23º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 04 a 08 de Novembro de 2018, Foz do Iguaçu, PR, Brasil

Transcrição

1 MODELAGEM ATRAVÉS DE SOFTWARE DE SIMULAÇÃO PARA ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA REGIÃO CISALHADA COM COMPARATIVO DOS RESULTADOS ENTRE SIMULAÇÃO EM SOFTWARE COM ESTUDOS TEÓRICO Fabio Rubio 1 Nilson Yukihiro Tamashiro 1 André Ferrus Filho 1 Silvio Celso Peixoto Gomes 1 Márcio Rodrigues Silva 1,2 Vinícius Torres dos Santos 1,2 1 Centro Educacional da Fundação Salvador Arena, Estrada dos Alvarengas, 4001, São Bernardo do Campo, SP 2 Termomecanica São Paulo S.A., Avenida Caminho do Mar, 2600, Rudge Ramos, São Bernardo do Campo, SP RESUMO O estudo subsequente objetivou comparar resultados de um processo de corte por cisalhamento em relação à simulação através de um software específico (QForm), tendo como parâmetro base uma literatura renomada, no que tange à estamparia. Para tal comparação, realizaram-se diversas pesquisas que permitiram um sólido embasamento em áreas afins e julgadas importantes para a construção contínua e ininterrupta no conhecimento técnico relacionado ao estudo do comportamento mecânico de materiais, como por exemplo, características básicas do cobre e do latão no processo de corte por cisalhamento. Além disso, determinados processos de conformação mecânica foram estudados como matéria suplementar nesta pesquisa, visando proporcionar uma visão genérica da conformação de placas e relacionada. Há também um conteúdo explicativo sobre alguns tipos de prensas, que, por conveniência, é o maquinário empregado para a efetuação de corpos de prova neste estudo, que basicamente confronta teoria e simulação com realidade prática proveniente de testes realizados em uma prensa excêntrica. No que diz respeito à simulação, considerou-se tanto a em 2D como a em 3D do software QForm que, nesta fundamentação teórica é abrangido de forma simplória, apenas para efeito de contextualização do mesmo. Palavras-chave: Cisalhamento, Estamparia, Conformação, Cobre, Latão, QForm, Simulação. 6395

2 INTRODUÇÃO Há muito, o cobre e o latão estão sendo aplicados tanto em nosso cotidiano como em indústrias e comércio. Apesar de sua utilização não se comparar a do aço ou até mesmo como a do ferro, estes são importantes em aplicações que necessitam de boa condutibilidade de calor e eletricidade, e boa resistência a corrosão, respectivamente. Na área industrial, a conformação mecânica, incluindo processos de dobra, trefilação, laminação, estiramento, repuxo e estampagem (corte), é um dos ramos industriais que mais utiliza materiais como cobre e latão. O estudo aprofundado do comportamento mecânico destes materiais é de fundamental importância para o aperfeiçoamento dos processos de estampagem dos mesmos. Devido ao fato de serem materiais muito maleáveis, sua conformação se torna difícil quando o assunto em questão é o corte por cisalhamento, que produz uma quantidade excessiva de rebarbas. Neste estudo, diversos aspectos condizentes com os processos mecânicos que utilizam o latão ou o cobre serão ressaltados, incluindo observações de algumas características dos mesmos. Além disso, será descrito de forma peculiar e enfática o processo de corte por cisalhamento, que será abordado em formato teórico - conceitos de literatura renomada - e prático - execução de uma peça previamente determinada e simulação de desgaste de ferramenta e eventual processo através de software. Com estes objetivos pré-estabelecidos, encontrar-se-á a seguir um material rico em dados, testes, informações e comparações. MATERIAIS E MÉTODOS O intuito inicial e principal do trabalho é a comparação e estudo do comportamento de uma determinada peça em um processo de estampagem com literatura renomada e com testes realizados em software específico para tal finalidade. Neste contexto, o estudo foi dividido em três etapas, que consistiriam nas partes fundamentais para a realização do estudo. Entre elas: confecção do estampo; estampagem da peça com e sem desgaste do punção; e simulação da estampagem da peça no QForm. O conjunto formado pela placa inferior, matriz de corte e placa guia-tira (conjunto inferior) foi montado na mesa da prensa excêntrica (Figura 35). 6396

3 Enquanto o conjunto formado pelo punção, placa porta-punção e placa de choque foi montado na espiga da prensa. Conforme figura 1 Figura 1 Prensa Excêntrica e montagem do conjunto inferior na mesa da prensa. Foi executada, então, a estampagem do primeiro corpo de teste figura 2, que foi obtido a partir de uma tira de 3,10 x 200,00 x 32,00 mm de latão C 260. Figura 2 Corpo de prova com 3,10mm de espessura. Um novo corpo de prova foi conformado figura 3, dessa vez com uma tira de 7,00 x 63,50 x 91,50 mm de latão C 260. Figura 3 Corpo de prova com 7,00mm de espessura. 6397

4 CORTE POR CISALHAMENTO Basicamente, o processo de corte por cisalhamento consiste em separar um determinado material de forma brusca, sem a remoção de cavacos. Essa separação é promovida pela matriz e pelo punção, que são partes integrantes do estampo, conforme figura 4. Figura 4 Representação do punção e matriz em um estampo de corte. A partir do momento em que o punção se acopla à matriz através de uma força vertical exercida e direcionada por uma prensa, o processo de corte por cisalhamento está, de fato, iniciado. No momento em que o punção é movido para baixo, devido à grande força exercida pela prensa, a chapa ou placa que estiver colocada entre os componentes recebe um esforço e rompe por cisalhamento, justamente no formato geométrico do punção figura 5. Figura 5 Processo de corte por cisalhamento Durante este processo, primeiramente ocorrem as deformações elásticas, depois as deformações plásticas distribuídas nos lados da chapa. Finalmente, surgem as trincas de ruptura, que separam a peça pelo processo propriamente dito. Deste modo, o material cortado adquire três superfícies diferentes nas suas arestas: rugosa, onde ocorre a trinca da fratura; lisa, decorrente do atrito da peça com as paredes da matriz; e arredondada, decorrente da deformação plástica inicial. 6398

5 Estas superfícies podem ser vistas com maior detalhe na figura 6. Figura 6 Regiões formadas durante o corte SENAI-SP (1989). Uma folga adequada entre punção e matriz é de fundamental importância para o acabamento a ser desejado, uma vez que quanto maior a folga, maior será a rebarba na aresta do produto e pior, o seu acabamento. Porém, não é tão simples fabricar e ajustar um estampo com uma folga relativamente baixa entre punção e matriz de corte e, além disso, a durabilidade do punção tende a abaixar devido à falta de espaço para escoamento do material. Na figura 7 pode ser visto o efeito da folga na lateral do blank (produto final). Percebe-se que quanto menor a folga entre a matriz e o punção, melhor será o acabamento, ou seja, menor será a rebarba oriunda do processo. Figura 7 Efeito da folga aresta do blank Metals Handbook (1988). SIMULAÇÃO DA ESTAMPAGEM DA PEÇA NO QFORM Esta etapa compreendeu a realização da simulação do processo de corte por cisalhamento do estampo em questão, a partir do software QForm. Deste modo, 6399

6 seriam coletados os dados provenientes do cálculo realizado na simulação para uma posterior análise. A simulação conforme figura 8, foi realizada em ambiente 2D e compreendeu as seguintes etapas: Figura 8 Corpo de prova com 7,00mm de espessura. Esta simulação realizou-se em quatro etapas, com a mudança de alguns parâmetros, como por exemplo, o raio 1 na aresta de corte do punção, que representa um possível desgaste na ferramenta, capaz de influenciar consideravelmente os resultados em processos de corte por cisalhamento no ambiente industrial. Para a 6400

7 comparação, manteve-se apenas a folga de 10,5% e a espessura de 7 mm do material. A seguir estão descritos de forma individualizada os parâmetros para as quatro simulações: 1) Primeira simulação figura 9; Ferramental: punção com raio de aresta igual a zero; Matéria-prima: latão C 260 com espessura igual a 7mm. Figura 9 Simulação 1. 2) Segunda simulação figura 10 Ferramental: punção com raio de aresta igual a 1; Matéria-prima: latão C 260 com espessura igual a 7mm. Figura 10 Simulação 2. 3) Terceira simulação figura 11 Ferramental: punção com raio de aresta igual a zero; Matéria-prima: cobre com espessura igual a 7mm. 6401

8 Figura 11 Simulação 3 4) Quarta simulação figura 12 Ferramental: punção com o raio de aresta igual a zero; Matéria-prima: cobre com espessura igual a 7mm. Figura 12 Simulação 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES As comparações básicas desta fundamentação teórica foram realizadas de diversas maneiras, nas devidas proporções, e com o maior número de condições e situações cabíveis e possíveis. Deste modo, a chance de o estudo conter erros seria pouco provável. A seguir será apresentado um conteúdo sintetizado com o resultado de todas essas comparações entre peça e literatura, peça e software, software e literatura e também um comparativo entre essas três fontes de subsídios para o estudo. 6402

9 Apenas para salientar, um parâmetro fixo neste estudo é referente ao raio da ferramenta, o punção de corte, que teve duas condições: raio 0, para simular um ferramental novo, e raio 1, para simular um ferramental com desgaste em sua aresta de corte. Para conferir mais embasamento no estudo, utilizamos dois tipos de materiais: o latão, que foi cisalhado, simulado e comparado, e o cobre, que foi apenas simulado e comparado. As simulações de cobre serão utilizadas para efeito comparativo entre materiais distintos, tanto no que diz respeito à força exigida da prensa, como à potência. COMPARAÇÃO DA PEÇA DE LATÃO COM A LITERATURA (RAIO ZERO) A comparação desta peça foi realizada com o tipo 2 da literatura. Este tipo de geometria foi selecionado de acordo com a figura 7, onde se percebe que para a folga do processo realizado no estampo (10,5%), o tipo que melhor se enquadraria, segundo o livro Metals Handbook, seria o 2. Com a comparação do perfil da tira da peça estampada na figura 13, sobrepôsse a mesma na geometria tipo 2. Figura 13 Geometria da aresta estampada. Com esta comparação a figura 14, pode-se perceber que o perfil de ambas as tiras, tanto a observada no Metals Handbook, quanto a obtida na estampagem do corpo de prova, é semelhante na região de brunimento e deslizamento. Diferenciandose apenas no ângulo de fratura ou ruptura e na rebarba. Figura 14 Comparação: Peça com literatura (raio zero) 6403

10 COMPARAÇÃO DA PEÇA DE LATÃO COM O SOFTWARE (RAIO ZERO) Nesta comparação as imagens foram invertidas na coloração para facilitar a visualização. Analisando-se a figura 15, percebe-se que a geometria das duas amostras se assemelha bastante na região de brunimento, deslizamento e, até mesmo, no ângulo de fratura. Figura 15 Comparação: Peça com software (raio zero) COMPARAÇÃO SOFTWARE COM LITERATURA (RAIO ZERO) Nesta etapa, foi comparada a geometria formada na aresta da tira realizada no software com a geometria descrita no tipo 2, segundo a figura 7. Sobrepondo a geometria da literatura na do software, obteve-se uma comparação de acordo com a figura 16. Figura 16 Comparação: Software com literatura (raio zero). Considerando-se que o software não foi desenvolvido especialmente para operações de corte, o resultado foi satisfatório, pois a região de brunimento e deslizamento obtidas na simulação no QForm foram semelhantes à fornecida pelo livro Metals Handbook. Salvo apenas pela região de fratura, que se diferenciou no ângulo. 6404

11 COMPARAÇÃO DA PEÇA DE LATÃO COM O SOFTWARE E LITERATURA (RAIO ZERO) Nesta última comparação aproximaram-se as geometrias finais dos dois testes (prensa excêntrica e software) com a literatura. A aproximação das três geometrias pode ser vista na figura 17. Analisando as mesmas, pode perceber que as três arestas apresentam geometrias semelhantes na região de brunimento, deslizamento e na altura da fratura. Diferenciando-se apenas no ângulo da mesma. Figura 17 Comparação: Software, literatura e execução real (raio zero). CONCLUSÃO As informações apresentadas neste estudo comparativo, que são baseadas em execução real, simulação da estampagem da peça no software, e literatura renomada na área de corte por cisalhamento comprovam que os resultados são extremamente próximos e portanto, corretos para se adotarem em processos fabris. Ou seja, esta fundamentação teórica corrobora os parâmetros encontrados no livro Metals Handbook em relação ao software QForm, e também à execução prática do corpo de prova na prensa excêntrica da Fundação Salvador Arena, visto que os perfis das peças gerados e analisados são semelhantes. Conforme observado, os materiais analisados, latão e cobre, comportaram-se mecanicamente de acordo com o previsto, ou seja, formando um abaulamento tanto na tira como na peça estampada, análogo aos dados fornecidos pela literatura estudada, o livro Metals Handbook. 6405

12 Também, comprovou-se com subsídios consolidados que, o desgaste da ferramenta de corte, simulado através do raio igual a 1, interfere negativamente no processo de corte, pois além de aumentar o volume de rebarbas advindos do cisalhamento, exigem elevadas cargas, e potência elétrica da prensa excêntrica utilizada. REFERÊNCIAS AMERICAN SOCIETY FOR METALS. Metals handbook: Forming and forging. v ed. ASM: CENTRO PAULA SOUZA. O Cobre e suas ligas: Propriedades e aplicações. Sorocaba, 7 de novembro de Disponível em: < Acesso em: 24.set CETLIN, Paulo Roberto; HELMAN, Horácio. Fundamentação da conformação mecânica dos metais. 2.ed. São Paulo: Artliber Editora, ABSTRACT The subsequent study aimed to compare the results of a shear cutting process in relation to the simulation through a specific software (QForm), having as base parameter a renowned literature, regarding stamping. For this comparison, several researches were carried out that allowed a solid foundation in related areas and considered important for the continuous and uninterrupted construction in the technical knowledge related to the study of the mechanical behavior of materials, such as basic characteristics of copper and brass in the Shear cutting process. In addition, certain mechanical conformation processes were studied as supplementary matter in this research, aiming to provide a generic view of plaque conformation and related. There is also an explanatory content on some types of presses, which, for convenience, is the machinery used for the accomplishment of test specimens in this study, which basically confronts theory and simulation with practical reality from tests carried out in an eccentric press. As far as the simulation is concerned, both the 2D and 3D of the QForm software were considered, which in this theoretical rationale is covered in a simple way, only for contextualisation of the same. Keywords: Shearing, Stamping, Conformation, Copper, Brass, QForm, Simulation. 6406