Redução de Peso de Molas Helicoidais através de Técnicas Especiais de Shot-Peening

Transcrição

1 Redução de Peso de Molas Helcodas através de Técncas Especas de Shot-Peenng Copyrght 2011 SAE Internatonal Barbosa, Sdney Calhera Engenhero de Pesqusa e Desenvolvmento da ThyssenKrupp Blsten Brasl sdney.barbosa@thyssenkrupp.com Scuraccho, Bruno Geoffroy Engenhero de Pesqusa e Desenvolvmento da ThyssenKrupp Blsten Brasl bruno.scuraccho@thyssenkrupp.com Curtba, José Roberto Gerente de Pesqusa e Desenvolvmento da ThyssenKrupp Blsten Brasl jose.curtba@thyssenkrupp.com RESUMO O efeto do shot-peenng na durabldade das molas é bastante conhecdo pelos fabrcantes deste produto. No entanto, os projetos de molas podem ser otmzados com técncas especas de shot-peenng como o duplo shot-peenng, duplo shot-peenng a quente, dentre outros. Esse trabalho fo realzado para evdencar a dferença desses processos através de ensaos de fadga que ocorreram com molas helcodas em mesmas condções de desgn e dferentes processos de shotpeenng. INTRODUÇÃO SISTEMAS DE SUSPENSÃO O sstema de suspensão automotva é, bascamente, o elo entre a estrutura do veículo e as suas rodas. Conseqüentemente, ele também é responsável pela absorção das vbrações ocasonadas por rregulardades no solo, melhorando a drgbldade e o conforto dos usuáros do veículo. Os prncpas componentes do sstema de suspensão são as molas, os amortecedores e as barras establzadoras. As molas, por prncípo, são os componentes que suportam o peso do veículo e que absorvem a maor parte da energa gerada pelas rregulardades do solo durante a movmentação do automóvel. Fgura 1 Molas usadas na suspensão de veículos As molas helcodas, por serem menores e mas leves, são utlzadas mas comumente em veículos leves de passeo. Já as molas em lâmnas são mas pesadas, e normalmente são utlzadas em veículos de médo e grande porte, devdo a exercer também uma função estrutural. As molas de torção geralmente são utlzadas quando há algum problema de espaço para a nstalação de molas helcodas. As molas a ar, ou pneumátcas, conferem maor conforto aos passageros, mas consttuem uma solução mas cara. As molas helcodas, utlzadas nos estudos do presente trabalho, podem ser classfcadas bascamente em 4 dferentes tpos: clíndrcas, mnblock, pgtal smples e duplo, e sdeload. (Fgura 2).

2 Pré-Carga A operação de pré-carga consste em enrolar a mola com uma altura lvre maor do que a desejada então se comprme a mola além do lmte de escoamento. Isso nduz tensões resduas no sentdo contráro às tensões de trabalho na mola. [6] Tratamento Superfcal Fgura 2 Tpos de molas helcodas [1] Para conferr as propredades elástcas necessáras às molas, e devdo às altas solctações que este componente sofre durante o uso, o processo de fabrcação destas peças deve garantr um alto lmte de escoamento e um alto lmte de resstênca, conferdos através de tratamento térmco de têmpera. Além dsso, para garantr a resstênca da mola aos esforços cíclcos, ela também deve ter sua superfíce tratada através de shot-peenng. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE MOLAS HELICOIDAIS Podemos dvdr o processo de fabrcação de molas helcodas da Thyssenkrupp Blsten Brasl em quatro etapas dstntas: matéra-prma, enrolamento e tratamento térmco, pré-carga e tratamento superfcal. Matéra-Prma Atualmente, é utlzado prncpalmente o materal SAE 9254 para fabrcação de molas [2]. Porém, uma sére de materas para benefcamento podem ser utlzados para este fm [3]. O materal é recebdo das usnas sderúrgcas na forma de barras redondas trefladas de dferentes btolas, com dferentes comprmentos. A estrutura do materal, nesta etapa, é bascamente perlta+ferrta bruta de lamnação a quente com posteror treflação. Enrolamento e Tratamento Térmco Já no comprmento pré-defndo, a barra é levada para o forno de austentzação. A barra então é aquecda a aproxmadamente 900º C e logo na saída do forno, é realzado o processo de enrolamento. Após o enrolamento, a mola mergu em um tanque de óleo para têmpera a aproxmadamente 70º C, sofrendo um choque térmco. Sando do tanque, a mola é conduzda para o forno de revenmento, para conclur o processo de tratamento térmco. O lmte de resstênca do materal, antes desta etapa, é de aproxmadamente 1200 MPa. O tratamento térmco de têmpera e revenmento é utlzado para elevarmos a resstênca do materal para a casa dos 1950 MPa, e transformamos a sua estrutura para 100% martensta revenda. Após o tratamento térmco, a mola segue para o processo de shot-peenng. Exstem dferentes processos de shot-peenng com a fnaldade de se nserr tensões compressvas na superfíce das peças, sob dferentes parâmetros. Em todos os casos, o processo consste no martelamento da superfíce de materal com granalha de aço, a fm de encruar e nserr tensões resduas compressvas na superfíce da peça. Após o processo de shot-peenng, o materal segue para o tratamento químco e em seguda para a câmara de pntura. A pntura, com tnta epóx, é realzada a fm de proteger o materal contra corrosão atmosférca durante o uso. PROCESSO DE SHOT-PEENING Um processo de jateamento comum consste em bombardear a superfíce de um componente a ser tratado com partículas a uma pressão controlada. Estas partículas podem ser produzdas com aço comum, aço noxdável, ferro funddo, vdro, ou materal cerâmco. [4] O ndustralmente chamado processo de shot-peenng, nada mas é do que um processo de jateamento especal, com partículas de dureza, forma, tamanho e granulometra controladas (normalmente granalha de aço esférca temperada), vsando o aumento da durabldade das peças em fadga. Cada partícula, ao chocar-se com o materal, age como um pequeno martelo, encruando a sua superfíce e gerando uma pequena camada de tensões resduas controladas. O aumento da vda em fadga se dá justamente por esta deformação plástca nduzda nesta fna camada superfcal da peça, que vara entre 3µm e aproxmadamente 2mm [5]. A vda prolongada é resultado do múltplo mpacto das esferas na superfíce do materal, que gera uma deformação plástca superfcal, e que também representa uma camada unforme de tensões resduas compressvas nesta regão. Estas tensões compressvas geradas no jateamento opõem-se às tensões de tração do carregamento externo do componente, reduzndo o nível total de tensões de tração aplcadas na superfíce do materal. Este efeto contrbu de forma postva no desempenho e na vda em servço do componente, reduz a tensão méda de fadga na superfíce e, portanto, nbe a ncação e retarda a propagação de trncas. A Fgura 3 lustra de forma esquemátca a dstrbução de tensões promovda pelo jateamento de partículas:

3 Shot Peenng Fgura 3 Dstrbução de tensões resduas produzdas por jateamento de partículas ANÁLISE DE TENSÕES As solctações em uma mola helcodal de compressão são predomnantes csalhantes em função da torção e do cortante como pode ser observado na fgura abaxo.[6] máx 8. P. D. 3. d (1) Hoje o método é aplcado em quase todos os campos de análse de engenhara. O método pode ser entenddo como a assocação de elementos de geometra smples para composção de um corpo contínuo. Isso pode ser entenddo como a assocação da matrz do elemento na matrz que corresponde ao sstema dos elementos fntos completo e a solução numérca das equações de equlíbro de sstema O resultado fnal é um processo numérco completo, mplementado no computador para solução das matrzes dos elementos. [7] A análse não lnear requer melhor precsão no comportamento estrutural. Em prmero lugar, o tpo de não lneardade envolvda deve ser determnado. Se há mudança da condção de contorno devdo ao contato durante o carregamento, o problema pode ser classfcado como um problema não lnear e pode ser requerdo um elemento de gap ou alguma superfíce de contato. A não lneardade do materal é caracterzada por mudanças nas propredades durante a smulação. Porém, o efeto da não lneardade materal pode ou não ser sgnfcante dependendo da magntude e duração do carregamento e das condções do meo. O nível de tensão antecpado sera a chave para este assunto. A não lneardade geométrca é caracterzada por grandes rotações que normalmente causam grandes deslocamentos. Intutvamente, os efetos geométrcos da não lneardade deveram ser sgnfcantes se a forma deformada da estrutura alterar a rgdez da mesma, caso comparada com a geometra na forma orgnal, sem amplar os deslocamentos. Sendo que o equlíbro entre a forma deformada pode ser expresso em relação às energas de deformação do corpo. Dessa manera esse equlíbro pode ser formulado de forma geral por: Fgura 4 Dstrbução de tensões na mola. V j Onde: j dv V b u dv S t u ds p u (2) Como a equação (1) não consdera fatores como curvatura [6] fo determnado um fator Kw para corrgr a tensão na mola. j é a tensão nterna no elemento é o ncremento de deformação. 4C Kw 4C 4 C (2) E o lado dreto da equação 2 a energa resultante das forças atuantes. Onde C é a razão entre o dâmetro médo da mola e o dâmetro da barra. ANÁLISE POR ELEMENTOS FINITOS Nas últmas décadas, o método dos elementos fntos tornou-se muto dfunddo para a resolução de problemas complexos. FADIGA Qualquer tpo de falha mecânca envolve uma nteração extremamente complexa de carga, tempo, e ambente onde se nclu temperatura e corrosão. Cargas podem ser cíclcas, constantes e varáves. As molas estão sempre sujetas a carregamento cíclco, e a processos de acúmulo de dano como

4 os processos de fadga. Em mutos casos, o número de cclos de vda requerdo pode varar de ml a város mlhões, como a mola de válvula de um motor automotvo que deve resstr a mlhões de cclos de operação sem falha, sendo projetada para vda aproxmadamente nfnta. [8] CURVA DE WÖHLER Alguns métodos são utlzados para prever o comportamento dos componentes sob fadga. Para gerar dados de fadga normalmente necessta-se executar mutos ensaos de durabldade com váras tensões alternadas e tensões médas guas a zero. Os dados obtdos destes ensaos são plotados em coordenadas logarítmcas. Esta curva é chamada S-N ou de Wöhler. A curva torna-se aproxmadamente lnear na base logarítmca como pode ser observado na fgura abaxo. O aço mola utlzado fo o SAE 9254 que possu composção químca de acordo com a Tabela I. Tabela I Composção Químca das Molas de acordo com a SAE %C %Mn %S %P %S %Cr 0,51 a 0,59 0,60 a 0,80 1,20 a 1,60 Max 0,030 Max 0,040 0,60 a 0,80 As barras foram ntroduzdas em um forno de ndução para aquecmento a uma temperatura de aproxmadamente 900ºC por um tempo prevamente defndo, sufcente para total austentzação do aço. Em seguda, as molas foram enroladas e temperadas em um tanque contendo óleo a uma temperatura de 60ºC. Após esta etapa, as molas foram conduzdas ao forno de revenmento, com posteror pré-carga. Para realzar o processo de acabamento superfcal dessas molas elas foram dvddas em três grupos com 20 molas cada um: - Grupo 1 formado com molas do processo de shot- peenng smples a temperatura ambente Fgura 5 Curva de Wöhler típca [9] Para usar a curva de Wöhler torna-se necessáro que a tensão méda atuante na peça seja gual à zero, porém há mutos componentes que trabalham em condções dferentes dessa e para este caso pode-se corrgr as tensões utlzando o crtéro de Goodman. [9] - Grupo 2 formado com molas do processo de shot-peenng duplo a temperatura ambente - Grupo 3 formado com molas do processo de shot-peenng duplo a quente. O processo de shot-peenng fo realzado em uma máquna (Fgura 6) com duplo processo sendo o prmero executado com granalhas de dâmetro 0.8 mm e o segundo com granalhas de 0.4 mm. Segundo o mesmo autor, pode-se também utlzar o fator de dano PSWT que relacona a tensão máxma e a tensão alternada atuantes no produto. PSWT = σ máxmo σ alternada (3) METODOLOGIA Para este estudo foram utlzadas 60 barras para confecção das amostras com as seguntes característcas: Comprmento da barra: 2139 mm Dâmetro da btola: 10,45 mm Fgura 6 Shot-peenng

5 O shot-peenng a quente fo realzado com o auxlo de um forno de aquecmento que manteve as molas aquecdas por 15 mnutos. Smulação numérca Para determnar as tensões na mola helcodal fo utlzado o método dos elementos fntos através do software ABAQUS. Para gerar a geometra da peça (Fgura 7), a mola fo medda utlzando o software Appled StatsTM da ASI Datamyte, de forma dscreta com ntervalos de 15. Fgura 8 Condções de contorno Ensao de Fadga Foram fxados três grupos cada qual com um processo de shot-peenng e um curso de fadga como especfcado pela tabela II: Tabela II Grupos de fadga Fgura 7 Mola sem aplcação de carga Grupo de fadga Altura máx. Altura mín. shot peenng smples 295 mm 115 mm shot peenng duplo 295 mm 115 mm shot peenng duplo a quente 295 mm 115 mm As condções de contorno do problema foram: Não há movmento de translação no plano xy da base superor e deslocamentos no exo z. Esta últma restrção é utlzada para aplcação da análse não lnear ncremental. A base nferor é engastada, não há movmento de translação e rotação. Fo mposto ao modelo um deslocamento de 258 mm. Fo condconado ao modelo o contato entre as superfíces da mola e das bases nas regões de possível contato. A partr do curso de fadga dado pela tabela II, fo realzada uma smulação numérca, onde fo encontrada a tensão máxma e a tensão mínma correspondente a altura de 115 mm e a altura de 295 mm respectvamente. O ensao de fadga fo realzado em uma máquna com bases planas paralelas com aconamento eletromecânco e movmento de translação perpendcular aos planos das bases como pode ser observado na Fgura 9. Posterormente fo confgurado o curso na máquna de fadga a qual trabalha com freqüênca de 2,5Hz. As molas foram fadgadas até o lmte de de cclos ou até a sua ruptura. A partr dessas etapas efetuou-se a análse de elementos fntos com não lneardade geométrca e de contato. (Fgura 8)

6 determnado o PSWT para a vda correspondente ao duplo shot-peenng a quente e o mesmo para shot-peenng smples. Dessa equação fo extraído o valor do PSWT correspondente ao shot-peenng duplo. Em seguda fo feta a dferença entre esse valor de PSWT para a condção de shot-peenng smples na base logarítmca. Posterormente essa dferença fo somada ao PSWT correspondente ao processo de shot-peenng duplo a quente anda na base logarítmca. Consderando que todas as molas terão a mesma vda em fadga com dferentes acabamentos superfcas fo determnado a Tabela III que evdenca a dferença de peso em função do processo de shot-peenng. Fgura 9 Máquna de ensao de fadga Como a condção de trabalho das molas helcodas de compressão são tas que sempre há tensões de torção de mesmo snal, logo a tensão méda atuante na mola durante o ensao de fadga sempre será dferente de zero. A vda da mola é função da tensão alternada e da tensão méda, e esta característca torna a análse complexa e não dreta. Deste modo é necessáro o uso de um ábaco ou um gráfco trdmensonal (Fgura 10) para realzar a análse da quantdade de cclos que a mola resstrá no ensao de fadga, para uma determnada condção de contorno. RESULTADOS Após ter sdo determnada a geometra da mola, fo gerada a malha com elementos sóldos parabólcos. Esses elementos foram consderados os que tveram melhor resposta ao modelo em função da geometra e da acuráca dos resultados. Aplcando as condções de contorno descrtas no tem Smulação Numérca foram obtdas as tensões csalhantes máxmas e mínmas como resposta ao problema. Os pontos de máxma tensão csalhante são coerentes com a lteratura evdencando a regão nterna da mola como sendo a de maor solctação. (Fgura 11 e Fgura 12) Fgura 10 Representação da vda da mola em função da tensão alternada e tensão méda Como vsto no tem Curva de Wöhler a tensão méda e a tensão alternada podem ser expressas em função de um fator de dano chamado PSWT. Fgura 11 - Mínma tensão de von Mses 659 MPa Consderando a curva número de cclos (S-N) como uma função lnear na base logarítmca cuja varável dependente seja o PSWT e utlzando essa função na condção nversa, fo

7 Tabela III - Redução de massa Processo Massa (Kg) Shot-peenng smples 2.22 Ref Duplo Shot-peenng % Duplo Shot-peenng a quente % % CONCLUSÃO Fgura 12 - Máxma tensão de von Mses 2172 MPa FADIGA De posse dos resultados de fadga fo obtda a vda méda em função do PSWT e do processo de acabamento superfcal. (Fgura 13) O uso do shot-peenng smples à temperatura ambente é conhecdo e dfunddo na produção de molas helcodas por aumentar a vda em fadga destes componentes. Porém, como pode ser observado nos resultados, exstem outros processos que podem aumentar anda mas a quantdade de cclos da peça. A vda em fadga pode dobrar quando utlzado o processo de shot-peenng duplo ou até ser aumentada em 15 vezes com o uso do shot-peenng duplo a quente. Os resultados deste trabalho possbltam aperfeçoar o projeto de suspensões, e a produzr molas mas leves com a mesma durabldade ou molas que tenham maor durabldade em fadga. AGRADECIMENTOS Fgura 13 - Vda em fadga Os autores gostaram de agradecer a todos os colegas da ThyussenKrupp Blsten Brasl pela dscussões e contrbuções ao trabalho e também aos colegas da ThyussenKrupp Blsten da Alemanha pela ajuda e partcpação na execução deste trabalho. Em especal, gostaríamos de agradecer à dreção da empresa pelo apoo no desenvolvmento deste e de outros trabalhos centífcos. Utlzando o método descrto no tem Ensao de Fadga fo determnada a redução de massa das molas em função do processo de shot-peenng utlzado. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. THYSSENKRUPP BILSTEIN BRASIL.; Apresentação Insttuconal e Catálogo de Produtos, YAMADA, Y.; Materals for Sprngs. Japan Socety of Sprngs Engneers, DIN EN10089; Hot Rolled Steels for Quenched and Tempered Sprngs, DALY, J.J.; JOHNSON, D.E.; Computer-Enhanced Shotpeenng. Advanced Materals and Processes, n.5, 1990, p WELSCH, W.; Shot-peenng Fnds Applcatons pror to Heat Treat Process. Heat Treatng, October, 1990.

8 6. WAHL, A. M., Mechancal Sprng. 2ª Ed. SMI, New York, BATHE, K.J., Fnte Element Procedures n Engneerng Analyss, New York: Prentce-Hall Enlgewood Clffs, FUCHS, H.O, STEPHENS, R.I., STEPHENS, R.R. FATERNI A. Metal Fatgue n Engneerng, 2ª Edção, Wley, LEE, YUNG-LI; Fatgue Testng and Analyss; TLFeBOOK, Oxford; 2005