Influências à Conformação

Transcrição

1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação Influências à Conformação Dr. Ronnie Rego Dr. Alfredo R. de Faria

2 Agenda Introdução Influências à Conformação Fechamentos 2

3 [Aulas #4 e #5] Processos de Conformação Mecânica Laminação Trefilação Forjamento Extrusão 3

4 4 [Aulas #6 e #7] Plasticidade Equações de Levy-Mises Critério de Escoamento Anisotropia + = + = + = ) ( 2 1, ) ( 2 1, ) ( σ σ σ σ ε ε σ σ σ σ ε ε σ σ σ σ ε ε d d d d d d

5 [Aula #8] Conformação de Chapas Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem A C E B D F 5

6 [Aula #8] Conformação de Chapas Ensaios de Estampabilidade OLSEN / ERICHSEN Embutimento [%] SWIFT FUKUI OLSEN / ERICHSEN Estiramento [%] SWIFT FUKUI 6

7 [Aula #8] Conformação de Chapas Curva Limite de Conformação (Diagrama de Keeler-Goodwin) Forma gráfica de registro da combinação de deformações que leva à falha no processo de conformação de chapas 7

8 [Aula #8] Conformação de Chapas Processos Não-Convencionais Estampagem incremental Conformação por Elastômero Hydroforming 8

9 Processos de Fabricação: Estrutura do Curso Plasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó F dx 9

10 Objetivo da aula Compilação das principais influências sobre o processo de conformação Objetivos Específicos: 1. Apresentar a influência da temperatura sobre o processo de conformação 2. Apresentar a influência da taxa de deformação sobre o processo de conformação 3. Apresentar a influência do atrito sobre o processo de conformação 4. Apresentar a influência da anisotropia sobre o processo de conformação 10

11 Processos de Fabricação I (MTP-34): Literatura de Referência 1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, CETLIN, P.R.; HELMAN, H. Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2.ed. Artliber editora, São Paulo, HOSFORD, W.F.; CADDELL, R.M. Metal Forming Mechanics and Metallurgy. Prentice-Hall Inc., Toronto, DOEGE, E.; BEHRENS, B. Handbuch Umformtechnik Grundlagen, Technologien, Maschinen. Springer, Berlin, DOWLING, N.E. Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue. 4.ed. Pearson Education Limited, Essex,

12 Agenda Introdução Influências à Conformação Temperatura Taxa de Deformação Atrito Anisotropia 3. Fechamentos 12

13 Influência da Temperatura Temperatura A quente: T mat > 0,6 T fusão. A frio: T mat < 0,5 T fusão. A morno: 0,5 T fusão <T mat < 0,6 T fusão Quente, Frio ou Morno? 13

14 Influência da Temperatura Aumento da Temperatura Átomos se agitam Resistência à separação interatômica Força interatômica 14

15 Influência da Temperatura Aumento da Temperatura Átomos se agitam Resistência à separação interatômica Força interatômica σ Aumento da da Temperatura T 1 T 2 T 4 > T 3 > T 2 > T 1 T 3 Aumento da Temperatura Módulo de Elasticidade Limite de Escoamento T 4 Resistência Mecânica Ductilidade Tenacidade ε 15

16 Influência da Temperatura Aumento da Temperatura Átomos se agitam Resistência à separação interatômica Força interatômica σ T 1 T 2 T 4 > T 3 > T 2 > T 1 T 3 T 4 Al5052 St 42CrMo 16

17 Influência da Temperatura Temperatura A quente: T mat > 0,6 T fusão A frio: T mat < 0,5 T fusão A morno: 0,5 T fusão <T mat < 0,6 T fusão Fenômenos microestruturais Recuperação: reorganização das discordâncias de sinal oposto (aniquilação) Recristalização: formação de novos grãos ( Ductilidade e Resistência Mecânica) Crescimento de Grão: aumento do tamanho de grão 17

18 Influência da Temperatura Temperatura A quente: T mat > 0,6 T fusão. Recuperação e recristalização Laminação, Forjamento, Extrusão, trefilação A frio: T mat < 0,5 T fusão. Recuperação e Recristalização não-efetivos Embutimento, Cisalhamento, Dobramento A morno: 0,5 T fusão <T mat < 0,6 T fusão Apenas Recuperação Forjamento, Extrusão 18

19 Influência da Temperatura Temperatura 19

20 Influência da Temperatura Laminação a Quente: Operações de Desbaste Temperaturas elevadas, acima da recristalização (Aços: 1000 C a 1200 C) Restauração da estrutura Promove aumento da ductilidade Menor força de laminação Maiores reduções de seção Alta variação dimensional Laminação a Frio: Operações de Acabamento Material: produto da laminação a quente Sem restauração da estrutura Promove aumento do encruamento e refinamento de grão Menores reduções de seção (50-90%) Maior resistência mecânica Baixa variação dimensional 20

21 Laminação: Produto Acabado / Aplicações Laminação a Quente Produtos de maiores dimensões, a sofrerem processos posteriores Placas, Chapas, Tarugos, Barras, Vergalhões, Tubos, Perfis estruturais Laminação a Frio Produtos de dimensões refinadas, semi-acabadas ou já como aplicação final Chapas finas, Tiras, Folhas 21

22 Influência da Temperatura Forjamento a Quente Com aquecimento prévio Permite altas deformações Demanda baixa carga de conformação Menor precisão dimensional Forjamento a Frio Maior precisão dimensional Deformações limitadas Demanda alta carga de conformação 22

23 Influência da Temperatura Estampagem a Quente: promove aumento da ductilidade Menor força de laminação, Maiores deformações; Alta variação dimensional Estampagem a Frio: promove aumento do encruamento e refinamento de grão Menores deformações; Maior resistência mecânica, Baixa variação dimensional 23

24 Influência da Temperatura Temperatura média no processo de conformação Temperatura de deformação ideal Temperatura resultante do atrito Temperatura de interface ferramenta/peça 24

25 Influência da Temperatura Características Temperatura: Ambiente Promove encruamento (ductilidade reduzida) As grandes deformações promovem considerável aumento da temperatura Possível processo intermediário de recozimento Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação 25

26 Influência da Temperatura Recozimento Tratamento térmico para redução da dureza de um material de microestrutura deformada mecanicamente Altas temperaturas 26

27 Influência da Temperatura Pico de Escoamento Descontínuo Instabilidade na transição elasto-plástica Limites de Escoamento Superior e Inferior Deformação não-uniforme (sequência de empilhamento e liberação de discordâncias) Deformação do plano de cisalhamento máximo Espalhamento e união das estrias, gerando superfície rugosa Consequência: Bandas incompletas de Lüders 27

28 Influência da Temperatura Pico de Escoamento Descontínuo 28

29 Influência da Temperatura Fenômeno de Transição dúctil-frágil Temperatura em que modo de falha muda de dúctil para frágil Zona plástica de uma trinca préexistente contrai com a redução de temperatura. A redução excessiva altera modo de fratura. Liberty Ships : navio mercante americano na WW2 Falhas catastróficas: embarcação recém-fabricada, sem carregamento, no inverno Maior produção de um modelo de embarcação Danos ou perda total: 20% Alta produtividade: Soldagem do casco, em substituição ao processo de rebitagem Concentradores de tensão: Trincas pós-produção 29

30 Influência da Temperatura Trincas Superficiais, Internas ou nas Rebarbas Resultado de elevada deformação quando: Esforço excessivo combinado com baixa temperatura Fragilização a quente: alta concentração de enxofre 30

31 Influência da Temperatura Fadiga térmica na superfície dos cilindros de laminação 31

32 Influência da Taxa de Deformação Alta Temperatura: Encruamento não relevante Deformação por Fluência Fluência Deformação dependente do tempo Fenômeno termicamente ativado Deformação contínua sob aplicação de carregamento ou tensão constante Deformação [ε] I II III Primária Secundária (mínima taxa de deformação) Terciária Tempo [t] 32

33 Agenda Introdução Influências à Conformação Temperatura Taxa de Deformação Atrito Anisotropia 3. Fechamentos 33

34 Influência da Taxa de Deformação Definição: variação da deformação ao longo do tempo do processo εɺ = dε = dt d[ln( L / L0 )] d[ln(1 + u / L0 )] = dt dt = 1 L du dt = v L Faixa de taxa de deformação [s -1 ] Tipo de ensaio 10-8 a 10-5 Ensaio de fluência com carregamento ou tensão constante 10-5 a 10-1 Ensaios de tração "estáticos" (equipamento acionado hidraulicamente ou por fuso) 10-1 a 10 2 Ensaios dinâmicos de tração ou compressão 10 2 a 10 4 Ensaios de alta velocidade, com barras de impacto (considerando efeito de propagação de onda) 10 4 a 10 8 Impacto de hipervelocidade, usando pistolas a gas ou projéteis movidos por explosão (ondas de choque) 34

35 Influência da Taxa de Deformação Definição: variação da deformação ao longo do tempo do processo εɺ = dε = dt d[ln( L / L0 )] d[ln(1 + u / L0 )] = dt dt = 1 L du dt = v L Faixa de taxa de deformação [s -1 ] 1a 10 3 Processo de Fabricação Forjamento e Laminação (a frio e a quente) 1 a 10 4 Trefilação (a frio) 10-1 a 10-2 Extrusão (a quente) 1 a 10 2 Conformação de Chapas 10 3 a 10 6 Usinagem 35

36 Influência da Taxa de Deformação Efeitos principais nos processos de conformação Aumento da taxa de deformação: Aumento do limite de escoamento Aumento da temperatura do material devido ao aquecimento adiabático Melhor lubrificação na interface material-ferramenta 36

37 Influência da Taxa de Deformação Influência no escoamento, particularmente a temperaturas elevadas Relação com tensão: temperatura e deformação constantes: C: Coeficiente de resistência m: Sensibilidade à taxa de deformação σ m = σ / σ ) / ln( ɺ ε 2 / ɺ ε ) ( 1 σ ε 37

38 Taxa de deformação No caso de deformação ε constante m σ ɺ 2 ε 2 σ ɺ ε 2 σ = Cɺ ε = e m ln σ 1 ɺ ε1 σ ɺ ε1 m 1.5 Por exemplo, se m = 0.01, aumentar a taxa de deformação de um fator de 10 eleva a tensão em apenas ~2%. Por isso geralmente efeitos de taxa são ignorados. σ 2 /σ m = 0.01 m = 0.01 m = 0.02 m = 0.04 m = 0.06 m = 0.08 m = 0.10 m = 0.15 m = 0.20 m = 0.30 m = ε 2 /ε 1 38

39 Taxa de deformação O parâmetro m depende fortemente da temperatura Em altas temperaturas m tipicamente chega a 0.10 ou 0.20 tornando os efeitos de taxa de deformação muito mais relevantes que em temperatura ambiente 39

40 Influência da Taxa de Deformação Velocidade do processo a. Baixa velocidade: prensa hidráulica Maior tempo de contato entre matriz e componente, facilitando a refrigeração Menores temperaturas b. Elevada velocidade: prensa mecânica/excêntrica Menor tempo de contato, dificultando refrigeração Menores gradientes de temperatura Deformação mais uniforme, menor abaulamento 40

41 Influência da Taxa de Deformação Equipamento: Prensas Prensa Mecânica Limitada pelo curso Conversão de movimento rotativo em alternativo Mais rápido e menor custo; Menores cargas de trabalho; menor precisão Prensa Hidráulica Limitado pela carga Pressão hidráulica acumulada movimenta pistão em cilindro Controle da velocidade, maior precisão dimensional, maiores cargas; Mais lento e mais caro Prensa Hidráulica: Controle da taxa de deformação 41

42 Influência da Taxa de Deformação Folga entre lâminas: Corte Convencional x Corte Fino (Fine Blanking) Corte fino: folga micrométrica + controle da velocidade de corte CONVENCIONAL FINO 42

43 Influência da Taxa de Deformação Pico de Escoamento Descontínuo 43

44 Agenda Introdução Influências à Conformação Temperatura Taxa de Deformação Atrito Anisotropia 3. Fechamentos 44

45 Influência do Atrito Definição: Resistência à movimentação relativa entre corpos em contato e com carregamento normal Possibilidade de deformação plástica localizada de pequenas regiões (irregularidades topográficas) da superfície 45

46 Influência do Atrito Relação com os processos de conformação 46

47 Influência do Atrito Relação com os processos de conformação Alteração do estado de tensão para conformação Fluxos irregulares de escoamento e criação de tensões residuais Influência sobre a qualidade do produto conformado Indução de temperaturas elevadas durante o processo Desgaste de ferramental Rugosidade Substrato Revestimento Lubrificante 47

48 Influência do Atrito Dependência do acabamento da superfície: RUGOSIDADE 48

49 Influência do Atrito 49

50 Influência do Atrito Temperatura como efeito do atrito Medição da temperatura na fieira durante o processo de trefilação Microestrutura do fio como efeito da temperatura do processo 50

51 Influência do Atrito Atrito entre matriz e componente Tensões de cisalhamento criadas na superfície de contato Efeito: abaulamento do perfil forjado 51

52 Influência do Atrito Atrito entre matriz e componente Tensões de cisalhamento criadas na superfície de contato Efeito: abaulamento do perfil forjado Anéis: perfil de abaulamento influenciado pela intensidade do atrito SEM atrito COM atrito Baixo atrito Elevado atrito 52

53 Influência do Atrito Relações geométricas e de deformação na laminação Condição de Mordida e Arrastamento Cilindro de Laminação O Para garantir o avanço no sentido da laminação: h i Material N α A α α B C F AT h f 53

54 Influência do Atrito Relações geométricas e de deformação na laminação Condição de Mordida e Arrastamento Cilindro de Laminação O A partir de: h i Material N α A α α B C Define-se como Deformação Absoluta Máxima F AT h f 54

55 Influência do Atrito Relações geométricas e de deformação na laminação 55

56 Influência do Atrito Condição de Lubrificação 1. Deformação homogênea Baixo atrito, extrusão hidrostática, boa lubrificação 2. Atrito aumentado Início do trabalho redundante (cisalhamento não resultante em redução) 3. Atrito severo Escoamento da parte central e formação de casca na parede do recipiente 4. Extrusão indireta Atrito inexistente 1 2 Zona Morta

57 Influência do Atrito Extrusão Direta x Extrusão Indireta (ação comparativa do atrito) Processo de Extrusão Direta Processo de Extrusão Indireta 57

58 Influência do Atrito Variantes do processo de extrusão: Extrusão Hidrostática Tarugo sujeito a pressão hidrostática uniforme Atrito inexistente entre tarugo e recipiente: curva de pressão similar à da extrusão indireta Pressão de Extrusão DIRETA INDIRETA Curso do Pistão 58

59 Influência do Atrito Geometria da matriz F GES : Força total F RS : Força de atrito com a matriz (parte cônica) F Sch : Força de cisalhamento (trabalho redundante) F Id : Força ideal de deformação (sem atrito e cisalhamento) F RW : Força de atrito com o recipiente (parte cilíndrica) Ângulo ótimo 59

60 Influência do Atrito Geometria da matriz F RS : Força de atrito com a matriz (parte cônica) y=f(x) y=f(x)=[1/sen(2x)] Ângulo da matriz (2x) 60

61 Influência do Atrito Força de Estampagem P: Carga total no punção D p : diâmetro do punção D 0 : diâmetro inicial do blank h: espessura do blank σ 0 : escoamento médio do blank H: força no anel fixador μ: coeficiente de atrito B: força para dobrar e endireitar blank 61

62 Influência do Atrito Hydroforming (Hidroconformação) Assim como na conformação por elastômero: Esforços de atrito são minimizados 62

63 Influência do Atrito Rupturas centrais Sequência de falhas em formato de V, indicando a direção de trefilação Geometria da fieira não adequada Redução de seção muito pequena: superfície movendo muito mais rápida do que a região central tensões de tração no centro do fio Zona de deformação muito extensa Lubrificação: Transição entre regimes de lubrificação (limítrofe misto) Análogo à laminação σ 63

64 Influência do Atrito Rupturas centrais 64

65 Influência do Atrito Trincas internas centrais ( Chevron marks ) Similar ao exposto para Trefilação Acentuada diferença de velocidades entre material externo e interno Baixo atrito entre recipiente e tarugo ( v EXT ) Baixa razão de extrusão ( v INT ) 65

66 Influência do Atrito Resistência à movimentação relativa entre corpos em contato e com carregamento normal: Deformação plástica localizada Mecanismos de Adesão e Abrasão 66

67 Influência do Atrito Falhas em ferramental de estampagem 67

68 Influência do Atrito Lubrificantes comumente empregados em processos de conformação Água (pura ou destilada) Óleos minerais Graxa Cera Sabão Sólidos minerais (Grafita, bissulfeto de molibdênio) Sólidos metálicos (Pb, Cd, Cu) Plásticos (lâminas de nylon, teflon ou polietileno) Materiais sintéticos (silicone ou polietilenoglicol) 68

69 Agenda Introdução Influências à Conformação Temperatura Taxa de Deformação Atrito Anisotropia 3. Fechamentos 69

70 Influência da Anisotropia Definição de Anisotropia Corpo possui uma certa propriedade que varia com a direção ou orientação Anisotrópico 70

71 Influência da Anisotropia Índice de Anisotropia Normal (R) Variação das propriedades em relação à espessura Medida de espessura pode induzir erros significativos Fazer uso da premissa de conservação do volume 71

72 Influência da Anisotropia Índice de Anisotropia Normal (R) Variação das propriedades em relação à espessura Valores típicos: Material Anisotropia Normal (R) Zinco 0,2 Aço laminado a quente 0,8 a 1,0 Aço laminado a frio 1,0 a 1,35 Ligas de Alumínio 0,6 a 0,8 Cobre e latão 0,8 a 1,0 Ligas de Titânio 4 a 6 72

73 Influência da Anisotropia 73

74 Influência da Anisotropia Índice de Anisotropia Planar (ΔR): avalia o fenômeno de orelhamento 74

75 Influência da Anisotropia 75

76 Influência da Anisotropia Efeito gráfico sobre o critério de escoamento Caso em que o material não apresenta anisotropia com simetria de rotação (não é ortotrópico) Encruamento cinemático 76

77 Influência da Anisotropia Definição de Anisotropia Corpo possui uma certa propriedade que varia com a direção ou orientação Processo de laminação: Variação da microestrutura 77

78 Influência da Anisotropia Microestrutura do tarugo Evolução da microestrutura em função da condição do tarugo engendra: Relaxação Recristalização Segregação Em interação com parâmetros do processo Temperatura Velocidade 78

79 Influência da Anisotropia Falha em Conformação de Chapas: efeito da anisotropia Orelhas Casca de laranja 79

80 Agenda Introdução Influências à Conformação Fechamentos 80

81 Objetivos Específicos 1 Influência da Temperatura σ T 1 T 2 T 4 > T 3 > T 2 > T 1 T 3 T 4 2 Influência da Taxa de Deformação 3 Influência do Atrito Rugosidade Substrato Revestimento Lubrificante 3 Influência da Anisotropia 81

82 Processos de Fabricação: Estrutura do Curso Plasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó F dx 82