Análise das deformações e das tensões para o forjamento em matriz aberta de eixo vazado

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Análise das deformações e das tensões para o forjamento em matriz aberta de eixo vazado

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Este trabalho tem como objetivo analisar o Forjamento em Matriz Aberta (FMA) de tarugos cilíndricos com o intuito de produzir um eixo vazado através de simulações computacionais pelo Método dos Elementos Finitos (FEM). Realizaram-se simulações, utilizando o software Simufact.Forming 12.0, aplicando-se dois recalques em um tarugo cilíndrico vazado. Na simulação numérica baseada no FEM, foram obtidos os valores de distribuição de deformações e valores de distribuição de tensões para ambos os recalques. Observou-se que as regiões que apresentaram maiores concentrações de deformações equivalentes

Um dos principais processos de fabricação que produz eixos de transmissão para aerogeradores, em função de seu tamanho e massa, podendo chegar a toneladas, é o processo de forjamento em matriz aberta (FMA). Os eixos usados em aerogeradores são forjados em matriz aberta de forma maciça, porém, objetivando a redução de peso, busca-se como alternativa fabricar esses eixos de forma vazada com um furo no seu centro.

No forjamento em matriz aberta, o material é forjado de forma livre, sem ou com pouca restrição imposta pelas matrizes. Entretanto, o metal pode ser parcialmente confinado pelas matrizes, escoando livremente tanto nas direções laterais como nas direções longitudinais (IRISARRI, 2009; KCHAOU, 2010). Nesse processo, a peça de trabalho é manipulada manualmente e realizado o forjamento progressivo, onde apenas uma porção da peça é deformada com aplicação de cada golpe. Inicialmente, a peça é forjada ao longo de seu comprimento e, subsequentemente, a peça é rotacionada em torno de seu eixo longitudinal e retomados os golpes progressivos (FIA, 2007; AKSAKAL, 2008).

O forjamento em matriz aberta pode provocar uma distribuição de deformações equivalentes não homogêneas dentro da região de deformação, acarretando diferentes valores de tensões. Contudo, a deformação equivalente pode causar maiores concentrações de tensões nas direções normais (RECKER, 2011).

Os métodos analíticos podem ser empregados para analisar a distribuição de deformações e a distribuição de tensões em uma operação de forjamento em matriz aberta. Como alternativa, pode-se usar o Método dos Elementos Finitos (FEM) pela simulação numérica por fornecer informações mais detalhadas na análise do processo de forjamento, como a distribuição de deformações e tensões localizadas. Comparativamente aos métodos analíticos, os métodos numéricos mostram com maior exatidão valores de deformações equivalentes e tensões efetivas em regiões específicas. No desenvolvimento de projetos de forjamento, a simulação pelo Método dos Elementos Finitos é bastante empregada, sabendo que as propriedades mecânicas dos materiais metálicos, as quais são incorporadas na simulação numérica, são definidas a partir dos resultados de experimentos físicos (LI, 2001; KIM, 2002; KIM, 2003; LU, 2009).

Neste trabalho, um tarugo cilíndrico vazado é sujeito a aplicações de compressões localizadas, analisando-se a distribuição de deformações e a distribuição de tensões através da a simulação numérica com uso do software Simufact.Forming 12.0 no forjamento em matriz aberta.

Material e Métodos

Para avaliar a distribuição de deformações e a distribuição de tensões no forjamento foi empregada a simulação computacional utilizando o Método dos Elementos Finitos (FEM). Para a realização da simulação numérica do processo de Forjamento em Matriz Aberta, utilizou-se o software Simufact.Forming 12.0. Os componentes, incluindo o tarugo cilíndrico vazado, o mandril cônico e as matrizes planas, foram modelados por meio do software Solidworks 2012, salvos em um formato específico (extensão STL) e, subsequentemente, abertos e manipulados no software Simufact.Forming 12.0.

Para a inicialização da simulação computacional do Forjamento em Matriz Aberta do tarugo cilíndrico, foi construída uma malha com 10.950 elementos finitos, onde cada elemento que compõe a malha tem uma largura de 5 mm. Foi adotada uma malha com elementos hexaedros por ser mais adequada ao forjamento de matriz aberta. Os dados de entrada inseridos na simulação numérica são mostrados na Tabela 1. Os parâmetros térmicos, como o coeficiente de transferência de calor, foram determinados conforme estão indicados no programa e a emissividade foi alterada para 0,9 em função de ser forjamento a quente (BOHN, 2003). O material definido para o tarugo cilíndrico foi o aço AISI 4140 e o material das matrizes foi o aço ferramenta H13. A temperatura estabelecida para peça foi de 1.100°C e, para as ferramentas, uma temperatura de 30°C (temperatura ambiente).

O coeficiente de atrito estabelecido entre a peça de trabalho e as ferramentas para a realização da simulação foi de µ=0,4. O coeficiente de atrito é consideravelmente elevado, em função de ser um processo de forjamento a quente (BÖRDER, 2005).

O forjamento em matriz aberta de tarugos cilíndricos vazados de 20 kg foi simulado objetivando seu alongamento para a obtenção de um eixo vazado. A Fig. 1 mostra a representação das ferramentas e do tarugo a ser forjado antes e depois da aplicação do primeiro recalque. A Fig. 2 representa as ferramentas e o tarugo a ser forjado antes e depois da aplicação do segundo recalque.

Como observado nas Figs. 1 e 2, aplicaram-se os recalques no tarugo cilíndrico a partir da compressão causada pelas matrizes planas, ocasionando um achatamento localizado.

Resultados

Nas Figs. 3 e 4 são apresentadas a distribuição de deformações equivalentes e de tensões na direção normal, respectivamente, resultantes da simulação numérica pelo método dos elementos finitos.

Os resultados da simulação numérica possibilitam identificar de forma heterogênea tanto a distribuição de deformações equivalente como a distribuição de tensões normais na direção z, por meio da diferenciação das tonalidades das cores de cada elemento. Os valores máximos das deformações equivalentes foram encontrados nas regiões centrais do corpo forjado, evidenciando-se maior concentração nas regiões internas próximas do furo e menores concentrações nas regiões periféricas.

Em relação às tensões, além das regiões onde há o contato interfacial entre as matrizes e a peça de trabalho, também foram identificadas maiores concentrações de tensões normais na direção z nas regiões centralizadas e menores concentrações de tensões normais na direção z nas regiões periféricas, justificando que maiores valores de deformações equivalentes causam aumento das tensões normais.

Conclusão

Observou-se que as regiões que apresentaram maiores concentrações de deformações equivalentes coincidiram com as regiões que apresentaram maiores concentrações de tensões na direção z pelo software de simulação numérica, onde há valores de maiores intensidades na região central e de menores intensidades nas regiões periféricas, constatando a tendência esperada.

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] IRISARRI, A. M.; PELAYO, A. Failure analysis of an open die forging drop hammer. Engineering Failure Analysis, v. 16, p. 1727-1733, 2009;
[2] KCHAOU, M.; ELLEUCH, R.; DESPLANQUES, Y.; BOIDIN, X.; DEGALLAIX, G.: Failure mechanisms of H13 die on relation to the forging process, v. 17, Issue 2, p. 403-415, 2010;
[3] Forging Solutions: Design Engineering Information from FIA. Forging Industry Association. Reportagem técnica, 2007;
[4] AKSAKAL, B., OSMAN, F. H., BRAMLEY, A. N.: Determination of experimental axial and sideways metal flow in open die forging. Materials & Design, v. 29, Issue 3, p. 576-583, 2008;
[5] RECKER, D., FRANZKE, M., HIRT, G.: Fast models for online-optimization during open die forging. CIRP Annals – Manufacturing Technology, v. 60, Issue 1, p. 295-298, 2011;
[6] LI, G.; JINN, J. T.; WU, W. T.; OH, S. I.: Recent development and applications of three-dimensional finite element modeling in bulk forming processes. Journal of Materials Processing Technology, v. 113, Issues 1-3, p. 40-45, 2001;
[7] KIM, P. H.; CHUN, M. S.; YI, J. J.; MOON, Y. H.: Pass schedule algorithms for hot open die forging. Journal of Materials Processing Technology, v. 130–131, p. 516-523, 2002;
[8] KIM S. I.; LEE, Y.; BYON, S. M.: Study on constitutive relation of AISI 4140 steel subject to large strain at elevated temperatures. Journal of Materials Processing Technology, v. 140, Issues 1–3, p. 84-89, 2003;
[9] LU, B.; OU, H.; ARMSTRONG, C. G.; RENNIE, A.: 3D die shape optimisation for net-shape forging of aerofoil blades. Materials & Design, v. 30, Issue 7, p. 2490-2500, 2009;
[10] Wright-Patterson Air force Base, Ohio. 1955.

Este artigo teve coautoria de Lírio Schaeffer – UFRGS, Porto Alegre – Rio Grande do Sul (RS)

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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