ESTUDO DO EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NAS TENSÕES RESIDUAIS ATRAVÉS DA SIMULAÇÃO DA EXTRUSÃO A FRIO

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1 Universidade Federal de São João Del-Rei MG 26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia ESTUDO DO EFEITO DOS PARÂMETROS DO PROCESSO NAS TENSÕES RESIDUAIS ATRAVÉS DA SIMULAÇÃO DA EXTRUSÃO A FRIO Diogo Sousa 1 ; Frederico Neves 1 ; Sávio Tayer 1 1 Departamento de Engenharia Mecânica UFSJ, São João Del-Rei, MG CEP: diogojid@yahoo.com.br, fredneves@oi.com.br, saviotayer@uol.com.br Resumo. Elementos mecânicos podem falhar por fadiga quando submetidos a cargas cíclicas. Se, entretanto, uma tensão residual de natureza compressiva estiver presente na superfície do corpo, a iniciação e a propagação da trinca pode ser reduzida ou eliminada. Neste estudo, é feita a simulação da extrusão a frio de tarugos cilíndricos de alumínio para avaliar o efeito de diversos parâmetros do processo sobre a força de extrusão e as tensões residuais resultantes na superfície do corpo. São avaliados os efeitos da variação do ângulo de deformação, da redução de área, do coeficiente de atrito na interface peça/ferramenta e do comprimento da zona cilíndrica de calibração. A simulação é executada através do Método dos elementos finitos, empregando-se o software Marc da MSC.Software Co. utilizando 1600 elementos. Os resultados indicam que a redução de área tem maior efeito sobre as tensões residuais, seguidas do ângulo de deformação. Palavras-chave: extrusão a frio, simulação numérica, tensões residuais, alumínio, parâmetros de processo

2 1 INTRODUÇÃO O método de conformação que será abordado neste trabalho é o de extrusão, o qual foi difundido no final do século XIX, ou seja, é um processo muito novo. A extrusão do metal chumbo iniciou as pesquisas definitivas referentes ao processo e, durante a segunda guerra mundial, a extrusão foi determinante para a fabricação de equipamentos militares na indústria aeronáutica. As peças conformadas apresentam boa qualidade superficial, tolerâncias dimensionais mais fechadas e controladas, além do aumento da resistência mecânica por causa da estrutura de distribuição das fibras e encruamento (MONEZI, C., 2005). Neste processo o material é comprimido no interior de um container por um êmbolo ou pistão e escoa através de uma matriz, gerando assim o perfil com o formato desejado. A seção transversal do produto extrudado pode ser vazada ou cheia, sendo que o comprimento do produto final é limitado pelo volume de material do tarugo (processo semi-contínuo). Há duas formas de extrudar o material: processo direto e indireto. No direto a matriz fica parada e o punção empurra o tarugo contra a matriz, já no processo indireto a matriz movimenta e o punção permanece parado. Os materiais mais utilizados no processo de extrusão são o alumínio, cobre, aço, magnésio, chumbo e polímeros em geral. Neste processo de conformação e nos demais métodos há o surgimento de uma tensão residual, a qual é mais significativa em materiais conformados a frio. As tensões residuais são aquelas que permanecem na peça quando todas as forças externas e/ou gradientes de temperatura são removidos. Ou seja, durante a deformação surgem tensões referentes ao processo, estas após a conformação irão se caracterizar em tensões residuais, podendo ocasionar um comprometimento no resultado final da peça, uma vez que muitas quebras por fadiga estão relacionadas a tais tensões. Essas tensões residuais podem ser prejudiciais ou não, depende da empregabilidade do produto e do tipo de tensão residual que o mesmo está sujeito. Logo, há dois tipos de tensões: trativa e compressiva. Contudo, se áreas próximas a superficie estão em compressão residual às áreas no centro devem estar em tração residual para balancear o sistema de forças. O fato delas provocarem uma mudança dimensional na peça, causada pela recuperação elástica do material após a conformação, afeta a estabilidade do material e a resistência a deformação. As tensões residuais trativas devem ser evitadas em peças submetidas a esforços mecânicos cíclicos devido ao fato de, por sua natureza, facilitarem a nucleação e a propagação de trincas, levando-as a falharem por fadiga mecânica (BIANCH, E. C. et all, 2000). No entanto, tensões compressivas tendem a ser benéficas, uma vez que elas tendem a interromper a propagação de trincas existentes no material. A medição de tensões residuais é hoje largamente utilizada para monitorar a confiabilidade operacional de estruturas e componentes mecânicos, principalmente em situações de elevada complexidade. Para a determinação das tensões residuais remanescentes no corpo, dois tipos de ensaios são utilizados, os ensaios destrutivos e não destrutivos. Os métodos mais usuais para determinação da tensão residual são o método mecânico (destrutivo), o método de difração de raios-x (não-destrutivo) e os métodos elásticos não lineares (não-destrutivo), baseados na propagação de ondas acústicas ou na distorção do campo magnético. Todos os métodos são importantes, sendo que cada um têm sua peculiaridade. Para aumentar a confiabilidade na determinação das tensões residuais o método dos elementos finitos é utilizado, e ainda, este é empregado com o objetivo de diminuir custos e perda de tempo, uma vez que através da simulação é possível prever o comportamento de determinado processo e/ou mecanismo. Com a criação de solver softwares poderosos, a simulação passou a ter mais adeptos devido a facilidade em obtenção de resultados, sendo estes muito próximos do real. Atualmente, a simulação é a ferramenta que dá suporte as outras experimentais, e não é diferente quando o assunto é tensão residual. Em resumo, o objetivo do estudo é encontrar a melhor interação entre as variáveis de uma matriz no processo de extrusão direta. Foram realizadas várias simulações numéricas

3 combinando o máximo e mínimo de cada variável, a fim de encontrar a menor força exercida no punção e/ou maior tensão residual compressiva. 2 MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado no processo de extrusão foi o Alumínio comum, sendo o módulo de elasticidade 70 GPa, coeficiente de Poison 0,33 e o limite de escoamento 11 MPa. Este foi escolhido devido a sua enorme empregabilidade e fácil conformabilidade, além de ser um dos principais materiais utilizados. Sobre o material a conformar assume-se que seja: isotrópico, ou seja, apresenta as mesmas propriedades mecânicas em todas as direções de solicitação; contínuos, não apresentam poros ou vazios que comprometam sua continuidade; homogêneos e uniformes, apresentando a mesma composição química, morfologia de grãos e distribuição de partículas ao longo de seu comprimento. Assume-se que o punção seja rígido, ou seja, que não sofre deformação elástica durante o processo. Dentre as muitas variáveis a considerar, as abordadas no estudo foram às seguintes: coeficiente de atrito, ângulo de extrusão, redução de área e região de calibração do tarugo. Duas outras variáveis foram padronizadas, sendo as dimensões do tarugo (Ø 16,0 mm e L0= 45,0 mm) e o ângulo de saída da matriz (θ= 90 ). As demais variáveis foram interagidas confrontando os máximos e mínimos valores e os resultados obtidos foram estatisticamente analisados. A faixa dimensional do experimento segue conforme a tabela 1. Tabela 1 Faixa dimensional O recurso técnico utilizado para o experimento foi o solver Software Marc, no qual foram feitas as simulações numericas. O perfil da ferramenta desenvolvida conforme a figura 1. Figura 1 Esboço da matriz, tarugo e punção.

4 O modelo construído no software foi feito utilizando o recurso de simetria, ou seja, foi representada a vista da quarta parte da matriz, punção e tarugo. Conforme figura 2. Figura 2 Exemplo do modelo utilizado. Tensões residuais na direção Y (a direita na figura). As interações dos parametros estudados seguem conforme as figuras 3, 4 e tabela 2: a) Maior e menor ângulo de entrada b) Maior e menor redução c) Maior e menor zona de calibração Figura 3 - Matrizes sobrepostas interagindo ângulo maior e menor; redução de área = 23,4%; zona de calibração = 2,8 mm.

5 Figura 4 Matrizes sobrepostas interagindo ângulo maior e menor; redução de área = 30%; zona de calibração = 2,8 mm. Tabela 2 Interações entre as variáveis. Obs.: o menor coeficiente de atrito usado nas simulações foi de 0,075 e o maior de 0, RESULTADOS Os dados obtidos nas interações entre as variáveis estão descritos na tabela 3, a qual contém valores da tensão residual em dois nós (figura 5), um na região de deformação (redução de área) e outro após a zona de calibração, e ainda há o valor da força no ultimo incremento referente ao deslocamento do punção no sentido vertical pra baixo. Por se tratar de um modelo numérico não é possível fazer réplicas para processo em estudo, logo, ao fazer a análise estatística pelo método da Anova (Planejamento Fatorial) (CALLADO; MONTGOMERY, 2003) observa-se que todas as variáveis têm influência no processo, algumas insignificantes, mas existem. Contudo, o estudo é realizado comparando interação por interação e analisando qual é mais compatível com o objetivo em questão.

6 Figura 5 Região de análise. À direita a figura esta ampliada indicando os nós que foram estudados. Tabela 3 Resultado das interações quanto a tensão residual e força no punção. 4 DISCUSSÃO Considerando somente as variáveis analisadas e confrontando os dados verificou-se que a maior influência se dá devido ao coeficiente de atrito em relação a força do punção, e que a calibração não tem influência significativa (conforme gráfico 1). Consideramos que a condição mais favorável é para a menor força do punção, pois ocasiona um menor desgaste da ferramenta, menor consumo de energia. Tal ocorre para o menor ângulo combinado com a menor redução e o menor coeficiente de atrito.

7 Gráfico 1 Força do punção em relação a cada variável. Sabendo que as trincas são nucleadas na superfície do material e que sua propagação se dá de fora para dentro. Então, se um componente mecânico esta submetido a tensão residual de compressão no sentido perpendicular a propagação da trinca, esta terá dificuldades em crescer (figura 6). Pela análise conclui-se que a melhor condição de geração da referida tensão residual compressiva é a condição de maior redução combinada com o menor ângulo, menor coeficiente de atrito e menor calibração. Conforme tabela 2. Figura 6 A tensão residual compressiva em Y impedi ou dificulta a propagação de trincas.

8 Tabela 3 As interações que estão marcas, são as que apresentam maior tensão residual de compressão combinada a menor força no punção. Para obtermos a melhor combinação foram observadas as condições em que os dois nós avaliados forneciam tensões residuais compressivas e, dentre estas, a que apresentava a menor força de extrusão. As condições avaliadas estão destacadas em vermelho na Tabela 4. 5 CONCLUSÕES A variável de maior influência no processo de extrusão é o coeficiente de atrito, quanto maior este valor maior será a força no punção, conseqüentemente, maiores serão os esforços e as perdas. Quanto a tensão residual, a interação que gerou o melhor resultado entre tensão residual compressiva (maior) e força no punção (menor), foi a seguinte: menor ângulo de redução, maior redução de área e menor coeficiente de atrito. A zona de calibração não influência significativamente o resultado, sendo a diferença de aproximadamente 5%. 6 BIBLIOGRAFIA Antunes, B. R., Duda,F. P., Garcia de Blas, J. C., Pereira, L. C. Análise por Elementos Finitos do Processo de Extrusão Angular em Canal de Alumínio de Pureza Comercial. 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. Foz do Iguaçu, PR, Brasil, Bianch, E. C., Monici, R. D., Silva, E. J., Aguiar, P. R., Valarelli, I. D. D. Análise do Comportamento da Microestrutura de Materiais Endurecidos Retificados com Rebolos de CBN. Revista Materials Research, v. 3 n. 4, p , Calado, V., Montgomery, D., Planejamento de Experimentos usando Estatística. Rio de Janeiro: E-Papers Serviços Editoriais, p Monezi, C. Temas de Produção e Controle ll, seminários 1º semestre de São Paulo: Mackenzie. Disponível em seminarios/ 1o_semestre/1_2005/forjamento.pdf. Acesso em: 31 de maio 2006.

9 Neves, F. O. Análise de Tensões Residuais em Tubos Trefilados de Aço Inox ABNT 304. Campinas, tese de Doutorado, p Suterio, R. Medição de Tensões Residuais por Indentação Associada à Holografia Eletrônica. Florianópolis, tese de Doutorado, p DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.