Nono Simpósio de Mecânica Computacional
26 a 28 de maio de 2010
Universidade Federal de São João Del-Rei – MG
Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia
ESTUDO DO EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NAS
TENSÕES RESIDUAIS ATRAVÉS DA SIMULAÇÃO DA EXTRUSÃO
A FRIO
Diogo Sousa1; Frederico Neves1; Sávio Tayer1
1
Departamento de Engenharia Mecânica – UFSJ –, São João Del-Rei, MG
CEP: 36307-352
e-mail: [email protected], [email protected] , [email protected]
Resumo. Elementos mecânicos podem falhar por fadiga quando submetidos a cargas
cíclicas. Se, entretanto, uma tensão residual de natureza compressiva estiver presente na
superfície do corpo, a iniciação e a propagação da trinca pode ser reduzida ou eliminada.
Neste estudo, é feita a simulação da extrusão a frio de tarugos cilíndricos de alumínio
para avaliar o efeito de diversos parâmetros do processo sobre a força de extrusão e as
tensões residuais resultantes na superfície do corpo. São avaliados os efeitos da variação
do ângulo de deformação, da redução de área, do coeficiente de atrito na interface
peça/ferramenta e do comprimento da zona cilíndrica de calibração. A simulação é
executada através do Método dos elementos finitos, empregando-se o software Marc da
MSC.Software Co. utilizando 1600 elementos. Os resultados indicam que a redução de
área tem maior efeito sobre as tensões residuais, seguidas do ângulo de deformação.
Palavras-chave: extrusão a frio, simulação numérica, tensões residuais, alumínio,
parâmetros de processo
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Universidade Federal de São João Del-Rei – MG – ABMEC
INTRODUÇÃO
O método de conformação que será abordado neste trabalho é o de extrusão, o qual foi
difundido no final do século XIX, ou seja, é um processo muito novo. A extrusão do metal
chumbo iniciou as pesquisas definitivas referentes ao processo e, durante a segunda guerra
mundial, a extrusão foi determinante para a fabricação de equipamentos militares na
indústria aeronáutica. As peças conformadas apresentam boa qualidade superficial,
tolerâncias dimensionais mais fechadas e controladas, além do aumento da resistência
mecânica por causa da estrutura de distribuição das fibras e encruamento (MONEZI, C.,
2005). Neste processo o material é comprimido no interior de um container por um êmbolo
ou pistão e escoa através de uma matriz, gerando assim o perfil com o formato desejado. A
seção transversal do produto extrudado pode ser vazada ou cheia, sendo que o
comprimento do produto final é limitado pelo volume de material do tarugo (processo
semi-contínuo). Há duas formas de extrudar o material: processo direto e indireto. No
direto a matriz fica parada e o punção empurra o tarugo contra a matriz, já no processo
indireto a matriz movimenta e o punção permanece parado. Os materiais mais utilizados no
processo de extrusão são o alumínio, cobre, aço, magnésio, chumbo e polímeros em geral.
Neste processo de conformação e nos demais métodos há o surgimento de uma tensão
residual, a qual é mais significativa em materiais conformados a frio. As tensões residuais
são aquelas que permanecem na peça quando todas as forças externas e/ou gradientes de
temperatura são removidos. Ou seja, durante a deformação surgem tensões referentes ao
processo, estas após a conformação irão se caracterizar em tensões residuais, podendo
ocasionar um comprometimento no resultado final da peça, uma vez que muitas quebras
por fadiga estão relacionadas a tais tensões. Essas tensões residuais podem ser prejudiciais
ou não, depende da empregabilidade do produto e do tipo de tensão residual que o mesmo
está sujeito. Logo, há dois tipos de tensões: trativa e compressiva. Contudo, se áreas
próximas a superficie estão em compressão residual às áreas no centro devem estar em
tração residual para balancear o sistema de forças. O fato delas provocarem uma mudança
dimensional na peça, causada pela recuperação elástica do material após a conformação,
afeta a estabilidade do material e a resistência a deformação. As tensões residuais trativas
devem ser evitadas em peças submetidas a esforços mecânicos cíclicos devido ao fato de,
por sua natureza, facilitarem a nucleação e a propagação de trincas, levando-as a falharem
por fadiga mecânica (BIANCH, E. C. et all, 2000). No entanto, tensões compressivas
tendem a ser benéficas, uma vez que elas tendem a interromper a propagação de trincas
existentes no material.
A medição de tensões residuais é hoje largamente utilizada para monitorar a
confiabilidade operacional de estruturas e componentes mecânicos, principalmente em
situações de elevada complexidade. Para a determinação das tensões residuais
remanescentes no corpo, dois tipos de ensaios são utilizados, os ensaios destrutivos e não
destrutivos. Os métodos mais usuais para determinação da tensão residual são o método
mecânico (destrutivo), o método de difração de raios-x (não-destrutivo) e os métodos
elásticos não lineares (não-destrutivo), baseados na propagação de ondas acústicas ou na
distorção do campo magnético. Todos os métodos são importantes, sendo que cada um têm
sua peculiaridade. Para aumentar a confiabilidade na determinação das tensões residuais o
método dos elementos finitos é utilizado, e ainda, este é empregado com o objetivo de
diminuir custos e perda de tempo, uma vez que através da simulação é possível prever o
comportamento de determinado processo e/ou mecanismo. Com a criação de solver
softwares poderosos, a simulação passou a ter mais adeptos devido a facilidade em
obtenção de resultados, sendo estes muito próximos do real. Atualmente, a simulação é a
ferramenta que dá suporte as outras experimentais, e não é diferente quando o assunto é
tensão residual.
Em resumo, o objetivo do estudo é encontrar a melhor interação entre as variáveis de
uma matriz no processo de extrusão direta. Foram realizadas várias simulações numéricas
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combinando o máximo e mínimo de cada variável, a fim de encontrar a menor força
exercida no punção e/ou maior tensão residual compressiva.
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MATERIAIS E MÉTODOS
O material utilizado no processo de extrusão foi o Alumínio comum, sendo o módulo
de elasticidade 70 GPa, coeficiente de Poison 0,33 e o limite de escoamento 11 MPa. Este
foi escolhido devido a sua enorme empregabilidade e fácil conformabilidade, além de ser
um dos principais materiais utilizados. Sobre o material a conformar assume-se que seja:
isotrópico, ou seja, apresenta as mesmas propriedades mecânicas em todas as direções de
solicitação; contínuos, não apresentam poros ou vazios que comprometam sua
continuidade; homogêneos e uniformes, apresentando a mesma composição química,
morfologia de grãos e distribuição de partículas ao longo de seu comprimento. Assume-se
que o punção seja rígido, ou seja, que não sofre deformação elástica durante o processo.
Dentre as muitas variáveis a considerar, as abordadas no estudo foram às seguintes:
coeficiente de atrito, ângulo de extrusão, redução de área e região de calibração do tarugo.
Duas outras variáveis foram padronizadas, sendo as dimensões do tarugo (Ø 16,0 mm e
L0= 45,0 mm) e o ângulo de saída da matriz (θ= 90°). As demais variáveis foram
interagidas confrontando os máximos e mínimos valores e os resultados obtidos foram
estatisticamente analisados.
A faixa dimensional do experimento segue conforme a tabela 1.
Tabela 1 – Faixa dimensional
O recurso técnico utilizado para o experimento foi o solver Software Marc™, no qual
foram feitas as simulações numericas.
O perfil da ferramenta desenvolvida conforme a figura 1.
Figura 1 – Esboço da matriz, tarugo e punção.
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O modelo construído no software foi feito utilizando o recurso de simetria, ou seja, foi
representada a vista da quarta parte da matriz, punção e tarugo. Conforme figura 2.
Figura 2 – Exemplo do modelo utilizado. Tensões residuais na direção Y (a direita na
figura).
As interações dos parametros estudados seguem conforme as figuras 3, 4 e tabela 2:
a) Maior e menor ângulo de entrada
b) Maior e menor redução
c) Maior e menor zona de calibração
Figura 3 - Matrizes sobrepostas interagindo ângulo maior e menor; redução de área =
23,4%; zona de calibração = 2,8 mm.
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Figura 4 – Matrizes sobrepostas interagindo ângulo maior e menor; redução de área = 30%;
zona de calibração = 2,8 mm.
Tabela 2 – Interações entre as variáveis.
Obs.: o menor coeficiente de atrito usado nas simulações foi de 0,075 e o maior de
0,150.
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RESULTADOS
Os dados obtidos nas interações entre as variáveis estão descritos na tabela 3, a qual
contém valores da tensão residual em dois nós (figura 5), um na região de deformação
(redução de área) e outro após a zona de calibração, e ainda há o valor da força no ultimo
incremento referente ao deslocamento do punção no sentido vertical pra baixo.
Por se tratar de um modelo numérico não é possível fazer réplicas para processo em
estudo, logo, ao fazer a análise estatística pelo método da Anova (Planejamento Fatorial)
(CALLADO; MONTGOMERY, 2003) observa-se que todas as variáveis têm influência no
processo, algumas insignificantes, mas existem. Contudo, o estudo é realizado comparando
interação por interação e analisando qual é mais compatível com o objetivo em questão.
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Figura 5 – Região de análise. À direita a figura esta ampliada indicando os nós que foram
estudados.
Tabela 3 – Resultado das interações quanto a tensão residual e força no punção.
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DISCUSSÃO
Considerando somente as variáveis analisadas e confrontando os dados verificou-se
que a maior influência se dá devido ao coeficiente de atrito em relação a força do punção, e
que a calibração não tem influência significativa (conforme gráfico 1). Consideramos que a
condição mais favorável é para a menor força do punção, pois ocasiona um menor
desgaste da ferramenta, menor consumo de energia. Tal ocorre para o menor ângulo
combinado com a menor redução e o menor coeficiente de atrito.
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Gráfico 1 – Força do punção em relação a cada variável.
Sabendo que as trincas são nucleadas na superfície do material e que sua propagação
se dá de fora para dentro. Então, se um componente mecânico esta submetido a tensão
residual de compressão no sentido perpendicular a propagação da trinca, esta terá
dificuldades em crescer (figura 6). Pela análise conclui-se que a melhor condição de
geração da referida tensão residual compressiva é a condição de maior redução combinada
com o menor ângulo, menor coeficiente de atrito e menor calibração. Conforme tabela 2.
Figura 6 – A tensão residual compressiva em Y impedi ou dificulta a propagação de
trincas.
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Tabela 3 – As interações que estão marcas, são as que apresentam maior tensão residual de
compressão combinada a menor força no punção.
Para obtermos a melhor combinação foram observadas as condições em que os dois
nós avaliados forneciam tensões residuais compressivas e, dentre estas, a que apresentava a
menor força de extrusão. As condições avaliadas estão destacadas em vermelho na Tabela
4.
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CONCLUSÕES
A variável de maior influência no processo de extrusão é o coeficiente de atrito,
quanto maior este valor maior será a força no punção, conseqüentemente, maiores serão os
esforços e as perdas.
Quanto a tensão residual, a interação que gerou o melhor resultado entre tensão
residual compressiva (maior) e força no punção (menor), foi a seguinte: menor ângulo de
redução, maior redução de área e menor coeficiente de atrito. A zona de calibração não
influência significativamente o resultado, sendo a diferença de aproximadamente 5%.
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BIBLIOGRAFIA
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