In this thesis, a 3-D vision system is established to conduct the real-time measurement task for intelligent-open-die forging center. This system consists of a CCD camera, a slit alaser projector and a Kawasaki JS 6-axis robot all interfaced to a PC for image processing. The linear structured light technique is employed for data acquisition. An optical filtering algorithm for laser stripe segmentation is developed to locate the stripe peak positions to sub-pixel accuracy. A new calibration method is proposed to determine the mapping correspondence from 2-D image pixels to 3-D reference points. A cylindrical scanning scheme is applied to gather data about the 3-D shape of parts, so that the overlap problem is easily avoided. Finally, the cross-section at any place along the height of a workpiece is reconstructed so as to detect shape error for adaptive control of automated open-die forging. This vision system is low-cost, accurate and reliable. A cylinder shape has been successfully reconstructed and measured with it. The experimental results illustrating its performance are reported and discussed. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

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%.

No forjamento em matriz aberta o tempo gasto com retrabalhos e descarte de material não conforme gera custos e atraso no atendimento ao cliente. A fim de minimizar estas perdas, realizou-se uma revisão dos principais conceitos e fundamentos do processo de forjamento a quente em matriz aberta que influenciam na qualidade interna do produto. Com o intuito de desenvolver o processo de forjamento a quente em matriz aberta de chapas do aço W.NR. 1.2714 com espessura de 311 mm, largura de 634 mm e comprimento de 6000 mm, avaliou-se as descontinuidades internas deste produto. Através de análises preliminares realizadas, foi possível observar que a descontinuidade interna típica tratava-se de vazio. Com este resultado, desenhou-se um projeto experimental com corpos de prova quadrados com defeitos falsos de 30 mm de diâmetro e forjados para simular uma das etapas do forjamento de chapas. Foram selecionadas três combinações de matrizes e dois tempos de encharque. Todos os corpos de prova foram aquecidos no mesmo forno sob mesmas condições e forjados com duas reduções de 50 mm cada (33% - deformação relativa total), com giro de 180 graus entre elas. Após o resfriamento ao ar, as amostras sofreram alívio de tensões e foram cortadas em serra a 150 mm da extremidade do furo. As variáveis respostas do plano experimental foram a área do furo, o alargamento e o alongamento. A amostra forjada com a combinação de matriz AC, composta pela matriz funil na parte superior e mesa de forjamento na parte inferior e tempo de encharque de 7h teve o furo caldeado. Com todas as combinações de matrizes, o tempo de encharque de 7h levou a menor área do furo, maior alargamento e maior alongamento que o tempo de 11h. / In open die forging the time spent on rework, and disposal of non-compliant material, generates costs and delays in customer service. To minimize these losses, a review of key concepts and fundamentals of the process of open die forging was carried out emphasizing the internal quality of the product. In order to develop the process of open die hot forging in plate steel W.NR 1.2714 with a thickness of 311 mm, width 634 mm and a length of 6000 mm, internal discontinuities of this product were evaluated. Through preliminary analysis was possible to observe that the typical internal discontinuity were voids. With this result, experiments were designed for square specimens with false defects of 30 mm in diameter, which were forged in order to simulate one of the steps in the forging of plates. Three combinations of dies and two soak times were selected. All samples were heated in the same furnace on the same conditions and forged with two reductions of 50 mm each (33% - total relative deformation) with 180 degrees among them. After air cooling, the samples were heated up to promote a stress relief and were cut at a position 150 mm from the edge of the hole. Output variables were the area of the hole, widening and lengthening. The sample forged with the combination of die AC, with funnel die at the top and forging table at the bottom and the soaking time of 7 hours had the hole closed. For all combinations of dies, the soaking time of 7 hours led to a lower area of the hole, higher widening and lengthening than for 11hours soak time.

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%.

No forjamento em matriz aberta o tempo gasto com retrabalhos e descarte de material não conforme gera custos e atraso no atendimento ao cliente. A fim de minimizar estas perdas, realizou-se uma revisão dos principais conceitos e fundamentos do processo de forjamento a quente em matriz aberta que influenciam na qualidade interna do produto. Com o intuito de desenvolver o processo de forjamento a quente em matriz aberta de chapas do aço W.NR. 1.2714 com espessura de 311 mm, largura de 634 mm e comprimento de 6000 mm, avaliou-se as descontinuidades internas deste produto. Através de análises preliminares realizadas, foi possível observar que a descontinuidade interna típica tratava-se de vazio. Com este resultado, desenhou-se um projeto experimental com corpos de prova quadrados com defeitos falsos de 30 mm de diâmetro e forjados para simular uma das etapas do forjamento de chapas. Foram selecionadas três combinações de matrizes e dois tempos de encharque. Todos os corpos de prova foram aquecidos no mesmo forno sob mesmas condições e forjados com duas reduções de 50 mm cada (33% - deformação relativa total), com giro de 180 graus entre elas. Após o resfriamento ao ar, as amostras sofreram alívio de tensões e foram cortadas em serra a 150 mm da extremidade do furo. As variáveis respostas do plano experimental foram a área do furo, o alargamento e o alongamento. A amostra forjada com a combinação de matriz AC, composta pela matriz funil na parte superior e mesa de forjamento na parte inferior e tempo de encharque de 7h teve o furo caldeado. Com todas as combinações de matrizes, o tempo de encharque de 7h levou a menor área do furo, maior alargamento e maior alongamento que o tempo de 11h. / In open die forging the time spent on rework, and disposal of non-compliant material, generates costs and delays in customer service. To minimize these losses, a review of key concepts and fundamentals of the process of open die forging was carried out emphasizing the internal quality of the product. In order to develop the process of open die hot forging in plate steel W.NR 1.2714 with a thickness of 311 mm, width 634 mm and a length of 6000 mm, internal discontinuities of this product were evaluated. Through preliminary analysis was possible to observe that the typical internal discontinuity were voids. With this result, experiments were designed for square specimens with false defects of 30 mm in diameter, which were forged in order to simulate one of the steps in the forging of plates. Three combinations of dies and two soak times were selected. All samples were heated in the same furnace on the same conditions and forged with two reductions of 50 mm each (33% - total relative deformation) with 180 degrees among them. After air cooling, the samples were heated up to promote a stress relief and were cut at a position 150 mm from the edge of the hole. Output variables were the area of the hole, widening and lengthening. The sample forged with the combination of die AC, with funnel die at the top and forging table at the bottom and the soaking time of 7 hours had the hole closed. For all combinations of dies, the soaking time of 7 hours led to a lower area of the hole, higher widening and lengthening than for 11hours soak time.

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%.

No forjamento em matriz aberta o tempo gasto com retrabalhos e descarte de material não conforme gera custos e atraso no atendimento ao cliente. A fim de minimizar estas perdas, realizou-se uma revisão dos principais conceitos e fundamentos do processo de forjamento a quente em matriz aberta que influenciam na qualidade interna do produto. Com o intuito de desenvolver o processo de forjamento a quente em matriz aberta de chapas do aço W.NR. 1.2714 com espessura de 311 mm, largura de 634 mm e comprimento de 6000 mm, avaliou-se as descontinuidades internas deste produto. Através de análises preliminares realizadas, foi possível observar que a descontinuidade interna típica tratava-se de vazio. Com este resultado, desenhou-se um projeto experimental com corpos de prova quadrados com defeitos falsos de 30 mm de diâmetro e forjados para simular uma das etapas do forjamento de chapas. Foram selecionadas três combinações de matrizes e dois tempos de encharque. Todos os corpos de prova foram aquecidos no mesmo forno sob mesmas condições e forjados com duas reduções de 50 mm cada (33% - deformação relativa total), com giro de 180 graus entre elas. Após o resfriamento ao ar, as amostras sofreram alívio de tensões e foram cortadas em serra a 150 mm da extremidade do furo. As variáveis respostas do plano experimental foram a área do furo, o alargamento e o alongamento. A amostra forjada com a combinação de matriz AC, composta pela matriz funil na parte superior e mesa de forjamento na parte inferior e tempo de encharque de 7h teve o furo caldeado. Com todas as combinações de matrizes, o tempo de encharque de 7h levou a menor área do furo, maior alargamento e maior alongamento que o tempo de 11h. / In open die forging the time spent on rework, and disposal of non-compliant material, generates costs and delays in customer service. To minimize these losses, a review of key concepts and fundamentals of the process of open die forging was carried out emphasizing the internal quality of the product. In order to develop the process of open die hot forging in plate steel W.NR 1.2714 with a thickness of 311 mm, width 634 mm and a length of 6000 mm, internal discontinuities of this product were evaluated. Through preliminary analysis was possible to observe that the typical internal discontinuity were voids. With this result, experiments were designed for square specimens with false defects of 30 mm in diameter, which were forged in order to simulate one of the steps in the forging of plates. Three combinations of dies and two soak times were selected. All samples were heated in the same furnace on the same conditions and forged with two reductions of 50 mm each (33% - total relative deformation) with 180 degrees among them. After air cooling, the samples were heated up to promote a stress relief and were cut at a position 150 mm from the edge of the hole. Output variables were the area of the hole, widening and lengthening. The sample forged with the combination of die AC, with funnel die at the top and forging table at the bottom and the soaking time of 7 hours had the hole closed. For all combinations of dies, the soaking time of 7 hours led to a lower area of the hole, higher widening and lengthening than for 11hours soak time.

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.

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.