Visão geral do processo
A conformação de peças metálicas pela aplicação de altas forças de compressão e tração é comum em toda a fabricação industrial. Nas operações de estampagem, o metal, na maioria das vezes na forma de folhas, tiras ou bobinas, é moldado em formas específicas à temperatura ambiente por cisalhamento, prensagem e estiramento entre matrizes, geralmente em uma série de uma ou mais etapas de impacto discretas. O aço laminado a frio é o material inicial em muitas operações de estampagem, criando peças de chapa metálica nas indústrias automotiva e de eletrodomésticos e outras. Aproximadamente 15% dos trabalhadores da indústria automotiva trabalham em operações ou fábricas de estampagem.
No forjamento, a força compressiva é aplicada a blocos pré-formados (brancos) de metal, geralmente aquecidos a altas temperaturas, também em uma ou mais etapas discretas de prensagem. A forma da peça final é determinada pela forma das cavidades na matriz ou matrizes metálicas utilizadas. Com matrizes de impressão abertas, como no forjamento por martelo, a peça bruta é comprimida entre uma matriz presa à bigorna inferior e o aríete vertical. Com matrizes de impressão fechadas, como no forjamento por prensagem, a peça bruta é comprimida entre a matriz inferior e uma matriz superior presa ao aríete.
As forjas de martelo de queda usam um cilindro de vapor ou ar para levantar o martelo, que é então derrubado pela gravidade ou acionado por vapor ou ar. O número e a força dos golpes do martelo são controlados manualmente pelo operador. O operador geralmente segura a extremidade fria da coronha enquanto opera o martelo de queda. O forjamento com martelo de queda já compôs cerca de dois terços de todo o forjamento feito nos Estados Unidos, mas é menos comum hoje.
As forjas de prensa usam um aríete mecânico ou hidráulico para moldar a peça com um único golpe lento e controlado (consulte a figura 1). O forjamento por prensagem geralmente é controlado automaticamente. Pode ser feito a quente ou em temperaturas normais (frio-forjamento, extrusão). Uma variação do forjamento normal é o rolamento, onde são usadas aplicações contínuas de força e o operador gira a peça.
Figura 1. Forjamento por prensagem
Lubrificantes de moldes são pulverizados ou aplicados de outra forma nas faces dos moldes e superfícies em branco antes e entre golpes de martelo ou prensa.
Peças de máquinas de alta resistência, como eixos, coroas dentadas, parafusos e componentes de suspensão de veículos, são produtos forjados de aço comuns. Componentes de aeronaves de alta resistência, como longarinas de asas, discos de turbina e trem de pouso, são forjados de alumínio, titânio ou níquel e ligas de aço. Aproximadamente 3% dos trabalhadores automotivos estão em operações ou fábricas de forjamento.
Condições de trabalho
Muitos perigos comuns na indústria pesada estão presentes nas operações de estampagem e forjamento. Isso inclui lesões por esforço repetitivo (LER) de manuseio e processamento repetidos de peças e operação de controles de máquinas, como botões de palma. As peças pesadas colocam os trabalhadores em risco de problemas nas costas e nos ombros, bem como distúrbios musculoesqueléticos nas extremidades superiores. Os operadores de prensas em fábricas de estampagem automotiva têm taxas de LERs comparáveis às dos trabalhadores de fábricas de montagem em trabalhos de alto risco. Ruído e vibração de alto impulso estão presentes na maioria das operações de estampagem e forjamento (por exemplo, martelo a vapor ou a ar), causando perda auditiva e possível doença cardiovascular; estes estão entre os ambientes industriais de maior ruído (acima de 100 dBA). Como em outras formas de sistemas acionados por automação, as cargas de energia do trabalhador podem ser altas, dependendo das peças manuseadas e das taxas de ciclos da máquina.
Lesões catastróficas resultantes de movimentos imprevistos da máquina são comuns em estampagem e forjamento. Isso pode ser devido a: (1) falha mecânica dos sistemas de controle da máquina, como mecanismos de embreagem em situações em que se espera que os trabalhadores estejam rotineiramente dentro do envelope operacional da máquina (um projeto de processo inaceitável); (2) deficiências no projeto ou desempenho da máquina que convidam a intervenções não programadas do trabalhador, como movimentação de peças emperradas ou desalinhadas; ou (3) procedimentos de manutenção impróprios e de alto risco executados sem o bloqueio adequado de toda a rede de máquinas envolvida, incluindo a automação de transferência de peças e as funções de outras máquinas conectadas. A maioria das redes de máquinas automatizadas não está configurada para um bloqueio rápido, eficiente e eficaz ou solução de problemas segura.
Névoas de óleos lubrificantes de máquinas geradas durante a operação normal são outro risco genérico à saúde nas operações de estampagem e forjamento movidas a ar comprimido, potencialmente colocando os trabalhadores em risco de doenças respiratórias, dermatológicas e digestivas.
Problemas de Saúde e Segurança
Estampagem
As operações de estampagem apresentam alto risco de lacerações graves devido ao manuseio necessário de peças com arestas vivas. Possivelmente pior é o manuseio da sucata resultante dos perímetros cortados e das seções perfuradas das peças. A sucata é normalmente coletada por calhas e transportadores alimentados por gravidade. Desobstruir congestionamentos ocasionais é uma atividade de alto risco.
Os perigos químicos específicos da estampagem geralmente surgem de duas fontes principais: compostos de estampagem (ou seja, lubrificantes de matrizes) em operações reais de prensagem e emissões de soldagem da montagem das peças estampadas. Compostos de desenho (DCs) são necessários para a maioria das estampagens. O material é pulverizado ou enrolado na chapa de metal e outras névoas são geradas pelo próprio evento de estampagem. Como outros fluidos de usinagem, os compostos de trefilação podem ser óleos puros ou emulsões de óleo (óleos solúveis). Os componentes incluem frações de óleo de petróleo, agentes lubrificantes especiais (por exemplo, derivados de ácidos graxos animais e vegetais, óleos clorados e ceras), alcanolaminas, sulfonatos de petróleo, boratos, espessantes derivados de celulose, inibidores de corrosão e biocidas. As concentrações de névoa no ar em operações de estampagem podem atingir as de operações de usinagem típicas, embora esses níveis tendam a ser menores em média (0.05 a 2.0 mg/m3). No entanto, névoa visível e filme de óleo acumulado nas superfícies do edifício estão frequentemente presentes, e o contato com a pele pode ser maior devido ao manuseio extensivo das peças. As exposições com maior probabilidade de apresentar riscos são óleos clorados (possível câncer, doença hepática, distúrbios da pele), resina ou derivados de ácidos graxos de resina (sensibilizantes), frações de petróleo (cânceres digestivos) e, possivelmente, formaldeído (de biocidas) e nitrosaminas (de alcanolaminas e nitrito de sódio, como ingredientes DC ou em revestimentos de superfície em aço de entrada). Câncer digestivo elevado foi observado em duas fábricas de estampagem automotiva. Florescimentos microbiológicos em sistemas que aplicam CDs rolando-os sobre chapas de um reservatório aberto podem representar riscos para os trabalhadores devido a problemas respiratórios e dermatológicos análogos aos das operações de usinagem.
A soldagem de peças estampadas é frequentemente realizada em plantas de estampagem, geralmente sem lavagem intermediária. Isso produz emissões que incluem vapores metálicos e produtos de pirólise e combustão do composto de desenho e outros resíduos de superfície. As operações de soldagem típicas (principalmente por resistência) em plantas de estampagem geram concentrações totais de partículas de ar na faixa de 0.05 a 4.0 mg/m3. O conteúdo de metal (como vapores e óxidos) geralmente compõe menos da metade desse material particulado, indicando que até 2.0 mg/m3 são detritos químicos mal caracterizados. O resultado é uma névoa visível em muitas áreas de soldagem da planta de estampagem. A presença de derivados clorados e outros ingredientes orgânicos levanta sérias preocupações sobre a composição da fumaça de soldagem nessas configurações e defende fortemente os controles de ventilação. A aplicação de outros materiais antes da soldagem (como primer, tinta e adesivos do tipo epóxi), alguns dos quais são então soldados, aumenta a preocupação. As atividades de reparo de produção de soldagem, geralmente feitas manualmente, geralmente apresentam exposições mais altas a esses mesmos contaminantes do ar. Taxas excessivas de câncer de pulmão foram observadas entre soldadores em uma fábrica de estampagem automotiva.
Forjar
Assim como a estampagem, as operações de forjamento podem apresentar altos riscos de laceração quando os trabalhadores manuseiam peças forjadas ou aparam rebarbas ou bordas indesejadas das peças. O forjamento de alto impacto também pode ejetar fragmentos, escamas ou ferramentas, causando ferimentos. Em algumas atividades de forjamento, o trabalhador agarra a peça de trabalho com pinças durante as etapas de prensagem ou impacto, aumentando o risco de lesões musculoesqueléticas. Na forja, ao contrário da estampagem, fornos para peças de aquecimento (para forjamento e recozimento), bem como silos de peças forjadas a quente, geralmente estão próximos. Isso cria potencial para condições de alto estresse térmico. Fatores adicionais no estresse por calor são a carga metabólica do trabalhador durante o manuseio manual de materiais e, em alguns casos, o calor dos produtos de combustão de lubrificantes à base de óleo.
A lubrificação da matriz é necessária na maioria dos forjamentos e tem a característica adicional de que o lubrificante entra em contato com peças de alta temperatura. Isso causa pirólise imediata e aerossolização não apenas nas matrizes, mas também subseqüentemente de peças fumegantes em recipientes de resfriamento. Os ingredientes dos lubrificantes para matrizes de forjamento podem incluir pastas de grafite, espessantes poliméricos, emulsificantes de sulfonato, frações de petróleo, nitrato de sódio, nitrito de sódio, carbonato de sódio, silicato de sódio, óleos de silicone e biocidas. Estes são aplicados como sprays ou, em algumas aplicações, por cotonete. Fornos usados para aquecer o metal a ser forjado são geralmente acionados por óleo ou gás, ou são fornos de indução. As emissões podem resultar de fornos movidos a combustível com tiragem inadequada e de fornos de indução não ventilados quando o material de entrada de metal tem contaminantes de superfície, como inibidores de corrosão ou óleo, ou se, antes do forjamento, foi lubrificado para cisalhamento ou serragem (como em caso de barra). Nos EUA, as concentrações totais de ar particulado em operações de forjamento geralmente variam de 0.1 a 5.0 mg/m3 e variam amplamente nas operações de forjamento devido às correntes de convecção térmica. Uma taxa elevada de câncer de pulmão foi observada entre os trabalhadores de forjamento e tratamento térmico de duas fábricas de rolamentos de esferas.
Práticas de Saúde e Segurança
Poucos estudos avaliaram os efeitos reais na saúde de trabalhadores expostos a estampagem ou forjamento. A caracterização abrangente do potencial de toxicidade da maioria das operações de rotina, incluindo identificação e medição de agentes tóxicos prioritários, não foi feita. A avaliação dos efeitos de longo prazo sobre a saúde da tecnologia de lubrificação de moldes desenvolvida nas décadas de 1960 e 1970 só recentemente se tornou viável. Como resultado, a regulamentação dessas exposições segue padrões genéricos de poeira ou particulados totais, como 5.0 mg/m3 nos E.U.A. Embora provavelmente adequado em algumas circunstâncias, este padrão não é comprovadamente adequado para muitas aplicações de estampagem e forjamento.
Alguma redução nas concentrações de névoa de lubrificante na matriz é possível com um gerenciamento cuidadoso do procedimento de aplicação tanto na estampagem quanto na forja. A aplicação com rolo em estampagem é preferida quando viável, e o uso de pressão de ar mínima em sprays é benéfico. A possível eliminação de ingredientes perigosos prioritários deve ser investigada. Gabinetes com pressão negativa e coletores de névoa podem ser altamente eficazes, mas podem ser incompatíveis com o manuseio de peças. A filtragem do ar liberado dos sistemas de ar de alta pressão nas prensas reduziria a névoa de óleo da prensa (e o ruído). O contato com a pele em operações de estampagem pode ser reduzido com automação e bom uso de proteção pessoal, fornecendo proteção contra laceração e saturação de líquido. Para a soldagem de instalações de estampagem, a lavagem das peças antes da soldagem é altamente desejável, e os enclausuramentos parciais com LEV reduziriam substancialmente os níveis de fumaça.
Os controles para reduzir o estresse térmico na estampagem e forjamento a quente incluem minimizar a quantidade de manuseio manual de materiais em áreas de alto calor, blindagem de fornos para reduzir a radiação de calor, minimizar a altura das portas e slots do forno e usar ventiladores de resfriamento. A localização dos ventiladores de resfriamento deve ser parte integrante do projeto do movimento do ar para controlar a exposição à névoa e o estresse térmico; caso contrário, o resfriamento pode ser obtido apenas à custa de exposições mais altas.
A mecanização do manuseio de materiais, trocando o martelo pelo forjamento por prensa quando possível e ajustando a taxa de trabalho para níveis ergonomicamente práticos podem reduzir o número de lesões musculoesqueléticas.
Os níveis de ruído podem ser reduzidos por meio de uma combinação de mudança de martelo para forja de prensa quando possível, gabinetes bem projetados e silenciamento de sopradores de forno, embreagens de ar, cabos de ar e manuseio de peças. Um programa de conservação auditiva deve ser instituído.
O EPI necessário inclui proteção para a cabeça, proteção para os pés, óculos de proteção, protetores auriculares (ao redor de ruído excessivo), aventais e leggings à prova de calor e óleo (com uso intenso de lubrificantes à base de óleo) e proteção infravermelha para os olhos e rosto (ao redor fornos).
Riscos de saúde ambiental
Os perigos ambientais decorrentes das plantas de estampagem, relativamente menores em comparação com os de alguns outros tipos de plantas, incluem o descarte de compostos de extração de resíduos e soluções de lavagem e a exaustão da fumaça de soldagem sem limpeza adequada. Algumas fábricas de forjamento historicamente causaram degradação aguda da qualidade do ar local com fumaça de forja e pó de incrustação. No entanto, com capacidade de limpeza de ar adequada, isso não precisa ocorrer. A disposição da sucata de estampagem e da carepa de forjamento contendo lubrificantes para matrizes é outro problema em potencial.