Simulação Numérica e Experimental do Processo de Forjamento de Componentes Industriais

Transcrição

1 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Mestre M. Leopoldina Alves Seminários de Engenharia Mecânica 4 Dezembro 00

2 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais 1. Redução do consumo de matéria prima. Redução do tempo de fabrico e desperdício de matéria prima 3. Melhores características mecânicas devido ao facto da microestrutura forjada a frio ser mantida intacta 4. Melhor aptidão ao uso, resultante de melhores propriedades mecânicas 5. Possibilidade de se efectuarem reduções dimensionais na medida em que certas sobrespessuras de maquinagem não são necessárias no forjamento de precisão 6. Eventuais reduções no ruído devido a melhores características mecânicas (< folgas e desgastes) UE 15 milhões automóveis (90 % caixas velocidade) Ex: Fiat Bravo: milhões/ano 1 eng: 4-8 milhões (1 milhão 600 mil contos) 1. Vida limitada da ferramenta devido às elevadas cargas a que é sujeita Corte Arranque Apara Forjamento Convencional a Quente Forjamento Precisão a Frio

3 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Objectivos Validação e aplicação da tecnologia do forjamento de precisão ao fabrico de componentes industriais Adaptação e validação de técnicas de prototipagem virtual ao forjamento de precisão de componentes industriais Projecto e fabrico de ferramentas flexíveis de forjamento para o fabrico de componentes industriais Metodologia Prototipagem virtual de engrenagens de dentes rectos através de modelos numéricos bi e tridimensionais (método dos elementos finitos e método do limite superior) Concepção e fabrico de componentes activos para uma ferramenta flexível destinados àprodução laboratorial de espécimes para ensaio Fabrico de componentes

4 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Critérios de Plasticidade (von Mises) σ e = ( σ1 σ ) + ( σ σ 3 ) + ( σ 3 σ1 Relações Tensão-Extensão no Domínio Plástico (Equações Constitutivas de Levy- Mises) ε p ij = 3 ε p σ σ ' ij ) σ = σ = σ i j k Valores Efectivos de Tensão, Extensão e Velocidade de Deformação σ k σ e σ e σ i σ j Corte por um plano σ = 0 k [( σ ) ( ) ] 1/ 11 σ + ( σ σ 33 ) + σ 33 σ ( σ1 + σ 3 σ 31) 1 σ = + [( dε dε ) + ( dε dε ) + ( dε dε ) + 6( dε + dε dε ] 1/ d ε = ) von Mises Corte por um plano σ + σ + σ = Cte. i j k ε = 3 ε 11 ε + ε ε 33 + ε 33 ε ε 1 + ε 3 + ε 31 1/

5 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Teoria Elementar da Plasticidade de Processos de Enformação Plástica Teoria da Plasticidade Mét. Fatia Elementar Mét. Energia Uniforme Infinitesimal Mét. das Linhas de Escorregamento Mét. da Visioplasticidade Mét. Limite e Inferior Mét. Geral de Hill Mét. Resíduos Ponderados Mét. Elementos (Formulação Escoamento Plástico) Finita Mét. Elementos (Formulação Sólida)

6 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais De entre todos os campos de velocidade cinematicamente admissíveis, o real minimiza o funcional, W W V = = W V W D V + W σ ε dv π D = V = τ u ds S D + W σ εdv + (Potência consumida nas descontinuidades e interfaces de atrito tensões exteriores) (Potência interna de deformação) T W T = S T S i D T u τ u ds π i ds (Potência devido a tensões exteriores) S T T u i i ds Discretização do σ εdv + τ u ds = M m= 1 ( m) m ) V S S ( ( m ) D T Tiu ids

7 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Formulação de escoamento plástico baseada no método da função de penalidade: V t = mk σ δε dv + K ε δε dv - F δu ds = 0 π V = V V u τdu C r SC 0 r S F ds i i V K ε V volume de controlo delimitado pelas superfícies e S F constante de penalidade velocidade de deformação volumétrica Discretização por elementos finitos da equação anterior por elementos hexaedrais isoparamétricos de oito nós : S U M m= 1 m {[ σ P + K Q] { v } { } n- 1 n = F = 1 K - dv P n 1 m ε V n-1 Q = F = m V m S T C T BC NTdS T m B dv m m (1) N matriz que contém as funções de forma do elemento B matriz das velocidades de deformação C forma matricial do símbolo de Kronecker D matriz que relaciona as tensões desviadoras com as velocidades de deformação, de acordo com as equações constitutivas de Levy-Mises. K=B T DB

8 (dio-di)/dio Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Caracterização do Mecânica e Tribológica do Material e Lubrificantes. Ferramenta utilizada no 3. Procedimento Experimental de Suporte ao 4. Simulação Numérica Realizada no Âmbito do 5. Resultados (ho-h)/ho Tensão(N/mm^) m=0 m=0.05 m=0.1 m=0.1 m=0.15 m=0. m=0.3 m=0.5 Experimental Curva de tensão-extensão do alumínio Al Mg Si 1 (DIN 175) Experimental Extensão

9 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais 1. Caracterização do Mecânica e Tribológica do Material e Lubrificantes. Ferramenta utilizada no 3. Procedimento Experimental de Suporte ao 4. Simulação Numérica Realizada no Âmbito do 5. Resultados Suporte Contentor Matriz encamisada por contentor com pré-tensão de compressão Punção Prato

10 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais 1. Caracterização do Mecânica e Tribológica do Material e Lubrificantes. Ferramenta utilizada no 3. Procedimento Experimental de Suporte ao 4. Simulação Numérica Realizada no Âmbito do 5. Resultados Componentes Activos Suporte Suporte do contentor Contentor Matriz Punção Provete Engrenagem Prato

11 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais 1. Caracterização do Mecânica e Tribológica do Material e Lubrificantes. Ferramenta utilizada no 3. Procedimento Experimental de Suporte ao 4. Simulação Numérica Realizada no Âmbito do 5. Resultados Dureza (HV) HV = -9,5054ε + 4,064ε + 79,469 Valores , 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 Extensão Efectiva Determinação experimental da distribuição de extensão efectiva através de medições de microdurezas Vickers, HV-0.5 Levantamento da geometria das engrenagens Medição da geometria do contentor e da matriz (interferência específica real)

12 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais 1. Caracterização do Mecânica e Tribológica do Material e Lubrificantes. Ferramenta utilizada no 3. Procedimento Experimental de Suporte ao 4. Simulação Numérica Realizada no Âmbito do 5. Resultados Simulação Numérica Tridimensional Simulação Numérica através do Descontinuidade da velocidade entre a zona 7 e 8 de deformação plástica pelo

13 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Extensão Efectiva (Experimental) Extensão Efectiva (Tridimensional) Extensão Efectiva (Bidimensional)

14 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Experimental Simulação Numérica 3D Mét. Limite Força (kn) Deslocamento (mm)

15 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais σ = ε (MPa) Alumínio tecnicamente puro (99.95%) (1000 elementos hexaedrais : estágio inicial, 4% e 75% de redução de altura)

16 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais σ = 94 ε 0.58 Aço LFM P a t0 d0 ( MPa) Força (kn) Experimental 8 Simulação 3D 6 Simulação D Deslocamento (mm) Zona de Pré-Deformação Zona Deformada d e rd b Zona em Deformação c

17 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais

18 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais

19 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais. Estabelecimento de um processo de enformação plástica na massa adequado ao fabrico de componentes industriais. Desenvolvimento de um processo tecnológico que conduz a reduções significativas do ciclo de produção e dos custos indirectos que lhe estão associados, nomeadamente através da eliminação de maquinagens e operações de acabamento subsequentes. Redução de custos devido ao melhor aproveitamento da matéria prima; os custos da matéria prima são uma fracção importante do custo total de um componente forjado. Acréscimos de produtividade na enformação plástica de metais; os equipamentos de forjamento convencionais têm baixas taxas de utilização das suas capacidades em virtude dos tempos de montagem, desmontagem e ensaio de ferramentas serem elevados. Desenvolvimento de ferramentas flexíveis. A simulação numérica através do método dos elementos finitos consegue descrever de uma forma adequada o escoamento, do material no interior das matrizes

20 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Mestre M. Leopoldina Alves Seminários de Engenharia Mecânica 4 Dezembro 00

21 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais Mecânica da Deformação Tensões Equações Constitutivas. Lei de Hooke. Eq. Levy Mises Deformações 1. Equações de Equilíbrio. Condições de Fronteira 3. Critérios de Plasticidade 1. Equações de Compatibilidade. Condições de Fronteira 3. Incompressibilidade. Lei do Comportamento do Material (σ/ε - σ/ ε ). Geometria Inicial (material e ferramentas). Atrito na interface material/ferramenta.

22 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais - Soluções propostas para a caracterização do campo de velocidades nas diferentes zonas de deformação plástica da engrenagem Haeyong Cho et al - N é o número de dentes da engrenagem; N segmento; 5 zonas de deformação Choi et al - N é o número de dentes da engrenagem; N segmento; 8 zonas de deformação Chitkara e Bhutta - N é o número de dentes da engrenagem; N segmento; 3 zonas de deformação

23 Simulação Numérica e Experimental do Processo de Componentes Industriais TProcessamento/ Tmin Malha I Graus de Liberdade Força (KN) Experimental I_Form3 (75 elem.) I_Form3 (51 elem.) I_Form3 (1000 elem.) Deslocamento (mm)