Estampagem _ agosto 2021 by SF Editora

ESTAMPAGEM &

CONFORMAÇÃO

BRASIL

Stamping & Forming Magazine Brazil Revista de Corte, Estampagem e Conformação de Chapas, Arames e Tubos

Agosto 2021

Modelo Avançado de Quebra Rugas de Linha Adaptativa

Redução do Número de Protótipos de Componentes Automotivos em Aço de Alta Resistência Análise Numérica da Força Máxima nos Processos de Estampagem de Peças Prismáticas Comparação dos Métodos de Análise das Deformações na Estampagem Incremental Análise da Força no Processo ne Estampagem a Quente de um Aço DIN 22MnB5 Robustez da Produção de Estampados: o Papel das Propriedades Mecânicas para a Conformação de Chapas – Parte II

DOUTOR EM TRATAMENTO TÉRMICO

Industrial Heating

OUT A DEZ 2020 15

20 13 Modelo Avançado de Quebra Rugas de Linha Adaptativa

CONTEÚDO

41 AGOSTO 2021 - NÚMERO 6

ARTIGOS 13 Modelo Avançado de Quebra Rugas de Linha Adaptativa Wesley Aparecido da Silva

No processo de conformação de chapas metálicas a definição da operação de repuxo é a mais complexa e a que demanda maior tempo de desenvolvimento.

Redução do Número de Protótipos de Componentes Automotivos em Aço de Alta Resistência Alisson S. Duarte, Sixpro, Belo Horizonte (MG)

O projeto ULSAB (UltraLight Steel AutoBody) é um consórcio internacional que compreende mais de 35 empresas siderúrgicas.

Análise Numérica da Força Máxima nos Processos de Estampagem de Peças Prismáticas Rafael Pandolfo da Rocha; Matheus Henrique Riffel; Thaís Morato Bueno; André Rosiak e Lirio Schaeffer

A alta competitividade do segmento industrial e o curto tempo para desenvolvimento de novos produtos impulsiona o emprego de ferramentas de análise de processos que permitam agilizar a etapa de projeto.

Comparação dos Métodos de Análise das Deformações na Estampagem Incremental

Análise da Força no Processo ne Estampagem a Quente de um Aço DIN 22MnB5

Robustez da Produção de Estampados: o Papel das Propriedades Mecânicas para a Conformação de Chapas – Parte II

Rafael Gustavo Schreiber; Dionatan de Souza Britto; Andrison Rodrigues Teixeira; Régis Marcelo de Souza e Lirio Schaeffer

Este trabalho apresenta uma comparação de dois métodos para análise das deformações no processo de Estampagem Incremental.

Thaís G. Morato Bueno; Rafael Pandolfo; André Rosiak; Matheus Riffel e Lirio Schaeffer

Este trabalho relata um estudo sobre a estampagem a quente do aço DIN 22MnB5 com revestimento de Alumínio-Silício, fabricado pela ArcelorMittal, comercialmente conhecido como USIBOR® 1500. A espessura do material é de 1,5 mm.

João Henrique Corrêa de Souza, TechnNova Consultoria em Engenharia e Inovação

Na segunda parte do artigo serão detalhados alguns ensaios importantes para a conformação de chapas, dando continuidade à primeira parte. ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 3

ESTAMPAGEM &

CONFORMAÇÃO

BRASIL

Stamping & Forming Magazine Brazil

EQUIPE DE EDIÇÃO SF Editora é uma marca da Aprenda Eventos Técnicos Eireli (19) 3288-0437 Rua Ipauçu, 178 - Vila Marieta, Campinas (SP) www.sfeditora.com.br

DEPARTAMENTOS

Imagem da Capa: Cortesia da Autoform Veja mais na pág. 17

04 Índice de Anunciantes 12 Informe publictário

Lirio Schaeffer Editor, schaefer@ufrgs.br • (51) 99991-7469 Udo Fiorini Publisher, udo@sfeditora.com.br • (19) 99205-5789 Mariana Rodrigues Diagramação - Revisão, marianar205@gmail.com • (19) 3288-0437 André Júnior Vendas, andre@grupoaprenda.com.br • (19) 3288-0437

As opiniões expressadas em artigos, colunas ou pelos entrevistados são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente a opinião dos editores.

ÍNDICE DE ANUNCIANTES Empresa

Pág.

Contato

Autoform

www.autoform.com

Portal Aquecimento Industrial

05, 07, 47, 48, 3ª Capa

www.aquecimentoindustrial.com.br

Metalurgia

2ª Capa

www.metalurgia.com.br

Villares Metals

4ª Capa

www.villaresmetals.com.br/pt

COLUNAS 05

Editorial Brasil Revista Estampagem & Conformação

A SF Editora do Grupo Aprenda está novamente desafiando mais um ano do impacto da pandemia do coronavirus na vida das pessoas e aceitou a luta para publicar mais uma edição da Revista ESTAMPAGEM & CONFORMAÇÃO.

06 08 11

PHS Work Force Team Aço PHS para estampagem automotiva

Caros leitores, o grupo do PHS Task Force do IPEN/SP tem avançado em temas de grande relevância ao segmento de aços de alta resistência e dentre os diversos estudos, destaca-se o PHS com o emprego do revestimento Al-Si.

Simulação Eficiência e qualidade no Try-out

No setor de estampagem de chapas, o momento de maior expectativa é o try-out. Este departamento está na ponta da cadeia produtiva de ferramentas e, daí, os estampos devem sair da ferramentaria levando consigo o selo de qualidade da mesma.

BrDDRG Obrigado, 2021

O ano de 2021 já está chegando ao fim e temos vários motivos para comemorar e agradecer. Comemorar a força que temos para superar os obstáculos, esta que permite que continuamos indo adiante, nos adaptando e aprendendo sempre.

4 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

EDITORIAL

REVISTA ESTAMPAGEM & CONFORMAÇÃO

SF Editora do Grupo Aprenda está novamente

Humanos especializados, posteriormente deve-se iniciar com

do coronavirus na vida das pessoas e aceitou a luta

fabricação. Desde o controle da temperatura, medições de

desafiando mais um ano do impacto da pandemia

para publicar mais uma edição da Revista ESTAMPAGEM & CONFORMAÇÃO.

Um dos focos que atualmente vem sendo muito importante

para a Indústria Nacional é a contínua e importante busca para a implementação da moderna Indústria 4.0. Um dos grandes

problemas que atualmente se sobressai e que é uma das causas da dificuldade de implementação é a interdisciplinaridade

que esta técnica exige: os técnicos de processos em geral não

entendem o suficiente da Tecnologia de Informática (TI) e os

a aquisição e monitoramento de dados durante a etapa de

forças e deslocamentos, tempos, etc . entre outros parâmetros. É muito importante o conhecimento dos efeitos desses parâmetros no processo. Isso envolve um mínimo de adaptação de modelos de cálculos. Nem sempre é fundamental o uso dos caríssimos softwares de simulação computacional, muitas vezes existem

formulas empíricas para os cálculos que podem levar a soluções

rápidas e relativamente precisas na determinação e consequente uso parâmetros otimizados dos processos.

A Revista Estampagem & Conformação traz nesta

especialistas de TI não entendem nada de processos. Então,

edição a continuação do papel das propriedades mecânicas,

dos custos necessários para a implantação, trazem o grande

do quebra rugas, a redução do número de protótipos de

a junção destes dois mundos, somada com a preocupação

trauma para as dificuldades de alguns empresários na sua implementação. Entretanto, é importante frisar que é um

caminho sem volta. A competitividade nacional e internacional passa pela implementação da Indústria 4.0. As pequenas e

medias empresas também não escaparão de sua implementação. O que ainda é importante mencionar refere-se à forma para

implementá-la, que deve ocorrer por etapas: Em primeiro lugar é necessário considerar a importante formação de Recursos

a apresentação de um modelo avançado de determinação

componentes automotivos em aços de alta resistência, emprego da Estampagem Incremental com método de análise das

deformações bem como uma análise de cálculo de força na Estampagem a Quente de 22MnB5. Desejo boa leitura a todos Lirio Schaeffer, Editor.

LEIA ONLINE Conheça o Portal Aquecimento Industrial, Notícias, Artigos, Colunas junto com informações relevantes sobre a Indústria Metalmecânica no Brasil e do mundo.

ESTAMPAGEM

ABRIL 2021 5

MaterialSeries

››

AÇO PHS PARA ESTAMPAGEM AUTOMOTIVA

aros leitores, o grupo do PHS Task Force do IPEN/

revestimento Al-Si apresenta-se em estado passivo em ambientes

ao segmento de aços de alta resistência e dentre os

oferece proteção catódica ao aço. No entanto, em ambientes com

SP tem avançado em temas de grande relevância

diversos estudos, destaca-se o PHS com o emprego

do revestimento Al-Si. O objetivo desta coluna é demonstrar o

empenho dos pesquisadores que agregaram muito valor ao grupo

durante estes último anos e neste sentido, destaca-se um trabalho

recente que foi executado pela Dra. Camila Pucci Couto, durante seu doutorado . 1

O uso de aços endurecidos na prensagem a quente (PHS - do

inglês, press-hardened steel) já está bem estabelecido na indústria

que não contém altas concentrações de íons cloreto, e assim não

altas concentrações de íons cloreto, esses íons promovem a quebra da película passiva, o revestimento torna-se ativo e corrói prefe-

rencialmente em relação ao aço. Além disso, o processo corrosivo ocorre de maneira localizada (por pites), a matriz de alumínio é atacada preferencialmente em torno dos precipitados de silício

ou ferro-alumínio que se comportam catodicamente em relação à matriz.

Apesar de todo o conhecimento relacionado ao revestimento

automotiva. Entretanto, eles precisam ser protegidos com reves-

Al-Si, o cenário muda completamente quando se trata de aço

mesmo descarbonetação. Cita-se os aços galvanizados, como os

um sistema complexo composto por diferentes subcamadas, que

timentos metálicos, isto para evitar fenômenos de oxidação e, até mais comuns na indústria automotiva e sua grande vantagem é a

combinação dos mecanismos de proteção por barreira e proteção

catódica e por isto, muitos trabalhos são direcionados em relação ao seu uso. A grande dificuldade em relação a este sistema de

revestimento, submetido especificamente aos processos de estampagem a quente, está relacionada à fragilização do aço induzido pelo metal líquido (zinco). Isto acontece devido às elevadas

temperaturas de austenização, que podem variar de 850 °C a 950

°C. Por esta razão, o revestimento mais comum aplicado aos aços

PHS é o sistema alumínio-silício (Al-Si), com 10 % de silício em

fração de massa, aplicado por imersão a quente. Este revestimento é destinado a aplicações onde resistência à oxidação em altas temperaturas é necessária.

O comportamento eletroquímico do revestimento Al-Si é

estudado. A adição de silício ao banho de alumínio promove o deslocamento do potencial de corrosão para valores mais posi-

tivos, tornando assim o revestimento mais nobre em função do

teor de silício. Além disso, o silício promove uma interface mais regular entre o aço e o substrato, o que diminui a probabilidade

de micro trincas e até mesmo o desplacamento do revestimento. Assim como a maioria dos revestimentos a base de alumínio, o

1 Texto extraído do Doutorado Direto da Engenheira de Materiais, Camila Pucci Couto, desenvolvido em regime de cotutela entre o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) - Autarquia associada à Universidade de São Paulo (USP) e a Vrije Universiteit Brussel (VUB) da Bélgica, sob a orientação do Prof. Dr. Jesualdo Luiz Rossi (IPEN), do Prof. Dr. Herman Terryn (VUB) e do Dr. ReynierRevilla (VUB).

6 ABIL 2021

ESTAMPAGEM

PHS revestido com Al-Si. Sabe-se que o revestimento se torna

podem ser caracterizadas como subcamadas enriquecidas em alumínio, ou enriquecidas em ferro/silício. Isto acontece devido ao

processo de difusão entre os elementos presentes no revestimento

e no substrato de aço. Além dessas subcamadas, defeitos inerentes ao processo de estampagem a quente, como micro trincas e va-

zios, são formados na camada do revestimento. As micro trincas

se propagam por toda a camada do revestimento e são limitadas a

camada de interdifusão, região de interface entre o revestimento e o substrato de aço. Por outro lado, os vazios são também resultados do rápido processo de difusão entre os elementos.

Essa condição do revestimento, após o processo de estampa-

gem a quente, altera também o comportamento eletroquímico de todo o sistema. Cada subcamada se comporta de uma maneira diferente e os defeitos podem acelerar o processo corrosivo. A primeira alteração é em relação ao comportamento global do

sistema que se torna mais nobre depois do processo de estam-

pagem a quente. No entanto, essa é uma resposta da superfície. Para avaliação de cada subcamada do revestimento, técnicas

eletroquímicas localizadas podem ser utilizadas para análises na

seção transversal. A técnica de microscopia de varredura de força por sonda Kelvin (SKPFM - do inglês, scanning Kelvin probe force microscopy) que permite a avaliação da nobreza relativa

do sistema na ausência de um eletrólito. Por meio dessa técnica, verificou-se que tanto o revestimento quanto o substrato de aço tornam-se mais nobres depois do processo termomecânico. A

razão pela qual isso acontece está relacionado a difusão do ferro

MaterialSeries

›› em direção ao revestimento e também pela transformação micro-

motriz é a diferença de potencial de corrosão entre o aço e o re-

às diferentes subcamadas do revestimento, aquelas enriquecidas

favorecido o processo de difusão do ferro, mais nobre o revesti-

estrutural do aço de ferrita/perlita para martensita. Em relação em alumínio foram caracterizadas como as menos nobres do revestimento.

Entretanto, um eletrólito pode alterar o comportamento

eletroquímico de um sistema, e por essa razão, uma técnica localizada complementar,considerando a influência de um eletrólito,

foi utilizada: a micro célula eletroquímica. Essa técnica permite a

vestimento. E quanto maior a temperatura de austenitização, mais mento e menor a diferença de potencial de corrosão entre o aço e

o revestimento. Portanto, o revestimento de Al-Si em aços PHS, protege o aço pelo mecanismo de barreira e, caso algum defeito exponha o substrato de aço, o mesmo correrá simultaneamente com o revestimento de forma generalizada.

Por fim, pode-se afirmar que o processo de estampagem a

aquisição de curvas de polarização em escalas nanométricas. Os

quente altera a morfologia, composição e estrutura do revestimen-

potencial de corrosão de cada subcamada do sistema é deslocado

Obrigado e até a próxima edição.

resultados mostraram que de fato, após a estampagem a quente, o para valores mais positivos. Além disso, as subcamadas enrique-

cidas em alumínio mostraram-se as mais susceptíveis à corrosão e

to Al-Si e consequentemente, seu comportamento eletroquímico.

com um comportamento ativo. Por outro lado, as fases enriqueci-

Grupo formado dentro do IPEN no ínicio de 2010 e intitulado

com um comportamento passivo.

formado por pesquisadores e especialistas internos e externos

de todo o sistema (revestimento e aço) depois da estampagem a

valor ao setor da mobilidade e solucionar os problemas que

das em ferro/silício mostraram-se as mais resistentes à corrosão e

como PHS Work Force Team em 2015, sem fins lucrativos,

Embora diferentes estudos confirmaram o enobrecimento

na área de aços de alto desempenho, com foco em agregar

quente, a força motriz para proteção catódica diminui. A força

habitam estas comunidades.

LEIA ONLINE As revistas Industrial Heating, FORGE, Engrenagens - Gears Magazine e a Estampagem - Stamping Magazine são disponibilizadas gratuitamente na Banca Digital do Portal Aquecimento Industrial, junto com informações relevantes sobre a Indústria Metalmecânica no Brasil e do mundo.

ESTAMPAGEM

ABRIL 2021 7

SIMULAÇÃO

››

EFICIÊNCIA E QUALIDADE NO TRY-OUT

o setor de estampagem de

chapas, o momento de maior expectativa é o try-out. Este

departamento está na ponta da cadeia produtiva de ferramentas e, daí, os

estampos devem sair da ferramentaria

levando consigo o selo de qualidade da mesma. Portanto, é no try-out onde

af loram quaisquer problemas e imper-

feições daquele produto/processo, desde a sua concepção, no design, até a usina-

gem dos estampos, passando pelo plano de métodos, simulação, projeto etc.

É sabido também que a hora do try-

Figura 1

-out é a hora mais cara da ferramentaria e mais crítica em relação aos prazos. Sendo assim, quando os estampos

chegam a este departamento, os ferra-

menteiros precisam trabalhar como uma equipe de pit stop da Fórmula 1. E os

problemas mencionados anteriormente

têm um impacto enorme, gerando, ainda nos dias de hoje, uma grande quantidade de retrabalhos, atrasos, desperdício

de matéria-prima e falta de confiabilidade por parte dos clientes.

Além das questões inerentes ao

Figura 2

processo de estampagem mencionadas,

o modelo de trabalho adotado no Brasil deposita ainda mais responsabilidade

e peso no try-out, quando comparado a outros países emergentes no setor.

Logo, ao fazer novamente uma analogia com a Fórmula 1, um pequeno parafuso

emperrado na roda coloca em risco todo o esforço feito para vencer a corrida. Em busca de melhorar o cenário

alarmante em que se encontram as fer-

ramentarias brasileiras, existem esforços e iniciativas que têm buscado entender 8 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

Figura 3

SIMULAÇÃO

››

este modelo de trabalho no setor e os seus gargalos. Parte desses esforços

concentra-se em testar e desenvolver

melhores práticas na aplicação das tec-

nologias disponíveis no mercado. Dentre essas tecnologias, destaca-se a simulação do processo de estampagem por elementos finitos, que está hoje em um ponto

de evolução muito além da maioria dos

demais processos de fabricação e assume um volume de atividades e uma respon-

sabilidade enormes na cadeia produtiva.

Figura 4

A simulação está presente em quase todo momento. Quando bem utilizada, reduz os retrabalhos e aumenta a qualidade

final de forma notável. Ainda assim, o

try-out é e será por muito tempo o vilão e o herói desta história. E um grande aliado das Ferramentarias é o OmniCAD, um software que trata os pro-

blemas mais complexos de forma fácil,

Figura 5

rápida e objetiva.

Para peças com springback fora da

tolerância dimensional, o OmniCAD

oferece a compensação por escaneamen-

to do produto (figura 1) ou compensação por pontos 3D (figura 2)

Para ferramentas modificadas em

try-out e desatualizadas em relação ao

PLM e projeto (figura 3) o OmniCAD é capaz de fazer a atualização de superfí-

cies pelo escaneamento das ferramentas, conforme mostra a figura 3.

Para ferramentas com modificações

drásticas em try-out ou que não possuem projeto ou PLM, é possível utilizar a

Figura 6

Engenharia reversa pura do OmniCAD, conforme mostra a figura 4.

Para modificações de produto por

parte do cliente, o OmniCAD oferece

OmniCAD possui uma aplicação que

adaptar as modificações de produto à

ges por distâncias ou ângulos medidos

mostra a figura 5, além de correções e

na zona compensada e a tangência com a

as transformações livres, que permitem ferramentas já compensadas, conforme ajustes diversos e compensações locais. Para compensações em f langes o

Por fim, para painéis externos, o

permite realizar a compensação em f lan-

OmniCAD permite manter a qualidade

na qualidade, mantendo a boa qualidade

oferecendo também todas as análises

zona não modificada, conforme mostra a figura 6.

classe A em todas as suas aplicações,

necessárias para avaliar a qualidade de superfície em tempo real, conforme mostra a figura 7.

ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 9

SIMULAÇÃO

››

Muitas ferramentarias e montadoras

fora do Brasil, como a Tesla, Mazda e Stellantis tem aplicado o OmniCAD

com sucesso, não só no try-out, mas em departamentos e momentos diversos,

como mostra o f luxo na figura 8. Dessa

num segundo momento, proporciona

mente pela empresa, oferecendo resulta-

eficiência geral da ferramentaria, ao ser

forma, o OmniCAD é absorvido rapidados imediatos, ao possibilitar a solução de problemas presentes no try-out. Já

uma grande melhoria na qualidade e na aplicado nos departamentos anteriores ao try-out.

Ricardo A. Micheletti Viana, Engenheiro Mecânico, graduado pela UFMG com 15 anos de experiência no processo de conformação de chapas, simulação e acompanhamento de try-out. É autor de patente, livro, artigos e colunas diversas. Gerente técnico e sócio na empresa “SIXPRO Virtual and Practical Process”.

Figura 7

Figura 8 10 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

BrDDRG

››

OBRIGADO, 2021

ano de 2021 já está chegando

contorno” que vão sendo colocadas.

acadêmicos, permitindo essas conexões

motivos para comemorar

também de agradecer, primordialmente

de nossa indústria.

ao fim e temos vários

e agradecer. Comemorar a força que

temos para superar os obstáculos, esta que permite que continuamos indo

adiante, nos adaptando e aprendendo

sempre. Essa força nos permitiu realizar o 7° Congresso do BrDDRG em

outubro com formato virtual (acesse os anais do congresso gratuitamente no endereço https://www.2021.senafor.

com/anais.html). Nos permitiu também continuarmos estudando, trabalhando, construindo, de maneiras diferentes,

nos adaptando às novas “condições de

Mas, não nos esqueçamos que é hora

por estarmos vivos e sãos nesta época de tantas incertezas.

Para 2022 esperamos poder realizar

tão necessárias para o desenvolvimento

Um bom Natal a todos e que venha

2022! Abraços

o nosso tradicional congresso de forma presencial, de 5 a 7 de outubro (www.

Dr.-Ing. João Henrique Corrêa de Souza é

senafor.com). Para o 8° Congresso

secretário nacional da BrDDRG, professor

científica renovada, com o objetivo

Grande. Technnova Consultoria em Engenharia e

apresentados. Como de costume

technnova.com.br ou o perfil no Linkedin www.

do BrDDRG teremos uma comissão

visitante na FURG - Universidade Federal de Rio

de manter o alto nível dos trabalhos

Inovação. Para saber mais acesse o site: www.

teremos um mix de apresentações

linkedin.com/in/joaohcdesouzametalforming.

de convidados destacados, trabalhos oriundos da indústria e trabalhos

ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 11

INFORME PUBLICITÁRIO

AutoForm anuncia a mais nova versão do software, o “AutoForm Forming R10” A AutoForm Engineering GmbH, principal fornecedora de

nologia no Brasil irá promover um evento para seus clientes de forma a celebrar esse grande momento. O lançamento da nova versão no Brasil está previsto para o último quartil deste ano.

soluções de software para processos de estamparia e armação

Sobre a AutoForm Engineering

versão do software, “O AutoForm Forming R10”.

chapas e processo de montagem de carrocerias brutas. Com

processo de conformação, combinando todos os aspectos críticos

é reconhecida como a fornecedora líder de software para

de carrocerias brutas, anunciou recentemente a sua mais nova Esta solução tem por finalidade suportar toda a cadeia do

A AutoForm oferece soluções de software para conformação de mais de 400 funcionários dedicados a esta área, a AutoForm

para a confecção de peças conformadas.

fabricação de produtos, cálculo de custo de ferramentas e

o nível de qualidade de seus processos. É com este propósito que

otimização do processo de montagem de carrocerias. Todas

lidade de processo”. Os aprimoramentos mais recentes trazem

escolheram o AutoForm como o software de sua preferência.

de projeto do ferramental, compensação de retorno elástico e

Alemanha, Holanda, França, Espanha, Itália, República Tcheca,

Com o AutoForm Forming R10, os usuários poderão elevar

materiais, design de ferramental e estamparia virtual, bem como

a AutoForm adotou o lema “Guiando você para a mais alta qua-

as 20 principais montadoras e a maioria de seus fornecedores

benefícios particulares para usuários que trabalham nas áreas

Além de sua sede na Suíça, a AutoForm possui escritórios na

conformação a quente.

Suécia, EUA, México, Brasil, Índia, China, Japão e Coreia. A

vimentos dos processos, os usuários podem obter uma visão

suas representações. Para informações mais detalhadas, visite:

alternativos de peças e processos, identificar as causas dos

Nos acompanhem em nossas mídias sociais e entrem em contato

A combinação das soluções do software AutoForm cobrem os

Blog - https://formingworld.com/

Ao implementar o software AutoForm para os desenvol-

AutoForm também está presente em outros 13 países através de

profunda dos efeitos de fabricação, avaliar rapidamente projetos

www.autoform.com

desvios dimensionais e implementar contramedidas eficazes.

para maiores informações.

processos de estamparia e montagem de carrocerias brutas.

Site - https://www.autoform.com/pt/

do software, o escritório responsável pela distribuição da tec-

engineering/mycompany/

Com o anuncio global da AutoForm sobre sua nova versão

12 ABRIL 2021

ESTAMPAGEM

LinkedIn - https://www.linkedin.com/company/autoform-

ARTIGO

MODELO AVANÇADO DE QUEBRA RUGAS DE LINHA ADAPTATIVA Wesley Aparecido da Silva

o processo de conformação

do repuxo, tornando esta uma etapa

try-out, encontrando-se uma corrida de

definição da operação de

eliminar o método de tentativa erro

rupturas ou rugas e que principalmente

de chapas metálicas a

repuxo é a mais complexa

e a que demanda maior tempo de

complexa a ser definida. O objetivo é visando minimizar as perdas durante o

chapa ideal que garanta uma peça sem assegure a repetibilidade do processo.

desenvolvimento. Isto ocorre porque é

necessário atingir um controle adequado do escoamento da chapa com o objetivo de encontrar um estado de deformação

equilibrado, já que uma restrição muito elevada potencialmente gerará falhas

por ruptura e uma restrição muito baixa

levará ao enrugamento, além de afetar os

resultados dimensionais relacionados com o retorno elástico.

O estado de deformação é

influenciado por diversos fatores, como a rigidez do material, a espessura e

até mesmo a geometria da superfície

Figura 1. Raio de entrada/saída do quebra-rugas ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 13

ARTIGO O departamento de engenharia vem

atuando com presença cada vez mais forte na definição e validação dos

processos, onde os softwares de CAE

são ferramentas poderosas que trazem para os especialistas a possibilidade de simular virtualmente diferentes

cenários a fim de encontrar o processo

ideal, reduzindo assim tempo e custo de try-out. Estimasse que para cada 1 hora de engenharia ocorra uma redução de 5

horas no chão de fábrica, entre usinagem, ajuste e try-out. (Esses dados foram

levantados por uma montadora que possui todo o processo mapeado da construção de suas ferramentas).

Entretanto, mesmo na engenharia se

faz necessário otimizar os tempos, e para

Figura 2. Elementos que caracterizam o raio

o processo de simulação de conformação de chapas metálicas os softwares de

simulação oferecem alguns artifícios que podem auxiliar nessa tarefa.

Na operação de repuxo, para se obter

o controle do escoamento da chapa um recurso de processo bastante usual é a

restrição gerada por quebra-rugas, sendo estes perfis definidos sobre a superfície do prensa-chapa que atuam como um

freio para o deslocamento da chapa ao longo da conformação. Eles podem

ser definidos com diferentes graus de

restrição dependendo da sua geometria,

podendo ter raios e alturas variadas. Seus

Figura 3. Elementos caracterizados da malha após formação do quebra-rugas

raios de entrada e saída podem começar a partir de aproximadamente 2,0mm. (Figura 1 - Raio de entrada/saída do quebra-rugas).

Tendo em vista a proporção em que

os raios do quebra-rugas podem ser

definidos, considerando que a simulação será baseada em elementos finitos, é

esperado que a quantidade de elementos para caracterizar estes raios seja muito grande e o tamanho dos elementos bastante pequeno, e a combinação

desses fatores implicará em um aumento 14 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

Figura 4. Aumento da rigidez após o encruamento na região do quebra-rugas geométrico

ARTIGO significativo do tempo de cálculo já que

a todo momento a superficie da malha é atualizada de acordo com as interações

entre ela e as superficies das ferramentas. (Figura 2 Elementos que caracterizam o

raio / Figura 3 Elementos caracterizados

da malha após formação do quebra-rugas). Voltando a questão da otimização

dos tempos de engenharia, os softwares de simulação mais modernos oferecem

alguns recursos para reduzir o tempo de

cálculo para a representação dos quebra-

rugas, sendo gerados modelos de quebrarugas analíticos que simulam a restrição

da chapa sem representar a sua geometria, Figura 5. Afinamento da chapa

que precisam ser analisados e utilizados com cautela.

Hoje existem basicamente dois

modelos de quebra-rugas analíticos, o de linha constante e o avançado de linha adaptativo. O modelo

constante é um modelo simplificado onde apenas a força de restrição do

quebra-rugas é considerada, o que não condiz exatamente com a realidade

já que a restrição é variável ao longo

do processo de conformação, uma vez que a espessura da chapa e a rigidez Figura 6. Representação da formula para o cálculo do modelo de linha adaptativo

gerada pelo encruamento irá variar. Esse modelo pode ser utilizado em

estudos iniciais, apenas para ter uma

ideia se será necessário ou não utilizar quebra-rugas e também identificar a

possibilidade de segmentação, definindo diferentes restrições no entorno da

linha de entrada da matriz. A vantagem desse modelo se comparado com o

quebra-rugas puramente geométrico está no tempo de cálculo, uma vez

que para os modelos analíticos não há

caracterização dos raios do quebra-rugas e consequentemente a malha não será tão refinada nessa região. (Figura 4 Figura 7. Comparativo entre os modelos de quebra-rugas (retorno elástico) benchmark da Numisheet [1]

Aumento da rigidez após o encruamento na região do quebra-rugas geométrico / Figura 5 - Afinamento da chapa). ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 15

ARTIGO

Figura 8. Resultado e aperfeiçoamento da precisão com a aplicação das opções de modelagem de quebra-rugas correspondentes. Cortesia da EBZ SysTec GmbH

Pensando nessa limitação do modelo

analítico de linha constante, alguns

desenvolvedores estão trabalhando a fundo na formulação de modelos analíticos cada

vez mais avançados para se aproximarem a realidade, e esse recurso já está disponível

em alguns dos softwares mais atualizados na forma do modelo de linha adaptativo.

(Figura 6 - Representação da formula para o cálculo do modelo de linha adaptativo /

Figura 7 – Comparativo entre os modelos de quebra-rugas).

No modelo de linha adaptativo

avançado, a força de restrição irá variar de acordo com o incremento do cálculo, já

que o modelo se adapta conforme variam a espessura e o enrijecimento gerados

pelo encruamento no momento corrente.

Dessa forma esse modelo, além de garantir um menor tempo de simulação, também traz maior precisão para os resultados,

como pode ser visto no artigo publicado

no blog formingworld.com pela empresa EBZ SysTec, que utiliza esse recurso

para otimizar o tempo da sua engenharia 16 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

Figura 9. Comparativo entre o modelo geométrico e os modelos analíticos

ARTIGO

Figura 10. Fechamento do prensa-chapa, conformação até o fundo da matriz e momento anterior ao alívio de tensões. (Função unflattening)

sem perder a correlação dos resultados

pois o volume da peça normalmente

- Resultado).

inevitavelmente a chapa escoará mais e

de simulação com a prática. (Figura 8

Outro fator de extrema importância

quando utilizado o modelo de quebra-

rugas analítico constante está relacionado com a precisão do resultado do retorno elástico do blank após o repuxo, que

é prejudicado uma vez que o perfil do

quebra-rugas não é formado na superfície do chapa e esse tem influência tanto no

momento gerado após o alivio de tensões quanto na própria rigidez produzida pela forma do perfil, mascarando assim o

resultado do retorno elástico. (Figura 9 -

Comparativo entre o modelo geométrico e os modelos analíticos).

Nesse ponto o modelo de linha

adaptativo avançado também oferece a possibilidade de calcular apenas o fechamento do prensa-chapa com o

quebra-rugas geométrico. Pelo fato do

quebra-rugas não ser tão profundo e por

não ter grande f luxo de material durante o fechamento o tempo de cálculo será

menor. Posteriormente, do momento do primeiro toque da chapa com punção

até se alcançar o fundo da matriz, será

utilizado o modelo de linha adaptativa,

possui uma profundidade maior e

consequentemente demandará de uma quantidade maior de iterações. Sendo assim, para essa etapa a utilização do

modelo adaptativo trará uma redução bastante significativa do tempo de

cálculo. E para finalizar e garantir maior precisão no resultado do retorno elástico

o perfil do quebra-rugas que foi simulado durante o fechamento do prensa-chapa é aplicado novamente à condição final do repuxo no momento anterior ao alívio

de tensões, sendo essa função conhecida como unf lattening ou desplanificação,

Referências [1] T. Buranathiti e C. Cao, “Benchmark Simulation Results: Automotive Underbody Cross Member (Benchmark 1)”, em conferência internacional e workshop sobre simulação numérica de processos de conformação 3D de chapas metálicas, Detroit/ Michigan, 2005. [2] M. Sester, I. Burchitz, E. Saenz de Argandona, F. Estalayo, B. Carleer, “ACCURATE DRAWBEAD MODELING IN STAMPING SIMULATIONS”, Journal of Physics: Conference Series 734, 2016. [3] M. During, “EBZ SysTec’s Approach to Efficient Draw Bead Modelling”, Disponível em: https://formingworld.com/ebz-systec/, Acesso em: 14 Junho 2021

permitindo um resultado mais preciso do cálculo do springback. (Figura

10 - Fechamento do prensa-chapa,

conformação até o fundo da matriz e

momento anterior ao alívio de tensões. Função unf lattening).

Dessa forma, trabalhando com o

modelo de linha adaptativo avançado

é possível economizar cerca de 55% do

tempo de cálculo se comparado com uma simulação rodada com os quebra-rugas

Wesley Aparecido da Silva - Engenheiro de aplicação AutoForm, possui mais de 13 anos de experiência na área de ferramentaria em diversas tarefas nas áreas de estamparia, ferramentaria, engenharia de processos e desenvolvimento. Atualmente atua com a implementação, treinamento e suporte do software AutoForm. +55 11 4121 6772/ wesley.aparecido@autoform.com.br

geométricos e ainda garantir uma elevada precisão dos resultados.

ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 17

ARTIGO

REDUÇÃO DO NÚMERO DE PROTÓTIPOS DE COMPONENTES AUTOMOTIVOS EM AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA ESI Group

Introdução

projeto ULSAB (UltraLight Steel AutoBody) é um

consórcio internacional que compreende mais de 35

empresas siderúrgicas. Tem

como objetivo demonstrar o potencial de redução de massa do peso dos

veículos garantindo, simultaneamente, a integridade estrutural, a resiliência e

melhorias no conforto e no desempenho

da dirigibilidade, tudo isso mantendo um custo razoável.

Sabe-se que a conformação de chapas

metálicas pode acarretar mudanças nas

projeto ULSAB foi o desenvolvimento

inf luência do processo de estampagem

mais precisos e próximos da realidade,

mostrando a importância de se considerar

com foco na obtenção de resultados

especialmente utilizando-se os aços Trip 800 e DP 600, considerados

relativamente novos quando comparados

no comportamento do Crash Test,

um todo o histórico de processo nas

análises via simulação computacional. O ponto inicial do projeto foi a

com aços comuns. Essa ação foi realizada

realização da simulação do processo

Group, buscando alcançar uma estrutura

Stamp, como exemplificado na Fig.

em conjunto com a Arcelor e a ESI de chassi mais leve.

O foco foi estabelecido na análise dos

dois principais componentes das barras frontais, parte do conjunto mostrado na Fig. 1. O intuito foi analisar a

completo de estampagem, via Pam2. Observa-se a existência de uma

distribuição variada das deformações

e da espessura e, portanto, a iminente

inf luência dos fatores metalúrgicos no

comportamento do produto final, como é

propriedades do material, principalmente quando se trata de aços de alta

resistência. Entender essas variações é muito importante para melhorar o

comportamento da estrutura durante o teste de colisão.

A prática mais comum é realizar

simulações de Crash Test baseadas apenas na espessura nominal e nas

propriedades do material original, ou seja, ignora-se os efeitos da mudança de espessura e encruamento após

conformação. Por esse motivo, essa

metodologia se tornou obsoleta para

colisões virtuais com componentes de aço de alta resistência.

Assim sendo, uma das vertentes do

18 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

Figura 1. Conjunto considerado nos estudos do Projeto ULSAB.

ARTIGO 3 as diferenças nos resultados quando

considerou-se a inf luência do processo de estampagem e quando não se considerou a inf luência do processo de estampagem no Crash Test.

Assim, foi possível verificar que

o uso de soluções integradas para um

aço de alta resistência pode promover a

obtenção de uma estrutura de chassi mais leve e melhorar a precisão dos resultados da simulação de testes de colisão. Os benefícios obtidos com este projeto foram:

• Redução de massa

Figura 2. Peça estampada no Pam-Stamp.

• Redução de custo

• Redução de número de protótipos

• Obtenção do histórico de conformações • Resultados precisos e realistas para a simulação de Crash Test

Ressalta-se que os principais pilares

para a indústria continuam sendo uma estrutura leve, o projeto robusto, bem

como a redução do número de protótipos físicos. Como resultado, unir as

simulações de estampagem e de colisão

permite economizar em custos e reduzir

o tempo de desenvolvimento de produto.

Alisson S. Duarte, Sixpro, Belo Horizonte (MG) contato@sixpro.pro | (31) 3243.1367 Tradução: Amanda Pereira (SIXPRO): (a)

(b)

comercial@sixpro.pro

Figura 3. Simulação do Crash Test (a)considerando-se o processo de estampagem e (b) sem considerar o processo de estampagem, via software Pam-Crash.

o caso de um eventual impacto.

utilização do hardware e acelerando

Stamp DMP (Distributed Memory

seguida, combinou as soluções Pam-

Arcelor usou a versão Pam-

Processing) oferecendo recursos para a f lexibilidade de hardware para que os cálculos pudessem ser realizados

inclusive durante a noite, otimizar a

o processo de tomada de decisão. Em Stamp e Pam-Crash com o intuito aumentar ainda mais a precisão na

simulação de estruturas de aço de elevada resistência. É possível visualizar na Fig.

ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 19

ANÁLISE NUMÉRICA DA FORÇA MÁXIMA NOS PROCESSOS DE ESTAMPAGEM DE PEÇAS PRISMÁTICAS Rafael Pandolfo da Rocha; Matheus Henrique Riffel; Thaís Morato Bueno; André Rosiak e Lirio Schaeffer

Resumo A alta competitividade do segmento industrial e o curto tempo para desenvolvimento de novos produtos impulsiona o emprego de ferramentas de análise de processos que permitam agilizar a etapa de projeto. Nos projetos de estampagem de chapas metálicas, a simulação numérica tornou-se indispensável. Em substituição aos métodos tradicionais de tentativa e erro, o método por elementos finitos (MEF) viabiliza a otimização das variáveis inerentes ao processo. Consequentemente, é possível mitigar alguns dos seus principais problemas, como o surgimento de fratura, enrugamento e retorno elástico. Uma segunda alternativa de análise do processo, ainda mais rápida e barata, baseia-se no emprego de cálculos analíticos. Estes são capazes de prever, entre outros parâmetros, as forças envolvidas na estampagem. Este trabalho tem como objetivo avaliar o grau de assertividade de equações previstas na literatura para estimar a força máxima de estampagem a frio de peças não-axissimétricas. Para tanto, os resultados analíticos da força de estampagem de chapas de 1 mm de espessura do aço inoxidável austenítico AISI 304 foram confrontados a resultados obtidos via simulação numérica. Palavras-chave — Aços inoxidáveis. Embutimento profundo. Peças prismáticas. Força máxima. Simulação computacional.

Introdução

processo de estampagem

profunda é considerado um dos mais importantes processos de

conformação de chapas metálicas, sendo adotado, comumente, para fins de fabri-

cação de componentes destinados às mais diversas finalidades: confecção de utensí-

lios de cozinha, de recipientes de alimentos, de carrocerias de automóveis, dentre outras tantas aplicações. No entanto, é

considerado um processo muito complexo devido às tensões e deformações plásticas

envolvidas, bem como pela quantidade de

conhecimento prévio da interferência de

afetam diretamente na qualidade dos pro-

das peças estampadas é vital para que se

parâmetros que interagem entre si e que

dutos finais. Esses parâmetros envolvem questões geométricas (raio da cabeça do

punção, espessura da chapa, raio de entrada da matriz, folga entre as ferramentas,

cada um desses fatores na qualidade final reduza os custos inerentes ao desperdício

de matéria-prima, de desgaste precoce das ferramentas e de retrabalho [1,2,3].

Um dos parâmetros mais importan-

etc.), propriedades do material (módulo de

tes do processo é a força máxima, a qual

de anisotropia, etc.) e especificações de

ser aplicado pelo punção para realizar uma

elasticidade, tensão de escoamento, grau

processo (força do prensa-chapa, força de estampagem, coeficiente de atrito, tem-

peratura, velocidade do punção, etc.). O

corresponde ao valor máximo de carga a

operação particular de repuxo. Em suma, a força para executar um determinado

processo de estampagem corresponde ao ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 20

ARTIGO somatório de todos os esforços constantes do processo, mais especificamente: força relativa à deformação uniforme; força de atrtito; e a força correspondente à

uniformização da espessura; esforços esses demonstrados na figura 1. Nesse sentido, a força para promover a deformação ideal

aumenta com o curso do punção, dado que acresce o nível de deformação plástica e,

por conseguinte, o nível de encruamento do material. A força global de atrito, por outro lado, é dada em função do atrito

estabelecido entre o blank e o prensa-chapa, bem como entre o blank e a matriz

na região da dobra, partindo de um pico

de carga (mudança do atrito estático para dinâmico) para um processo de redução

contínua, motivado pela redução da área Figura 1. Representação do comportamento da força durante os processos de estampagem [5]

Figura 2. Representação do processo de estampagem simulado no software Simufact Forming 15 ® ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 21

ARTIGO da geratriz sob o prensa-chapas. Por fim,

É importante destacar que, dentre

a uniformização da espessura da parede

essas opções, o método de análise por

processo, mais precisamente, quando a

precisão na determinação prévia da força

da peça estampada ocorre ao final do

área do blank encontra-se, por completo, no interior da cavidade da matriz [4,5].

A estimativa prévia da força máxima é

imprescindível para determinar a capacidade exigida para a prensa mecânica ou

hidráulica, projetar o ferramental, deter-

minar o trabalho mecânico para realizar a deformação plástica do material e, consequentemente, para estimar o consumo de energia. Todavia, o cálculo dessa força é

uma tarefa difícil em virtude da quantidade de parâmetros envolvidos e da complexidade do processo de embutimento profundo.

Para avaliar a influência dos parâmetros do processo sobre a força máxima, métodos

elementos finitos (MEF) apresenta maior máxima do processo de estampagem e do

prensa-chapas, bem como da distribuição

das tensões, das deformações e da redução de espessura ao longo da peça. Ademais, também é possível prever as condições

de lubrificação necessárias para execu-

ção do embutimento, além de promover a otimização dos seus parâmetros de

processamento e, consequentemente, a

redução da intensidade de alguns dos seus

de acordo com os trabalhos de [6] e [9], os parâmetros geométricos do processo

de repuxo da cuba e de peças cilíndricas

se assemelham. Os resultados analíticos da força máxima serão comparados aos

resultados obtidos via simulação numéri-

ca, com o intuito de validar a metodologia de cálculo que seja mais apropriada para previsão da força.

2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Simulação computacional

surgimento de fratura, de enrugamento e

de retorno elástico nos produtos finais [7,8].

O setup das simulações numéricas ba-

seou-se nas configurações do processo de

Dessa maneira, este trabalho visa ava-

experimentais são caros e demorados por

da força máxima nos processos de estam-

quinas necessárias para realizar os ensaios

peças axissimétricas, considerando que,

o atrito entre a peça e as ferramentas, o

liar o grau de assertividade das equações

causa dos materiais, ferramentas e má-

nas variáveis relativas às formulações de

principais problemas, como, por exemplo,

experimentais, numéricos e analíticos

têm sido utilizados na literatura. Métodos

Para tanto, serão feitos alguns ajustes

disponíveis na literatura para estimativa

pagem de peças no formato de uma cuba.

estampagem que são utilizadas normal-

mente na prensa hidráulica de duplo efeito, de marca DanPresse, com capacidade de 178 kN no cilindro principal e 53 kN

no cilindro inferior (utilizado para exercer

experimentais. Por outro lado, métodos

numéricos são menos caros, mas requerem

Tabela 1. Propriedades mecânicas do aço inoxidável austenítico AISI 304 [10]

a definição correta das variáveis de entrada

nos softwares de simulação e a validação de

um modelo numérico para fornecer resultados confiáveis. Nesse aspecto, os métodos

Propriedades

Limite de Escoamento (Re)

Módulo de Elasticidade (E)

em expressões analíticas derivadas de aná-

Densidade (ρ)

lise teórica e testes experimentais [6].

270 MPa

Limite de Resistência (Rm)

analíticos são mais econômicos e simples

de implementar, uma vez que são baseados

Valor

650 MPa 200 GPa

Coeficiente de Poisson (ν)

0,3

8 g/cm³

Índice de Encruamento (n)

0,4

Coeficiente de Resistência (C)

1370 MPa

Tabela 2. Parâmetros de entrada do processo fornecidos ao Simufact Forming 15 ®

Material

Parâmetro

Coeficiente de atrito

Deslocamento do punção

Força do prensa-chapa

Tipo de malha

Número de elementos

Tamanho dos elementos 22 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

Simulação 1 AISI 304 0,05

17 mm

4,15 kN

Simulação 2 AISI 304 0,1

17 mm

4,15 kN

Simulação 3 AISI 304 0,15

17 mm

4,15 kN

Simulação 4 AISI 304 0,2

17 mm

4,15 kN

19,5 mm/s

0,2 mm

solid-shell

ARTIGO micos para obtenção das propriedades físicas e mecânicas do

aço inoxidável austenítico AISI 304 (tabela 01), visando instruir corretamente esse software e, posteriormente, a execução dos cálculos analíticos.

As simulações foram executadas para quatro condições super-

ficiais de lubrificação distintas, envolvendo, assim, a variação do

coeficiente de atrito e mantendo-se inalterados os demais parâme-

tros do processo de embutimento, conforme demonstrado na tabela 2. Os resultados fornecidos para cada processo simulado serão

comparados aos resultados fornecidos pelos cálculos analíticos, objetivando, assim, mensurar o grau de verossimilhança entre esses.

O formato do blank utilizado nas simulações computacionais

e, posteriormente, nos cálculos analíticos possui uma espessura Figura 3. Dimensões do blank para estampagem de uma cuba

de 1 mm e seu formato se aproxima de um disco com diâmetro de 78,3 mm, porém com uma diagonal mais estendida de 85,3 mm

a força do prensa-chapa), disponível no Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da UFRGS. As simulações compu-

tacionais foram conduzidas com base no Método de Análise por Elementos Finitos (MEF), fazendo-se, portanto, uso da licença disponível no laboratório do software Simufact Forming 15 ®,

(figura 03), cujo valor, para fins de cálculo, equivale ao diâmetro equivalente da geratriz (Db,e).

Na figura 04, encontra-se a representação técnica do ferramen-

tal utilizado nas simulações, cujas informações dos aspectos geo-

métricos são imprescindíveis para a execução dos cálculos analícos.

comercializado pela empresa Msc Software Company, subsidiária do grupo Hexagon. Na figura 02, representa-se a forma com que

2.2 Metodologias de Cálculo da Força Máxima

foram dispostos as ferramentas e a geratriz no software durante as simulações executadas.

Para realizar a estimativa prévia da força máxima nos processos de embutimento de uma cuba, foram realizadas adaptações nas

Além disso, foi realizada uma revisão dos trabalhos acadê-

equações de Siebel, Siebel-Beisswanger, Lange e Tschaetsch,

Figura 4. Dimensões do ferramental para estampagem da cuba: vista frontal (a) e superior (b) ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 23

ARTIGO típicas de peças axissimétricas, conforme realizado no trabalho

de [6]. Torna-se viável a adpatação dessas formulações, uma vez que os parâmetros geométricos de estampagem de uma cuba se

Db,e = 2 .

√

ApR (2) π

assemelham à estampagem de peças axissimétricas. A figura

A relação de estampagem (β) para o repuxo de uma cuba se as-

cálculo de força máxima através dessas formulações, a saber: a

a equação 3 [3].

5 estabelece algumas das variáveis necessárias à elaboração do espessura do blank (s 0), a folga entre o punção e a abertura da

matriz (c), o raio de entrada da matriz (rd), o raio da lateral da

matriz (rdc), o raio da cabeça do punção (r pb), o raio da lateral do punção (r pb), o comprimento do blank (A) e do punção (a), bem

como as suas respectivas larguras (B) e (b).

O conceito de diâmetro equivalente foi proposto na literatura

semelha à metodologia de cálculo de peças cilíndricas, segundo

β = Db = Db,e (3) dp

dp,e

Sabe-se que Db e dp correspondem aos diâmentros do blank e do

punção circulares, respectivamente. Por sua vez, Db,e e d_(p,e)

para estender a aplicação das equações de estampagem de peças

se referem aos diâmentros equivalentes do blank e do punção

do blank (Db,e) e do punção (dp,e) são estimados considerando

dos diâmetros equivalentes do punção e do blank também pode

cilíndricas à peças não-axissimétricas. Os diâmetros equivalentes que a área de um blank circular (AC) é igual à área de um blank

quadrado ou retangular (A R), e que a área da superfície da cabeça do punção circular (ApC) é igual à área do punção quadrado ou

retangular (ApR), conforme demonstrado nas equações 01 e 02,

respectivamente [3, 11, 12].

Db,e = 2 .

√

ser realizada através do Teorema de Pitágoras, de tal forma que esses diâmetros acabam se equivalendo à diagonal das seções transversais do punção e da geratriz [6].

2.2.1 Equação de Siebel De acordo com a equação de Siebel (equação 4), a força máxima

A R (1) π

quadrados ou retangulares, respectivamente. A determinação

(Fp,max) é obtida quando se atinge aproximadamente 30% do

deslocamento total do punção, motivo pelo qual as variáveis da

equação estão voltadas a um diâmetro de flange de cerca de 77% do diâmetro da geratriz. A formulação de Siebel compreende a

atuação de cinco esforços que atuam concomitantemente: força

Figura 5. Propriedades geométricas do ferramental e do blank para o cálculo da força máxima [6] 24 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

ARTIGO para realizar a deformação plástica ideal da chapa; força para

dobrar a chapa sobre o raio de entrada da matriz; força para des-

dobrar ou endireitar a chapa após a passagem pelo raio da matriz; força de atrito na região do prensa-chapa; e a força de atrito no raio de entrada da matriz [13].

[ (

Fp,max = Pm . S 0 . e μ . π/2 . 1,1 . kf 1 . In 0,77 . Db,e + 2 . μ . Fpc

dp,e + S 0

+ Kf 2 . S 0

2 . rd

0,77 . PB . S 0

]

)

(4)

O cálculo é baseado no perímetro médio da peça final (Pm), na espessura da chapa (S 0), no coeficiente de atrito (µ), na tensão

de escoamento na região do diâmetro extero do f lange (kf 1) e na região de entrada e saída do raio da matriz (kf 2), no diâmetro

correlaciona-se o coeficiente de resistência (C) e o índice de

encruamento do material (n), bem como as deformações verda-

deiras nas regiões do diâmetro externo do f lange (φ1), do raio de

entrada da matriz (φ 2) e da parede da peça (φ 3) [6,13].

kf 1 = C. ( φ1n + φ1n ) (5) 2

kf 2 = C. ( φ 2n + φ 3n ) (6) 2

As tensões verdadeiras φ1, φ 2 e φ 3 equações 7, 8 e 9, levam em consideração o diâmetro equivalente do blank (D b,e), o diâmetro equivalente do f lange no instante da força máxima (De), o diâmetro equivalente do punção (dp,e), o raio de entrada da matriz (rd) e a espessura do material (S 0) [6,13].

φ1 = In Db,e (7)

equivalente do punção (dp,e) e do blank (Db,e), na força do pren-

sa-chapa (Fpc), no perímetro do blank (PB) e no raio de entrada da matriz (rd).

Os valores de tensão de escoamento na região do diâmetro

extero do f lange (kf 1) e na região de entrada e saída do raio

φ 2 = In

√D

da matriz (kf 2) são obtidos pelas equações 5 e 6. Para tanto,

b,e

- De2 + (dp,e + 2 . S 0 + 2 . rd )2

(8)

dp,e+ 2 . S 0 + 2 . rd

Tabela 3. Variáveis necessárias para os cálculos analíticos da força máxima

Parâmetros

Limite de Resistência (Rm)

Índice de Encruamento (n)

Coeficiente de Resistência (C)

Espessura da chapa (s0)

Coeficiente de atrito (µ)

Força do prensa-chapa (FpC)

Coeficiente de Eficiência (η)

Diâmetro equivalente blank (Db,e)

Diâmetro equivalente do punção (dp,e)

Raio de entrada da matriz (rd) Raio lateral do punção (rpc)

Condição 1 650 MPa 0,4

Condição 2 650 MPa 0,4

Condição 3 650 MPa 0,4

Condição 4 650 MPa 0,4

1370 MPa

0,05

0,1

0,15

0,2

1 mm

4,15 kN 0,75

85,3 mm

1 mm

4,15 kN 0,75

85,3 mm

1 mm

4,15 kN

0,75

85,3 mm

53,94 mm

10 mm

6,5 mm

1 mm

6,5 mm

85,3 mm

53,94 mm 6,5 mm 10 mm

Raio da cabeça do punção (rpb)

6,5 mm

Largura da seção do punção (b)

44 mm

Comprimento da seção do punção (a)

Perímetro do blank (PB)

Perímetro médio da peça (Pm)

44 mm

261,56 mm

161,97 mm

44 mm

261,56 mm

161,97 mm

44 mm

261,56 mm

161,97 mm

261,56 mm

161,97 mm

ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 25

ARTIGO φ 3 = In

(

2 . rd + S 0

)

+ φ 2

(9)

No instante da força máxima, o diâmetro equivalente do f lange (D e) corresponde a um percentual do diâmetro equivalente da geratriz (D b,e), conforme demonstrado na equação 10 [6,13]. D e = 0,77 . D b,e (10)

2.2.2 Equação de Siebel-Beisswanger Exceto pelo coeficiente de eficiência do processo de estampa-

gem em função da atuação do atrito (η), as variáveis da equação da força máxima de Siebel-Beisswanger (equação 12) já foram

identificadas anteriormente. Assume-se que, para estampagem de peças não-axissimétricas, o seu valor é de η = 0,75 [14].

Fp, max = Pm . S 0 .

O cálculo do perímetro médio da peça final (Pm) engloba o comprimento (a), a largura (a) e o raio da lateral do punção (r pC), além da espessura da chapa (s 0), de acordo com a equação 11 [6]. Pm = (2a + 2b - 8 . r pC + 2 . π . r pC + π . S 0 ) (11)

[ (

)]

1,1 . kf 1 . In Db,e - 0,25 η

dp,e

(12)

2.2.3 Equação de Lange A equação de Lange (equação 13) para o cálculo da força

máxima possui as suas variáveis similares às demais equações, diferindo-se, apenas, pelo emprego da tensão de escoamento

Figura 6. Força x Deslocamento do punção fornecidos pelo Simufact Forming 15 ® 26 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

ARTIGO média (kfm), aferida através da equação 14. Assim como adotado

Com a finalidade de prever analiticamente o comportamento da força

de eficiência do processo de estampagem em função da atuação

0,15 e 0,2), por intermédio das equações de Siebel (equação 4), Siebel-

na equação de Siebel-Beisswanger, assume-se que o coeficiente do atrito (η) seja igual a 0,75 [6, 11].

Fp, max = 1 . Pm . S 0 . kfm . In Db,e (13)

dp,e

kfm = kf 1 + kf 2 (14) 2

De acordo com a equação de Tschaetsch (equação 15), a força má-

xima de estampagem é dimensionada com base no comprimento (a), na largura (a), no raio da cabeça (r pb) e da lateral do punção (rpc), além do limite de resistência da chapa metálica (R m)

(

( ) Db,e - 0,9 dp,e

-Beisswanger (equação 12), Lange (equação 13) e Tschaetsch (equação 15), foram sintetizadas, na tabela 3, as informações sobre as propriedades mecânicas, parâmetros do processo de embutimento e os aspectos geométricos da geratriz e do ferramental.

2. RESULTADOS 3.1 Simulação computacional Conforme pode ser visto na figura 6, é representado o com-

2.2.4 Equação de Tschaetsch

Fp, max = S 0 . R m .

para cada condição superficial de lubrificação simulada (µ = 0,05 , 0,1,

[15]

do deslocamento do punção. Destaca-se que esses dados foram

fornecidos pelo software Simufact Forming 15® e, posteriormente, transferidos para o MS Excel para construção do gráfico.

3.2 Cálculos Analíticos Na tabela 4, são demonstrados os resultados encontrados para as

formulações de Siebel (equação 4), Siebel-Beisswanger (equação

12), Lange (equação 13) e Tschaetsch (equação 15), bem como das

)

2 . π . rpc + 4 + (a + b - 4 . rpb ) 2

portamento da força para cada processo simulado, em função

(15)

suas respectivas variáveis auxiliares. À exceção da equação de

Lange, os resultados de força máxima para o embutimento de peças não-axissimétricas foram consideravelmente próximos.

Tabela 4. Resultados de força máxima encontrados analiticamente.

Deformação verdadeira no diâmetro externo do flange (φ1)

Deformação verdadeira na região do raio de entrada da matriz (φ2)

Deformação verdadeira na parede da peça (φ3) Tensão de escoamento na região do diâmetro externo do flange (kf1)

Tensão de escoamento na região de entrada e saída do raio da matriz (kf2)

Tensão de escoamento média (kfm)

Siebel

Siebel - Beisswanger

Lange

Tschaetsch

µ = 0,05

µ = 0,1

µ = 0,15

µ = 0,2

0,26

0,242

0,311

787,99 MPa

817,68 MPa

802,84 MPa

Resultados de força máxima (Fp,max)

37,62 kN

38,97 kN

79,46 kN

42,44 kN

40,25 kN

38,97 kN

79,46 kN

42,44 kN

43,12 kN

38,97 kN

79,46 kN

42,44 kN

46,27 kN

38,97 kN

79,46 kN

42,44 kN ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 27

ARTIGO Analisando a tabela 5, percebe-se que,

da força necessária para realizar a deformação

de imprecisão insignificativo em relação às

quando comparado aos resultados encontrados

plástica das chapas mitiga o desgaste precoce

simulações numéricas, inferior a 3%, sendo,

via simulação computacional, a equação de

das ferramentas e os custos relativos ao desper-

portanto, uma excelente ferramenta para prever,

Siebel possui um grau de imprecisão muito in-

dício de matéria-prima e de energia.

com rapidez e baixo custo, a força máxima de

significativo, próximo dos 2%, motivo pelo qual

Embora a equação de Siebel seja a única

estampagem de peças não-axissimétricas.

pode-se concluir que é apropriada à estimativa

que, dentre as formulações empregadas na etapa

prévia da força máxima para os processos de

de cálculo analítico, considera a influência do

estampagem de uma cuba. Entrentanto, as

coeficiente durante o processo de embutimento,

AGRADECIMENTOS

equações de Siebel- Beisswanger e Tschaetsch,

observa-se que os resultados de força máxima

Os autores agradecem à Universidade Federal

embora desconsiderem a influência do atrito

obtidos são significativamente próximos, à

do Rio Grande do Sul (UFRGS) pela infra-

no comportamento da força de embutimento,

exceção dos resultados insatisfatórios fornecidos

estrutura para qualificação dos discentes e

apresentaram resultados rápidos e considera-

pela equação de Lange. Os resultados de força

para realização de pesquisas relacionadas à

velmente próximos da simulação numérica,

máxima fornecidos pelas equações de Siebel-

área de Conformação Mecânica, bem como

com uma imprecisão inferior a 10%, podendo

Beisswanger e Tschaetsch se distanciam em,

ao Conselho Nacional de Desenvolvimento

também auxiliar na quantificação prévia da

no máximo, 10% dos resultados encontrados

Científico e Tecnológico (CNPq) e à Coorde-

força máxima e, assim, auxiliar na especificação

através da equação de Siebel (tabela 4). Embora

nação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível

da capacidade mínima das prensas e no projeto

deva ser evitado em razão da sua simplicação

Superior (Capes) pela concessão de bolsas que

das ferramentas.

demasiada dos parâmetros dos processos de

fomentam o desenvolvimento de pesquisas

estampagem, o emprego dessas equações que

científicas nacionais.

desconsideraram o comportamento do atrito

4. CONCLUSÕES

possibilitou uma estimativa eficaz e rápida

Com base nos resultados fornecidos pelo

da força máxima, sendo, apenas, necessário

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

software de simulação computacional (figura

considerar um fator de segurança quando da

[1] BALLIKAYA, H.; SAVAS, V.; OZAY,

6), nota-se que a força de estampagem é

seleção da capacidade mínima das prensas e da

C.. The Limit Drawing Ratio In Die Angled

significativamente dependente das condições

execução do projeto do ferramental.

Hydromechanical Deep Drawing Method. The

superficiais de lubrificação estabelecidas entre

Quando comparados os resultados obtidos

International Journal of Advanced Manufactu-

as interfaces de contato do material com o

através das simulações e dos cálculos analíticos,

ring Technology, v. 106, n. 1, p. 791-801, 2020.

ferramental, de modo que, quanto mais eficaz

constata-se que obteve êxito a adaptação das

[2] FERESHTEH-SANIEE, F.; MONTA-

for o regime de lubrificação selecionado (menor

equações de força máxima de Siebel, Siebel-

ZERAN, M. H. A Comparative Estimation

coeficiente de atrito), menor será a força

-Beisswanger e Tschaetsch aos processos de

Of The Forming Load In The Deep Drawing

desenvolvida durante o processo, conforme

embutimento de peças não-axissimétricas, dado

Process. Journal of Materials Processing Tech-

já corroborado nos trabalhos de [4], [5] e [6].

que, no máximo, os resultados se encontrariam

nology, v. 140, n. 1-3, p. 555-561, 2003.

A seleção correta do tipo de lubrificante e a

cerca de 10% distantes da simulação (tabela

[3] MEDELLÍN-CASTILLO, H. I. et al.

forma de aplicação são constantemente alvos de

5). Não obstante, percebe-se que os resultados

Analysis of the allowable deep drawing height

estudos das indústrias, uma vez que a redução

da formulação de Siebel apresentam um grau

of rectangular steel parts. The International

Tabela 5. Comparação dos resultados de força máxima encontrados através dos cálculos analíticos e das simulações

Valores de Força Máxima (Fp,max)

Simulação Computacional

Siebel

Siebel - Beisswanger Lange

37,62 kN

38,97 kN

79,46 kN

Tschaetsch 28 AGOSTO 2021

µ = 0,05

37,98 kN

42,44 kN ESTAMPAGEM

µ = 0,1

41,12 kN

40,25 kN

38,97 kN

79,46 kN

42,44 kN

µ = 0,15

43,62 kN

43,12 kN

38,97 kN

79,46 kN

42,44 kN

µ = 0,2

46,43 kN

46,27 kN

38,97 kN

79,46 kN

42,44 kN

ARTIGO Journal of Advanced Manufacturing Tech-

sarbeiten auf dem Gebiete des Tiefziehens

nology, v. 66, n. 1-4, p. 371-380, 2013.

im Auftrage der Forschungsgesellschaft

[4] DIETER, G. E.. Metalurgia Mecânica.

Blechverarbeitung. Bücher: C. Hanser,

2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois,

1955.

1981. Traduzido por Antonio Sergio de

[14] SIEBEL, E.; BEISSWÄNER, H.:

Sousa e Silva, Luiz Henrique de Almeida,

Tiefziehen. München: Carl Hanser Verlag,

Paulo Emilio Valadao de Miranda.

1955.

[5] FOLLE, L.F.: Estudo do Coeficiente de

[15] TSCHATSCH, H.: Metal Forming

Atrito para Processos de Estampagem. Tese

Practise: Processes, Machines, Tools.

de Doutorado. Porto Alegre: Universidade

Springer, 2006.

Federal do Rio Grande do Sul, 2012, 131p. [6] RIVAS-MENCHI, A. et al. Performance evaluation of analytical expressions for

Rafael Pandolfo da Rocha, Engenheiro

cylindrical and rectangular deep drawing

Mecânico, Mestrando do Programa de

force estimation. Journal of Manufacturing

Pós-Graduação em Engenharia de Minas,

Processes, v. 36, p. 340-350, 2018.

Metalúrgica e Materiais (PPGE3M), na

[7] NETO, D. M. et al. Influence Of The

Universidade Federal do Rio Grande do Sul –

Plastic Anisotropy Modelling In The

E-mail: rafael.pandolfo@ufrgs.br

Reverse Deep Drawing Process Simulation. Materials & Design, v. 60, p. 368-379,

Matheus Henrique Riffel, Engenheiro

2014.

Mecânico, Mestrando do Programa de

[8] COLGAN, M.; MONAGHAN, J.

Pós-Graduação em Engenharia de Minas,

Deep Drawing Process: Analysis And

Metalúrgica e Materiais (PPGE3M), na

Experiment. Journal of materials processing

Universidade zzzFederal do Rio Grande do

technology, v. 132, n. 1-3, p. 35-41, 2003.

Sul) – E-mail: matheus.riffel@ufrgs.br

[9] RIVAS-MENCHI, A. et al. Análisis del efecto de diversos parámetros en el de-

Thaís Morato Bueno, Engenheira Metalúrgica,

sempeño del proceso de embutido de formas

Mestranda do Programa de Pós-Graduação

rectangulares. Master Thesis. México:

em Engenharia de Minas, Metalúrgica e

Universidad Autónoma de San Luis Potosí;

Materiais (PPGE3M), na Universidade Federal

2015.

do Rio Grande do Sul – E-mail: thais.morato@

[10] OIKAWA, P. M. V.: Estudo do

ufrgs.br

desempenho de aços inoxidáveis modificados para aplicação em meios corrosivos

André Rosiak, Engenheiro Metalúrgico,

do processamento primário do petróleo.

Doutorando do Programa de Pós-Graduação

Dissertação de mestrado. Porto Alegre:

em Engenharia de Minas, Metalúrgica e

Universidade Federal do Rio Grande do

Materiais (PPGE3M), na Universidade Federal

Sul, 2009, 97p.

do Rio Grande do Sul – E-mail: andre.rosiak@

[11] LANGE, K.: Handbook of metal

ufrgs.br

forming. McGraw-Hill Book Company, 1985, p. 1216.

Lirio Schaeffer, Engenheiro Mecânico, Prof.

[12] DAXIN, E.; MIZUNO, T.; LI, Z.

Dr. Ing. do Programa de Pós-Graduação

Stress analysis of rectangular cup drawing.

em Engenharia de Minas, Metalúrgica

Journal of materials processing technology,

e Materiais (PPGE3M), na Universidade

v. 205, n. 1-3, p. 469-476, 2008.

Federal do Rio Grande do Sul – E-mail:

[13] SIEBEL, E.: Tiefziehen: Forschung-

schaefer@ufrgs.br ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 29

COMPARAÇÃO DOS MÉTODOS DE ANÁLISE DAS DEFORMAÇÕES NA ESTAMPAGEM INCREMENTAL Rafael Gustavo Schreiber; Dionatan de Souza Britto; Andrison Rodrigues Teixeira; Régis Marcelo de Souza e Lirio Schaeffer

Resumo Este trabalho apresenta uma comparação de dois métodos para análise das deformações no processo de Estampagem Incremental. Neste estudo foi estampada uma peça com formato de hiperboloide a partir de uma chapa de latão C268 com 0,81 mm de espessura. O processo de Estampagem Incremental da peça foi realizado em um centro de usinagem CNC, utilizando uma ferramenta de raio 5 mm, com eixo livre (sem rotação), com incremento vertical de 0,5 mm e lubrificação com óleo VG 100. Após o experimento foi avaliada a deformação máxima na peça por método analítico (baseado na lei do cosseno) e por medição direta com micrômetro. Os valores obtidos de máxima deformação na espessura foram comparados a fim de determinar o erro percentual no uso do método analítico em relação ao valor obtido na medição direta. Palavras-chave — Estampagem Incremental, Deformação, Lei do Cosseno, Latão.

Introdução

estampagem incremental é um processo de aplicado à fabricação de peças em pequena escala e também

à prototipagem de componentes em desenvolvimen-

to [1]–[3]. Nesse processo há grandes vantagens em relação ao

processo de estampagem convencional, como o menor custo de fabricação do ferramental e a obtenção de maiores limites de estampabilidade [4], [5].

A estampagem incremental consiste na conformação pro-

gressiva de uma chapa plana de espessura s0, pelo incremento de uma ferramenta de conformação com ponta semiesférica e

diâmetro df. Este processo consiste em fixar a chapa entre um

prensa-chapas e uma placa de apoio. À medida que a ferramenta

de conformação penetra sobre a chapa é realizada sua conformação, de modo que o formato da peça é definido pela trajetória da ferramenta, conforme indicado na Figura 1.

Figura 1. Representação Esquemática de Estampagem Incremental [6] ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 30

ARTIGO Para a conformação da peça são necessários vários in-

crementos com a ferramenta sobre a chapa. O percurso da

ferramenta normalmente é determinada por programação de comando numérico computadorizado (CNC) [2]–[4]. Por meio do incremento vertical Δz e lateral Δxy da ferramenta sobre a cha-

pa é formado o ângulo de parede θ com o eixo horizontal, sendo que a espessura da chapa é diminuída até a espessura final s1. É possível relacionar o ângulo de parede com a espessura

final da chapa, sendo essa relação expressa pela lei do cosseno,

conforme indicado na Equação 1 [7]. Segundo a lei do cosseno, quanto maior for o ângulo de parede utilizado, menor será a

A deformação verdadeira no sentido da espessura da chapa

φ 3 é determinada pela Equação 2, em função da espessura inicial e da espessura final. φ 3 = ln

Onde:

()

s1 (2) s0

φ3 = deformação verdadeira na espessura (-). A deformação na espessura também pode ser obtida por

espessura final da chapa.

meio da lei da constância de volume, conforme Equação 3 e

s1 = s 0 ∙ cos(θ) (1)

mações na largura e no comprimento.

Equação 4. Mas para isso se faz necessário conhecer as defor-

Onde:

φ1 + φ2 + φ3 = 0 (3)

s1 = espessura inicial da chapa (mm);

φ3 = - (φ1 + φ2 ) (4)

s 0 = espessura final da chapa (mm); θ = ângulo de parede (°).

Figura 2. Dimensões do círculo e da elipse para visioplasticidade (a) e Exemplo de peça conformada para avaliação por visioplasticidade (b) [8]

Figura 3. Dimensões do hiperboloide (a) e Trajetória da ferramenta no experimento (b) [9] ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 31

ARTIGO Onde:

φ1 = deformação verdadeira no comprimento (-); φ2 = deformação verdadeira na largura (-).

As deformações φ 1 e φ 2 podem ser determinadas pelo mé-

todo da visioplasticidade. Neste método geralmente é realizada a gravação eletroquímica ou gravação a laser de uma grade

MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho foi realizada a estampagem incremental de uma

chapa de latão C268 com espessura inicial 0,81 mm. O formado estampado foi de um hiperboloide, que é um perfil que permite

a conformação da peça em um ângulo variável, desde um ângulo inicial θ 0 até um ângulo final θ1. As dimensões do hiperboloide

círculos na chapa antes de sua conformação. Dependendo do

estão indicadas na Figura 3a e a trajetória da ferramenta no expe-

culos gravados são deformados podendo assumir um formado

até que ocorresse a fratura do material, ou seja até a profundidade

tipo de deformação à qual a peça está sendo submetida os círdiferente (elíptico) ou assumir uma dimensão diferente (um

círculo de maior diâmetro). A Figura 2a apresenta as dimen-

sões de um círculo gravado antes da deformação da chapa e as

rimento está indicada na Figura 3b. O experimento foi conduzido máxima h.

Este experimento de estampagem incre-

dimensões de um formato elíptico apresentado na chapa após a deformação do material. A Figura 2b apresenta uma peça

estampada e a grade de círculos deformada para avaliação da visioplasticidade.

As dimensões da grade deformada podem ser realizadas

por meio de uma régua f lexível. Após a medição da grade as deformações verdadeiras φ 1 e φ 2 são calculadas por meio da

Equação 5 e da Equação 6. φ1 = ln

φ 2 = ln

Onde:

() ()

d1 (5) d

d 2 (6) d

d1 = comprimento da elipse (mm); d 2 = largura da elipse (mm);

Figura 4. Realização do experimento no centro de usinagem CNC

d = diâmetro do círculo gravado na chapa (mm). Além da estimativa da deformação em espessura por meio

da lei do cosseno e por meio da visioplasticidade, também é

possível verificar o valor da deformação pela medição direta da espessura final da chapa. No entanto, para fazer a medição da

espessura da chapa após a deformação do material é necessário realizar o corte da peça.

Este trabalho apresenta uma comparação entre estes três

métodos para análise da deformação em espessura no processo

de estampagem incremental (lei do cosseno, visioplasticidade e medição direta).

Figura 5. Pontos de medição na peça estampada 32 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

ARTIGO Para determinar a deformação do material neste experimento

com base na lei do cosseno foi necessário calcular o ângulo de

parede (θ) em função da profundidade do perfil (h) por meio da Equação 7. θ = sen-1

Onde:

(

√(R + r) - (R - h + r) 2

)

R+r

(7)

θ = Ângulo de parede ao longo do perfil (º);

s = Espessura da chapa ao longo do perfil (mm); R = Raio do hiperboloide (mm); Figura 6. Realização do experimento no centro de usinagem CNC

r = Raio da ferramenta (mm);

h = Profundidade ao longo do perfil (mm). A Figura 6 apresenta uma representação do perfil de hiperbo-

loide estampado com variação de espessura ao longo da profun-

didade, sendo esta figura a referência para a dedução da Equação 7. Com base no ângulo estimado em função da profundidade do perfil, foi estimada a espessura final da chapa (Equação 1) e a deformação correspondente (Equação 2).

O erro percentual calculado entre a espessura da chapa

estimada pela lei do cosseno e a espessura da chapa medida com micrômetro foi determinado pela Equação 8. ep = Figura 7. Comparação de espessura entre a medição direta e lei do cosseno

mental foi realizado utilizando uma ferramenta com diâmetro

df = 10 mm, fabricada em aço SAE 1045 temperada e revenida.

Para conformação da peça foi utilizado incremento vertical Δz = 0,5 mm, velocidade de avanço v = 500 mm/min, sem rotação da ferramenta (eixo livre) e lubrificação com óleo VG 100. O ex-

(

Onde:

s1med - s1calc s1med

)

∙ 100 (8)

ep = Erro percentual (%);

s1med = Espessura final da chapa medida com micrômetro (mm); s1calc = Espessura final da chapa calculada pela lei do cosseno

(mm).

perimento foi realizado em um centro de usinagem CNC marca Romi e modelo Discovery 380, conforme indicado na Figura 4.

Após a conformação da peça foi realizado um corte transver-

RESULTADOS E DISCUSSÕES

sal por eletroerosão a fio. Em seguida foram marcados 32 pontos

Após a medição direta de espessura nos 32 pontos marcados

marcada com auxílio de um traçador de altura com resolução 0,01

formação em espessura corresponde a cada ponto. A Tabela 1

de medição ao longo do perfil da peça. A altura de cada ponto foi mm. A espessura da peça em cada ponto marcado foi realiza-

da através de um micrômetro com curso 0-25 mm e resolução

0,01 mm. Com o valor de espessura em cada ponto foi possível

calcular a deformação em espessura em cada ponto por meio da Equação 2. Na Figura 5 são indicados os pontos de medição ao longo do perfil da seção transversal da peça.

na seção transversal da peça estampada, foi calculada a de-

relaciona a altura de medição de cada ponto marcado na peça

com a espessura final e a deformação em espessura obtidas por medição direta com micrômetro e pelo método analítico em função da lei do cosseno.

Na Tabela 1 também é apresentado o valor de erro per-

centual no valor da espessura estimado pela lei do cosseno em ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 33

ARTIGO Tabela 1. Espessura final e deformação obtidas para cada ponto de medição

Altura de medição, h (mm) 0

0,85

1,2

Espessura final, s1 (mm) Medição Direta

Lei do Cosseno

Erro, ep (%)

0,80

0,61

0,60

1,25

1,9

1,55

3,9

5,9

4,5

6,3

7,8

8,8

9,5

10,9

13,1

14,43

16,77

15,92

18,23

19,92

21,24

22,78

23,88

24,45

26,15

27,67

28,89

29,54

31,35

0,81

0,80

0,79

0,77

0,75

0,74

0,70

0,69

0,64

0,63

0,54

0,44

0,43

0,40

0,39

0,38

0,37

0,36

0,34

0,33

0,31

0,62

0,61

0,60

0,58

0,57

0,56

0,55

0,54

0,52

0,51

-23,9

-0,012

-0,285

-24,4

-0,012

23,5

0,44

0,42

0,41

0,39

0,37

0,35

0,34

0,23

A Figura 7 apresenta um gráfico comparativo entre os

valores de espessura final obtidos para cada ponto selecionado na peça por meio de medição direta e estimado pela lei do

-0,077

-22,8

-0,090

-19,5

-0,146

-20,9

-0,160

-15,5

-0,236

-17,1

-0,251

-5,6

-0,405

-0,610

12,5

-0,633

-0,706

14,1

-0,706

12,8

-0,731

8,0

-0,731

8,1

-0,757

3,3

-0,757

-2,3

-0,757

-4,1

-0,784

-9,3

-18,4

0,25

-0,051

-22,4

0,29

0,26

-0,025

-22,6

-13,0

0,27

-0,025

-24,0

0,32

0,31

-0,012

-23,5

17,5

0,46

0,000

-24,1

0,47

0,48

máximo de 26,2% no ponto 32.

ESTAMPAGEM

Lei do Cosseno

13,9

apresentou um valor mínio de 2,3% no ponto 23 e um valor

34 AGOSTO 2021

Medição Direta

0,50

relação à medição direta em cada ponto. Este erro percentual

cosseno.

Deformação na espessura, φ3 (-)

-0,784

-12,5

-0,811

-23,7

-23,8

-26,2

-0,811

-0,868

-0,898

-0,960

-0,268

-0,288

-0,292

-0,293

-0,300

-0,307

-0,330

-0,350

-0,363

-0,394

-0,403

-0,439

-0,463

-0,480

-0,515

-0,544

-0,574

-0,611

-0,654

-0,679

-0,725

-0,780

-0,825

-0,881

-0,922

-0,945

-1,014

-1,081

-1,138

-1,170

-1,264

Na Figura 7 é possível observar que ao método da lei do

cosseno se mostrou mais impreciso nas extremidades do perfil,

principalmente na parte inicial, assim como constatado nos estudos de Silva et al. [10]. No entanto na parte central a lei do seno apresentou uma estimativa mais aproximada.

No gráfico a profundidade inicial de medição apresenta

grande discrepância entre o valor calculado e medido em função

ARTIGO de que o perfil estampado (hiperboloide) iniciou com ângulo de

SOL, H.; HENRARD, C.; HABRAKEN, A. M. Process window

ângulo resultou em grande diferença entre a lei do cosseno e o

toolpaths, CIRP Ann. - Manuf. Technol., 253–256 (2008) 57 (1).

parede elevado (θ = 40,1º), de modo que a mudança brusca de valor real da espessura obtida na medição da chapa.

Para a estampagem incremental de um perfil irregular Do

et al. [11] também encontraram valores experimentais de es-

pessura e deformação significativamente diferentes do estimado pela lei do cosseno. Esses desvios são menos significativos

em geometrias simples como em troncos de cone, com ângulo

de parede constante, como constatado por Schreiber et al. [9].

enhancement for single point incremental forming through multi-step [8] CASTELAN, J.Utilização das tecnologias CAD/CAM para estampagem incremental do alumínio série 1000, (2007). Porto Alegre: Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2007. [9] S CHREIBER, R. G.; SOUSA, A. L. DE; SCHAEFFER, L.; SANTOS, E. M. DOS; FILHO, F. F.; NORBERTO, J. C.; MONDO, L. S. S.; CABRAL, T. H. Inf luência do Ângulo de Parede na Estampagem Incremental de AA1100 - H14, An. do 39o SENA-

CONCLUSÕES

FOR, (2019) (3).

Neste estudo para comparação do método de determinação da defor-

[10] SILVA, M. B.; SKJOEDR, M.; ATKINS, A. G.; BAY, N.;

mação na estampagem incremental, foi possível concluir que:

MARTINS, P. A. F. Single-point incremental forming and formabi-

• A previsão de espessura pela lei do cosseno se mostrou mais impre-

lity-failure diagrams, J. Strain Anal. Eng. Des., 15–35 (2008) 43 (1).

cisa nas regiões de curvatura inicial e final da peça;

[11] DO, V.-C.; PHAM, Q.-T.; KIM, Y.-S. Identification of forming

• O erro percentual na estimativa de espessura pela lei do cosseno em

limit curve at fracture in incremental sheet forming, Int. J. Adv.

relação à medição direta variou de 2,3 a 26,2% na peça analisada.

Manuf. Technol., 4445–4455 (2017) 92 (9–12).

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] GARG, A.; GAO, L.; PANDA, B. N.; MISHRA, S. A com-

Rafael Gustavo Schreiber, Instituto Federal de Educação, Ciência e

prehensive study in quantification of response characteristics of

Tecnologia de Santa Catarina - IFSC; rafael.schreiber@ifsc.edu.br

incremental sheet forming process, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 1353–1365 (2016) 89 (5–8).

Dionatan de Souza Britto, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial –

[2] N ETO, D. M.; MARTINS, J. M. P.; OLIVEIRA, M. C.; ME-

SENAI RS; dionathansb@hotmail.com

NEZES, L. F.; ALVES, J. L. Evaluation of strain and stress states in the single point incremental forming process, Int. J. Adv. Manuf.

Andrison Rodrigues Teixeira, G1 Equipamentos; andrison@

Technol., 521–534 (2016) 85 (1–4).

g1equipamentos.com.br

[3] L I, Y.; CHEN, X.; LIU, Z.; SUN, J.; LI, F.; LI, J.; ZHAO, G. A review on the recent development of incremental sheet-forming

Régis Marcelo de Souza, Bomber Speakers; regismsouza@yahoo.com.br

process, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2439–2462 (2017) 92 (5–8). [4] L I, Y.; DANIEL, W. J. T.; MEEHAN, P. A. Deformation

Lirio Schaeffer, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS;

analysis in single-point incremental forming through finite element

schaefer@ufrgs.br

simulation, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 255–267 (2017) 88 (1–4). [5]

PARK, J. J.; KIM, Y. H. Fundamental studies on the

incremental sheet metal forming technique, Journal of Materials Processing Technology, 447–453 (2003) 140 (1-3 SPEC.), Amsterdam, 2003. [6] S CHREIBER, R. G.; SOUSA, A. L. DE; SCHAEFFER, L.; SANTOS, E. M. DOS; FILHO, F. F.; NORBERTO, J. C.; MONDO, L. S. S.; CABRAL, T. H.Inf luência do Ângulo de Parede na Estampagem Incremental de AA1100 - H14, 10 (2019) (3). Porto Alegre, 2019. [7] DUFLOU, J. R.; VERBERT, J.; BELKASSEM, B.; GU, J.; ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 35

ANÁLISE DA FORÇA NO PROCESSO DE ESTAMPAGEM A QUENTE DE UM AÇO DIN 22MnB5 Thaís G. Morato Bueno; Rafael Pandolfo; André Rosiak; Matheus Riffel e Lirio Schaeffer

Resumo Este trabalho relata um estudo sobre a estampagem a quente do aço DIN 22MnB5 com revestimento de Alumínio-Silício. A espessura do material é de 1,5 mm. Nesse estudo foi captada a força de estampagem em relação ao deslocamento do punção. Foi realizado o processo de austenitização do aço a 950°C e 1100°C com posterior estampagem. Posteriormente foi realizada a análise de microestrutura e micro dureza do material em estudo. Palavras-chave — estampagem a quente, 22MnB5, força de estampagem.

1. INTRODUÇÃO

conformação de chapas metálicas é hoje uma das tecnologias mais importantes na indústria manufatureira. A fabricação de componentes a partir de chapas

metálicas está presente nos mais variados setores industriais,

matriz, onde ocorre a conformação e têmpera ao mesmo tempo (COUTO et al., 2020).

O conhecimento da força de estampagem ainda permite a

otimização dos projetos, uma vez que fornece subsidio para a

desde a fabricação de eletrodomésticos e computadores, até a indústria automotiva, onde processo de estampagem é o principal método de manufatura das carrocerias e painéis de automóveis (GÜLER; ÖZCAN, 2014).

A estampagem a quente é uma tecnologia relativamente

nova que, com objetivo de otimizar a deformação dos aços avançados de alta e ultra alta resistência, tem sido utilizada. Esses

aços quando tem a sua resistência aumentada, sua conformabi-

lidade pode ser diminuída e um efeito de retorno elástico pode aparecer devido a tensões residuais. A estampagem a quente

consiste num processo termomecânico no qual uma chapa de aço é aquecida por alguns minutos até atingir temperaturas

de austenitização e em seguida, transferida do forno para uma

Figura 1. Curva tensão deformação 22MnB5 como recebido e após a estampagem a quente. Fonte: BILLUR, 2019. ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 36

ARTIGO avaliação das principais variáveis do processo, como o raio da

matriz, tensão de escoamento do material e máxima relação de estampagem (SCHAEFFER, 2004).

Os aços ao boro-manganês têm sido apontados como os

mais materiais mais adequados para o processo de estampa-

gem. Na indústria automotiva o aço amplamente utilizado é o 22MnB5. Antes do processo de conformação a quente, o aço

consiste em uma microestrutura composta de ferrita e perlita e possui um limite de resistência de aproximadamente 600 MPa (COUTO et al, 2020). Após conformada, a peça temperada

possui alta resistência. Uma peça de 22MnB5 tem mais de 1000 MPa de limite de escoamento e aproximadamente 1500 MPa Figura 2. Curva de resfriamento correspondente ao 22MnB5. Fonte: NADERI, 2008.

de limite de resistência (BILLUR, 2019). A figura 1 mostra

a curva de engenharia do 22MnB5 em duas condições: como recebido e após o processo de estampagem a quente.

O diagrama CCT para o aço em estudo é observado na

figura 2. Para que as propriedades acima citadas sejam aten-

didas, deve-se obter após o processo de estampagem a quente

uma microestrutura completamente martensítica. Para isso, de acordo com (NADERI,2008), deve se certificar de que a taxa de resfriamento do material seja inferior a 25°C/s.

2. MATERIAIS E MÉTODOS Neste estudo, foram utilizadas chapas de 1,5mm de espessura do aço ligado ao boro, DIN 22MnB5, com revestimento composto de Al-Si. A composição química do material foi definida por espectrometria de emissão óptica por centelha e encontra-se Figura 3. Curva de engenharia 22MnB5 obtida experimentalmente.

na Tabela 1.

Figura 4. Esquema do ferramental e processo analisado. ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 37

ARTIGO Para caracterização mecânica inicial do 22MnB5 foram

simultaneamente. O tempo de processo entre o material sair do for-

máquina universal de ensaios da marca EMIC com capacidade

que a microestrutura do material seja completamente martensítica.

realizados ensaios de tração em temperatura ambiente em uma

máxima de 600 kN e velocidade de 2,5 mm/min, de acordo com a norma ASTM E 8M. A Curva de Engenharia do material

no e ser completamente estampado foi inferior a 25 segundos, para A tabela 3 mostra um resumo dos processos realizados.

Durante os experimentos, dados de força e deslocamento do

encontra-se na figura 3.

punção foram adquiridos através de um transdutor de desloca-

te de Resistência à Tração encontram-se na tabela 2.

-LVDT) e uma célula de carga mantada sob o punção. Os dados

As propriedades mecânicas de Limite de Escoamento e LimiA partir da tabela 2 os valores de Re e Rm encontrados são

muito semelhantes aos encontrados por (BILLUR, 2019) na figura 1, para a condição como recebido.

O processo de estampagem ocorre da seguinte maneira: a tira

mento variável linear (Linear Variable Differential Transformerdos sensores foram obtidos através de um sistema de aquisição de

dados da marca HBM, modelo Spider 8, conectado a um computador, sendo a leitura dos dados obtida pelo software Catman.

Para a realização das análises de micro dureza foi utilizado

é aquecida no forno elétrico da marca Sanchis. As temperaturas de

um microdurômetro da marca Insize Hardness Tester ISH-

ferida para a matriz em temperatura ambiente de aproximadamente

em quatro regiões, como pode ser observado na figura 5 e reali-

austenitização são de 950°C e 1100°C e, em seguida, a chapa é trans30°C. O tempo de estampagem foi de aproximadamente 10s para o

processo de conformação, onde a têmpera e a conformação ocorrem

0,23

Mn 1,24

0,012

0,001

0,17

zadas 5 medições de dureza em cada região.

Foi realizada a metalografia na seção transversal da peça após

a conformação em cada uma das quatro regiões definidas na figura anterior. As amostras foram lixadas com lixas de granulação

Tabela 1. Percentual em massa dos elementos químicos presentes no 22MnB5

0,23

-TDV1000 com carga de 0,2 kgf. Para análise, a peça foi divida

0,002

0,001

0,04

100 μm, 220 μm, 320 μm, 400 μm, 600 μm e 1200 μm. O polimento foi realizado com pasta de diamantes e o ataque químico com Nital 2%. As imagens das microestruturas foram obtidas

através de microscópio óptico da marca Olympus, modelo Gx51. Tabela 2. Propriedades Mecânicas obtidas do ensaio de tração a temperatura ambiente

LdTM

Limite de Escoamento, LE (MPa) 415

Limite de Alongamento, Resistência à Al (%) Tração, Rm (MPa) 563

3. ANÁLISE EXPERIMENTAL A seguir, a figura 6 está apresentando a evolução da força

de estampagem em função do deslocamento do punção para os processos de estampagem a quente realizados.

Figura 5. Regiões da peça escolhidas para análise após o processo de estampagem. 38 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

ARTIGO Durante o processo, a força de estampagem apresenta um

aumento praticamente linear com o avanço do punção até uma

profundidade de 28,5 mm, quando a força alcança seu valor máximo para o processo. A partir desse ponto, ocorre um aumento abrupto na força de estampagem até aproximadamente 200 kN.

Isso ocorre, pois o punção finalizou o seu curso no fundo da ma-

triz (sendo a espessura da chapa de 1,5 mm) e a força que a célula de carga começa a registrar corresponde à capacidade máxima da

(a)

prensa, e não mais a resistência do material à deformação.

A respeito das diferenças entre as temperaturas de austeniti-

zação utilizadas, pode-se confirmar que não houve uma mudança significativa de força com as modificações de temperatura e

tempo de austentização. Para os dois processos, a força de estampagem encontrou-se próxima aos 5 kN.

As figuras 7 e 8 mostram imagens das micrografias efetuadas

nas regiões A, B, C e D para os tempos de austenitização estudados. Pode-se observar que a microestrutura do aço na figura 6 foi ho-

mogênea, ou seja, tanto a região A que esteve em contato com o prensa

(b) Figura 6. Força de estampagem x deslocamento do punção para as temperaturas de austenitização de : (a) 950°C e (b) 1100°C.

chapas, como a região D que esteve em contato com o punção obtiveram a mesma apresentação de microestrutura. Há indícios que a microestrutura seja composta basicamente por martensita, com alguns pontos de bainita e austenita retida. Pode-se observar na figura 7 que a microestrutura do aço na estrutura final para as temperaturas de austenitização de 1100°C também se apresen-

Tabela 3. Resumo das configurações para os processos de estampagem a quente.

Processo Estampagem a Quente

Estampagem a Quente

Temperatura, T (oC)

Tempo de austenitização, t (min)

950

1100

tou homogênea, obtendo basicamente a mesma microestrutura em todas as regiões analisadas. Há sinais que essa microestrutura também seja composta basicamente por martensita, com alguns pontos de bainita e austenita retida. A diferença no refino da microestrutura para as condições analisadas pode ter se dado por conta da temperatura de austenitização, na qual a temperatura de 1100°C possibilitou um maior crescimento de grão austenítico. A característica observada na microestrutura ao longo de toda a chapa pode ser devido a matriz não ser refrigerada, proporcionando taxas

Tabela 4. Microdureza Vickers para as diferentes temperaturas de austenitização analisadas.

Temperatura de Austenitização

950oC

Na tabela 4 a seguir estão indicados os valores médios das cinco microdurezas medidas em cada região analisada, além da média geral da

Região analisada

Microdureza média (HV0,2)

Região A

452

Região C

461

tes temperaturas de austenitização utilizadas neste estudo. A figura 9

464

regiões da peça analisadas.

Região B

Região D

Média das regiões

1100oC

de resfriamento de valores aproximados em cada região analisada.

459 482

apresenta um gráfico comparativo entre as durezas medidas em relação às

444

Região C

472

Região D

Média das regiões

A partir dos resultados de microdureza apresentados, não foi possível observar um valor consideravelmente distinto de dureza para as diferen-

Região A Região B

microdureza na peça por tempo de austenitização.

469 479 466

4. CONCLUSÕES A partir do trabalho apresentado, pode-se inferir que não houve uma diferença considerável entre a força de estampagem para temperatura de ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 39

ARTIGO

Figura 7. Microestrutura para temperatura de austenitização de 950 °C e posterior estampagem a quente correspondente a (a) região A, (b) região B (c) região C e (d) região D da amostra

Figura 8. Microestrutura para temperatura de austenitização de 1100 °C e posterior estampagem a quente correspondente a (a) região A, (b) região B (c) região C e (d) região D da amostra

austenitização de 950°C por 15 minutos e 1100°C por 10 minutos. O perfil

strength steels. Lehrstuhl und Institut für Eisenhüttenkunde, 2008.

da evolução da força de estampagem pelo deslocamento do punção de uma

SCHAEFFER, L. Conformação de Chapas Metálicas. Imprensa Livre

condição mostrou-se muito similar a outra. Além disso, a dureza também

Editora, Porto Alegre, 2004.

não teve uma mudança significativa entre as condições estudadas. Para as micrografias, pode-se concluir que a taxa de resfriamento

Thaís G. Morato Bueno, Engenheira Metalúrgica, mestranda do programa

alcançada no experimento não foi suficiente para que a microestrutura

de pós-graduação em Minas, Metalurgia e Materiais - PPGEM, Universidade

fosse completamente martensítica, que de acordo com (NADERI, 2008)

Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul.

deveria ser superior a 25°C/s.

thais.morato@ufrgs.br Rafael Pandolfo, Engenheiro Mecânico, mestrando do programa de

5. AGRADECIMENTOS

pós-graduação em Minas, Metalurgia e Materiais - PPGEM, Universidade

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aper-

Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul.

feiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de

rafar44@hotmail.com

Financiamento 001. André Rosiak, Engenheiro Metalúrgico, mestre em engenharia mecânica, doutorando do programa de pós-graduação em Minas, Metalurgia e

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Materiais - PPGEM, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto

BILLUR, Eren. Hot Stamping of Ultra High-Strength Steels: From a

Alegre, Rio Grande do Sul. andre.rosiak@ufrgs.br

Technological and Business Perspective. Suiça: Springer, 2019 COUTO, Camila Pucci et al. Electrochemical behaviour of 22MnB5

Matheus Riffel, Engenheiro Mecânico, mestrando do programa de pós-

steel coated with hot-dip Al-Si before and after hot-stamping process

graduação em Minas, Metalurgia e Materiais - PPGEM, Universidade

investigated by means of scanning Kelvin probe microscopy. Corro-

Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande do Sul.

sion Science, v. 174, p. 108811, 2020.

matheusriffel@hotmail.com

GÜLER, Hande; ÖZCAN, Reşat. Comparison of hot and cold stamping simulation of Usibor 1500 prototype model. Indian Journal of

Lirio Schaeffer, Engenheiro Mecânico, doutor em engenharia, professor

Engineering & Materials Sciences, v. 21, pp. 387-396, 2014.

titular, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Rio Grande

NADERI, Malek; BLECK, Wolfgang. Hot stamping of ultra high

do Sul, Brasil. schaefer@ufrgs.br

40 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

ARTIGO

ROBUSTEZ DA PRODUÇÃO DE ESTAMPADOS: O PAPEL DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS PARA A CONFORMAÇÃO DE CHAPAS – PARTE II João Henrique Corrêa de Souza, TechnNova Consultoria em Engenharia e Inovação Na segunda parte do artigo serão detalhados alguns ensaios importantes para a conformação de chapas, dando continuidade à primeira parte.

Ensaio de tração com restrição lateral

ensaio de tração com restrição lateral (Figura 10-a) pode ser utilizado para gerar um estado plano de deformações no material a ser estudado. Alterando-se o tamanho do raio r do corpo de prova conforme mostrado na Figura 11 é possível permitir um certo grau de estreitamento lateral do mesmo. Isso permite cobrir uma parte da região de compressão da CLC, além da região de deformação plana. O procedimento foi desenvolvido por Rozzo e Deluca em 1972.

gerado nas regiões de contato das cunhas exerce uma grande influência no resultado, sendo, portanto, muito sensível às condições de lubrificação. No envelope de escoamento os pontos representados pelo ensaio situam-se nas regiões de cisalhamento (Figura 12-b).

Ensaio de compressão empilhada Pawelski (1967) foi o primeiro a realizar um teste de compressão com amostras de chapas de metal empilhadas. O teste de

compressão empilhada é uma adaptação do teste de compressão de cilindro conforme DIN 50106. A vantagem do ensaio de compressão em relação ao ensaio de tração é o maior grau de deformação que pode ser alcançado, uma vez que o material não pode se contrair sob pressão. Devido à baixa espessura do material, várias amostras individuais são empilhadas no teste de compressão de camada, pelo que as amostras devem ser alinhadas uniformemente em relação à sua direção de laminação. Para reduzir os efeitos do

Ensaio de tração-compressão Também chamado de ensaio de cunha segundo Sachs (Keilzug-Pruefverfahren nach Sachs, em alemão), o ensaio de tração-compressão é caracterizado por aplicação de tensão uniaxial sobreposto por tensões de compressão geradas por cunhas laterais. As deformações podem ser analisadas através de métodos como visioplasticidade. O ensaio reproduz o estado de tensão-compressão presente em regiões de flange do processo de embutimento. Uma desvantagem do teste é que o atrito

Figura 10. Figura 10: a) Geometria do corpo de prova. b) Locais do envelope de escoamento que são determinados em um estado de deformações planar. ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 41

ARTIGO atrito, folhas de tef lon são usadas nas interfaces entre as bandas de compressão e o corpo de prova. As deformações que ocorrem na direção circunferencial são registradas pelo sistema de medição de deformação óptica. A tensão de escoamento é determinada pelas forças de deformação detectadas e a área da seção transversal da amostra, que é considerada idealmente cilíndrica. A tensão compressiva na direção da espessura da folha leva a uma expansão uniforme da amostra (Figura 13). Os aumentos de comprimento nas direções x e y dependem da anisotropia normal.

Ensaio de cisalhamento (corpo de prova Pöhlandt)

Figura 11. Método desenvolvido por Rozzo e Deluca (1972) para determinação do lado esquerdo da CLC.

Os testes de cisalhamento são usados para testar materiais de chapa metálica sob cisalhamento ideal simples. Este ensaio permite que a resistência ao escoamento sob tensões de cisalhamento seja medida. A força de tração e a mudança no comprimento são registradas pelas garras da máquina de ensaios (Figura 14). A tensão de cisalhamento é determinada por meio de análise de deformação por visioplasticidade.

Ensaio Bulge

Figura 12. a) Representação do corpo de prova em formato de cunha durante o ensaio. b) Pontos no envelope de escoamento representados pelo ensaio. 42 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

O teste de expansão hidráulica foi apresentado por Hill (1950) e é frequentemente usado para a determinação de curvas de escoamento até graus de deformações verdadeiras de cerca de 0,7. A Figura 15 mostra o princípio do processo em que um fluido é pressionado de um lado em uma amostra redonda rigidamente fixada. Através da pressão do meio acontece a expansão da amostra e ela finalmente rompe no pólo da calota. Líquidos (geralmente meios à base de óleo ou água), gases e também meios viscoplásticos podem ser usados. A pressão da mídia é medida por meio de um sensor de pressão e o raio e a espessura da folha no pólo da amostra é medido opticamente ou com método tátil (Figura 16).

ARTIGO Ensaios Nakajima e Marciniak ((ISO12004)

Figura 13. a) Representação das amostras de chapas empilhadas para o ensaio. b) Ponto no envelope de escoamento representado pelo ensaio característico de um estado plano de tensões.

Figura 14. : a) Corpo de prova antes e depois do ensaio. b) Pontos no envelope de escoamento, característicos de cisalhamento.

Figura 15. Princípio e estados de tensão alcançáveis do teste de expansão hidráulica Bulge.

A norma para a avaliação da Curva Limite de Conformação (CLC) é a DIN EN ISO 12004, que descreve o procedimento de teste, bem como o método de avaliação. O desenvolvimento do padrão procurou manter a simplicidade da definição do CLC. Na verdade, apesar do grande número de configurações de teste disponíveis para caracterizações de materiais, como ensaio de tração, teste de Bulge, ensaios de deformação plana, a norma prescreve o uso de apenas uma configuração de alongamento com duas variações de punção, ou seja, um punção hemisférico de acordo com Nakajima e um punção plano de acordo com Marciniak. Para encontrar uma definição universal da curva limite de formação, Nakajima propôs uma configuração de teste para a análise de várias condições de deformação usando uma configuração de ferramenta única. O chamado teste de Nakajima é composto por uma unidade de fixação e um punção hemisférico. As diferentes configurações de deformação são obtidas com várias geometrias de amostra. Os espécimes são tiras cuja largura muda de acordo com o histórico de deformações desejado, que pode variar desde a condição biaxial com a geometria total até a tensão uniaxial com larguras pequenas (Figura 17). Eles também observaram que a condição de deformação mais severa, em que o ponto mais baixo do FLC é alcançado, corresponde à condição de deformação plana. Marciniak propôs uma configuração de máquina semelhante ao teste de Nakajima, mas com o emprego de um punção plano. Devido à condição crítica de contato entre a folha e o punção plano, o chamado teste Marciniak requer uma chapa de suporte entre as duas superfícies de contato. Esta garante uma distribuição homogênea das deformações (Figura 18). Na as duas configurações são representadas de acordo com a norma DIN EN ISO 12004-2 [13]. ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 43

ARTIGO

Figura 16. Foto de um ensaio de expansão Bulge montado (Fonte: IFU Stuttgart).

Figura 17. Influência dos diferentes corpos de prova no caminho das deformações, no ensaio Nakajima. Fonte: IFU-Stuttgart.

Ensaio de tração em corpo de prova em cruz (tração biaxial) No ensaio de tração biaxial, uma chapa em forma de cruz é tracionada em dois eixos, criando assim um estado de tensão multiaxial na região central do teste. O princípio e os estados de tensão que podem ser alcançados são mostrados na Figura 19. Neste ensaio é possível variar a proporção das forças de teste em ambas as direções de carregamento. O início do escoamento pode ser determinado em todo o primeiro quadrante do envelope de escoamento. A realização deste teste é descrita pela norma ISO 16842 (2014). Sem modificação adicional do corpo de prova, mesmo uma ligeira deformação plástica leva à falha do mesmo. Para garantir a homogeneidade do estado de tensão e deformação na região central da amostra, diferentes geometrias de corpo de prova foram desenvolvidos, como mostra a Figura 20.

Figura 18. Diferenças entre as geometrias das ferramentas segundo Nakajima e segundo Marciniak. No ensaio Marciniak uma chapa de suporte é utilizada para permitir que as deformações em estado plano se desenvolvam na região plana do disco. Fonte: Erichsen.

Ensaio de dobramento A determinação da dobrabilidade de chapas é realizado com objetivo de determinar o máximo ângulo de dobra alcançável, por exemplo através da EN ISO 7438. Além desta, é possível avaliar a capacidade de uma chapa de ser dobrada e 44 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

Figura19. Princípio e estados de tensão alcançáveis com o corpo de prova em formato de cruz.

ARTIGO

Figura 20. 20: Ajustes de ensaios de tração biaxial com a) Variação dos raios (Shiratori e Ikegami, 1967), b) Redução da espessura da folha (Wilson e White, 1971), c) Recortes nos braços (Mönch e Galster, 1963) e d) Reforço aditivo dos braços (Hou et al., 2021)

Figura 21. 21: Vista em corte de união por grafagem em um produto automotivo, apresentando falha na região externa da dobra.

desdobrada em vários ciclos com a DIN EN ISO 7799. É importante mencionar que existem diversos ensaio não normalizados, por exemplo para determinação de raios mínimos de dobra. Ensaios de dobramento são úteis para verificação das propriedades de materiais utilizados na fabricação de carrocerias automotivas (Figura 21). Em processos de grafagem (hemming) o conhecimento da capacidade e limites de dobrabilidade da chapa é essencial. Na norma EN ISO 7438 é descrito um aparato para realização de ensaios de dobramento com rolos e punção substituível (Figura 22-a). A amostra é dobrada até o atingimento de determinado ângulo ou totalmente, com intuito de esgotar a capacidade de dobramento da chapa. O ensaio permite a avaliação de um Fator de Dobramento, obtido através do quociente entre raio interno da dobra e espessura da chapa, que representa a dobrabilidade do material. Este fator pode ser representado em relação a diferentes graus de estiramento, já que antes da etapa de grafagem o componente passou por operações de conformação (Figura 22-b). Complementarmente, após o teste, a superfície da borda externa dobrada pode ser avaliada de acordo com critérios de avaliação subjetivos e definida em classes de qualidade. Uma inspeção visual ocorre aqui, uma vez que nenhum registro quantitativo das variáveis medidas é possível. Para várias imagens de borda de dobra, como pode ser visto na Figura 23, graus são dados e um limite de falha é definido com base neles. A partir de hoje, um grau de 2 a 3 é definido como o limite de falha, que não deve ser ultrapassado em termos de qualidade.

Variabilidade das propriedades mecânica

Figura 22. a) Dispositivo para dobramento segundo a DIN EN ISO 7348.

As chapas utilizadas na fabricação de componentes estão sujeitas a variações em suas propriedades mecânicas originadas na fabricação das bobinas. A Figura 24 ilustra a variação do índice de anisotropia em uma chapa de aço relaminada a frio, dentro de uma única bobina. É de se esperar que todas as outras propriedades ESTAMPAGEM

AGOSTO 2021 45

ARTIGO

Figura 23. Classes de qualidade para a qualidade da superfície da borda dobrada.

Figura 24. Variação da anisotropia normal em uma chapa de DC06. Fonte: IFU Stuttgart.

46 AGOSTO 2021

ESTAMPAGEM

ARTIGO

Figura 25. Resultado de simulação singular (direita) realizada sem considerar a variabilidade das propriedades do material e a peça real com problema de qualidade (esquerda).

importantes para o sucesso do processo também variem, o que certamente tem consequências na robustez do processo. O uso de modelos singulares de simulação pode fornecer informações importantes no que diz respeito à fabricabilidade de um componente. Porém, dado que uma só simulação não consegue representar a variabilidade natural dos parâmetros, o resultado não garante um processo de fabricação robusto, como mostrado na Figura 25. A variações podem estar relacionadas não só às propriedades mecânicas, mas também a fatores oriundos do processo como força do prensa-chapas, tribologia (atrito), velocidade da prensa, etc. Essas variações podem ser representadas na análise por elementos finitos, garantindo assim um processo que continuará produzindo de forma estável mesmo em uma situação de propriedades mecânicas desfavoráveis.

Conclusões Representar corretamente o comportamento plástico de um material em todas as situações que ocorrem no mundo industrial é um desafio que ocupa os pesquisadores até hoje. Os diferentes tipos de ensaios apresentados aqui possuem suas vantagens e desvantagens, devendo ser utilizados de acordo com a sua proximidade ou semelhança com o fenômeno que acontece na realidade do processo. A mensuração e representação ma-

temática das variações que ocorrem nas propriedades mecânicas é essencial para a condução de simulações estocásticas. Em um modelo de simulação estocástico é possível realizar de forma automática uma varredura das consequências das variações naturais dos parâmetros de entrada (inclusive propriedades) no resultado da simulação. Com o advento dos Gêmeos Digitais Guiados pela Física, a importância da caracterização correta dos materiais aumenta mais ainda. Além disso a capacidade de representar a variabilidade do mundo real é essencial. O futuro dos sistemas de engenharia utilizados em processos de estampagem exigirá modelos precisos e ao mesmo tempo com uma certa “flexibilidade”, onde informações fluem do sistema para fora, são comparadas com a realidade e entram novamente no sistema. Com isso, o sistema é capazes de representar o mundo real e seus nuances e servir de ferramenta para análise de cenários e mesmo correções autônomas de processo.

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AGOSTO 2021 47

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