DETERMINAÇÃO DA CURVA LIMITE DE CONFORMAÇÃO PARA ALUMÍNIO AERONÁUTICO 6061-O

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1 DETERMINAÇÃO DA CURVA LIMITE DE CONFORMAÇÃO PARA ALUMÍNIO AERONÁUTICO 606-O Sergio Eglan Netto Engenheiro - Mestrando do PPGEM da UFRGS. Rafael Crivellaro Engenheiro - Mestrando do PPGEM da UFRGS. Nixon Malveira M.Sc Eng a. DEMEC-UFPR- Doutorando do PPGEM da UFRGS. Carlos Alberto Borsoi M.Sc Eng a. - Doutorando do PPGEM da UFRGS. Lírio Schaeffer Professor Dr. Ing. - Cordenador do Laboratório de Transformação Mecânica da UFRGS. Resumo: Com a necessidade de se buscar otimizar a estrutura de aeronaves e veículos terrestres para transportes de passageiros, conservando a mesma rigidez, busca-se no contexto atual a seleção de materiais metálicos de alta resistência e com boas características de conformabilidade. Na Indústria Aeroespacial, componentes estruturais confeccionados com ligas de alumínio devem ter suas características físicas, químicas e tecnológicas conhecidas para alimentar com os resultados obtidos experimentalmente, programas de simulação numérica dedicados ao desenvolvimento de peças obtidas por processos de simulação numérica, reduzindo tempo de desenvolvimento de novas famílias de produtos (e do tempo de lançamento em um mercado altamente competitivo) e reduzindo os custos e o tempo de desenvolvimento de ferramental, obtendo-se ganhos de produtividade, devido à eliminação dos métodos de tentativa e erro. Este trabalho versa sobre a determinação da Curva Limite de Conformação (CLC) de chapas de alumínio liga 606-O utilizadas pela indústria aeronáutica, empregando espessuras diferenciadas. Para a determinação do grau de conformabilidade do material, foram feitos ensaios segundo o método Nakazima, que consiste em submeter corpos de prova com geometrias variadas estirandoos até a ruptura ou, apenas, até a estricção, com a minimização do efeito do atrito entre punção e chapa, simulando as deformações que uma chapa é submetida durante um processo real de conformação. Os ensaios realizados simulam essas deformações gerando dados que alimentam programas de simulação para a conformação de chapas, proporcionando, desta forma, informações fundamentais que servem como limite tecnológico embasando o projeto de processos de obtenção de superfícies conformadas, sem que haja estricção, pré-rupturas ou falhas catastróficas. Palavras-chaves: Conformação, Curva Limite, Alumínio Aeronáutico, Grandes Deformações.. INTRODUÇÃO Para realizar qualquer modificação na geometria de uma chapa metálica, evitando a utilização da técnica tentativa-erro, é necessário perceber e prever seu comportamento mecânico na conformação, havendo uma sensível redução de custos quando se elimina a técnica tentativa-erro.

2 Para isso, é fundamental conhecer as propriedades mecânicas de uma chapa metálica que, de antemão, já se sabe, variam com composição química do metal base; conhecer os elementos de liga, a qual tratamento térmico e processo mecânico a chapa foi submetida e também se deve conhecer a curva limite de conformação, que é um diagrama onde há a relação entre a deformação principal maior e a deformação principal menor de uma peça, quando submetida a esforços mecânicos. Não se encontram na literatura grandes informações sobre Curvas Limites de Conformação específicas para ligas de alumínio aeronáutico, por isso é necessário levantar em laboratório essas curvas. Ao levantar essa curva, cria-se uma gama de dados ou pares de deformações ϕ x ϕ, que são utilizados como limite em programas de simulação numérica, isto é, mesmo que um programa de simulação numérica apresente resultados matemáticos, sabe-se que deformações geradas por esse programa, que excedam as deformações contidas em um gráfico limite de conformação, não apresentam sentido físico algum. Fugiria do escopo deste trabalho apresentar um programa específico de simulação numérica, cabendo a possíveis trabalhos posteriores utilizar os dados contidos neste trabalho.. EMBASAMENTO TEÓRICO..Liga 606-O Há uma grande variedade de ligas de alumínio, que são classificadas em dois grandes grupos: a) Ligas conformadas mecanicamente: I - Ligas não tratáveis termicamente têm suas propriedades alteradas somente por trabalho a frio ou encruamento; II - Ligas tratáveis termicamente têm suas propriedades mecânicas melhoradas pelo tratamento de endurecimento por precipitação. b) Ligas fundidas Devido ao baixo ponto de fusão e alto ponto de ebulição, torna, tanto o alumínio puro como suas ligas, muito utilizados em peças fundidas, utilizando métodos de fundição em areia, sob pressão e de precisão. Exemplos de aplicações de ligas de alumínio: defletores de calor, refletores e luminárias, painéis decorativos, etiquetas, dissipadores de calor, isolantes térmicos, calhas, telhas, placas, barcos, câmaras frigoríficas, furgões, forros e fachadas. Acrescentar elementos-liga ao alumínio puro tem por objetivo melhorar as características mecânicas, já descritas nesse trabalho, tais características como a densidade, tensão máxima e de escoamento, o módulo de elasticidade e o alongamento máximo, são mostradas na tabela para a liga 606-O. Tabela Propriedades mecânicas da liga 606-O. Material ρ [g/cm 3 ] σ m [Mpa] σ e [MPa] E [GPa] Ag [%] AL 606 O (), AL 606 O (), ()-Fonte: Metals Handbook (990); () LdTM Ensaio de Tração. Tabela - Composição química da liga alumínio 606-O. Fonte: Metals Handbook (990). Componente Peso % Componente Peso % Componente Peso % AL 98 Fe Máx. 0.7 Si Cr Mg Ti Max. 0.5 Cu Mn Máx. 0.5 Zn Max Grandes Deformações Quando se deseja conformar um material que é sujeito a um estado complexo de tensões,

3 utiliza-se a curva de escoamento que é mostrada na figura, pois diagrama σ x ε traz boas informações válidas para o regime elástico. Figura Curva Tensão x Deformação (equivalente) verdadeira. Font: Metals Handbook (985). Para o regime plástico, ocorrem grandes deformações, pode-se utilizar a equação, como forma de aproximar a curva de escoamento na figura. σ n = C ϕ () Na equação acima, o expoente n é o grau de encruamento que varia entre 0 e, e C é constante dependente do material, ϕ é a deformação equivalente que leva em conta as deformações principais maior e menor. A equação é valida para temperatura ambiente. Figura Desenho esquemático para cálculo das deformações principais. A deformação principais maior ϕ é expressa matematicamente pela fórmula a seguir: l dl l ϕ = = ln () l l l 0 0 Na equação acima l 0 é o comprimento inicial do quadrado da figura, l é a deformação principal na direção maior de deformação. Se essa mesma fórmula for aplicada na direção perpendicular a l, isto é, na direção principal menor onde o comprimento final é l tem-se a deformação ϕ. Determina-se a deformação na espessura pela fórmula subseqüente, definida como a lei da constância de volume. ϕ + ϕ + ϕ = 0 (3) 3 Para as equações e 3, o termo ϕ é a deformação principal maior na direção do comprimento, ϕ é a deformação principal menor na direção da largura e ϕ 3 é a deformação principal na direção da espessura.

4 .3.Relação de Deformações Para determinar a estampabilidade de uma chapa, que é a capacidade de uma chapa metálica sofrer deformação sem que haja falha durante um processo real de conformação, obrigatoriamente se deve atingir a zona plástica de deformações, que tem um nível de tensões que excede a tensão de escoamento. No processo de conformação, ocorre, tanto simultaneamente como isoladamente, embutimento profundo, tração uniaxial, deformação plana, estiramento e estiramento biaxial. Para cada um dessas situações físicas é mostrada, respectivamente, a relação matemática: ϕ = ϕ (5) ϕ = ϕ (6) ϕ = 0 (7) ϕ = ϕ (8) ϕ = ϕ (9) Nas equações anteriores, o termo ϕ é a deformação principal maior na direção do comprimento e ϕ é a deformação principal menor na direção da largura..4.corpos de Prova Nakazima (968) propôs um ensaio onde se empregavam corpos de prova de seção circular com variação da geometria dos corpos de prova para levantar a CLC. A geometria proposta foi modificada por Hasek (978), empregando uma família composta de 8 corpos de prova circulares com entalhes semicirculares simétricos no blank. A confecção de famílias de corpos de prova com seção retangular, conforme descrito por Hennig (997), torna-se facilmente obtida por corte na guilhotina, com posterior fresamento em Centro de Usinagem dos raios semicirculares simétricos permitindo a redução de custos na manufatura. Na figura abaixo são descritos tais corpos de prova. Figura 3 Corpos de prova para determinar a curva limite de conformação pelo método Nakazima modificado. Unidades em mm. A pressão que o punção exerce sobre os corpos de prova durante o ensaio faz com que ocorram deformações nos mesmos, esse procedimento simula as diferentes deformações de embutimento, tração, deformação plana, estiramento e estiramento biaxial, segundo Nakazima (968)..5.Curva Limite de Conformação A Curva Limite de Conformação é um dos critérios de segurança utilizados para identificar problemas existentes ou problemas que possam existir quando uma chapa metálica é submetida a modificações específicas feitas em sua geometria inicial durante o processo de estampagem. Ferran (975), descreveu a curva limite de conformação de um material metálico como a capacidade máxima de deformação do material quando submetido a processos de conformação por estiramento, estampagem e/ou tração, para isso são feitos ensaios em laboratório com o objetivo de levantar a CLC, e comparam-se essas deformações com as sofridas pelo material durante a produção industrial. Ao realizar essa análise pode-se determinar qual tipo de combinação de

5 deformação atuou na peça conformada. CLC pode ser de dois tipos, a fratura obtida por ensaios de conformação e medindo os corpos de prova nas zonas de início de fratura ou a estricção onde são medidos pontos correspondentes ao início de estricção visível ou pontos onde apareça uma maior rugosidade. O procedimento para levantar a curva consiste, primeiramente, em traçar uma malha no corpo de prova antes de conformá-lo. Müschenborn (974) e Pinto (977), descrevem vários processos para efetuar esse traçado, os quais são citados a seguir: a) Ponta-seca; b) Tinta; c) Impressão serigráfica; d) Verniz ou resina; e) Gravação fotoquímica; f) Gravação eletroquímica. Para os ensaios realizados, o método de gravação da malha foi o eletroquímico, que tem como vantagem maior aderência ao corpo de prova e garantia de maior precisão da malha impressa. Para o presente trabalho, adotou-se geratriz com malha quadrada de lado inicial l 0 igual a,5mm. Durante a conformação, esses quadrados se deformam juntamente com o corpo de prova, uma vez que a impressão é feita por um processo eletroquímico, o que causa a deformação da malha juntamente com a chapa, e a malha acompanha a deformação do corpo de prova, deixando de ter a forma quadrática e assumindo diferentes formatos, por exemplo, retangular, ou quadrático com maiores dimensões, dependendo da geometria do corpo de prova. Caso seja utilizada malha circular, após a deformação os círculos iniciais assumem tanto a forma elíptica para deformações trativas ou de embutimento, como a forma de círculos maiores para deformações de estiramento. A medida deve ser tomada na célula por onde passa a fratura, caso se queira levantar a curva à fratura. Após a conformação, o lado maior l corresponde à direção da deformação principal maior, e o menor l, que corresponde à direção da deformação principal menor. Cria-se uma gama de dados ou pares de deformações ϕ x ϕ a qual chamamos curva limite de conformação. 3. DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO Para levantar a CLC utilizou-se o seguinte conjunto de equipamentos presentes no Laboratório de Transformação Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. a) Uma prensa hidráulica de duplo efeito da marca Dan-Presse, com capacidade de força de até 0 toneladas (6 toneladas no punção inferior); b) Um sensor de deslocamento resistivo Gefram modelo PCM 00E para medir profundidade de estampagem; c) Uma célula de carga confeccionada internamente no laboratório acoplada ao punção para medir a força de estampagem durante a conformação; d) Um sensor de pressão de óleo marca Gefram modelo TKG M M C para controlar a força do prensa chapas. Todos esses equipamentos foram conectados a um sistema de aquisição de dados composto por um conjunto de três amplificadores modelo AE 30 da marca HBM, mais uma placa de aquisição de dados DAQcard-56 ligada a um bloco de conexão CB-7 I/O por um cabo tipo PR7-30F. Esse sistema estava ligado a um computador portátil marca HP, modelo Omnibook 00, sendo feita a coleta dos dados software DIADem 6.0 Para a obtenção das curvas foi utilizado o método proposto por Nakazima (968). Usou-se como ferramenta um punção elipse rasa com 00mm de diâmetro e matriz de 00mm com quebra rugas, para evitar que o material fluísse para dentro da matriz. Para diminuir o atrito entre punção e corpo de prova, e melhor distribuir (tornar homogênea) as tensões, foi utilizado uma bolacha de polímero poliuretano PU45 de 50mm de diâmetro com 7mm de espessura.

6 Os corpos de prova foram marcados com grade quadrada de lado inicial.5mm por meio de processo eletroquímico. Cada quadrado dessa grade chama-se célula. No presente trabalho, utilizouse uma fita flexível graduada (taper plate),conforme sugerido por Klein e Cervelin (98). Esta fita teve a sua escala calibrada em um projetor de perfis, fornecendo diretamente as deformações principais ϕ e ϕ nas células. 4. RESULTADOS Para levantar cada curva foram feitas duas baterias de ensaios sendo que cada bateria tinha oito diferentes corpos de prova, chamados a, a,...b, b,...b8, o que totalizou dezesseis ensaios para cada curva. A força do prensa chapas foi ajustada em torno de 6 toneladas garantindo que o corpo de prova não escoasse. Mediu-se com auxilio da fita graduada a deformação ϕ, perpendicular à ruptura, pois sendo ϕ maior, é essa deformação que provoca a ruptura. Na direção da ruptura, perpendicular a ϕ foi medida a deformação ϕ. Com a utilização da fita, ganhou-se tempo e agilidade no processo de medição, pois foi eliminada a medição métrica de cada lado do retângulo final e o cálculo posterior, por meio da equação, da deformação principal. Tomou-se o cuidado de medir, após a conformação dos corpos de prova, as células onde havia maiores deformações principais maiores e menores correspondentes à variação do lado do quadrado inicial. Esses valores foram plotados aos pares um gráfico feito no Excel, ver figuras 4 e 5. Têm-se, nessas figuras, três nuvens de pontos, uma correspondente à ruptura, outra a estricção e outra a valores bom. É interessante salientar que nessas figuras são mostrados valores de ruptura, estricção e valores bons repetidos, por isso cada curva não tem o mesmo número de pontos. Para criar a CLC à ruptura, simplesmente criou-se um polinômio de ordem 4 com os valores obtidos posicionando-o por baixo da nuvem correspondente à ruptura, assumindo que qualquer deformação ϕ medida em uma peça maior que o valor de ϕ que caracteriza essa curva tenha atingido a ruptura. O mesmo foi feito para determinar a CLC a estricção. Esse procedimento de levantar a CLC foi proposto por Hennig (997). 0, O 0,99 mm ϕ, [-] 0,3 0, 0, Zona onde Material Falha Material não Falha 0,0-0,4-0, 0,0 0, 0,4 ϕ, [-] Ruptura Estricção Bom CLC rup CLC est Figura 4 CLC do Alumínio liga 606-O. Ensaio Nakazima, punção R50 e lubrificante PU45. As formulas 0 e descrevem, respectivamente, a relação entre ϕ e ϕ que foi utilizada para criar a curva limite à ruptura e a estricção da figura 4. ϕ = -5,0 ϕ 4 +,38 ϕ 3 + 0,770 ϕ - 0,04 ϕ + 0,96 (0)

7 ϕ = -4,78ϕ 4 +,9ϕ 3 + 0,863ϕ - 0,08 ϕ + 0,5 () Nas fórmulas 0 e, o termo ϕ é a deformação principal maior na direção do comprimento e ϕ é a deformação principal menor na direção da largura dos corpos de prova. Nas tabelas 3 e 4 são mostrados resultados correspondentes a valores de deformações que podem ser colocados num programa de simulação numérica, os quais servem como deformações limites para os resultados nele obtidos, isto é, se for feita uma simulação onde ocorra tração, deformação plana, estiramento ou estiramento biaxial garante-se que os resultados matemáticos obtidos pelo programa estejam dentro da realidade física. Tabelas 3 e 4 Valores referentes de ϕ e ϕ para ruptura e estricção que geraram as curvas das figuras 4 e 5 respectivamente ϕ ϕ ruptura ϕ estricção ϕ ϕ ruptura ϕ estricção -0,0 0,309 0,40-0,0 0,445 0,365-0,0 0,304 0,34-0,0 0,47 0,33 0,00 0,95 0,5 0,00 0,45 0,33 0,0 0,300 0,3 0,0 0,49 0,35 0,0 0,37 0,67 0,0 0,436 0,36 0,30 0,369 0,33 0,30 0,45 0,396 Nota-se nas figuras 4 e 5 uma nuvem de pontos correspondentes às medições nos corpos de prova ensaiados. Essas medições relativas à ruptura foram feitas sobre a célula onde ocorreu a ruptura, e os valores bons foram medidos em células exatamente ao lado delas. 0,5 0, O,5 mm Zona onde Material Falha ϕ, [-] 0,3 0, 0, 0,0-0,5-0,3-0, 0, 0,3 0,5 ϕ, [-] Material não Falha Ruptura Estricção Bom CLC rup CLC est Figura 5 CLC do Alumínio liga 606-O. Ensaio Nakazima, punção R50 com lubrificante PU45. Os polinômios abaixo descrevem a relação entre ϕ e ϕ que foi utilizada para criar a curva limite à ruptura e a estricção da figura 5. ϕ = -4,36ϕ 4 + 0,396ϕ 3 + 0,798ϕ - 0,038ϕ + 0,45 () ϕ = -8,87ϕ 4 + 0,78ϕ 3 +,584ϕ - 0,038ϕ + 0,33 (3) Nos polinômios anteriores, o termo ϕ é a deformação principal maior na direção do

8 comprimento e ϕ é a deformação principal menor na direção da largura dos corpos de prova. 5. CONCLUSÕES Para o caso dessa liga de alumínio, constatou-se que não há medidas de deformações correspondentes à zona de embutimento profundo, onde a deformação principal maior é igual em módulo à deformação principal menor, sendo recomendável a realização de outro ensaio, como por exemplo Swift, que é um ensaio específico para embutimento profundo, possibilitando assim confirmar se é possível para esta liga 606-O determinar deformações na zona de embutimento profundo, no lado esquerdo da curva. 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) o apoio financeiro, a Alcoa Alumínio S. A. pelo auxilio prestado para realização deste trabalho, e também aos bolsistas do LdTM, Toni Martins e Rodrigo Donni, pelo empenho ao exercer suas atividades. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Ferran, G., Ferran, E., Andrade, S. L., Costa, C. B., 975. Curvas Limites de Conformação, XXX Congresso Anual da ABM, Rio de Janeiro. Hasek, V. V., 978. Untersuchung und theoretische Beschreibung wichtiger Einfluβgröβen auf das Grenzformänderungsschaubild, Teil. Blech Rohre Profile 5. Hennig, R., 997. Vergleichende Untersuchungen zur numerischen Simulation des Tiefziehens nichtzylindrischer rotationssynnetrischer und nichtrotationssymmetrischer Teile, Dissertação de Doutorado na Universidade de Dresden, Alemanha. Klein, L.N.T., Cervelin, F., 98. Conformação de Chapas Finas, XXXVII Congresso Anual da ABM, Rio de Janeiro Metals Handbook, 990. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, Mechanical Testing - American Society for Metals (ASM), Vol., Edição 0, p - 0. Metals Handbook, 985. Sheet Formability Testing, Mechanical Testing American Society for Metals (ASM), Vol. 8, Edição 9, p Müschenborn, W., Martin Sonne, H., Meyer, L., 974. Die Formänderungsanalyse nach dem Meβrasterverfahren, Bänder Bleche Rohre, p Nakazima, K.,Kikuma,T.,Hasuka,K.,968. Study of the Formability of Steel Sheets, Yawata Technical Report, 64, p -4. Pinto, M. de C., 977. Seminário Interno do Centro de Pesquisas sobre FLD USIMINAS, Ipatinga MG.

9 DETERMINATION OF FORMING LIMITS DIAGRAM TO ALUMINUM AERONAUTIC 606-O Sergio Eglan Netto Rafael Crivellaro Nixon Malveira Carlos Alberto Borsoi Lírio Schaeffer Abstract: With the necessity of searching to optimize the structure of aircraft and automobiles vehicles to transports of passengers, being conserved the same rigidity, searches in the current context the election of metallic materials of high resistance and good characteristics of forming. In the Aerospace Industry, component structural confectioned with aluminum alloys must have its physical, chemical and technological characteristics known to feed programs of numerical simulation to the development of parts gotten by this processes, reducing time of development of new families of products (and of the time of launching in a highly competitive market) and reducing the costs and the time of tool rack development, getting itself productivity profits, due to elimination of the methods of attempt and error. This work turns on the determination of Forming Limits Diagram (FLD) of aluminum alloy 606-O used by the aeronautical industry, using differentiated thickness. For the determination of the degree of formability of the material, had been made tests according to methodology proposal for Nakazima, that it consists of submitting bodies of test with geometries varied tensile them until the rupture or, only, until the reduction of area, with the reduction of the effect of the attrition between punch and plate, simulating the deformations that a plate is submitted during a real process of conformation. The experiment simulate these deformations generating that they feed programs of simulation for the plate forming, providing, of this form, basic information that serve as technological limit basing the project of processes of attainment of conformed surfaces, without that reduction of area lead to catastrophic failures. Keywords: Forming, Limit Diagram, Aeronautic Aluminum, Large Strains.