ECAP: OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO VIA SIMULAÇÃO NUMÉRICA

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1 ECAP: OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO VIA SIMULAÇÃO NUMÉRICA Luís Gabriel Aléssio dos Santos, 1 Bruno Barbosa Arakawa, 1 Wyser José Yamakami, 1 Hidekasu Matsumoto, 1 Juno Gallego, 1 Alessandro Roger Rodrigues, 2 1 UNESP - Campus de Ilha Solteira. Dep. de Engenharia Mecânica. Av. Brasil Centro, 56. Cep: Ilha Solteira / SP. 2 USP - Escola de Engenharia de São Carlos. Dep. de Engenharia Mecânica. Av. Trabalhador São-Carlense, 400. Centro. Cep: Sao Carlos / SP. Resumo: A simulação numérica de processos de conformação plástica permite definir melhor as dimensões e geometria das matrizes, evitando falhas prematuras e/ou desgaste excessivo das mesmas e controlando os níveis e a distribuição das deformações desejados para o metal. Simulação numérica do ECAP (Equal Channel Angular Pressing) foi realizada para observar a influência dos raios interno (r) e externo (R) da matriz, existentes na intersecção dos canais equiangulares, sobre a deformação do aço ABNT A condição de igualdade entre o raio interno (r) e externo (R) foi adotada a fim de obterem-se maiores níveis de deformação. Para uma matriz com canal de seção quadrada com 40,0 mm de lado e ângulo entre os canais equiangulares de 90, foram utilizados raios com valores iguais a zero; 3,0; 5,0 e 13,6 mm. Raios R e r iguais a 5,0 mm mostraram ser mais adequados à obtenção de um material deformado sem a ocorrência de fenômenos indesejados, tais como a flexão e a diminuição da espessura do tarugo durante o ECAP. Em outra parte deste trabalho, foi realizada uma simulação para avaliar os níveis das tensões geradas em uma matriz de aço H13 durante o ECAP de uma liga de Alumínio A matriz simulada possui canal com secção quadrada de lado 12,5 mm, ângulo entre os canais equiangulares igual a 120, ângulo de cotovelo Ψ igual a zero (R = 0), e dimensões externas de 300 x 175 x 100 mm. As maiores tensões atuantes na matriz durante o processo ocorrem na intersecção dos canais equiangulares, onde o material sofre cisalhamento. Os níveis de tensão nesta região foram considerados baixos, o que permitiria reduzir as dimensões externas da matriz proposta. Tais resultados tornam viável a produção de uma matriz com peças de aço diferentes, onde ligas mais resistente ao desgaste seriam utilizadas nas partes superior e inferior das intersecções dos canais, e materiais menos resistentes destinados a regiões de menor exigência mecânica. Além do comportamento mecânico das matrizes, as simulações tornam-se tecnologicamente interessantes, tendo em vista a redução do custo com material e fabricação conseguidos para essas matrizes. Palavras-chave: ECAP, simulação, geometria da matriz, tensão, deformação. 1. INTRODUÇÃO A busca por materiais metálicos de alta resistência mecânica leva pesquisadores buscar novos métodos para a modificação nas estruturas dos materiais. Segundo Baldissera (2006), uma modificação que pode ser feita é o refino de grãos, que melhora as propriedades mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas. A extrusão por canais equiangulares (Equal Channel Angular Pressing ECAP) desenvolvida por V. M. Segal na antiga União Soviética é um método de deformação plástica severa que consiste em submeter um corpo de prova a deformações por cisalhamento por meio de sua passagem em canais de seções transversais iguais que se interceptam, como mostrado na Figura 1. De acordo com Medeiros (2007) este método promove um considerável aumento das propriedades mecânicas do material deformado quando comparado aos métodos convencionais de conformação. Uma grande vantagem do método é que a amostra não tem suas dimensões alteradas, o que permite muitos passes fazendo com que a deformação plástica do material seja acumulada. O ECAP pode ser aplicado para tarugos grandes, sendo possível então a produção de materiais que podem ser utilizados em uma ampla gama de aplicações estruturais. É um procedimento relativamente simples, com exceção apenas para a construção da matriz, e facilmente realizado em uma grande variedade de ligas em equipamento facilmente disponível na maioria dos laboratórios. Além disso, pode ser

2 desenvolvido e aplicado a materiais com estruturas cristalinas diferentes. Com relação à geometria, a qual influi significativamente na deformação plástica do material, estudo realizado por Pérez (2004) revela que a deformação máxima é alcançada quando os valores dos raios interno "r" e externo "R" na intersecção dos canais equiangulares são iguais, e o ângulo entre os canais é igual a 90. Para uma matriz de seção quadrada, de lado L 0, a equação (1) fornece a deformação cisalhante para diferentes configurações de matriz, de acordo com a equação (2) que permite a obtenção do ângulo "x" em função das variáveis geométricas R, r, L 0 e φ. Para a condição particular em que "R" é igual a "r", tan (x/2) vale zero, e a equação (1) reduzse a equação (3) (Pérez, 2004). Apesar dos níveis de deformação serem maiores, teoricamente, quando os valores dos raios interno "r" e externo "R" na intersecção dos canais equiangulares forem iguais, não se tem uma correlação entre os parâmetros geométricos da matriz que permita calcular o valor ideal destes raios, de forma a obter-se uma deformação sem a ocorrência de fenômenos indesejados tais como a flexão do tarugo, formação de zona morta, e a diminuição da espessura do tarugo levando a separação entre a sua parte superior e a matriz. Figura 1. Desenho esquemático do processo ECAP. (1) (2) O acesso fácil a computadores cada vez mais potentes permite a utilização da simulação numérica como uma ferramenta extremamente importante para prever o comportamento do material, prevenir possíveis falhas, reduzir tempo e custos, e permitir o melhoramento do processo antes de sua execução. As simulações numéricas realizadas neste trabalho visam avaliar as tensões e deformações impostas à matriz e ao material de acordo com os ângulos e raios adotados no ECAP. 2. MATERIAIS E MÉTODOS As simulações para obtenção das tensões e deformações durante o processo ECAP foram realizadas por meio de software específico para processos de deformações plásticas. Para a análise das tensões e deformações na matriz, foi utilizado como material do corpo de prova uma liga de alumínio Como material da matriz, o aço-ferramenta AISI H-13 é o mais popular de todos os aços-ferramenta, e é usado para vários tipos de ferramentas. Apesar do processo de extrusão analisado nesse trabalho não envolver altas temperaturas, o aço H-13 foi escolhido por apresentar boa tenacidade e também por apresentar resistência à fadiga quando o teor de silício fica em torno de 0,9%. A matriz proposta possui um ângulo φ entre os canais igual a 120, ângulo de cotovelo Ψ igual a zero (R = 0), canal de secção quadrada de lado 12,5 mm, e dimensões externas de 300 x 175 x 100 mm. Para avaliar a influência da geometria da matriz na deformação do aço, considerou-se a matriz e o punção rígidos, e as propriedades do aço 1015 contidas na biblioteca do software utilizado. Adotou-se um ângulo φ entre os canais igual a 90 e, na intersecção dos canais equiangulares, raio interno "r" igual ao externo "R", com valores iguais a zero, 3,0 mm, 5,0 mm e 13,6 mm. O canal da matriz possui secção quadrada de lado 40,0 mm, assim como o tarugo. Um coeficiente de atrito igual 0,05 foi adotado, o que na prática é obtido usando bissulfeto de molibdênio (MoS 2 ) como lubrificante. (3)

3 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO O resultado da simulação para avaliar os níveis de tensão gerados na matriz de aço H13 durante o ECAP da liga de Alumínio 1100 (Figura 2) evidencia uma concentração das tensões na intersecção dos canais equiangulares, sendo elas relativamente maiores na região adjacente ao raio interno r. Esta diferença entre os níveis de tensões gerados na região adjacente ao raio R e aqueles adjacentes a r está associada ao próprio processo de ECAP e à geometria da matriz, ou seja, à forma da seção do canal, aos ângulos e raios adotados. Observa-se na Figura 2 que os níveis de tensão na matriz, na intersecção entre os dois canais equiangulares, foram relativamente baixos, o que permitiria reduzir as suas dimensões externas da matriz proposta. Da mesma forma, a deformação efetiva na matriz alcançou um valor máximo de 5x10-6 mm/mm na região de intersecção entre os dois canais equiangulares, local onde ocorre a mudança de direção e formação do plano de cisalhamento. Tais resultados tornam viável a produção de uma matriz com peças de aço diferentes, onde ligas mais resistente ao desgaste seriam utilizadas nas partes superior e inferior das intersecções dos canais, e materiais menos resistentes destinados a regiões de menor exigência mecânica. Uma matriz deve suportar os esforços aplicados a ela durante o processo sem ocorrer deformações que afetem sua estrutura. O dimensionamento errado da matriz de ECAP pode ocasionar sua abertura durante a deformação do tarugo, fazendo com que parte do material entre nas aberturas, gerando rebarbas e prejudicando a qualidade do tarugo. Com relação à deformação do aço 1015, a simulação realizada com raios "R" e "r" iguais a zero, vista na Figura 3, evidencia uma tendência à formação de uma zona morta na parte inferior do tarugo, na região adjacente ao raio externo "R", prejudicando a deformação por cisalhamento desejada neste processo. A Figura 4 mostra a deformação efetiva sofrida pelo material quando os raios "R" e "r" são iguais a 3,0 mm. É possível observar que ocorreu a diminuição da espessura do tarugo levando à separação entre a sua parte superior e a matriz causada pelo baixo valor do raio "r" e a presença do raio "R" que causa pequena flexão. Porém, o raio "R" foi suficiente alto para não ocorrer a formação de uma zona morta. Houve também grandes concentrações de deformação Figura 2. Distribuição da tensão efetiva durante o processo ECAP. Canal de secção quadrada: 12,5 mm. φ = 120. Ψ = 0 (R = 0). Dimensões externas: 300 x 175 x 100 mm. Figura 3. Deformação efetiva. R = r = 0. Tendência à formação de zona morta: região adjacente a "R". (região vermelha) que as visualizadas para raios "R" e "r" iguais a 3,0 mm.

4 em algumas regiões (cor vermelha). Já uma deformação praticamente nula é esperada nas extremidades do tarugo (região azul). A Figura 5a mostra que o valor de 13,6 mm para "R" e "r" foi suficiente alto para evitar a diminuição da espessura do tarugo e conseqüente separação entre a parte superior dele e a matriz, além de não permitir grandes concentrações de deformação. Porém, é possível observar na Figura 5b uma deformação por flexão promovida pelo descolamento do tarugo com a matriz, o que deve ser evitado no ECAP. Figura 4. Deformação efetiva. R = r = 3,0 mm. Diminuição da espessura do tarugo e separação entre a sua parte superior e a matriz. Figura 5. (a) Deformação efetiva. R = r = 13,6 mm. (b) Flexão do tarugo. Figura 6. Deformação efetiva. Raios "R" e "r" iguais a 5,0 mm.

5 A Figura 6 mostra que a adoção de raios "R" e "r" iguais a 5,0 mm representa a melhor situação entre as outras, visto que não foi constatada deformação por flexão, sendo o material totalmente deformado por cisalhamento, o que gera grãos de menor tamanho. Observam-se níveis de deformação maiores (região vermelha e amarela) presentes em maior extensão no aço em relação aos observados para raios "R" e "r" iguais a 13,6 mm, porém, em menor extensão (região vermelha) que as visualizadas para R = r = 3,0 mm. No entanto, observando a Figura 4, raios de 3,0 mm geram uma diminuição da espessura do tarugo levando a separação entre a parte superior do tarugo e a matriz e uma distribuição dos níveis de deformação de maneira mais irregular. Por outro lado, a Figura 6 mostra um padrão, em forma de "X", na distribuição dos níveis de deformação ao longo do material. 4. CONCLUSÕES Os maiores níveis de tensões na matriz ocorrem na intersecção dos canais equiangulares, o que permitiria utilizar um material com maior resistência ao desgaste por atrito na região da intersecção dos canais, e outro material menos resistente nas demais áreas, otimizando o projeto das matrizes e reduzindo os custos de produção. Os níveis de tensão gerados na matriz proposta foram considerados baixos, o que permitiria reduzir as dimensões externas da mesma. Nem sempre a adoção de raio interno "r" igual ao externo "R" na intersecção dos canais equiangulares permite a obtenção de maiores níveis de deformação, sendo necessária a determinação de um valor adequado para estes raios a fim de evitar-se, ou minimizar, a formação de zona morta e/ou a diminuição da espessura do tarugo. Raios pequenos em relação às dimensões do canal tendem a gerar zona morta, enquanto raios maiores favorecem a flexão, comprometendo o cisalhamento. Para a matriz quadrada com 40,0 mm de lado, um valor de 5 mm para ambos os raios "r" e "R" foi o mais adequado para obtenção de um material deformado sem a diminuição da espessura do tarugo, evitando a separação entre a sua parte superior e a matriz, bem como impedindo a deformação por flexão, 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Fundação para o Desenvolvimento da Unesp Fundunesp pelo Auxílio concedido para participação no VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica CONEM REFERÊNCIAS Baldissera, M. R.; Gouvêa, J. P.; Lins, J. F. C.; Rios, P.R., 2006, Análise por elementos finitos do processo ECAP (prensagem em canais equiangulares) do aço VMB 300. Anais do 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. Foz do Iguaçu - PR, Brasil. p Segal, V.M. Materials processing by simple shear. Materials Science and Engineering: A, v. 197, nº 2, p (8), 1 July Medeiros, N.; Moreira, L. P.; Lins, J. F. C.; Gouvêa, J. P. Modelagem analítica da extrusão em canais equiangulares. Tecnologia em Metalurgia e Materiais, v. 5, n. 2, p , São Paulo, out.-dez Saravanan, M.; Pillai, R. M.; Pai, B. C.; Brahmakumar, M.; Ravi, K. R. Equal channel angular pressing of pure aluminium - an analysis. Bulletin of Materials Science, v. 29, nº 7, p , Pérez, C. J. L. On the correct selection of the channel die in ECAP processes". Scripta Materialia, v. 50, nº 3, p , Valiev, R. Z.; Langdon, T.G. Principles of equal channel angular pressing as a processing tool for grain refinement. Progress in Materials Science, v.51, p , DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho. ECAP: PROCESS OPTIMIZATION VIA NUMERICAL SIMULATION Luís Gabriel Aléssio dos Santos, luisg.alessio@gmail.com 1 Bruno Barbosa Arakawa, arakawab@gmail.com 1 Wyser José Yamakami, wyser@dem.feis.unesp.br 1 Hidekasu Matsumoto, hidekasu@dem.feis.unesp.br 1 Juno Gallego, gallego@dem.feis.unesp.br 1 Alessandro Roger Rodrigues, roger@sc.usp.br 2 1 UNESP - Campus de Ilha Solteira. Dep. de Engenharia Mecânica. Av. Brasil Centro, 56. Cep: Ilha Solteira / SP.

6 2 USP - Escola de Engenharia de São Carlos. Dep. de Engenharia Mecânica. Av. Trabalhador São-Carlense, 400. Centro. Cep: Sao Carlos / SP. Abstract: The numerical simulation of severe plastic deformation processes, such as Equal Channel Angular Pressing (ECAP) has allowed to better define the geometry of dies. Die design optimization has prevented premature failure and/or excessive wear could occur during the deformation process, and contribute to control the levels and distribution of deformation within the material. ECAP numerical simulation was performed to analyze the effects of the inner (r) and outer (R) radii of the intersection channels on the deformation behavior of AISI 1015 steel. The equality between (r) and (R) values was adopted to maximize level of deformation obtained. Numerical simulations have been made to an ECAP die designed with 40.0 mm square section and 90 between the equiangular channels, being (r) and (R) used with 0, 3.0, 5.0 and 13.6 mm. Radii value equal to 5.0 mm showed to be most suitable for obtaining severe plastic deformation without the occurrence of undesirable phenomena, such as bending and thinning of the billet during ECAP. As another part of this work, numerical simulation was used to evaluate the stress generated within of AISI H13 steel die during ECAP performed in an Al-1100 alloy. The die had been designed with a 12.5 mm square section channel, 120 between channels, elbow angle "Ψ" equal to zero (R = 0) and external dimensions of 300 x 175 x 100 mm. It was verified that higher stresses take place in the region of the intersection between equiangular channels of the die, where material undergoes shear deformation. However, these stresses were lower in other regions of the die. These results become feasible to design a ECAP die with pieces made from different grades of steel, where higher wear resistant alloys would be used for fabrication of upper and lower intersections of the equiangular channels, and a low wear resistant material could be chosen to regions with low mechanical stress. In this case the simulation would contribute for the reduction of material and manufacturing costs of dies used in the severe plastic deformation by ECAP. Keywords: ECAP, simulation, die geometry, stress, strain.