Avaliação de tensões em uma prensa de 750 t com auxílio de um software CAE

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1 82 Corte & Conformação de Metais Abril 2011 Simulação Avaliação de tensões em uma prensa de 750 t com auxílio de um software CAE Este trabalho avalia a estrutura de uma prensa hidráulica com capacidade de 750 toneladas com a assistência de um software CAE. A estrutura da prensa hidráulica foi modelada em um programa de desenho CAD 3D, e a partir desse modelo criou-se uma malha de elementos finitos para que fossem feitas simulações com cargas concentradas, permitindo a visualização das tensões geradas. V. Martins, P. von Pritzelwitz, A. Sinatora e L. Schaeffer u ma prensa hidráulica é um dispositivo no qual uma força aplicada em um pequeno êmbolo transmite pressão através de um fluido até um grande êmbolo, originando uma grande força. Seu funcionamento baseiase no princípio de Pascal (século XVII), de acordo com o qual a pressão aplicada em qualquer ponto de um fluido fechado em um recipiente é transmitida uniformemente em todas as direções (1). O equipamento hidráulico possui um custo elevado, o que justifica a busca pelo seu máximo rendimento. O sistema hidráulico é responsável pelo funcionamento correto da prensa, e para que ele tenha um bom rendimento aliado a pouca manutenção é importante a escolha correta do fluido hidráulico, que deve satisfazer duas finalidades básicas: transmitir com eficiência a potência que lhe é fornecida e lubrificar satisfatoriamente os componentes internos do sistema (2,3 ). Um elemento vital para a durabilidade de uma prensa hidráulica é a sua estrutura metálica, que deve ter rigidez suficiente para executar sua total capacidade de carga, isto Fig. 1 (a) Prensa do LdTM; (b) Modelo digital em CAD; (c) Simplificação estrutura Fig. 2 (a) Malha de elementos finitos; (b) Carga centralizada; (c) Carregamento na malha é, os esforços gerados durante a conformação, bem como suas consequentes deformações para vários materiais. A rigidez estática necessária para uma prensa é Vinícius Martins (viniciushiper@yahoo.com.br) é Mestre pelo Instituto Federal Sul-Rio-Grandense (IFSul) e Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGEM), vinculado ao Departamento de Metalurgia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Phillip von Pritzelwitz (pritzelwitz@usp. br) é doutor do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP, vinculado ao Departamento de Engenharia Metalúrgica. Amilton Sinatora é professor doutor do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP e coordenador do Laboratório de Fenômenos de Superfície (LFS) da universidade. Lírio Schaeffer é coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), vinculado ao Departamento de Metalurgia (PPGEM) da UFRGS. Este artigo foi apresentado originalmente durante a 14ª Conferência Internacional de Forjamento, realizada em Porto Alegre (RS) entre os dias 20 e 22 de outubro de 2010.

2 Corte & Conformação de Metais Abril estabelecida como a relação entre a carga e a deformação, enquanto a rigidez dinâmica tem os mesmos parâmetros em função da frequência (4,5). A análise por elementos finitos (FEA), também chamada de FEM, é uma ferramenta fundamental para a avaliação de tensões, carregamento nas estruturas e outros parâmetros (6). Após as etapas de modelamento do produto em um software CAD (computer-aided design), a peça em análise passa para um software de CAE (computer-aided engineering). Esse programa gera malhas de elementos finitos que têm como funções auxiliar o projeto de produtos e ferramentas (moldes e matrizes) por meio de simulações do processamento e do uso do produto, além de apoiar na determinação dos parâmetros de processamento por meio de simulações da realidade (7). Os diversos sistemas CAE permitem que o desenhista analise os resultados relativos à Fig. 3 (a) Tensões sobre a estrutura da prensa; (b) Carregamento na malha moldabilidade do projeto, custo do processo industrial e qualidade do produto (8). Materiais e métodos A primeira etapa deste trabalho consistiu no modelamento da prensa hidráulica de 750 t da marca FKL Fig. 4 (a) Prensa com carregamento; (b) Região de tensão máxima com o auxílio do software CAD SolidWorks Nesta etapa a máquina em questão foi fielmente copiada, com todos os seus detalhes, para avaliação da estrutura. A simplificação da estrutura para o cálculo por FEA foi feita com uso do software CosmosWorks 2008, com a finalidade de diminuir o peso do arquivo para o seu processamento seu conjunto estrutural seria avaliado, mas caso alguma região necessitasse de avaliação, nesta área não seria realizada simplificação. Na segunda ação gerou-se a malha de elementos finitos, e em

3 84 Corte & Conformação de Metais Abril 2011 Simulação Fig. 5 Vista inferior de dois ângulos distintos da prensa com carregamento seguida foi realizado o estudo da estrutura da prensa com carga centralizada de 750 t, para analisar seu comportamento. A última etapa consistiu no estudo com o porta-ferramentas para avaliar o comportamento da estrutura adaptado à realidade. Resultados e discussões A imagem (a) da figura 1 (pág. 82) apresenta a prensa do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), enquanto a imagem (b) mostra o seu modelo fiel, feito em CAD 3D, e a imagem (c) exibe a simplificação da estrutura para realização do cálculo por FEA. Fig. 6 (a) Prensa com fixação superior; (b) Prensa com fixação inferior Na figura 2 (pág. 82), a imagem (a) apresenta a malha de elementos finitos criada pelo CAE a partir do modelo CAD; já a imagem (b) mostra o carregamento sobre o modelo 3D, e a imagem (c) exibe o carregamento na malha de elementos finitos. Após a concentração de carga, também chamada de carregamento, observam-se tensões sobre a estrutura da prensa na figura 3(a) (pág. 83). A imagem 3(b) mostra a região vermelha onde os esforços são de 220 N/mm² (MPa), na qual é possível observar tensões muito elevadas no furo do extrator. A figura evidencia também a solicitação sobre os reforços inferiores da estrutura, mais próximos do furo do extrator, que apresentam regiões de extrema tensão. Já os dois reforços mais abaixo apresentam pouca utilização devido à distância em relação à região sob tensão, sendo pouco solicitados. A figura 4 (pág. 83) mostra a região central da mesa, na cor vermelha, com a maior con-

4 Corte & Conformação de Metais Abril Fig. 7 (a) Porta-ferramentas menor; (b) Porta-ferramentas maior centração, alcançando tensão máxima de 567 MPa. Já a figura 5 (pág. 84) apresenta a região inferior da prensa com seus reforços sob carregamento, onde é possível observar todas as tensões geradas nessa região da prensa hidráulica. A figura 6(a) (pág. 84) apresenta as deformações simuladas e analisa o retorno elástico da estrutura da prensa com fixação na região superior e tracionamento na região inferior; e na figura 6(b) a região inferior foi engastada e a região superior foi tracionada. Já a figura 7 apresenta duas rotas Fig. 8 (a) Porta-ferramentas menor sobre a prensa; (b) Tensões em vista inferior de análise, sendo a primeira com um porta-ferramentas menor e a segunda com um porta-ferramentas utilizando uma maior área da mesa da prensa. A figura 8 apresenta o portaferramentas menor sofrendo o carregamento sobre a mesa da prensa. É possível observar que os esforços inferiores nos reforços da estrutura diminuíram devido ao fato de o porta-ferramentas ter distribuído as tensões do carregamento. A figura 9 (pág. 86) apresenta o porta-ferramentas maior sofrendo o carregamento sobre a mesa da prensa. É possível observar que as tensões do carregamento nos reforços inferiores da estrutura diminuíram muito se comparados com o porta-ferramentas menor, devido à maior distribuição da carga sobre a maior área do porta-ferramentas. A figura 10 (pág. 86) apresenta regiões de concentração de tensão na prensa de 750 t com provável ocorrência de trincas ao longo do tempo, caso estes problemas não fossem corrigidos logo. As tensões se concentram no raio e mais no

5 86 Corte & Conformação de Metais Abril 2011 Simulação Fig. 10 Regiões de concentração de tensão na prensa de 750 t Fig. 9 (a) Porta-ferramentas menor sobre a prensa; (b) Tensões em vista inferior. apoio do cilindro. Devido ao seu uso apenas laboratorial, não ocorreram trincas na prensa. Já a figura 11 apresenta a região de concentração de tensão na prensa de 750 t com provável ocorrência de trincas ao longo do tempo nas soldas dos reforços superiores, ao lado da camisa do cilindro principal. A figura 12 (pág. 87) exibe a solda que une a estrutura da prensa à mesa inferior, com região de concentração de tensão e possível ocorrência de trincas ao longo do tempo. A figura 13 (pág. 87) traz a vista inferior da prensa, com a região vermelha situada sobre a solda que une a Fig. 11 Região de concentração de tensão nos reforços superiores da prensa estrutura da prensa à mesa inferior, com região de concentração

6 Corte & Conformação de Metais Abril Fig. 13 Vista inferior da solda que une a estrutura da prensa e a mesa inferior Fig. 12 Região de concentração de tensão nos reforços superiores da prensa de tensão e tendência à criação e propagação de trincas. Possibilidades de melhora do sistema de guias Conforme foi verificado, durante o forjamento o martelo desce balançando em virtude da folga excessiva das guias. A solução ideal seria a desmontagem da máquina e a usinagem dos apoios em uma mandriladora para guias prismáticas reguláveis, o que é inviável em razão do alto custo de desmontagem da máquina e de sua remoção. Além disso, o custo de utilização de uma mandriladora de grande porte é alto. Uma solução paliativa para o problema seria a adaptação de guias prismáticas usando como referência os furos das guias cilíndricas. Para que isso fosse viável foi necessário medir a posição dos furos e verificar possíveis imprecisões na usinagem dos mesmos. A figura 14 (pág. 88) apresenta as guias prismáticas sugeridas. Já a figura 15 (pág. 88) exibe as contraguias que deveriam ser fabricadas para adaptação das guias prismáticas sobre o suporte das guias cilíndricas. Infelizmente a abertura dos suportes só permite guias com, no máximo, um metro de comprimento total. Com uma boa geometria dos furos seria possível regular guias com 5 centésimos de folga total mas, de uma maneira conservadora, uma folga total de 5 décimos deve permitir a descida do martelo sem engripamentos. Na figura 14 vemos que o ângulo de tilt do martelo será inferior a 0,05º e a diferença de cota vertical será de, no máximo, 0,625 mm de uma ponta à outra do martelo. Ferramentas guiadas reduzem sensivelmente tal diferença, conforme mostrado na figura 16 (pág. 89). Esse sistema de guias auxilia na redução da oscilação durante a conformação ou a prensagem. A figura 17 (pág. 89) apresenta a estrutura da prensa hidráulica FKL com o sistema de guias prismáticas sugerido neste trabalho. Conclusões O presente trabalho realizou a digitalização fiel da prensa de

7 88 Corte & Conformação de Metais Abril 2011 Simulação Fig. 14 Guias prismáticas propostas Fig. 15 Contraguias prismáticas propostas 750 toneladas utilizada pelo LdTM com auxílio do software SolidWorks 2008, que comportou-se de acordo com o esperado devido à sua estrutura parametrizada. O CosmosWorks mostrou regiões de esforços de 220 N/mm² (MPa), tendo sido observadas tensões muito superiores no furo do extrator. Na região inferior, os dois reforços abaixo da mesa da prensa foram pouco solicitados devido à distância desses em relação à região de tensão. Foram apresentadas duas rotas de análise, sendo a primeira com um porta-ferramentas de menor área e a segunda com um porta-ferramentas que utiliza uma área maior da mesa da prensa. A primeira sofre carregamento e o distribui sobre a estrutura da prensa, no entanto o porta-ferramentas com maior base distribui melhor esse carregamento sobre a mesa. O sof t ware CAE mostrou várias regiões de concentração de tensão na prensa de 750 t, com provável ocorrência de trincas ao longo do tempo caso não fossem corrigidos esses problemas. A não-ocorrência ou propagação dessas trincas na prensa real deve-se ao seu uso apenas laboratorial, já que existe uma concentração de tensões em alguns raios, nos quais há maior probabilidade

8 Corte & Conformação de Metais Abril Fig. 16 Folgas do martelo e das guias prismáticas de ocorrência de trincas, além de uma enorme região de concentração de tensões nas soldas dos reforços superiores, ao lado da camisa do cilindro principal que une a estrutura da prensa à mesa inferior. Agradecimentos Os autores agradecem o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), o Laboratório de Fenômenos de Superfície (LFS), a Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), a Universidade de São Paulo Fig. 17 Prensa hidráulica com as guias prismáticas (USP) e as instituições de apoio financeiro como a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e o CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico). Referências 1) Prensa hidráulica. In: Infopédia. Porto: Porto Editora, <URL: Acesso em: 30 mai ) Palmieri, A. C. Manual de hidráulica básica. Porto Alegre, RS: Editora Racine- Albarus hidráulica, ª edição, p ) Petrobras, Especificação técnica Lubrax HR EP. 4) Stoeterau, R. L. Introdução ao Projeto de Máquinas-Ferramenta Modernas, Universidade Federal de Santa Catarina, ) Sant Anna, D. R.; Nunes, J. M. E Gomes, J.O. Análise estrutural de máquinasferramenta pelo método dos elementos finitos. Anais do 15 o Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XV ENCITA, São José dos Campos (SP), 19 a 22 de outubro de ) Filho, A. A. Elementos Finitos - A Base da Tecnologia CAE, Ed. Érica, S. Paulo, 2007, p ) Azevedo, A. F. M. Método dos Elementos Finitos, Universidade do Porto. Portugal ) Y. - M. Deng, Y. C. Lam, S. B. Tor E G. A. Britton. CAD CAE: Injeção Integrada, Modelamento e Design.