INFLUÊNCIA DO PASSE DE ENCRUAMENTO NO DOBRAMENTO DE CHAPAS

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1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil INFLUÊNCIA DO PASSE DE ENCRUAMENTO NO DOBRAMENTO DE CHAPAS Alexandre Moura Giarola, alexandre.giarola@ifmg.edu.br 1 Frederico de Castro Magalhães, fredmag@br.inter.net 2 Paulo César de Matos Rodrigues, paulocmr@ufmg.br 2 Haroldo Béria Campos, beriacampos@uol.com.br 2 Antônio Eustáquio de Melo Pertence, pertence@demec.ufmg.br 2 Paulo Roberto Cetlin, pcetlin@demec.ufmg.br 2 1 Instituto Federal Minas Gerais - Campus Bambuí Faz. Varginha - Rodovia Bambuí / Medeiros - km 05-Caixa Postal 05, CEP: , Bambuí, Minas Gerais, Brasil 2 Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6627 Campus Universitário, CEP , Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil. Resumo: Produtos de aços laminados à frio são de ampla utilização principalmente na indústria automotiva. O processo de laminação de chapas finas à frio é responsável pelo bom acabamento superficial e alta precisão dimensional exigidas pelos clientes.o passe de encruamento (skin pass) em chapas de aço envelhecíveis consiste em uma leve redução percentual em processo de laminação à frio que tem o objetivo de eliminar o patamar de escoamento das chapas que serão posteriormente conformadas.no processo de dobramento, o comportamento elastoplástico do material provocam um retorno elástico da chapa (spring back) após o descarregamento, e que é de grande importância para que o produto mantenha as especificações dimensionais de projeto. Este retorno elástico pode ser afetado pelo processamento anterior da chapa através de um passe de encruamento. Através do software Deform 2D V8.0 (Scientific Forming Technologies Corporation) utilizando uma curva de aço envelhecido, obteve-se a conformação inicial do skin pass e a formação das bandas de Lüders na chapa de 1,00 mm espessura. Após a laminação foi realizada o dobramento. O presente trabalho apresenta os resultados de uma simulação computacional do passe de encruamento seguido do dobramento de chapas e de um dobramento simples sem passe prévio de deformação. Palavras-chave: dobramento de chapas, skinpass, retorno elástico (sping back) 1. INTRODUÇÃO O processo de dobramento de chapas metálicas tem sido amplamente utilizado na indústria em razão do bom acabamento superficial, redução de peso e baixo custo de fabricação (Barbosa, 2009). Muitas das chapas utilizadas nesta operação recebem ao final de sua fabricação, uma pequena redução de espessura, denominada passe de encruamento (skin pass), com o objetivo de eliminar o patamar de escoamento da chapa e eliminar eventuais bandas de Lüders nos produtos fabricados. O passe de encruamento, ilustrado na Fig. (1), introduz um grande número de bandas de Lüders incipientes na chapa, que se propagam de forma limitada nas peças fabricadas com a chapa, não causando danos à aparência de tais artefatos (Giarola et al, 2010). Figura 1. Ilustração esquemática da formação de bandas de Lüders no passe de encruamento (Yoshida et al., 2008). Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 O conhecimento da geometria, do grau de deformação e das tensões que atuam no material durante a deformação constitui uma valiosa ajuda na análise de possíveis defeitos e fraturas (Helman e Cetlin, 2005). Após o dobramento da chapa o retorno elástico é um dos maiores defeitos no processo de conformação de chapas, pois contribui para que a chapa perca a forma desejada da matriz (Chen e Ko, 2006). O objetivo do presente artigo é analisar, através da simulação numérica empregando o método dos elementos finitos, a influência do passe de encruamento aplicado sobre uma chapa, sobre seu comportamento durante uma operação de dobramento. 2. METODOLOGIA Foi utilizado o software de simulação por elementos finitos Deform 2D V8.0 (Scientific Forming Technologies Corporation), considerando a condição de estado plano de deformações, sob processamento isotérmico a 20 C, considerando o material como elasto-plástico. A Figura 2 ilustra a curva de fluxo típica de um aço envelhecido de baixo carbono com escoamento local amaciado em um ponto baseada na literatura (Yoshida, 2008). O passe de laminação foi aplicado em uma chapa de 1,0 mm de espessura e 40 mm de comprimento, conferindo-lhe uma redução de espessura de 1%. Após este passe, a chapa laminada foi então submetida a uma operação de dobramento como mostrado na Fig. (3). Figura 2. Curva de fluxo do material utilizado na simulação. A ferramenta circular apresenta diâmetro de 20 mm e o raio de concordância em relação à superfície plana possui 5 mm. A matriz inferior apresentava um raio maior que o punção, e, ao final da operação, a chapa não a tocava. Figura 3. Geometria do modelo computacional e sistema de coordenadas. A simulação do dobramento e do retorno elástico foi dividida em duas etapas: primeiramente um punção é abaixado 11,5 mm deformando a chapa com a forma da ferramenta. O segundo passo é o retorno elástico, em que a simulação feita com elementos elasto-plásticos, apresentando um retorno elástico associado ao alívio de tensões. As Tabelas 1 e 2 indicam as condições de simulação de entrada no software Deform 2D, respectivamente para os casos de conformação da chapa com passe de encruamento (caso 1) e sem passe de encruamento (caso 2). No caso 1 utilizou-se uma malha mais refinada, que permitia captar os detalhes de formação das bandas de Lüders durante o passe de encruamento, que são mostradas na Fig. (4). Esta figura ilustra ainda um detalhe da densidade de malha para um quadrado de 1 mm.

3 Tabela 1. Resumo das condições da simulação utilizada para o Caso 1 Coeficiente de atrito tipo cisalhamento 0,1 Número de etapas na simulação 23 Tempo da etapa 0,5 s Velocidade da ferramenta - 1 mm/s (direção Y ) Temperatura 20 C Malha inicial elementos elasto - plásticos Tabela 2. Resumo das condições da simulação utilizada para o Caso 2 Coeficiente de atrito tipo cisalhamento 0,1 Número de etapas na simulação 23 Tempo da etapa 0,1 s Velocidade da ferramenta -1 mm/s (direção Y ) Temperatura 20 C Malha inicial 2000 elementos elasto - plásticos Figura 4. Bandas de Lüders da chapa laminada e a densidade da malha para um quadrado de 1 mm. A Figura 5 ilustra a chapa sem pré-deformação e a densidade de malha utilizada na simulação do dobramento com material sem passe de encruamento. Figura 5. Chapa com material sem passe de encruamento e a densidade da malha para um quadrado de 1 mm.

4 A medição do retorno elástico foi feita considerando a diferença entre as medidas D2 e D1 como indicado na Fig. (6). Todas as simulações foram ainda refeitas considerando-se um atrito igual a 0,0001, visando avaliar o efeito da variação do atrito para o processo de dobramento. Figura 6: Exemplo de medição do retorno elástico A medição do ângulo do retorno elástico foi feita utilizando o software SolidWorks A imagem digitalizada foi inserida no programa e traçou-se uma reta de referência passando pelo centro da ferramenta (circular) e mediu-se o ângulo desta com uma reta auxiliar passando pelo centro da chapa, como ilustrado na Figura RESULTADOS 3.1. Nucleação da deformação Figura 7. Esquema para medição do ângulo de retorno elástico. A Figura 8 apresenta a distribuição de deformações efetivas nas chapas nos casos 1 e 2, para a posição de descida inicial da ferramenta de 1 mm. Observa-se no caso 1 que a deformação efetiva junto às banda de Lüders é de 0,018 mm/mm. No caso 2 a maior parte da chapa não apresenta deformação, pois não contém uma deformação prévia como a do caso 1. Além disso, a distribuição das deformações é diferente nos dois casos: na situação 2 se dá em forma de X e no caso 1 é de forma mais suave. 3.2.Propagação da Deformação A propagação da deformação foi medida com na posição de descida da ferramenta em 5 mm, ilustrada na Fig. (9).

5 Deformação Efetiva Caso 1 Caso 2 Figura 8. Nucleação da deformação inicial nas chapas. Deformação Efetiva Caso 1 Caso 2 Figura 9. Demonstração da propagação da deformação nas chapas para a descida de 5 mm da ferramenta. A Figura 10 apresenta uma visão ampliada da Figura 9, ressaltando a distribuição mais uniforme de deformação para o caso 1 em comparação ao caso Condição final de deformação A condição final de deformação é ilustrada na Fig. (11). A deformação no caso 1 apresenta uma continuidade e uniformidade maior que a do caso Condição final de Tensão A Figura 12 apresenta a tensão final para os casos 1 e 2. Observa-se que a máxima tensão principal final apresentou uma diferença de cerca de 10% do caso 1 para o caso 2.

6 Caso 1 Caso 2 Figura 10. Propagação ampliada da propagação da deformação para posição de descida de 5 mm. Deformação Efetiva Caso 1 Caso 2 Figura 11. Condição final de descida aproximadamente 11,5 mm Tensão Máxima Principal Tensão Máxima Principal Caso 1 Caso 2 Figura 12. Tensão máxima principal para os casos 1 e 2. O valor do carregamento simulado para que as chapas com ou sem passe de encruamento sejam deformadas até aproximadamente 11 mm é ilustrado na Figura 13. As duas curvas são bastante semelhantes, mas aquela correspondente ao material submetido previamente ao passe de encruamento apresenta valores de cargas um pouco mais baixas e com oscilações abruptas.

7 Figura 13. Carregamento exercido pela ferramenta na chapa, para o caso 1 (com passe de encruamento) e para o caso 2 (sem passe de encruamento) Retorno Elástico O retorno elástico é marcado pelo alívio da tensão após a retirada da ferramenta. A Tabela 3, apresenta os dados relativos às medidas obtidas através do software Deform 2D V.8.0, para o retorno elástico para os casos 1 e 2, com diferentes atritos. Tabela 3: Medidas do retorno elástico Profundidade(mm) Com Encruamento Sem Encruamento Atrito 0,1 D 2 1,19 1,06 D 1 0,35 0,35 Retorno Elástico (D 2 D 1 ) 0,84 0,71 Profundidade(mm) Com Encruamento Sem Encruamento Atrito 0,0001 D 2 1,10 1,10 D 1 0,20 0,35 Retorno Elástico (D 2 D 1 ) 0,90 0,75 Há um aumento do retorno elástico com a aplicação do passe de encruamento e com a diminuição do coeficiente de atrito. Cabe ressaltar que houve um maior escorregamento entre a chapa e a matriz fixa no caso com passe de encruamento com atrito 0,0001 do que para o atrito 0,1. O escorregamento reduziu o valor de D 1 de 0,35 mm para 0,20 mm para um mesmo deslocamento da ferramenta 11,5mm. A Tabela 4 apresenta os resultados para o retorno elástico angular. Tabela 4: Medidas do retorno elástico angular Angulo Com Encruamento Sem Encruamento Atrito 0,1 θ 1 33,24 33,69 θ 2 36,64 36,59 Retorno Elástico Angular (θ 2 θ 1 ) 3,40 2,99 Angulo Com Encruamento Sem Encruamento Atrito 0,0001 θ 1 33,92 34,41 θ 2 37,32 37, 57 Retorno Elástico Angular (θ 2 θ 1 ) 3,40 3,17 Não houve diferenças significativas para o retorno elástico angular para valores de atrito diferentes. O retorno elástico angular não foi muito influenciado pelo escorregamento entre a chapa e a matriz fixa, e uma das principais justificativas é a de que a medição do retorno foi feita na região da borda final da chapa onde a curvatura foi constante.

8 4. CONCLUSÕES - Apesar do material com passe de encruamento apresentar um limite de escoamento menor do que o do material sem passe de encruamento, o retorno elástico atingido por este material é maior que o da chapa sem passo de encruamento. - Observou-se que a diminuição do atrito contribui para um maior escorregamento entre a chapa e a matriz fixada. - O passe de encruamento a 1% na chapa de 1 mm nucleou as bandas de Lüders de forma a inibir o patamar de escoamento que melhora a uniformidade da carga na ferramenta. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e do Ministério da Educação CAPES. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Barbosa, G.M., 2009, Processo de Dobramento de Chapas Metálicas Exacta, São Paulo, v.7, n.1 pp , jan./mar. Chen, F.K., Ko, S. F., 2006, Deformation Analysis of Springback in L-Bending of Sheet Metal, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, v.18, pp Giarola, A. M., Cunha C.C., Aguilar, M.T.P., Campos H. B., Pertence, P. R., 2010, Simulação do Passe de Encruamento (Skin Pass) de Chapas de Aço através do Método dos Elementos Finitos, 47º Seminário de Laminação - Processos e Produtos Laminados e Revestidos COLAM 2010, de 26 a 29 de outubro de 2010, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil. Helman, H; Cetlin P.R., 2005, Fundamentos da Conformação Mecânica de Metais 2 ed. São Paulo, Artliber Yoshida F., Kaneda Y., Yamamoto, S., 2008, A Plasticity Model Describing Yield-Point Phenomena of Steels and Its Application to FE Simulation of Temper Rolling, International Journal of Plasticity, v.24 n10 pp , agu. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

9 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil THE INFLUENCE OF THE SKIN PASS IN THE BENDING OF SHEETS Alexandre Moura Giarola, alexandre.giarola@ifmg.edu.br 1 Frederico de Castro Magalhães, fredmag@br.inter.net 2 Paulo César de Matos Rodrigues, paulocmr@ufmg.br 2 Haroldo Béria Campos, beriacampos@uol.com.br 2 Antônio Eustáquio de Melo Pertence, pertence@demec.ufmg.br 2 Paulo Roberto Cetlin, pcetlin@demec.ufmg.br 2 1 Federal Institute of Minas Gerais - Campus Bambuí Faz. Varginha - Rodovia Bambuí / Medeiros - km 05-Caixa Postal 05, CEP: , Bambuí, Minas Gerais, Brazil 2 Federal University of Minas Gerais, Antônio Carlos Avenue, 6627 Campus Universitário, CEP , Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil. Abstract: Cold rolled and annealed steel sheets are widely employed in the automotive industry, and display a close dimensional control and good surface finish. The last step in the manufacturing of these sheets is commonly a so called skin pass, which corresponds to a light cold rolling pass (about 1 2% thickness reduction). This leads to the elimination of the yield point in the tensile testing of the material and the consequent inhibition of Lüders Bands in the products manufactured with these sheets. Bending operations involve an elastic spring back after the forming, which is of great importance in order to assure the adequate dimensional accuracy of the final part. The spring back may be affected by the presence or absence of the previous skin pass, and there is no reporting the literature concerning this possibility. This paper presents a numerical simulation of a bending operation employing both initial conditions for 1.0 mm thick sheets. It is shown that sheets initially submitted to the skin pass display a higher spring back than the sheets not submitted to the skin pass. Keywords: bending sheets, skinpass, spring back Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011