Análise do comportamento das deformações e tensões do forjamento através da simulação numérica

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Análise do comportamento das deformações e tensões do forjamento através da simulação numérica

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Durante a deformação plástica de um material metálico causada pelo forjamento, os valores de deformações e tensões se comportam de forma distintas, dependendo da região analisada. Realizou-se, através da simulação numérica pelo Método dos Elementos Finitos, o ensaio de compressão em uma amostra padronizada, analisando o comportamento das deformações e das tensões. Constatou-se que as regiões de maiores valores de deformações equivalentes e de tensões na direção z foram encontradas nas regiões internas e, menores valores, nas regiões periféricas.

Experimentos práticos são largamente empregados nos estudos de forjamento em laboratórios com o propósito de estimar a força necessária para forjar os materiais, dependendo da caracterização do material e de suas dimensões, podendo requerer, relativamente, muita ou pouca força para o forjamento. A simulação numérica complementa os estudos mostrando os valores de deformações e tensões que experimentos práticos não são capazes de mostrar, pois em uma porção de matéria há diferentes valores de deformações e tensões.

Há diversos programas de simulação numérica que se diferenciam conforme  os métodos de execução e os resultados desejados. A escolha do programa adequado pode ser determinada conforme as necessidades específicas requisitadas. No forjamento, normalmente é utilizado o Método dos Elementos Finitos (FEM). Para poder operacionar o simulador, é preciso considerar os principais parâmetros e as melhores condições presentes nos programas para analisar suas influências (HARTLEY, 2006; BEDNAREK, 2008).

No programa de simulação numérica, a força é aplicada na direção de atuação da ferramenta, a qual está conectada ao atuador da prensa, causando o forjamento do material. O curso da ferramenta é dividido em estágios durante o forjamento, sendo que em quanto mais estágios for subdividido, mais informações de deformações e tensões serão fornecidas pelo programa (WANG, 2011; KOUBAAA, 2011).

Durante a aplicação de uma força mecânica em um determinado corpo, ocorrem deformações que podem se apresentar de formas diferentes dependendo da região do corpo. Tomando como base um corpo cilíndrico, apresentadas nas Figuras 1 e 2, durante sua deformação causada pela compressão, existe a região I denominada de região morta em função de não apresentar deformações significativas, a região III denominada de região de abaulamento, onde são encontradas as deformações intermediárias, e a região II onde são encontradas as deformações mais intensas (HENSEL, 1978; MARTINS, 2005).

Neste trabalho, o estudo das deformações equivalentes e das tensões na direção z tem o objetivo de identificar as diferenças entre as regiões encontradas resultantes da simulação numérica.

 

Material e Métodos

Para a realização da simulação numérica da compressão do corpo de prova, utilizou-se o software Simufact.Forming 12.0 pelo Método dos Elementos Finitos. A compressão consiste no deslocamento da ferramenta em direção ao corpo de prova e, a partir do contato entre a ferramenta e o corpo, o material é deformado até atingir 40% da altura inicial.

Os dados de entrada para a simulação numérica estão mostrados na Tabela 1. Os parâmetros térmicos, como o coeficiente de transferência de calor referente ao meio ambiente e referente à peça, foram determinados conforme estão indicados no programa. O ensaio foi procedido à temperatura ambiente, usando o aço SAE 4140 para o corpo de prova e o aço ferramenta H13 para as ferramentas.

O atrito interfacial estabelecido entre a peça de trabalho e as ferramentas, encontrado na biblioteca do software Simufact para forjamento a frio de ligas metálicas, foi de 0,3. O atrito é consideravelmente baixo, em função de se tratar de um processo de forjamento a frio, onde o coeficiente de atrito é menor comparativamente ao forjamento a quente. Para a execução da simulação computacional, foi criada uma malha no tarugo cilíndrico (Ø20 x 30 mm) com elementos finitos de 1mm, formando uma malha com 2.356 elementos finitos.

 

Resultados

Com base na simulação numérica pelo Método dos Elementos Finitos, obtiveram-se os valores das deformações equivalentes e das tensões na direção z resultantes da compressão do corpo. Em um corte longitudinal, como apresentado na Figura 3, as deformações equivalentes são mostradas diferenciando os valores conforme a tonalidade das cores.

Da mesma, forma na Figura 4, através de um corte longitudinal, é possível diferenciar a distribuição das tensões na direção z conforme a tonalidade das cores.

Observa-se que as regiões com coloração direcionadas do verde ao azul apresentam menores valores de deformações equivalentes, enquanto que as regiões com tonalidades direcionadas do verde ao amarelo apresentam maiores valores de deformações equivalentes. No resultado das tensões na direção z são apresentados valores negativos por se tratar de tensões compressivas, observando-se maior intensidade nas regiões mais azuladas.

 

Conclusão

Comparando a distribuição de deformações e tensões encontradas no embasamento teórico com os valores das deformações equivalentes e tensões na direção z resultantes da simulação numérica, observou-se que as deformações e tensões seguiram a mesma tendência, destacando maior intensidade nas regiões internas do corpo e menor intensidade nas regiões periféricas, constatando que a deformação plástica provoca um aumento na tensão normal. Contudo, constata-se que os valores obtidos pela simulação numérica são coerentes, comprovando a eficiência do uso dos programas computacionais.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem o Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), a Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e as instituições de apoio financeiro como CNPq e CAPES.

 


Referências
[1] BEDNAREK, S.; ŁUKASZEK-SOŁEK, A.; SIŃCZAK, J. Analysis of strain and stress in the lower forging limit of Ti-6Al-2Mo-2Cr titanium alloy. Archives of Civil and Mechanical Engineering, Volume 8, Issue 2, Pages 13–20, 2008;
[2] HARTLEY, P.; PILLINGER, I. Numerical Simulation of the forging process. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Volume 195, Issues 48–49, Pages 6676-6690, 2006;
[3] HENSEL, A.; SPITTEL, T.: Kraft- und Arbeitsbedarfbildsamer Formgebungsverfahren. Deutscher Verlagfür Grundstoffindustrie, Leipzig 1978;
[4] KOUBAAA, S.; OTHMANA, R., ZOUARID, B., BORGIB, S. Finite-element analysis of errors on stress and strain measurements in dynamic tensile testing of low-ductile materials. Computers and Structures. Volume 89, Issues 1–2, Pages 78–90, 2011;
[5] MARTINS, P., RODRIGUES, J. Tecnologia Mecânica. Vol 2. Capítulo 14.2: Forjamento em Matriz Aberta, p. 1-77, Lisboa: Escolar Editora, 2005;
[6] WANG Lei, JIN Wen-zhong, ZHAO De-wen, LIU Xiang-hua. Solution of rectangular bar forging with bulging of sides by strain rate vector inner-product. transactions of nonferrous metal society of china, Volume 21, Issue 6, Pages 1367–1372, 2011.

 

Fábio Junkes Corrêa
Fábio Junkes Corrêa
é professor da UTFPR, Engenheiro Mecânico e Mestre em Engenharia Metalúrgica. Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), Departamento de Metalurgia, UFRGS, Porto Alegre (RS), fabio.correa@ufrgs.br.

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