Desenvolvimento de sistema inteligente de gerenciamento do ciclo de vida de matrizes de forjamento a frio baseado em dados reais

Aug 18, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13297 (2022) Citar este artigo

1570 acessos

4 citações

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

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 repetidas tensões de compressão. O ciclo de vida até a falha por fadiga foi definido como a vida limite, e foram feitas tentativas para prever a vida útil da matriz com base no método de elementos finitos. No entanto, uma previsão precisa era impossível devido a variáveis ​​ambientais incontroláveis. Consequentemente, é impossível determinar claramente o ciclo de substituição da matriz, resultando em consequências negativas, como má 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 instalações de forjamento baseado em um sensor piezoelétrico. Além disso, o ciclo de vida da matriz foi previsto com mais precisão usando os dados de carga de formação 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 automotiva.

A indústria transformadora na sociedade moderna enfrenta vários problemas devido ao aumento excessivo dos custos de produção, incluindo custos de materiais e mão-de-obra, rápidas flutuações da procura, investimento excessivo em equipamentos e recursos de produção excedentários1. Em particular, à medida que os regulamentos sobre emissões de carbono são reforçados2, as especificações exigidas do produto final mudam de várias maneiras, juntamente com a melhoria e a inovação do processo de fabrico3. 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 transformadora enfrentou o desafio de alcançar simultaneamente a ecologia, a alta qualidade e o baixo custo. Para superar esta situação, estão sendo feitos esforços para melhorar a eficiência do processo de fabricação por meio de diversas tentativas, como o estabelecimento de uma estrutura de produção de baixo custo e a expansão do processo automatizado. Este fluxo conduziu à onda da quarta revolução industrial que começou na Alemanha5 e está a acelerar uma mudança de paradigma na indústria transformadora. A inovação no setor manufatureiro refere-se à hiperconexão centrada em dados de processos e inclui análise e utilização de big data, Internet das Coisas (IoT), manufatura viciante, simulação e sistemas de integração horizontal e vertical6.

Neste estudo, como parte da mudança de paradigma para a inovação na fabricação, foram coletados dados do processo de fabricação de peças de direção automotiva. Com base nisso, a vida útil da matriz de forjamento foi prevista com mais precisão. Além disso, procurou-se maximizar a eficiência do processo de fabricação através do monitoramento do ciclo de substituição da matriz pelo operador. O pino esférico da Fig. 1 está conectado à junta esférica externa (OBJ), um dos sistemas de direção dos automóveis, e desempenha um papel na garantia da mobilidade em várias direções.

Peças de pinos esféricos 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 prensados ​​diversas 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, deformando 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 fica danificado13. Isto leva a um aumento nos custos do processo14, por exemplo, diminuição da produtividade e aumento na taxa de defeitos devido à fratura e substituição da matriz. Estudos foram realizados 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. Contudo, esses métodos não predizem quantitativamente a vida limite, mas permanecem em uma análise qualitativa13,15. Por outro lado, há estudos conduzidos sob a ótica 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 atuante na matriz por meio de simulação numérica . Além disso, estudos semelhantes para prever a vida útil de matrizes de forjamento a frio continuam19,20,21,22,23.