Desenvolvimento de um sistema inteligente de gestão do ciclo de vida da matriz de forjamento a frio baseado em

Apr 04, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13297 (2022) Cite este artigo

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As matrizes de forjamento a frio são fabricadas através do processo de ajuste por contração para suportar cargas de alta pressão, mas a falha por fadiga eventualmente ocorre devido a tensões compressivas repetidas. O ciclo de vida até a falha por fadiga foi definido como a vida limite, e tentativas foram feitas para prever a vida útil da matriz com base no método dos elementos finitos. No entanto, a previsão precisa era impossível devido a variáveis ​​ambientais incontroláveis. Consequentemente, é impossível determinar com clareza o ciclo de substituição da matriz, resultando em consequências negativas, como baixa qualidade, atraso na produção e aumento de custos. Vários fatores ambientais que afetam a previsão do ciclo de vida da matriz resultam no aumento ou diminuição da carga de conformação, que é uma variável importante que determina o ciclo de vida da matriz. Neste estudo, foi desenvolvido um sistema de monitoramento de dados de carga gerados em forjarias baseado em um sensor piezo. Além disso, o ciclo de vida da matriz foi previsto com mais precisão usando os dados de carga de conformação medidos em tempo real, e um sistema de gerenciamento de vida útil da matriz que pode determinar o ciclo de substituição da matriz foi aplicado à linha de produção de peças de direção de automóveis.

A indústria manufatureira na sociedade moderna enfrenta vários problemas devido ao aumento excessivo dos custos de fabricação, incluindo custos de material e mão de obra, rápidas flutuações de demanda, investimento excessivo em equipamentos e recursos de produção excedentes1. Em particular, à medida que os regulamentos de emissão de carbono são fortalecidos2, as especificações exigidas do produto final estão mudando de várias maneiras, juntamente com a melhoria e inovação do processo de fabricação3. Para melhorar a eficiência de combustível dos automóveis, é necessário reduzir o peso de todas as peças4; simultaneamente, fatores não ambientais devem ser excluídos do processo de fabricação. Consequentemente, a indústria manufatureira enfrentou o desafio de alcançar, simultaneamente, respeito ao meio ambiente, alta qualidade e baixo custo. Para superar esta situação, esforços estão sendo feitos para melhorar a eficiência do processo de fabricação por meio de várias tentativas, como o estabelecimento de uma estrutura de produção de baixo custo e a expansão do processo automatizado. Esse fluxo levou à onda da quarta revolução industrial que começou na Alemanha5 e está acelerando uma mudança de paradigma na indústria manufatureira. A inovação no setor de manufatura refere-se à hiperconexão centrada em dados de processo e inclui análise e utilização de big data, Internet das Coisas (IoT), manufatura aditiva, simulação e sistemas de integração horizontal e vertical6.

Neste estudo, como parte da mudança de paradigma para inovação na manufatura, foram coletados dados do processo de fabricação de peças de direção de automóveis. Com base nisso, a vida útil da matriz de forjamento foi prevista com mais precisão. Além disso, buscou-se maximizar a eficiência no processo de fabricação, monitorando o ciclo de troca da matriz pelo operador. O pino esférico na Fig. 1 está conectado à junta esférica externa (OBJ), um dos sistemas de direção dos automóveis, e desempenha um papel na garantia de mobilidade em várias direções.

Partes do pino esférico de um sistema de direção7,8,9,10.

Os pinos esféricos são fabricados por meio de um processo de forjamento a frio em vários estágios, no qual os materiais a granel são pressionados várias vezes em um espaço fechado para formar um produto final. As operações de forjamento consistem na conformação do componente por meio da deformação plástica da matéria-prima, comprimida entre um punção e uma matriz11. Em particular, o processo de forjamento a frio pode garantir alta resistência e alta precisão de forma ao deformar o material à temperatura ambiente12. Nesse processo, a matriz é repetidamente submetida a uma alta carga compressiva, e o material da matriz atinge o limite de fadiga e é danificado13. Isso leva a um aumento nos custos do processo14, por exemplo, diminuição da produtividade e aumento da taxa de defeitos devido à fratura da matriz e substituição. Estudos têm sido conduzidos para prever a vida útil das matrizes de forjamento a frio e reduzir os custos do processo. A maneira mais comum de prever a vida útil de uma matriz de forjamento a frio é usar o FEM. No entanto, esses métodos não preveem quantitativamente a vida limitante, mas permanecem em uma análise qualitativa13,15. Por outro lado, existem estudos realizados sob o ponto de vista de que a quebra da matriz de forjamento é causada por trincas por fadiga14,16,17. Tanrıkulu calculou o limite de fadiga do material da matriz de forjamento a frio e apresentou uma fórmula empírica para prever a vida limite da matriz com base no valor da tensão atuando na matriz por meio de simulação numérica18. Além disso, estudos semelhantes para prever a vida útil de matrizes de forjamento a frio continuam19,20,21,22,23.