirúrgicos incluídos no estudo são realizados processos de lixamento, eletropolimento, polimento vibratório, jateamento e polimento com manta sintética e escova. Foi identificado que o sistema utilizando trabalho manual restringe a produtividade a um número de pinças insuficiente para atender à demanda do mercado. Desse modo, foi desenvolvida uma célula robotizada de acabamento, com a intenção de suprir a necessidade do aumento de produção dos instrumentos cirúrgicos. Em paralelo ao desenvolvimento da célula flexível de manufatura, estudaram-se os processos de acabamento utilizados, resultando na eliminação de etapas de acabamento no processo automatizado. Com a célula flexível de manufatura desenvolvida se obteve um aumento de produção de 96,87 % e uma redução nos custos de 50,53 % em relação à linha manual. Os produtos cuja manufatura se deseja automatizar são pinças hemostáticas, de apreensão e de campo que foram selecionadas através da análise da demanda produtiva. A matéria-prima utilizada nestes instrumentos é aço inoxidável martensítico, de denominação AISI 420D. O processo de fabricação utilizado nos componentes é o forjamento, que permite a melhora das propriedades mecânicas, modificando a disposição dos constituintes do material deformado. No entanto, foi avaliada de forma experimental a viabilidade de substituição do forjamento pelo corte laser, visando a eliminação do processo de lixamento dos componentes, com consequente aumento na taxa de produção, o que não foi possível devido à menor resistência obtida pelos componentes assim produzidos. / In this study, were used the concepts of flexible cell manufacturing and automation using robotics to develop a finishing in forged surgical instruments robot cell, in order to get increased production and a more flexible manufacturing system. On completion of the manual production of surgical instruments included in the study of processes are performed grinding, electropolishing, vibratory polishing, sandblasting and polishing synthetic blanket and brush. Was identified that the system using manual labor productivity to a limited number of tweezers insufficient to meet market demand. Thus, was developed a robotic finishing cell, with the intention of meeting the need for increasing production of surgical instruments. In parallel to the development of flexible manufacturing cell, were studied the finishing processes used, resulting in the elimination of finishing steps in the automated process. With the flexible manufacturing cell development was obtained an increase of 96.87% and production cost savings of 50.53% compared to the online manual. The products whose manufacture is desirable to automate hemostat, apprehension and field tweezers that were selected by analyzing the production demand. The raw material used in these instruments is martensitic stainless steel, designations AISI 420D. The manufacturing process used in the components is forginig, which allows the improvement of mechanical properties by modifying the arrangement of the constituents of the deformed material. However, it was experimentally evaluated the feasibility of replacing the forging by laser cutting, in order to eliminate the process of grinding the components, with consequent increase in production rate, which was not possible due to a lower resistance obtained by the components thus produced.

A necessidade de se desenvolver um produto capaz de atingir as exigências impostas pela referência normativa AS-2213 (1984) e a falta de uma rotina de projeto para o componente denominado Garfo do Engate Automático motivam este trabalho. Assim, esta pesquisa apresenta como objetivo principal o estudo de fadiga e estimativa de vida do garfo forjado de um dispositivo de acoplamento automático entre veículos tratores e reboques. Para realização das análises estáticas através de elementos finitos, foi necessária a determinação de todas as condições de contorno que refletissem as características do teste experimental de homologação do produto. De posse destes resultados, realizou-se a análise pelo método S-N, tendo como resultado a determinação da vida em fadiga das regiões críticas do componente, onde são propostas algumas alternativas que visam aumentar a vida do produto. Dentre as inúmeras alternativas possíveis, destacam-se a alteração de material e utilização de tratamento térmico no garfo. / The necessary development of a product capable of reaching the imposed requirements in accordance with reference standard AS-2213 (1984) and the lack of a project routine for the component called Towing Hitch Fork motivated this research. Thus, this research presents as its main goal, the study of fatigue and life predictions of forged fork of the automatic coupling device used in tractor vehicles and trailers. To perform the static analysis through finite elements method, it was necessary to determine all contour conditions which represent the features of product certification tests. After preliminary results have been obtained, the S-N analysis has been performed, showing the fatigue life predictions in the critical regions of the component, where some alternatives aiming at increasing the product life were considered. Among the several alternatives, it is possible to highlight the material changes and the use of thermal treatment in the component.

O presente trabalho estuda a conformação da liga de magnésio AZ61 pelos processos de extrusão direta e forjamento, ambos a quente. No processo de extrusão, são submetidos à conformação corpos-de-prova da liga de magnésio AZ61 nos estados fundido e recristalizado. As geometrias de ferramenta são variadas e a influência destas variações sobre a força de processamento e propriedades mecânicas e microestrutura do material são analisada. Demonstra-se que a liga no estado inicialmente recristalizado tem propriedades mecânicas finais superiores à liga inicialmente fundida, embora demande de maior força de processamento. Demonstra-se também que a geometria de ferramenta tem influência sobre as respostas mecânicas obtidas das peças após extrusão. Referente ao processo de forjamento, a liga de magnésio AZ61 é processada apenas no estado recristalizado, variando-se a temperatura e o número de tapas de forjamento. Foi avaliada a influência destas variações de processo nas propriedades mecânicas finais da peça. Ao fim, percebe-se que ao se forjar as peças com múltiplas etapas de forjamento e temperaturas decrescentes, impede-se a recristalização do material, alcançando alto encruamento dos grãos, o que gera, na peça final, propriedades mecânicas superiores ao processo convencional. / This thesis studies the deformation of a magnesium alloy AZ61 by forward extrusion and forging processes, at elevated temperatures. In the extrusion process, the samples were deformed in as cast and recrystallized conditions. The tools geometries were variated and the influences on processing force, mechanical properties and material microstructure were analyzed. Was found that the recrystallized samples have better mechanical properties than as cast samples, after extruded, although it requires more processing force. Also was found that the tool geometry influences on mechanical properties and microstructure of extruded magnesium alloy. Relatively to the forging process, magnesium alloy AZ61 was processed only in the recrystallized state, varying the process temperature and the number of forging steps. Aimed to evaluate the process variations influences on the mechanical properties and microstructure of the final parts. At the end, was observed that when forging parts with multi-step forging and decreasing temperatures, to prevent recrystallization of the material, achieving high strain hardening of the grains, which results in final part with superior mechanical properties to the conventional process.