SIMULAÇÃO FÍSICA E NUMÉRICA DO FORJAMENTO A FRIO COM MATRIZES
CÔNCAVAS
Odair José dos Santos(01)
Jánes Landre Jr.(02)
Paulo Roberto Cetlin(03)
As operações de forjamento a frio, dentro dos objetivos da manufatura, vem ganhando
proeminência, sobretudo na fabricação de fixadores mecânicos. Isto porque apresentam uma série
de vantagens principalmente do ponto de vista de sequenciamento da produção, com a
minimização da perda de material, obtenção de altas taxas de utilização das instalações de
produção e ainda redução do impacto ao meio ambiente. Nesse caso, tal processo torna-se
interessante porque, além de conferir as características demandadas acima, ainda garante ao
material um aumento de sua resistência mecânica, decorrente do encruamento. No entanto, dois
aspectos limitam o uso dessa tecnologia: o desgaste das matrizes e as eventuais trincas do
produto oriundas da operação.
Partindo disso, nesse trabalho estudou-se a formação de trincas no forjamento a frio com matrizes
côncavas Foram utilizadas duas metodologias: a simulação numérica através de modelagem via
método dos elementos finitos e a simulação física, utilizando plasticina como material modelo. O
objetivo da utilização das mesmas foi realizar uma comparação entre os resultados obtidos por
cada um dos métodos na formação de trincas.
Os resultados obtidos foram razoáveis, uma vez que os potenciais pontos de fratura observados
na simulação numérica remitiam aos principais tipos de trincas observados na simulação física.
Palavras-chave: Forjamento a frio, simulação física, simulação numérica, trincas
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Contribuição técnica a ser apresentada no 14º CBECIMAT –Congresso Brasileiro de Engenharia
e Ciência dos Materiais, São Pedro, SP, 03 a 06 de Dezembro de 2000
(01) - M.Sc, Engenheiro Metalurgista, Aluno do Curso de Pós-Graduação em Engenharia
Metalúrgica e de Minas, Escola de Engenharia - UFMG, Belo Horizonte - MG.
(02) - M.Sc, Prof. Adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Minas, Aluno do
Curso de Pós Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas, Escola de Engenharia – UFMG,
Belo Horizonte - MG.
(03) - Dr., Professor Titular do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Escola
de Engenharia - UFMG, Belo Horizonte - MG.
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1- Introdução
A fabricação de produtos metálicos via deformação plástica apresenta uma série de vantagens
com relação às operações de usinagem. Há economia de material e aumento de resistência
mecânica resultante do encruamento, principalmente nas operações de conformação a frio(1). No
entanto, a deformação plástica pode acarretar trincas no produto levando à inutilização do
mesmo.
No caso das operações de forjamento a frio, sobretudo as relacionadas à fabricação de
componentes metálicos de fixação, esse problema pode atingir grandes dimensões, tornando
importante sua investigação(1,2,5). Este artigo mostra os resultados obtidos nas simulações física e
numérica do forjamento a frio com matrizes côncavas , no tocante à geração dessas eventuais
trincas.
2-Revisão Bibliográfica
A atual busca de uma menor quantidade de refugos e dispêndio de energia faz com que as
indústrias de conformação mecânica procurem a cada dia um melhor entendimento das variáveis
que governam a sua produção. Com esses objetivos, o uso de alternativas de simulação de
processos são, de forma quantitativa e qualitativa, métodos que visam nortear a variação de
determinados parâmetros de processo e avaliar a sua influência no mesmo. A simulação de
processos, no caso do forjamento em geral, tem como principais objetivos: assegurar um total
preenchimento da matriz,evitar quer se excedam os limites de processamento a fim de se prevenir
defeitos e melhorar a qualidade da peça e a sua complexidade, reduzindo, ao mesmo tempo os
custos de produção.Tomando isso como base, duas alternativas de metodologias para a simulação
de processos têm sido usadas: a simulação física e a numérica.
A simulação física consiste em reproduzir o processo real em escala reduzida, ampliada ou em
grandeza verdadeira, normalmente envolvendo a substituição do metal-base a ser conformado,
por uma material modelo que possua alguma similaridade com o mesmo(3).
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Por outro lado, a simulação numérica envolve a elaboração matemática do processo em questão
envolvendo dados pertinentes às propriedades dos materiais envolvidos, condições de atrito e
temperatura e sobretudo o processo de deformação(5).
Como resultados da simulação física são obtidos os defeitos – trincas, falta de preenchimento,
etc- que possam vir a surgir no material e podem ser observadas tendências de fluxo. Na
simulação numérica são obtidas as distribuições de tensões e deformações, as tensões efetivas e
os perfis de danos (possíveis locais para a ocorrência de fraturas) (5).
3-Técnicas Experimentais
3.1-Simulação física
3.1.1- Material modelo e matrizes
O material escolhido como material modelo para a simulação física foi a plasticina. É um dos
materiais mais empregados nos processos de modelamento físico de operações de conformação
mecânica e reúne determinadas características importantes tais como: fácil aquisição e confecção;
barata e atóxica; deforma-se a baixas cargas à temperatura ambiente e suas propriedades podem
ser alteradas com facilidade, de forma que é possível simular processos de materiais-base
diferentes(1).
A composição de plasticina é muito variável, podendo compor-se de uma mistura de ceras,
vaselina, cal e carbonato de cálcio. A plasticina usada neste trabalho foi uma mistura de
carbonato de cálcio e vaselina na proporção de 2,5:1 em peso(2,5).
Para a realização dos ensaios foram usadas matrizes côncavas, cuja configuração geométrica foi
baseada no trabalho de Matilde[2], conforme mostra a figura 1 abaixo, onde:
f é o maior diâmetro da matriz;
d é o menor diâmetro da matriz,
h é a profundidade da matriz e
φ é o ângulo de conicidade da matriz.
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14,90 mm
13,00 mm
15 mm
d
Matriz Superior
h
φ
f
Corpo de prova
Matriz Inferior
Figura 1: Desenho esquemático do ensaio de recalque com matrizes côncavas evidenciando a
configuração geométrica das mesmas.
As dimensões das matrizes são apresentadas na tabela I abaixo:
Tabela I: Dimensões das matrizes para forjamento de plasticina
Matriz
1
2
3
4
5
6
φ (grau) d (mm) h(mm)
10
5
20
10
10
15
10
15
10
10
20
5
42
20
5
65
10
5
f(mm)
12,2
15,4
18,6
21,8
29
31,5
3.1.2- Corpos de Prova
Os corpos de prova de plasticina usados nas operações de forjamento eram cilíndricos com 33
mm de diâmetro e 42 mm de altura, confeccionados por extrusão, conforme mostrado na figura 2
a seguir.
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Corpo de prova
camisa para extrusão
punção de extrusão
Figura 2: A matriz de extrusão e o corpo de prova de plasticina
3.1.3-Técnica de Ensaio
3.1.3.1-Simulação Física
Forjaram-se os corpos de prova com as diferentes matrizes até o aparecimento de uma primeira
trinca e verificou-se o tipo de trincas formadas. Os ensaios foram realizados em triplicata para
cada material e estabelecidas condições padrão de ensaio de temperatura da amostra de 20°C e
velocidade de deslocamento de 5mm/min, usando talco como lubrificante. Neste caso, o
coeficiente de atrito apresenta um coeficiente de atrito de 0,25[3].
Após o recalque foram avaliadas a redução de altura e o tipo de trincas formadas, de acordo com
a classificação proposta por Okamoto[4] a partir de ensaios de forjabilidade conforme mostra a
figura 3 .
Trincas α
Externas e longitudinais
Trincas β
Internas e longitudinais
Trincas γ
Internas e longitudinais
Trincas ε
Internas e transversais
Trincas δ
Internas e longitudinais
Trincas η
Internas e radiais
Trincas λ
Trincas µ
Figura 3: Alguns exemplos de trincas unitárias
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3.2-Simulação numérica
Para a simulação numérica do forjamento utilizou-se o software DEFORM, que é um programa
que utiliza o método de elementos finitos para estudos de problemas relacionados à deformação
plástica de materiais.
O software DEFORM é composto de 3 etapas:
•
pré-processamento: onde são carregadas a geometria do problema, as condições de contorno,
os parâmetros de simulação, as equações constitutivas dos materiais e as variáveis de
processamento;
•
processamento;
•
pós-processamento
Assim, usando o software DEFORM e carregando o seu pré-processador com a geometria do
problema ( ilustrada na figura 4 para um caso) e com as equações constitutivas do material,
optou-se por deformar os corpos de prova a 40% de altura e determinar seus perfis de isodanos .
Os locais de máximo dano são pontos potenciais de fratura dos materiais.
Figura 4: Geometria do problema carregada no pré-processador do software DEFORM
Os parâmetros de simulação usados foram estabelecidos para reproduzir as mesmas condições do
ensaio físico, sendo eles:
Velocidade de deslocamento da matriz superior (matriz côncava): 5 mm/min
Equação constitutiva do material: plasticina: σ=0,06ε0,36(MPa) (5)
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Número de incrementos: 200
Número de elementos na malha: 1000
Remalhamento: Automático
Deslocamento da matriz por incrementos: 0,2 mm
Critério de convergência: Newton/Raphson
4-Resultados e Discussão
Inicialmente foram feitos recalques na plasticina e encontrados tipos de trincas que receberam
uma nomenclatura própria, conforme pode ser vistas esquematicamente na figura 5[5].
α2
ε
α1
Figura 5: Tipos de trincas encontrada no forjamento da plasticina com matrizes côncavas
Os resultados para a plasticina são mostrados nas tabelas II e a seguir.
Tabela II: Tipo de trincas e grau de redução no recalque com as matrizes côncavas para plasticina
Matriz Corpo de prova 1 Corpo de prova 2 Corpo de prova 3
1
2
3
4
5
6
Trincas α1
e= 14,29%
Trincas ε
e= 16,67%
Trincas ε e α2
e= 14,29%
Trincas ε e α2
e= 9,52%
Trincas ε e α1
e= 7,14%
Trincas α2
e= 16,67%
Trincas α2 e ε
e= 19,04%
Trincas ε
e= 11,90%
Trincas ε e α2
e= 9,52%
Trincas α2
e= 9,52%
Trincas ε e α1
e= 7,14%
Trincas α2
e= 16,67%
Trincas ε
e= 14,29%
Trincas ε
e= 16,67%
Trincas ε e α2
e= 14,29%
Trincas ε
e= 11,90%
Trincas α2
e= 7,14%
Trincas α2
e= 16,67%
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Os perfis de isodanos para cada matriz são apresentadas a seguir:
Matriz 1
: Local de máximo dano
Tipo de trincas prevista: ε
Matriz 2
: Local de máximo dano
Tipo de trincas prevista: ε
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Matriz 3
: Local de máximo dano
Tipo de trincas prevista: ε
Matriz 4
: Local de máximo dano
Tipo de trincas prevista: ε
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Matriz 5
: Local de máximo dano
Tipo de trincas prevista: ε
Matriz 6
: Local de máximo dano
Tipo de trincas prevista: ε
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No caso da simulação numérica previu-se a ocorrência de trincas ε em todos os casos abordados.
A comparação desta previsão com os resultados experimentais contidos na tabela II indica que
trincas dos tipos α1 e α2 não foram previstas, para uma redução de altura de 40% do corpo de
prova. Por outro lado, a localização esperada para as trincas do tipo ε corresponde
adequadamente à realidade.
4-Conclusões
Utilizando a simulação numérica como instrumento de simulação de processos, obtiveram-se
resultados razoavelmente satisfatórios, já que em vários casos os potenciais pontos de fratura
observados por essa metodologia nos remetem e confirmam àqueles obtidos no recalque com
plasticina (simulação física).
5-Agradecimentos
Os autores agradecem à CAPES e ao PRONEX (Programa de Núcleos de Excelência) o apoio
financeiro concedido.
6-Referências Bibliográficas
1-OKAMOTO, T., FUKUDA, T., HAGITA, H., Material Fracture in Cold Forging- Systematic
Classification of Working Methods and Types of Cracking in Cold Forging. The Sumitomo
Search, no. 09, p.216-225, May 1973
2-MATILDE, S. A., Análise das Condições de Ocorrência de Trincas no Aço SAE 1006 e
Plasticina Obtidas Através do Ensaio de Cone Truncado. Belo Horizonte: Escola de Engenharia
da UFMG, 1998. (Dissertação, Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas).74p.
3-BODNAR, R. L., ROMENUS, D. C., BRAMFITT, B. L., e SHAD, D. C., Physical Modeling
of Hot-Deformation Processes – Using Plasticine. Iron and Steel Society of AIME, Bethlehem,
p35-46, August 1986.
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4-WONG, S. F., HODGSON, P.H., CHONG, C.-J.,THOMSON, P. F., Physical Modelling with
Application to Metal Working, Especially to Hot Rolling. Journal of Materials Processing
Technology, v.62, p. 260-274, February 1996
5-SANTOS, O.J., Trincas na Plasticina e no Aço SAE 1038D Esferoidizado no Forjamento com
Matrizes Côncavas. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG, 2000. (Dissertação,
Mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas).113p.
Abstract
The objectives of modern manufacturing involve: (a) operations sequencing with minimum
material loss (b) reduction of delivery and stock delays (c) high utilization rates of industrial
facilities (d) low environmental impact. Cold forging is particularly well suited in order to satisfy
the above requirements, especially in the fasteners manufacturing field. In this case, an additional
advantage of the process is the improvement of the mechanical properties of the material through
work hardening. Two limiting aspects should however be considered: die wear and product
cracking.
In this work, the material cracking in one type of cold forging was studied. Two methods were
used: physical simulation with plasticine and numerical simulation through finite elements. These
simulations were performed in order to compare the results obtained in each method.
The results showed some similarity, the cracking areas verified by numerical simulation agreed
with those observed by physical simulation.
Keywords: cold forging, physical simulation, numerical simulation, cracking
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