Alisson Duarte - Dissertação de Mestrado

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica

ANLISE DE ROTA DE FABRICAO DE FIO RETANGULAR DE COBRE ELETROLTICO, COM SEO DE 3,5 x 8,8 mm, A PARTIR DE VERGALHO CILNDRICO DE DIMETRO 8,0 mm

Alisson Duarte da Silva

Belo Horizonte 2009

Alisson Duarte da Silva

ANLISE DE ROTA DE FABRICAO DE FIO RETANGULAR DE COBRE ELETROLTICO, COM SEO DE 3,5 x 8,8 mm, A PARTIR DE VERGALHO CILNDRICO DE DIMETRO 8,0 mm

Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2009

Alisson Duarte da Silva

ANLISE DE ROTA DE FABRICAO DE FIO RETANGULAR DE COBRE ELETROLTICO, COM SEO DE 3,5 x 8,8 mm, A PARTIR DE VERGALHO CILNDRICO DE DIMETRO 8,0 mm

Dissertao apresentada ao Curso de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

Orientador: Professor Doutor Haroldo Bria Campos Co-Orientador: Professor Doutor Paulo Roberto Cetlin rea de concentrao: Processos de Fabricao

Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2009

Dedico a minha me, Lana, pela compreenso e apoio incondicional em todas as etapas de minha vida.

Aos meus irmos, Alex e Adriano, que nunca hesitaram nem hesitaro em estender a mo.

AGRADECIMENTOS

Ao mais que Orientador, ao amigo e companheiro Professor Doutor Haroldo Bria Campos, pela orientao e dedicao durante todo o trabalho.

Ao Professor Doutor Paulo Roberto Cetlin, Co-Orientador de papel importantssimo no direcionamento do trabalho, por acreditar e incentivar este Engenheiro neste grande desafio.

Ao Mestre Roberto de Souza Oliveira, pela ateno e apoio durante o desenvolvimento deste trabalho, alm de viabilizar o contato junto Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil.

Ao Doutor Frederico de Castro Magalhes, pela auxlio na aplicao do mtodo dos elementos finitos e nas simulaes numricas realizadas.

Aos professores do Departamento de Engenharia Mecnica da UFMG, que me auxiliaram nas decises e caminhos tomados nesta minha trajetria.

A minha famlia, Alex, Adriano e Paulera, pelo simples fato de serem parte do meu lar, do porto seguro no qual eu me fortaleo para enfrentar a todos os desafios a que me disponho a vencer.

Ao meu pai Laerte, por estar sempre disposio na figura tambm de amigo.

A minha namorada Letcia, por estar presente em momentos importantes da minha vida, e a sua me Maria Tereza, pelo apoio e incentivo.

Aos meus amigos pelos momentos de fora e compreenso, importantes durante todo o processo de concentrao no meu objetivo proposto.

A todos aqueles que contriburam direta ou indiretamente para em diversos aspectos deste trabalho.

E, por fim, o meu agradecimento especial a minha me Lana, que sempre lutou pela minha formao, sempre me apoiou em minhas decises, que sempre comemorou as minhas vitrias e que continua ao meu lado sempre.

viii

RESUMO

A fabricao do fio de cobre eletroltico retangular para utilizao como componente na montagem de transformadores eltricos realizada hoje na Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil Ltda, tipicamente, a partir de um vergalho de seo circular. O processo de fabricao mais empregado para a obteno do componente composto por laminao a frio e trefilao. O presente trabalho prope estudar rotas alternativas para a fabricao do fio retangular de cobre, alm de buscar entender a influncia dos diversos parmetros envolvidos nestas novas rotas, bem como dimenso da matria prima e formas das matrizes utilizadas na conformao mecnica. O estudo baseia-se na prtica da simulao numrica dos processos propostos com base no Mtodo dos Elementos Finitos atravs do software Deform 3D. A reviso bibliogrfica busca caracterizar de forma completa a matria prima a ser utilizada, apresentar os conceitos sobre o processo de fabricao por trefilao, detalhar o processo de fabricao empregado na Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil Ltda e discutir conceitos bsicos sobre o mtodo dos elementos finitos. A metodologia apresenta os sistemas propostos para a realizao do estudo de diferentes rotas de fabricao do fio de cobre retangular, bem como os componentes utilizados em cada processo. Os resultados para cada sistema so analisados e comparados, considerando-se a tenso efetiva e a deformao efetiva sobre o material processado e principalmente as caractersticas dimensionais dos perfis obtidos. Conclui-se o trabalho definindo-se o melhor processo e os melhores parmetros estudados para a fabricao do fio retangular de cobre. So sugeridos trabalhos a serem realizados a partir do presente estudo.

Palavras-chaves: Cobre Eletroltico, Fio de Cobre, Conformao Mecnica, Trefilao, Mtodo dos Elementos Finitos.

ix

ABSTRACT

The electrolytic copper rectangular wire production in order to use it as an electric transformer component is nowadays processed at Toshiba Transmission and Distribution of Brazil Ltda (Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil), typically, using a circular wire row material. The typical manufacturing process is composed for cold rolling and drawing. This job proposes studding new routes to produce the copper rectangular wire and to understand involved parameters influence of these new routes, like row material dimension and matrices shapes used at the forming. The study is done trough numeric simulations based on the Finite Element Method, using the software Deform 3D. The revision of the chosen bibliography, in this resent study, presents row material characteristics, drawing process concepts, Toshiba Transmission and Distribution of Brazil Ltda process details and basic concepts on Finite Element Method (FEM). The methodology presents proposed systems to make the studies of different rectangular copper wire manufacturing routes, as well the used components on each analyzed process. The results for each system are analyzed and compared, considering stress effective and strain effective on processed material and mainly output material dimensional characteristics. It`s finished concluding the better process and betters parameters studied for producing the rectangular electrolytic copper wire. It`s suggested works based on this study.

Keywords: Electrolytic Copper, Copper Wire, Forming, Drawing, Finite Element Method (FEM).

x

SUMRIO

Resumo Abstract Lista de Figuras Lista de Tabelas Anexos

1. INTRODUO............................................................................................. 1 1.1. Contexto............................................................................................. 1 1.2. Objetivos do Trabalho...................................................................... 2

1.3. Contedo............................................................................................ 3

2. REVISO BIBLIOGRFICA....................................................................... 2.1. A matria prima.................................................................................

4 4

2.1.1. O cobre eletroltico.................................................................... 4 2.1.2. Caractersticas dimensionais e mecnicas da matria

prima......................................................................................... 7 2.2. Trefilao........................................................................................... 2.2.1. O processo............................................................................... 10 10

2.2.2. Fieira......................................................................................... 11 2.2.3. Deformao durante a trefilao.............................................. 13

2.3. O produto arame retangular de cobre............................................. 15 2.3.1. O processo atual de fabricao dos fios retangulares de cobre eletroltico....................................................................... 2.3.2. As tolerncias do produto......................................................... 15 19

2.4. O mtodo dos elementos finitos...................................................... 20

xi

3. METODOLOGIA.......................................................................................... 22 3.1. Desenvolvimento do trabalho.......................................................... 3.2. Parmetros para a simulao.......................................................... 3.2.1. O material................................................................................. 22 23 23

3.2.2. Parmetros de processo........................................................... 25 3.2.3. Tratamento da matria prima................................................... 3.2.4. Anlise dos resultados............................................................. 3.3. Simulao numrica para a verificao das principais falhas utilizando apenas um passe de reduo........................................ 3.3.1. Sistema proposto para a simulao com um passe de reduo..................................................................................... 28 3.3.2. Geometrias empregadas na simulao com um passe de reduo..................................................................................... 30 3.4. Simulao numrica para a verificao do comportamento do material sob conformao mecnica com espessura final definida sem restrio lateral........................................................... 31 3.4.1. Sistema proposto para conformao mecnica com 31 27 25 26

espessura final definida............................................................ 3.4.2. Geometrias empregadas na simulao da conformao

mecnica com espessura final definida.................................... 33 3.5. Simulao numrica utilizando dois passes de trefilao............ 34 3.5.1. Sistema proposto para a trefilao do primeiro passe............. 3.5.2. Geometrias empregadas na simulao do primeiro passe...... 35 36

3.5.3. Sistema proposto para a trefilao do segundo passe............. 36 3.5.4. Geometrias empregadas na simulao do segundo passe...... 37 3.6. Simulao numrica utilizando dois passes com perfil curvo no primeiro passe................................................................................... 37

xii

3.6.1. Sistema proposto para a trefilao do primeiro passe com perfil modificado........................................................................ 37 3.6.2. Geometrias empregadas na simulao do primeiro passe com perfil modificado................................................................ 40 3.6.3. Sistema proposto para a trefilao do segundo passe............. 41 3.6.4. Geometrias empregadas na simulao do segundo passe..... 3.7. Simulao numrica utilizando uma fieira no-convencional...... 3.7.1. Sistema proposto para o processo com a fieira noconvencional............................................................................. 41 3.7.2. Geometrias empregadas na simulao do primeiro passe com a fieira no-convencional.................................................. 3.8. Simulao numrica utilizando vergalho com dimetro 9 mm...................................................................................................... 3.8.1. Sistema proposto para processo com vergalho de dimetro 9 mm......................................................................................... 45 3.8.2. Geometrias empregadas na simulao com vergalho de dimetro 9 mm.......................................................................... 46 44 43 41 41

4. APRESENTAO E DISCUSSO DOS RESULTADOS..........................

47

4.1. Anlise da simulao numrica em passe nico........................... 47 4.1.1. Vergalho com dimetro de 8 mm e fieira com 9 de semingulo....................................................................................... 4.1.2. Vergalho com dimetro de 8 mm e fieira com 4 de semingulo....................................................................................... 4.1.3. Relacionando os resultados..................................................... 4.2. Anlise da simulao numrica de conformao mecnica com espessura final definida........................................................... 56 51 52 47

xiii

4.2.1. Vergalho com 6 mm de dimetro e matriz com 4 de semingulo....................................................................................... 4.2.2. Vergalho com 6 mm de dimetro e matriz com 6 de semingulo....................................................................................... 4.2.3. Vergalho com 6 mm de dimetro e matriz com 8 de semingulo....................................................................................... 4.2.4. Vergalho com 7 mm de dimetro e matriz com 4 de semingulo....................................................................................... 4.2.5. Vergalho com 7 mm de dimetro e matriz com 6 de semingulo....................................................................................... 4.2.6. Vergalho com 7 mm de dimetro e matriz com 8 de semingulo....................................................................................... 4.2.7. Vergalho com 8 mm de dimetro e matriz com 4 de semingulo....................................................................................... 4.2.8. Vergalho com 8 mm de dimetro e matriz com 6 de semingulo....................................................................................... 4.2.9. Vergalho com 8 mm de dimetro e matriz com 8 de semingulo....................................................................................... 4.2.10. Relacionando os resultados................................................... 4.3. Anlise da simulao numrica de processo com dois passes................................................................................................ 4.3.1. Primeiro passe com espessura de 4,0 mm.............................. 4.3.2. Segundo passe para o processo com espessura 79 80 77 77 68 69 67 65 64 62 61 59 58 56

intermediria de 4,0 mm........................................................... 4.3.3. Primeiro passe com espessura de 4,5 mm.............................. 4.3.4. Segundo passe para o processo com espessura

intermediria de 4,5 mm...........................................................

81

xiv

4.3.5. Primeiro passe com espessura de 5,0 mm.............................. 4.3.6. Segundo passe para o processo com espessura

83

intermediria de 5,0 mm........................................................... 4.3.7. Relacionando os resultados..................................................... 4.4. Anlise da simulao numrica de processo com dois passes e fieira curva no primeiro passe......................................................... 4.4.1. Primeiro passe com curva de raio 4,5 mm............................... 4.4.2. Segundo passe para o processo com fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe.............................................................. 4.4.3. Primeiro passe com curva de raio 9,0 mm............................... 4.4.4. Segundo passe para o processo com fieira curva de raio 9,0 mm no primeiro passe.............................................................. 4.4.5. Relacionando os resultados..................................................... 4.5. Anlise da simulao com fieira no-convencional......................

84 85

91 92

93 94

96 97 102

4.6. Anlise da simulao numrica com vergalho de 9 mm............. 106 4.6.1. Primeiro passe com espessura de 5,0 mm.............................. 4.6.2. Segundo passe para o processo com espessura 107 108 106

intermediria de 5,0 mm........................................................... 4.6.3. Primeiro passe com curva de raio 4,5 mm............................... 4.6.4. Segundo passe para o processo com fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe.............................................................. 4.6.5. Relacionando os resultados.....................................................

110 111

5. CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS.......... 5.1. Concluses........................................................................................ 5.2. Sugestes para trabalhos futuros...................................................

119 119 121

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS...........................................................

122

xv

7. ANEXOS...................................................................................................... 125 ANEXO A Figuras de anlise da simulao numrica da Etapa 1........... 126 ANEXO B Figuras de anlise da simulao numrica da Etapa 2........... 127 ANEXO C Figuras de anlise da simulao numrica da Etapa 3........... 133 ANEXO D Figuras de anlise da simulao numrica da Etapa 4........... 137 ANEXO E Figuras de anlise da simulao numrica da Etapa 5........... ANEXO F Figuras de anlise da simulao numrica da Etapa 6........... 140 141

xvi

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Figura 2.2.

Embalagem da matria prima - vergalho de cobre eletroltico.. Ensaio de trao no vergalho de cobre com dimetro de 8 mm Tenso x deformao efetivas na regio de deformao uniforme......................................................................................

8

8

Figura 2.3.

Representao esquemtica de um processo de trefilao de barras.......................................................................................... 9 10 12

Figura 2.4. Figura 2.5. Figura 2.6.

Esquema de uma mquina de trefilar com bloco rotativo........... Desenho da uma fieira em corte................................................. Representao esquemtica dos esforos presentes no processo de trefilao.................................................................

13 14 15

Figura 2.7. Figura 2.8. Figura 2.9.

Esquematizao da deformao durante a trefilao................. Idealizao do processo de gerao de rupturas centrais.......... Esquema do processo de fabricao do fio de cobre retangular realizado na TTDB......................................................................

16

Figura 2.10.

Seo transversal do perfil: (a) matria prima, (b) perfil laminado e (c) perfil trefilado....................................................... 17

Figura 2.11. Figura 2.12. Figura 3.1. Figura 3.2. Figura 3.3.

Processo de laminao da TTDB................................................ 17 Processo de trefilao na TTDB................................................. Dimenses do (a) vergalho e do (b) produto final..................... Aspecto fsico da (a) matria prima e do (b) produto final.......... Grfico tenso x deformao para o comportamento plstico do material a ser simulado.......................................................... 24 18 22 22

Figura 3.4.

Geometria simtrica discretizada em pequenos elementos........ 25

xvii

Figura 3.5. Figura 3.6. Figura 3.7. Figura 3.8. Figura 3.9.

Etapas definidas para a realizao das simulaes numricas..

27

Geometria simtrica discretizada em pequenos elementos........ 28 Dimenses da matriz de trefilao com semi-ngulo de 9........ Dimenses da matriz de trefilao com semi-ngulo de 4........ Vista frontal mostrando a relao de simetria para a (a) matriz e para o (b) material de trabalho................................................. 30 29 29

Figura 3.10.

Sistema de montagem para o incio do processo de simulao em relao (a) vista frontal e (b) vista em perspectiva.......... 30

Figura 3.11.

Perspectiva dimtrica da matriz aberta lateralmente com um semi-ngulo de 4........................................................................ 32

Figura 3.12.

Dimenses das matrizes para simulao de conformao mecnica unidirecional com semi-ngulo de (a) 4, (b) 6 e (c) 8 e (d) espessura imposta pela matriz....................................... 32

Figura 3.13.

Variao dimensional das geometrias a serem utilizadas na simulao unidirecional: vergalho com (a) 6 mm de dimetro, (b) 7 mm de dimetro e (c) 8 mm de dimetro............................ 33

Figura 3.14.

Vista frontal mostrando a relao de simetria para a (a) matriz e para o (b) material de trabalho................................................. 34

Figura 3.15.

Sistema de montagem para o incio do processo de simulao em relao (a) vista frontal e (b) vista em perspectiva.......... 34

Figura 3.16.

Dimenses das matrizes para o primeiro passe com semingulo de 8 espessura de sada de (a) 4,0 mm, (b) 4,5 mm e (c) 5,0 mm. Matriz em perspectiva isomtrica............................. 35

Figura 3.17.

Dimenses da fieira a ser utilizada no segundo passe da simulao com 2 passes............................................................. 36 38

Figura 3.18.

Matriz genrica para o primeiro passe........................................

xviii

Figura 3.19. Figura 3.20. Figura 3.21. Figura 3.22.

Perspectiva dimtrica da matriz de perfil modificado..................

38

Dimenses da matriz com perfil modificado de raio 4,5 mm....... 39 Dimenses da matriz com perfil modificado de raio 9 mm.......... 39 Vista frontal mostrando a relao de simetria para a (a) matriz de perfil modificado e para o (b) material de trabalho................. 40

Figura 3.23.

Sistema de montagem para o incio do processo de simulao do primeiro passe em relao (a) vista frontal e (b) vista em perspectiva.................................................................................. 40 42 43

Figura 3.24. Figura 3.25. Figura 3.26.

Fieira curva para passe nico..................................................... Dimenses da matriz com faces laterais curvas......................... Vista frontal mostrando a relao de simetria para a (a) matriz de faces laterais curvas e para o (b) material de trabalho..........

44

Figura 3.27.

Sistema de montagem para o incio do processo de simulao utilizando fieira com faces laterais curvas em relao (a) vista frontal e (b) vista em perspectiva..................................... 44 45

Figura 3.28. Figura 4.1.

Seo transversal da matria prima a ser simulada................... Deformao efetiva ocorrida no vergalho com dimetro 8 mm e semi-ngulo de contato da fieira de 9.....................................

48

Figura 4.2.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho com dimetro 8 mm e semi-ngulo de contato da fieira de 9 na regio da ocorrncia da conformao......................................................... 49

Figura 4.3.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho com dimetro 8 mm e semi-ngulo de contato da fieira de 9 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 49

xix

Figura 4.4.

Fora sobre a fieira de semi-ngulo 9 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 8 mm.............................................................................................. 50

Figura 4.5.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com dimetro 8 mm em uma fieira com 9 de semingulo de contato........................................................................ 51

Figura 4.6.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com dimetro 8 mm em uma fieira com 4 de semingulo de contato........................................................................ 52

Figura 4.7.

Distribuio da tenso efetiva sobre o material durante a trefilao para o processo de passe nico.................................. 53

Figura 4.8.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo em passe nico............................................................................................ 55

Figura 4.9.

Relao entre o dimensional obtido pelo processo em passe nico e o semi-ngulo de contato da trefila................................. 55

Figura 4.10.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 6 mm de dimetro em uma matriz com 4 de semi-ngulo de contato............................................................... 58

Figura 4.11.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 6 mm de dimetro em uma matriz com 6 de semi-ngulo de contato............................................................... 59

Figura 4.12.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 6 mm de dimetro em uma matriz com 8 de semi-ngulo de contato............................................................... 61

Figura 4.13.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 7 mm de dimetro em uma matriz com 4 de semi-ngulo de contato............................................................... 62

xx

Figura 4.14.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 7 mm de dimetro em uma matriz com 6 de semi-ngulo de contato............................................................... 64

Figura 4.15.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 7 mm de dimetro em uma matriz com 8 de semi-ngulo de contato............................................................... 65

Figura 4.16.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 8 mm de dimetro em uma matriz com 4 de semi-ngulo de contato............................................................... 66

Figura 4.17

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 8 mm de dimetro em uma matriz com 6 de semi-ngulo de contato............................................................... 68

Figura 4.18.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com 8 mm de dimetro em uma matriz com 8 de semi-ngulo de contato............................................................... 69

Figura 4.19.

Distribuio da tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 6 mm durante a trefilao para o processo com espessura final definida........................................................................................ 70

Figura 4.20.

Distribuio da tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 7 mm durante a trefilao para o processo com espessura final definida........................................................................................ 70

Figura 4.21.

Distribuio da tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 8 mm durante a trefilao para o processo com espessura final definida........................................................................................ 72

Figura 4.22.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo de espessura definida com vergalho de dimetro 6 mm................ 73

xxi

Figura 4.23.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo de espessura definida com vergalho de dimetro 7 mm................ 74

Figura 4.24.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo de espessura definida com vergalho de dimetro 8 mm................ 74

Figura 4.25.

Relao entre o dimensional obtido pelo processo de espessura definida a partir do vergalho de dimetro 6 mm e o semi-ngulo de contato da trefila................................................ 75

Figura 4.26.

Relao entre o dimensional obtido pelo processo de espessura definida a partir do vergalho de dimetro 7 mm e o semi-ngulo de contato da trefila................................................ 76

Figura 4.27

Relao entre o dimensional obtido pelo processo de espessura definida a partir do vergalho de dimetro 8 mm e o semi-ngulo de contato da trefila................................................ 76

Figura 4.28.

Dimensional do perfil de sada para o primeiro passe com espessura de 4,0 mm.................................................................. 78

Figura 4.29.

Dimensional do perfil de sada do segundo passe para o processo de espessura intermediria de 4,0 mm........................ 80

Figura 4.30.

Dimensional do perfil de sada para o primeiro passe com espessura de 4,5 mm.................................................................. 81

Figura 4.31.

Dimensional do perfil de sada do segundo passe para o processo de espessura intermediria de 4,5 mm........................ 82

Figura 4.32.

Dimenses do perfil de sada para o primeiro passe com espessura de 5,0 mm.................................................................. 84

Figura 4.33.

Dimenses do perfil de sada do segundo passe para o processo de espessura intermediria de 5,0 mm........................ 85

xxii

Figura 4.34.

Distribuio da tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 8 mm no primeiro passe do processo em 2 passes....................... 86

Figura 4.35.

Distribuio da tenso efetiva sobre o material no segundo passe do processo em 2 passes................................................. 86

Figura 4.36.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo de espessura intermediria de 4,0 mm............................................ 88

Figura 4.37.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo de espessura intermediria de 4,5 mm............................................ 89

Figura 4.38.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo de espessura intermediria de 5,0 mm............................................ 89

Figura 4.39.

Relao entre as dimenses obtidas no primeiro passe para diferentes espessuras intermedirias.......................................... 90

Figura 4.40.

Relao entre as dimenses obtidas no segundo passe para diferentes espessuras intermedirias.......................................... 90

Figura 4.41.

Dimenses do perfil de sada para o primeiro passe com curva de raio 4,5 mm............................................................................. 93

Figura 4.42

Dimenses do perfil de sada para o segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe............................ 94

Figura 4.43.

Dimenses do perfil de sada para o primeiro passe com curva de raio 9,0 mm............................................................................. 96

Figura 4.44.

Dimenses do perfil de sada para o segundo passe aps a fieira curva de raio 9,0 mm.......................................................... 97

Figura 4.45.

Distribuio da tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 8 mm no primeiro passe com fieira no-convencional................... 98

xxiii

Figura 4.46.

Distribuio da tenso efetiva sobre o material no segundo passe do processo com fieira no-convencional no primeiro passe........................................................................................... 98

Figura 4.47.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo com a fieira com raio de 4,5 mm da curva...................................................... 100

Figura 4.48.

Relao entre a tenso no ponto crtico da conformao e a deformao sofrida pelo material para o processo com a fieira com raio de 9,0 mm da curva...................................................... 101

Figura 4.49.

Relao entre as dimenses obtidas no primeiro passe dos processos com fieira no-convencional...................................... 101

Figura 4.50.

Relao entre as dimenses obtidas no segundo passe dos processos com fieira no-convencional no primeiro passe......... 102

Figura 4.51.

Progresso do processo de trefilao em passe nico com fieira no-convencional................................................................ 103

Figura 4.52.

Dimensional do perfil de sada para a conformao do vergalho com dimetro 8 mm em uma fieira curva................... 104

Figura 4.53.

Dimensional do perfil de sada sobre o vergalho de dimetro 9 mm para o primeiro passe com espessura de 5,0 mm............ 107

Figura 4.54.

Dimensional do perfil de sada sobre o vergalho de dimetro 9 mm para o segundo passe com espessura intermediria de 5,0 mm......................................................................................... 108

Figura 4.55.

Dimenses do perfil de sada para o primeiro passe com curva de raio 4,5 mm sobre o vergalho de dimetro 9 mm................. 109

Figura 4.56.

Dimenses do perfil de sada para o segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe sobre o vergalho de dimetro 9 mm....................................................... 111

xxiv

Figura 4.57

Distribuio da tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no primeiro passe................................................................. 113

Figura 4.58.

Distribuio da tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no segundo passe................................................................ 113

Figura 4.59.

Relao

entre

a

tenso

efetiva

no

ponto

crtico

da

conformao e a deformao efetiva sobre o material para o processo com espessura intermediria de 5,0 mm a partir do vergalho de dimetro 9 mm....................................................... 114 Figura 4.60. Relao entre a tenso efetiva no ponto crtico da

conformao e a deformao efetiva sobre o material para o processo com espessura intermediria de 4,0 mm a partir do vergalho de dimetro 9 mm....................................................... 115 Figura 4.61. Relao entre as dimenses obtidas no primeiro passe dos processos para vergalho de dimetro 9 mm............................. Figura 4.62. Relao entre as dimenses obtidas no segundo passe dos processos para vergalho de dimetro 9 mm............................. Figura 4.63. Relao entre as dimenses finais obtidas para processos de espessura intermediria de 5,0 mm utilizando vergalhes de dimetro 8 e 9 mm....................................................................... 117 Figura 4.64. Relao entre as dimenses finais obtidas para processos de espessura intermediria mnima de 5,0 mm, com curva de raio 4,5 mm, utilizando vergalhes de dimetro 8 e 9 mm................. 118 Figura A.1. Regies de deformao efetiva ocorrida no vergalho com dimetro 8 mm e semi-ngulo de contato da fieira de 4............ Figura A.2. Regies de tenso efetiva sobre o vergalho com dimetro 8 mm e semi-ngulo de contato da fieira de 4 na regio da ocorrncia da conformao......................................................... 126 126 116 116

xxv

Figura A.3.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho com dimetro 8 mm e semi-ngulo de contato da fieira de 4 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da conformao......................... 126

Figura A.4.

Fora sobre a fieira de semi-ngulo 4 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 8 mm............................................................................................... 126

Figura B.1.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4..... 127

Figura B.2.

Regies de Tenso efetiva sobre o material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4 na ocorrncia da deformao.................................................................................. 127

Figura B.3

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 127

Figura B.4.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 4 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 6 mm............................................................................. 127

Figura B.5.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6..... 127

Figura B.6.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 127

Figura B.7.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 128

Figura B.8.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 6 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 6 mm............................................................................. 128

xxvi

Figura B.9.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8................................................................................................. 128

Figura B.10.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 128

Figura B.11.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 6 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 128

Figura B.12.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 8 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 6 mm............................................................................. 128

Figura B.13.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4..... 129

Figura B.14.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 129

Figura B.15.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 129

Figura B.16.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 4 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 7 mm............................................................................. 129

Figura B.17.

Regio de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6..... 129

Figura B.18.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 129

xxvii

Figura B.19.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 130

Figura B.20.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 6 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 7 mm............................................................................. 130

Figura B.21.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8..... 130

Figura B.22.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 130

Figura B.23.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 7 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 130

Figura B.24.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 8 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 7 mm............................................................................. 130

Figura B.25.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4..... 131

Figura B.26.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 131

Figura B.27.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 4 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 131

Figura B.28.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 4 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 8 mm............................................................................. 131

xxviii

Figura B.29.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6..... 131

Figura B.30.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 131

Figura B.31.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 6 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 132

Figura B.32.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 6 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 8 mm............................................................................. 132

Figura B.33.

Regies de deformao efetiva ocorrida no material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8..... 132

Figura B.34.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8 na regio da ocorrncia da deformao........................................................... 132

Figura B.35.

Regies de tenso efetiva sobre o material com dimetro de 8 mm e semi-ngulo de contato da matriz de 8 no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao........................... 132

Figura B.36.

Fora sobre a matriz de semi-ngulo 8 na direo da trefilao realizada pela trao do quarto do vergalho de dimetro 8 mm............................................................................. 132

Figura C.1.

Regies de deformao efetiva no primeiro passe para espessura de 4,0 mm.................................................................. 133

Figura C.2.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe para espessura de 4,0 mm.................................................................................... 133

xxix

Figura C.3.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe para espessura de 4,0 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao.................................................................................. 133

Figura C.4.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao do quarto do vergalho para o processo com espessura intermediria de 4,0 mm............................................................................................... 133

Figura C.5.

Regies de deformao efetiva no segundo passe aps espessura intermediria de 4,0 mm............................................ 133

Figura C.6.

Regies de tenso efetiva no segundo passe a partir da espessura intermediria de 4,0 mm............................................ 133

Figura C.7.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho para o segundo passe do processo com espessura intermediria de 4,0 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao......... 134

Figura C.8.

Regies de deformao efetiva no primeiro passe para espessura de 4,5 mm.................................................................. 134

Figura C.9.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe para espessura de 4,5 mm.................................................................................... 134

Figura C.10.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe para espessura de 4,5 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao.................................................................................. 134

Figura C.11.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao do quarto do vergalho para o processo com espessura intermediria de 4,5 mm............................................................................................... 134

Figura C.12.

Regies de deformao efetiva no segundo passe aps espessura intermediria de 4,5 mm............................................ 134

Figura C.13.

Regies de tenso efetiva no segundo passe a partir da espessura intermediria de 4,5 mm............................................ 135

xxx

Figura C.14.

Tenso efetiva sobre o vergalho para o segundo passe do processo com espessura intermediria de 4,5 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao................... 135

Figura C.15.

Regies de deformao efetiva no primeiro passe para espessura de 5,0 mm.................................................................. 135

Figura C.16.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe para espessura de 5,0 mm.................................................................................... 135

Figura C.17.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe para espessura de 5,0 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao.................................................................................. 135

Figura C.18.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao do quarto do vergalho para o processo com espessura intermediria de 5,0 mm............................................................................................... 135

Figura C.19.

Regies de deformao efetiva no segundo passe aps espessura intermediria de 5,0 mm............................................ 136

Figura C.20.

Tenso efetiva no segundo passe a partir da espessura intermediria de 5,0 mm.............................................................. 136

Figura C.21.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho para o segundo passe do processo com espessura intermediria de 5,0 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao......... 136

Figura D.1.

Deformao efetiva no primeiro passe com curva de raio 4,5 mm............................................................................................... 137

Figura D.2.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe com curva de raio 4,5 mm......................................................................................... 137

Figura D.3.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe com curva de raio 4,5 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao.................................................................................. 137

xxxi

Figura D.4.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao da quarta parte do vergalho para o processo em dois passes com matriz curva de raio 4,5 mm no primeiro passe..................................... 137

Figura D.5.

Regies de deformao efetiva no segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe..................................... 137

Figura D.6.

Regies de tenso efetiva no segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe..................................... 137

Figura D.7.

Regies de tenso efetiva no segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao...................................... 138

Figura D.8.

Regies de deformao efetiva no primeiro passe com curva de raio 9,0 mm............................................................................. 138

Figura D.9.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe com curva de raio 9,0 mm......................................................................................... 138

Figura D.10.

Regies de tenso efetiva no primeiro passe com curva de raio 4,5 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao.................................................................................. 138

Figura D.11.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao da quarta parte do vergalho para o processo em dois passes com matriz curva de raio 9,0 mm no primeiro passe..................................... 138

Figura D.12.

Regies de deformao efetiva no segundo passe aps a fieira curva de raio 9,0 mm no primeiro passe..................................... 138

Figura D.13.

Regies de tenso efetiva no segundo passe aps a fieira curva de raio 9,0 mm no primeiro passe..................................... 139

Figura D.14.

Regies de tenso efetiva no segundo passe aps a fieira curva de raio 9,0 mm no primeiro passe no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao...................................... 139

xxxii

Figura E.1.

Regies de deformao efetiva ocorrida no vergalho com dimetro 8 mm com a fieira curva............................................... 140

Figura E.2.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho com dimetro 8 mm com fieira curva.................................................................... 140

Figura E.3.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho com dimetro 8 mm e semi-ngulo de contato da fieira de 4com fieira curva no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da conformao....... 140

Figura E.4.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao da quarta parte do vergalho para o processo com matriz no-convencional..... 140

Figura F.1.

Regies de deformao efetiva Sobre o vergalho de dimetro 9 mm no primeiro passe para espessura de 5,0 mm.................. 141

Figura F.2.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no primeiro passe para espessura de 5,0 mm..................... 141

Figura F.3.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no primeiro passe para espessura de 5,0 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao................... 141

Figura F.4.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao do quarto do vergalho de dimetro 9,0 mm para o processo com espessura intermediria de 5,0 mm.............................................................. 141

Figura F.5.

Regies de deformao efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no segundo passe para espessura intermediria de 5,0 mm............................................................................................... 141

Figura F.6.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no segundo passe a partir da espessura intermediria de 5,0 mm......................................................................................... 141

xxxiii

Figura F.7.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm para o segundo passe do processo com espessura intermediria de 5,0 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao..... 142

Figura F.8.

Regies de deformao efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no primeiro passe com curva de raio 4,5 mm................... 142

Figura F.9.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no primeiro passe com curva de raio 4,5 mm...................... 142

Figura F.10.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no primeiro passe com curva de raio 4,5 mm no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao................... 142

Figura F.11.

Fora sobre a matriz em funo da trefilao da quarta parte do vergalho de dimetro 9,0 mm para o processo em dois passes com matriz curva de raio 4,5 mm no primeiro................. 142

Figura F.12.

Regies de deformao efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe............................................................................. 142

Figura F.13.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe............................................................................. 143

Figura F.14.

Regies de tenso efetiva sobre o vergalho de dimetro 9 mm no segundo passe aps a fieira curva de raio 4,5 mm no primeiro passe no ponto mais crtico da regio de ocorrncia da deformao............................................................................. 143

xxxiv

LISTA DE TABELAS

Tabela II.1 Tabela II.2 Tabela II.3 Tabela II.4 -

Composio qumica do cobre eletroltico.................................. Caractersticas eltricas e mecnicas do cobre eletroltico........

6 6

Propriedades do cobre eletroltico............................................... 7 Propriedades mecnicas do vergalho de cobre de acordo com as curvas tenso x deformao........................................... 9

Tabela II.5 Tabela II.6 Tabela IV.1 -

Tolerncias dimensionais para espessuras de fios retangulares 19 Tolerncias dimensionais para larguras de fios retangulares.... Caractersticas do perfil obtido pela simulao em passe nico do vergalho com dimetro 8 mm............................................... 54 20

Tabela IV.2 -

Caractersticas do material das simulaes numricas para a conformao mecnica a frio com espessura definida............... 71

Tabela IV.3 -

Caractersticas do material para processo com 2 passes e semi-ngulo de 8 a partir do vergalho de dimetro 8 mm........ 87

Tabela IV.4 -

Caractersticas do material para processo com 2 passes e semi-ngulo de 8 a partir do vergalho de dimetro 8 mm utilizando uma matriz curva no primeiro passe........................... 99

Tabela IV.5 -

Caractersticas do material para processo com fieira noconvencional a partir do vergalho de dimetro 8 mm............... 105

Tabela IV.6 -

Caractersticas do material para processo de 2 passes a partir do vergalho de dimetro 9 mm e semi-ngulo de 8................. 112

1

1

INTRODUO

1.1 Contexto

A transmisso de energia eltrica em todo o mundo depende da utilizao de diversos equipamentos e componentes especficos nesta rea. Um desses equipamentos o transformador eltrico. O transformador eltrico um aparelho esttico que transporta energia eltrica por induo eletromagntica.

Conforme MARTIGNONI (1983), as exigncias tcnicas e econmicas da sociedade impem a construo de grandes usinas eltricas, em geral situadas muito longe dos centros de aproveitamento, pois devem utilizar a energia hidrulica dos lagos e rios das montanhas. Ocorre ento a necessidade do transporte da energia eltrica por meio de linhas de grande comprimento. Por motivos econmicos e de construo, as sees dos condutores devem ser mantidas dentro de determinados limites, o que torna necessria a limitao da intensidade das correntes nas mesmas. Assim sendo, as linhas devem ser construdas para funcionar com tenso elevada, que em certos casos atinge a centenas de milhares de volts. Estas realizaes so possveis em virtude de a corrente alternada poder ser transformada facilmente de baixa para alta tenso e vice-versa, por meio de uma mquina esttica, de construo simples e rendimento elevado, que o transformador eltrico.

O transformador eltrico um equipamento constitudo por vrios componentes. So eles: um ncleo magntico composto tipicamente por chapas prensadas de ao eltrico de gro orientado, facilitando o fluxo magntico; enrolamentos ou bobinas compostas por fios metlicos dispostos em um nmero variado de espiras sobre o ncleo magntico; tanques com a finalidade de propiciar a montagem dos componentes; e buchas para permitir a passagem isolada da corrente eltrica atravs das paredes do transformador.

Visando otimizar o custo/benefcio do produto transformador eltrico, atravs do processo de fabricao do componente enrolamento, busca-se utilizar um material

2

de alta condutividade eltrica, minimizando-se as perdas dieltricas pela Lei Joule. Os materiais mais utilizados so o cobre e o alumnios, disposto mais comumente em chapas ou fios. Assim, baseando-se no projeto de um determinado transformador, considera-se as caractersticas especficas necessrias ao material condutor e o seu custo.

De acordo com OLIVEIRA (2009), para a fabricao dos enrolamentos, a Toshiba possui uma linha de trefilao completa, fabricando fios em perfis redondos e retangulares a partir do vergalho de cobre eletroltico de dimetro 8 mm, comercialmente disponvel no mercado. As caractersticas principais dos fios, para fins de utilizao em enrolamentos so a dureza, a condutividade e dimenses. A dureza dos fios importante, pois define o grau de conformao mecnica dos mesmos, uma vez que estes so processados atravs de dobramento e enrolados em vrias espiras umas sobre as outras, podendo ser isolados entre si atravs de papel ou verniz. A dureza dos fios definida atravs do tratamento de recozimento aps a trefilao. A condutividade propriedade intrnseca do material devido sua composio qumica, sendo controlada basicamente atravs do monitoramento da matria prima (medio da condutividade do vergalho de cobre eletroltico 8 mm). Os fios retangulares, devido ao arranjo dimensional possvel, permitindo montagens radiais e axiais de mais de um fio para conduo de corrente, so usados em reguladores monofsicos, transformadores e reatores de potncia. As dimenses so definidas durante os processos de laminao e trefilao. As tolerncias dimensionais para os fios retangulares de cobre, conforme padro de fabricao da Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil Ltda (TTDB).

1.2 Objetivos do trabalho

O foco principal deste trabalho analisar diferentes rotas de fabricao do fio de cobre eletroltico retangular na Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil Ltda para a montagem de transformadores eltricos. Utilizando-se um vergalho de cobre de dimetro 8 mm, sero realizadas simulaes de diferentes rotas de processo no software de modelamento matemtico Deform 3D. Baseando-se no processo de fabricao por trefilao sero variados parmetros do processo como

3

dimenses da fieira, nmero de passes a serem utilizados e variao das dimenses da matria prima do produto final.

1.3 Contedo

A Reviso Bibliogrfica engloba, primeiramente, a descrio das caractersticas do vergalho de cobre eletroltico utilizado como matria prima para o processo de fabricao do fio retangular e as caractersticas principais a serem obtidas no fio retangular final. Descreve as diferentes opes de equipamentos e componentes para realizar-se o processo de fabricao como trefilas, cassetes e turk-heads, ressaltando as caractersticas impostas ao material em funo de cada opo. O mtodo dos elementos finitos abordado e descrito, sendo a base da simulao realizada pelo software Deform 3D. Define-se o atual processo de fabricao de fios de cobre retangulares na TTDB ressaltando as suas principais caractersticas. E por ltimo faz-se uma abordagem ao clculo do custo de um processo de fabricao.

A Metodologia demonstra como so realizados os testes baseando-se no objetivo do trabalho. Descreve a forma com que sero realizadas as simulaes em cada caso proposto. Demonstra como so utilizados os diversos equipamentos e componentes mostrando as suas implicaes.

No captulo Apresentao e Discusso dos Resultados so apresentados os resultados para cada etapa da simulao numrica e a discusso acerca da interpretao dos dados fornecidos na simulao. So definidas as principais variveis para o clculo dos custos e efetuado de forma criteriosa esse clculo, atendendo ao processo atual e aos processos propostos.

Finalizando, conclui-se o trabalho com base nos resultados e nas anlises dos resultados, alm de se sugerir estudos complementares.

4

2

REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 A matria prima

2.1.1 O cobre eletroltico

A Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil (TTDB) fabricante de produtos para utilizao eltrica. Um desses produtos o transformador eltrico. Para a fabricao do transformador eltrico, um dos componentes o fio metlico que forma uma bobina no primrio e outra bobina no secundrio do transformador. O fio bobinado no primrio o responsvel por receber a corrente eltrica, criar o campo magntico conduzido pelo ncleo do transformador e fornecer a corrente eltrica de sada a partir do secundrio do transformador. Neste processo existe uma transformao de tenses, a qual ocorre proporcionalmente ao nmero de espiras enroladas no primrio e no secundrio. Assim, por exemplo, se o secundrio possuir o dobro de espiras em relao ao primrio, a tenso de sada ser respectivamente o dobro em relao tenso de entrada.

Para que este processo ocorra com a maior eficincia possvel, necessrio minimizar as perdas sofridas durante o processo de transformao. No caso dos fios, a perda a ser minimizada a perda por efeito Joule. Para tanto, o material deve possuir elevada condutividade eltrica. igualmente importante levar-se em considerao a trabalhabilidade do material a ser empregado na produo de fios eltricos, ou seja, a viabilidade de se conformar o material a frio nesse caso especfico. Esse fator ir afetar diretamente o custo de fabricao do mesmo. Os materiais mais comumente empregados so o cobre e o alumnio, dependendo da finalidade dos fios e do custo benefcio do produto. No caso da TTDB, o material empregado na fabricao dos fios para utilizao em transformadores eltricos o cobre eletroltico.

O cobre comumente produzido possui impurezas, sendo caracterizado por 98 a 99% de seu elemento puro. Entre as impurezas podemos citar elementos como o mangans, o cobalto, o zinco, o estanho, o antimnio, o arsnio e outros. J o cobre eletroltico, utilizado na fabricao de fios condutores de eletricidade da TTDB, um

5

material refinado eletroliticamente que pode atingir um grau de 99,99% de cobre em sua composio. De fato, o valor mnimo para se considerar o cobre um material eletroltico de 99,3%. Basicamente realizada uma reao qumica de eletrlise entre o cobre bruto, funcionando como o anodo, e folhas de cobre muito puras, atuando como o catodo, tudo viabilizado pela soluo aquosa de sulfato de cobre, o eletrlito. Esse refinamento aumenta a capacidade de atendimento aos prrequisitos de um material para fabricao e condutividade eltrica. Incrementa-se ento a condutividade trmica e eltrica do cobre, alm de sua facilidade em ser trabalhado a frio e a quente, ser usinado e resistir corroso atmosfrica.

A mensurao da condutividade eltrica baseia-se em uma escala baseado no cobre padro, ou seja, um material com 100% de cobre a uma temperatura de 20C. Assim, a medio da condutividade eltrica de um determinado material ocorre em percentual relativo capacidade de um material 100% cobre a 20C realizar uma conduo eltrica. O valor da condutividade eltrica expresso em percentagem de IACS (International Annealed Cooper Standard). O IACS representa ento o valor de condutividade eltrica de um cobre padro, variando de acordo com a liga e com a temperatura de trabalho.

A Tabela II.1, obtida atravs do fornecedor de vergalhes de cobre, fornece a composio qumica do cobre eletroltico do vergalho utilizado como matria prima, bem como a concentrao de cada um dos elementos. Em funo desta composio, considerando-se um cobre eletroltico com 99,92% de pureza, A Tabela II.2 mostra as caractersticas eltricas e mecnicas do cobre, conforme explicitado na Encyclopedia of Materials Science and Engineering. E completando as informaes sobre o cobre eletroltico, a Termomecnica So Paulo AS fornece a Tabela II.3 com as principais propriedades fsicas, qumicas, mecnicas e eltricas do cobre eletroltico.

6

Tabela II.1 Composio qumica do cobre eletrolticoElemento Se Te Bi Sb As Pb S Sn Ni Fe Zn Ag Co Cr MnFonte: ABNT NBR 14733

Limite (ppm) 1,0 1,0 0,5 1,0 3,0 1,0 10,0 1,0 5,0 10,0 1,5 12,0 1,0 1,0 1,0

Tabela II.2 Caractersticas eltricas e mecnicas do cobre eletrolticoResistncia Alongamento trao mnima (% em 2") (Mpa) Limite de escoamento mnimo a 0,5% deformao (ksi) Hard 303 Soft 69

Composio qumica nominal (%)

Dureza Rockwell B

Ponto de fuso (F)

Densidade 3 (kgf/mm )

Cu 99,92

Zn --

Pb --

Sn --

Outros Hard 0,04 303

Soft 221

Hard 16

Soft 55

Hard 47

Soft F40 1082 8,9 x 10-6

Fonte: Encyclopedia of Materials Science and Engineering

7

Tabela II.3 Propriedades do cobre eletrolticoPropriedade Densidade a 20 C Ponto de fuso Coeficiente mdio de expanso trmica (20-300 C) Condutibilidade eltrica volumtrica a 20 C Condutibilidade trmica a 20 C Calor especfico a 20 C Resistividade eltrica Mdulo de elasticidade a 20 C Mdulo de rigidez a toro a 20 C Dureza (mximo) Limite de resistncia trao Limite de escoamento ( ) Alongamento (mnimo) ( ) Faixa de temperatura de recozimento2 1

Valor 8,89 1083 17,7 100 101,5 0,93 0,092 0,017 0,01724 115000 44000 50 195 255 55 (mnimo) 25 475 750

Unidade [g/cm] [ C] [10-6 C] [%I.A.C.S.] [cal/cm*s* C] [cal/g C] [ohm*mm/m] [MPa] [MPa] [HRF] [MPa] [MPa] [%] [ C]

(1) O valor indicado corresponde carga unitria capaz de provocar uma deformao permanente de 0,5%. (2) O valor indicado corresponde ao alongamento em 4 (quatro) vezes o dimetro ou a espessura da amostra.

Fonte: Termodinmica So Paulo S.A.

2.1.2 Caractersticas dimensionais e mecnicas da matria prima

O cobre eletroltico, adquirido no mercado nacional do fornecedor Caraba Metais (Grupo Paranapanema), a ser trabalhado para a obteno de um fio retangular disposto em lotes de bobinas embaladas. So vergalhes bobinados de dimetro 8 mm. Os lotes podem ser visualizados na Figura 2.1.

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Figura 2.1 Embalagem da matria prima - vergalho de cobre eletroltico (OLIVEIRA, 2009).

O cobre eletroltico do vergalho utilizado como matria prima para a produo de fios retangulares de 3,5 x 8.8 mm de seo transversal foi caracterizado em um ensaio de trao por OLIVEIRA (2009). Foram recolhidas amostras de dois lotes de matria prima, denominando-os de Lote A e Lote B, usinados os corpos de prova e realizados os ensaios. Como resultado obteve-se os grficos com a curva tenso convencional x deformao efetiva mostrada na Figura 2.2.

Figura 2.2 Ensaio de trao no vergalho de cobre com dimetro de 8 mm Tenso x deformao efetivas na regio de deformao uniforme (OLIVEIRA, 2009).

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Tabela II.4 Propriedades mecnicas do vergalho de cobre de acordo com as curvas tenso x deformaoPropriedade mecnica Limite de escoamento convencional (0,5%) Limite de resistncia a trao Alongamento uniforme Alongamento no-uniforme Alongamento totalFonte: OLIVEIRA (2009)

Valor 112,2 214,8 19,6 11,0 30,6

Unidade MPa MPa % % %

2.2 Trefilao

2.2.1 O processo

A trefilao uma das operaes de conformao mecnica mais antigas e possui grande importncia industrial, permitindo a produo de barras, arames e tubos, entre outras formas, com excelente acabamento superficial e rgido controle dimensional. O processo de trefilao consiste em forar a passagem de uma barra atravs de uma fieira mediante a aplicao de uma fora de trao sada desta fieira (CETLIN E HELMAM, 2005). A Figura 2.3 mostra a reduo de rea de uma barra circular atravs de uma fieira.

Figura 2.3 Representao esquemtica de um processo de trefilao de barras (CORRA, 2004).

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A reduo ocorrida durante um passe de trefilao pode ser calculada a partir da equao abaixo:

r = (Ai Af)/Ai

(2.1)

onde Ai representa a rea da seo transversal do perfil antes de ser trefilado e Af representa a rea da seo transversal do perfil aps ser trefilado.

O material a ser trefilado, como uma barra, por exemplo, deve ser apontado e inserido atravs da fieira onde ser preso por garras de trao responsveis pelo contato com o material e assim pela transmisso da fora de trao realizada sobre o material na sada da fieira. Normalmente o apontamento realizado atravs de esmagamento ou desbastamento, pelo processo de usinagem ou de abraso. Assim o material conformado atravs da fieira de forma que o seu perfil de sada adquira as mesmas dimenses da fieira, sendo mais comumente os formatos circular e retangular. A Figura 2.4 mostra o diagrama esquemtico do processo de trefilao. forada a passagem do material atravs da fieira, o qual ir adquirir o seu formato no perfil de sada e tambm ter o seu comprimento alongado, mantendo o fluxo conservativo de massa durante o processo.

Figura 2.4 Esquema de um mquina de trefilar com bloco rotativo (CETLIN E HELMAM, 2005).

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2.2.2 Fieira

De acordo com OLIVEIRA (2009), A fieira ou matriz de trefilao o componente responsvel pela realizao da deformao plstica do material. As mesmas so construdas em materiais variados, dependendo do tipo de produto a ser trefilado, sendo normalmente fabricadas com ncleo de alta resistncia ao desgaste em carboneto de tungstnio (metal duro) em uma carcaa de ao ou lato. O ncleo em diamante pode ser utilizado para fabricao de arames finos.

Segundo CORRA (2004), A geometria da matriz de trefilao, conforme pode ser visualizado na Figura 2.5, est associada aos principais aspectos da operao: reduo de rea r e semi-ngulo de trefilao . constituda de quatro regies distintas: zonas de entrada (regio 1), de trabalho (regio 2), cilndrica (regio 3) e de sada (regio 4). A zona de entrada apresenta como finalidade guiar a barra e facilitar o processo de fabricao da mesma. A regio ou cone de trabalho o local onde ocorre a deformao plstica do material, sendo caracterizada pelo seu semingulo, cujo valor de extrema importncia tanto para o processo de trefilao como para o comportamento mecnico final do produto, fato que ser evidenciado nas sees seguintes. A zona cilndrica tem o objetivo de preservar as dimenses de trabalho da matriz, conferindo-lhe maior vida til. A regio de sada proporciona sada livre do material sem danos fieira e barra.

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Figura 2.5 Desenho da uma fieira em corte (OLIVEIRA, 2009).

onde, d1 ..... Seo de calibragem d2 ..... Dimetro do ncleo d3 ..... Dimetro da carcaa h2 ..... Altura do ncleo h3 ..... Altura da carcaa I3 ..... Cilindro de calibragem I5 ..... Altura de entrada 2 ..... ngulo de entrada 2 ..... ngulo de reduo 2..... ngulo de sada

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2.2.3 Deformao durante a trefilao

Na trefilao a deformao plstica ocorre em funo da combinao de esforos trativos externos, responsveis pela movimentao do material na direo axial, e de esforos compressivos realizados pelas paredes da trefila sobre o material, causando a sua deformao na direo radial. A Figura 2.6 mostra de forma esquemtica os esforos presentes durante o processo de trefilao.

Figura 2.6 Representao esquemtica dos esforos presentes no processo de trefilao (CORRA, 2004).

Os esforos presentes durante a trefilao so responsveis pela deformao do material no apenas nas direes axial e radial, mas tambm deformaes cisalhantes. Conforme CETLIN E HELMAM (2005), ao entrar em contato com a matriz adiciona-se velocidade inicial do material uma componente perpendicular ao eixo (radial). Ao abandonar a matriz, segue, novamente, seu movimento paralelo ao eixo. Como se deduz da Figura 2.7, o material sofre um processo interno de deformaes cisalhantes (ou distoro), alm daquele necessrio para a sua deformao homognea, e que no contribui para as mudanas dimensionais da barra trefilada. Essa deformao extra chamada de deformao redundante ou, tambm, desde que envolva um trabalho de deformao plstica, trabalho redundante.

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Figura 2.7 Esquematizao da deformao durante a trefilao (CETLIN E HELMAM, 2005).

Ainda de acordo com CETLIN E HELMAM (2005), um modo de deformao que s vezes ocorre na prtica de trefilao denominado de rupturas centrais. Seu aparecimento motivo de preocupao devido ao fato de que resulta na formao de pequenos buracos no interior do produto. Este fenmeno pode ser estudado a partir de uma deformao do campo esfrico de velocidades. medida que se aumenta o ngulo da matriz, as duas superfcies que delimitam a zona de deformao plstica tendem a abandonar a forma esfrica e a se aproximar uma da outra (Figura 2.8.1). Para certas redues e determinados valores de atrito, essas superfcies chegam a tocar-se (Figura 2.8.2). Quando a parte rgida da barra ligada entrada toca a parte rgida ligada sada, devido ao fato de que suas velocidades normais so diferentes, inicia-se uma fratura no ponto de contato (Figura 2.8.3). Essa trinca crescer medida que a barra atravessa a matriz, adquirindo a sua geometria particular por causa da distribuio de velocidades existente (Figura 2.8.4). Quando a barra abandona a matriz, o processo recomea ciclicamente (Figura 2.8.5).

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Figura 2.8 Idealizao do processo de gerao de rupturas centrais (CETLIN E HELMAM, 2005).

2.3 O produto arame retangular de cobre

2.3.1 O processo atual de fabricao de fios retangulares de cobre eletroltico

A fabricao de fios retangulares de cobre para uso em transformadores eltricos possui como uma de suas possveis rotas a realizada hoje na Toshiba Transmisso e Distribuio do Brasil (TTDB). O processo de fabricao ocorre utilizando-se dois estgios: uma laminao e uma trefilao. Assim sendo, conforme esquema na Figura 2.9, a bobina de vergalho de cobre eletroltico alimenta o laminador, passando em sequncia pela trefila, sendo bobinado novamente no carretel. O processo contnuo desde o desbobinamento at o carretel.

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Figura 2.9 Esquema do processo de fabricao do fio de cobre retangular realizado na TTDB (OLIVEIRA, 2009).

O processo na TTDB utiliza como matria prima o cobre eletroltico exposto na seo 2.1. Tomando como exemplo um dos produtos processados na Toshiba, o fio produtos retangular de cobre com dimenso 3,5 x 8,8 mm, estuda se o processo de estuda-se fabricao tpico empregado na planta. Adquiri se um vergalho de dimetro 8 mm Adquiri-se do material. No primeiro estgio realiza se sobre o vergalho uma lamina realiza-se laminao com rolos planos na qual ocorrer uma reduo da seo no sentido transversal e um incremento da seo no sentido horizontal, obtendo se uma seo tranversal obtendo-se aproximadamente retangular, abaulada nas duas laterais, com as dimenses de 4,15 x 11,3 mm e raio de abaulamento de 4 mm. Com o novo perfil laminado, io realiza-se o segundo estgio do processo que a trefilao. Nesta etapa o perfil se laminado apontado no seu incio e forado de maneira a passar por dentro de uma fieira que possui as dimenses finais desejadas no produto fio de cobre retangular, que so 3,5 x 8,8 mm, com as quinas arredondadas em um raio de 0,5 mm. A Figura 2.10 mostra a evoluo da seo transversal do perfil ao longo do processo completo.

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Figura 2.10 Seo transversal do perfil: (a) matria prima, (b) perfil laminado e (c) perfil trefilado (OLIVEIRA, 2009).

OLIVEIRA (2009) fotografou os processos de laminao do vergalho de cobre eletroltico e de trefilao do perfil laminado. A Figura 2.11 mostra a etapa laminao e a Figura 2.12 mostra a etapa de trefilao.

Figura 2.11 Processo de laminao da TTDB (OLIVEIRA, 2009).

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(a)

(b)

Figura 2.12 Processo de trefilao na TTDB (OLIVEIRA, 2009).

O rolo de laminao possui um dimetro de 162,4 mm e a velocidade de laminao utilizada de 50 m/min. J na trefilao a velocidade de entrada de 50 m/min e a velocidade de sada de 55 m/min. A fieira utilizada possui o ncleo de trabalho do material em metal duro de dureza 90,5 a 92,5 HRA. As suas dimenses esto abaixo relacionadas: Seo de calibragem (SI)........... 3,8 x 8,5 mm (+0,01/-0) Dimetro do ncleo (d2)............. 25,000,02 mm Dimetro da carcaa (d3)........... 20,00,1 mm Altura do ncleo (h2).................. 20,000,02 mm Altura da carcaa (h3)................ 40,00,1 mm Cilindro de calibragem (I3) ......... 3,5 mm Altura de entrada (I5)................. 11 mm ngulo de entrada (2).............. 605 ngulo de reduo (2)..............181 ngulo de sada (2)................. 905

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2.3.2 As tolerncias do produto

O controle das dimenses finais do fio de cobre muito importante. As medidas influenciaro diretamente na viabilidade de montagem do produto eltrico e na qualidade de funcionamento desse. A exemplo de um transformador eltrico, todos os seus componentes internos e inclusive a sua carcaa so dimensionados para uma determinada dimenso final. O fio de cobre disposto no transformador enrolado em forma de espiras, no qual uma variao da dimenso do fio provocaria folgas nestas espiras ou dimenso inapropriada do arranjo. Uma vez ocorridas essas falhas, as folgas provocariam perda de qualidade do produto como perda de rendimento ou aumento de vibrao e rudo do transformador. J a variao da dimenso do arranjo impossibilitaria a montagem do equipamento, impossibilitando a finalizao do produto.

As dimenses do produto so definidas ao longo do processo, sendo dependentes do processo de laminao e do processo de trefilao. Assim, a TTDB definiu tolerncias padro para o fio de cobre retangular conforme Tabela II.5 e Tabela II.6.

Tabela II.5 Tolerncias dimensionais para espessuras de fios retangularesEspessura E (mm) E < 3,15 3,15 E < 5,60 E 5,60Fonte: TTDB

Tolerncia (mm) 0,03 0,05 0,07

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Tabela II.6 Tolerncias dimensionais para larguras de fios retangularesLargura L (mm) L 3,15 3,15 < L 6,30 6,30 < L 12,50 12,50 < L 16,00 16,00 < LFonte: TTDB

Tolerncia (mm) 0,03 0,05 0,07 0,10 0,13

2.4 O mtodo dos elementos finitos

O Mtodo dos Elementos Finitos (FEM) foi criado para resolver equaes complexas relacionadas elasticidade e plasticidade de estruturas mecnicas. Sabendo-se que a geometria um fator importante no estudo de estruturas mecnicas e que a potncia dos computadores possibilita no apenas resolver sistemas de equaes, mas tambm formular e construir uma aproximao discreta, o mtodo dos elementos finitos torna-se uma ferramenta extremamente til. Outras aplicaes do mtodo esto relacionadas ao estudo da mecnica dos slidos e fludos, transferncia de calor, vibraes, potencial eltrico, campos magnticos, comportamentos de materiais em processos de conformao, entre outras.

Conforme OLIVEIRA (2009), o mtodo utiliza o princpio de subdividir um corpo contnuo em um nmero finito de elementos, denominada discretizao geomtrica ou espacial, interligados entre si atravs de ns. Dessa forma, os efeitos do fenmeno em estudo so transferidos a cada elemento da malha. Para uso desta ferramenta, so necessrios cuidados dos seguintes pontos: a) Identificao dos princpios fsicos bsicos que sero adotados como governantes do fenmeno em estudo;

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b) Aplicao dos princpios fsicos no desenvolvimento das equaes governantes e do modelamento matemtico; c) Seleo da ferramenta apropriada para anlise das equaes governantes e do modelamento matemtico; d) Soluo das equaes governantes; e) Interpretao dos resultados.

O Mtodo dos Elementos Finitos desenvolve-se passando por 4 passos: construo das geometrias, pr-processamento, simulao e ps-processamento. No caso de uma conformao mecnica, a construo das geometrias engloba o ato de desenhar o material a ser conformado, bem como a(s) matriz(es) necessria(s) ao processo de simulao. Com as geometrias preparadas, no pr-processamento configura-se o sistema a ser simulado. Divide-se o modelo em malhas definindo-se o nmero de elementos que satisfaam a convergncia aos resultados favorveis, alm das condies de contorno, restries e esforos aplicados. Na etapa de simulao utiliza-se uma ferramenta computacional efetuando-se a simulao do processo proposto no pr-processamento. So ento gerados resultados que sero analisados no ps-processamento, interpretando-se e analisando-se os resultados do aplicativo numrico. possvel analisar todo o progresso da etapa de simulao, verificando fenmenos fsicos e mecnicos como, por exemplo, geometria, tenso efetiva, deformao efetiva, danos, etc.

O tipo de formulao utilizada na simulao numrica de suma importncia para que o resultado seja realmente representativo. Ela pode ser rgido-plstica ou elasto-plstica. Na formulao rgido-plstica o sistema considera apenas o fenmeno de deformao plstica, no considerando influncia de esforos abaixo da tenso de escoamento do material. J a formulao elasto-plstica considera, durante a conformao, efeitos na zona de deformao elstica sobre o material.

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METODOLOGIA

3.1 Desenvolvimento do trabalho

Pretende-se neste trabalho realizar o estudo de possveis rotas de fabricao do fio de cobre eletroltico de seo retangular, dimensionada em 3,5 x 8,8 mm, a partir da matria prima com dimenso circular de dimetro 8,0 mm chamada de vergalho. A Figura 3.1 mostra, com base na seo transversal, a dimenso inicial do material e a dimenso final a ser obtida no material. O aspecto fsico do vergalho e do produto a ser obtido a partir desse previsto de acordo com a Figura 3.2.

Figura 3.1 Dimenses do (a) vergalho e do (b) produto final

(a)

(b)

Figura 3.2 Aspecto fsico da (a) matria prima e do (b) produto final

Para que se verifique a possibilidade de diferentes rotas de fabricao utilizar-se- o mtodo dos elementos finitos. Com o auxlio de uma ferramenta computacional, o software Deform 3D, implementa-se o mtodo dos elementos finitos para se realizar

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simulaes computacionais das possibilidades de processo de fabricao com o objetivo de se obter o fio de cobre retangular final.

Para definir uma possvel rota de fabricao devero ser realizados testes utilizando-se diferentes tipos de fieiras combinadas com variaes na quantidade de estgios de fabricao durante o processo de produo do fio retangular e com a variao dimensional ao longo do processo.

Ser eliminado o estgio de laminao incorporado na linha de fabricao da TTDB e ser testada uma linha de processo composta apenas por trefilas. Para isso configurar-se- todo o sistema computacional considerando-se as geometrias da matria prima e da matriz responsvel pela conformao mecnica e os diversos parmetros do processo.

3.2 Parmetros para a simulao

Visando estabelecer um conjunto constante de parmetros para se realizar as simulaes numricas propostas neste trabalho, define-se a configurao do software Deform 3D atendendo-se todos os pontos necessrios realizao de uma simulao que retrate um ambiente real. Este tpico dedicado a predizer este conjunto de parmetros.

3.2.1 O material

Para a realizao das simulaes com variao dimensional do material circular de cobre eletroltico com a matriz aberta lateralmente variando-se o ngulo de contato com a pea deve-se configurar todos os parmetros de insero necessrios ocorrncia da simulao de forma mais real possvel.

Com base no ensaio de trao no vergalho de cobre eletroltico realizado por Oliveira (2009), cria-se um arquivo de dados com os respectivos valores de tenso x deformao de extenso *.db. Os dados compreendem a regio plstica do ensaio de trao do vergalho, j que se considera a trefilao como um processo

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puramente plstico. A informao criada ento utilizada pelo software Deform 3D caracterizando-se o material da pea de trabalho, que o cobre eletroltico. A figura 3.6 mostra o grfico de tenso x deformao fornecido pelo Deform 3D a partir da informao criada com base no ensaio de trao.

Figura 3.3 Grfico tenso x deformao para o comportamento plstico do material a ser simulado.

Considera-se ainda a caracterizao das peas no software Deform 3D. Para a pea de trabalho faz-se o seu comportamento como plstico. J para a matriz, o comportamento e feito como um objeto rgido, desconsiderando qualquer deformao elstica que esse pudesse vir a sofrer durante o processo.

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3.2.2 Tratamento da matria prima

Para que ocorra uma simulao confivel, existem alguns parmetros de configurao importantes a serem ressaltados. O primeiro deles a discretizao da geometria da pea de trabalho. realizada a diviso da pea slida em vrios elementos. Quanto maior o nmero de elementos e menor a dimenso desses, mais precisos sero os resultados da simulao. Contudo, maior ser o tempo necessrio para realizar a simulao, pois o volume de equaes a serem resolvidas computacionalmente aumenta consideravelmente. A discretizao pode ser visualizada na Figura 3.4. Para o caso do presente trabalho, o nmero de elementos obtidos na discretizao de 3.453. E so obtidos tambm 1.057 ns.

Figura 3.4 Geometria simtrica discretizada em pequenos elementos.

3.2.3 Parmetros de processo

Configurando-se o sistema de simulao no software Deform 3D, defini-se as geometrias da pea de trabalho e da matriz. A matriz ser estabelecida como um objeto rgido, ou seja, sem a possibilidade de se deformar, elstica ou plasticamente. A matria prima ser definida como um objeto de comportamento plstico, conferindo a ela as caractersticas de um cobre eletroltico, conforme explicitado na seo 3.2.1.

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Com a quarta parte do vergalho discretizada, define-se as suas duas faces em corte como sendo as faces entre as relaes de simetria. Confere-se tambm um movimento na direo axial (eixo z, sentido positivo), conforme eixo de direes na Figura 3.4, deslocando-se de encontro matriz. Utilizar-se- uma velocidade de 3 mm/s, valor baseado em algumas simulaes prvias, onde se notou uma variao irrelevante dos resultados da simulao em funo da magnitude da velocidade.

Buscando reproduzir numericamente o processo de fabricao do fio de cobre produzido na TTDB, verificou-se um valor ideal para o coeficiente de atrito entre a pea de cobre eletroltico e a fieira de 0,09, conforme valor levantado por HENSEL e SPITTEL (1978). Assim sendo, ser utilizado o valor de = 0,09 no contato entre pea e matriz para as simulaes.

Outro fator a ser observado o fluxo trmico no sistema durante o processo. Para o presente trabalho, considerar-se- o processo isotrmico, no qual o material ir se comportar estritamente em relao sua curva tenso efetiva x deformao efetiva, desconsiderando qualquer variao possvel de temperatura.

3.2.4 Anlise dos resultados

Aps efetuar a simulao ser o momento de realizar uma anlise criteriosa dos resultados observando-se as isolinhas e as regies homogneas do perfil conformado indicando a magnitude dos fenmenos mecnicos. Entre elas sero consideradas as isolinhas que demonstram a distribuio dos danos (damage) ocorridos na pea, a distribuio da deformao efetiva (strain-effective) no material e a distribuio da tenso efetiva (stress-effective) no material no momento da conformao. O dimensional da pea outro fator importante e que tambm ser medido.

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3.3

Simulao numrica para a verificao das principais falhas utilizando apenas um passe de reduo

A evoluo dos testes a serem realizados neste trabalho, baseados em simulaes numricas do processo de conformao do cobre eletroltico, se desenvolve passando por seis principais etapas. O sistema proposto para cada uma delas detalhada neste item. A Figura 3.5 mostra a sequncia das etapas a serem trabalhadas. Na Etapa 1 simulado o processo em passe nico de trefilao, utilizando-se apenas uma fieira, buscando compreender melhor as falhas ocorridas em funo do processo descartando a etapa de laminao. Na Etapa 2 objetiva-se continuar a aquisio de conhecimento acerca do comportamento do material quando submetido a um passe de trefilao atravs de uma fieira sem restries laterais, modificando-se a dimenso de sada da fieira e do dimetro da matria prima. Aps estudadas variaes de parmetros de trefilao, a Etapa 3 faz o primeiro teste utilizando-se dois passes de trefilao. A Etapa 4 busca a mesma combinao realizada na Etapa 3, porm modifica a fieira no primeiro passe. A Etapa 5 Busca testar uma fieira no-convencional para o processo. E finalmente, na Etapa 6 testada uma matria prima de dimenso diferente, utilizado os processos mais satisfatrios das Etapas 3 e 4.Etapa 1: Simulao Numrica em Passe nico

Etapa 2: Simulao Numrica com Espessura Final Definida

Etapa 3: Simulao Numrica de Processo com Dois Passes

Etapa 4: Simulao Numrica de Processo com Dois Passes e Fieira Curva no Primeiro Passe

Etapa 5: Simulao Numrica com Fieira No-Convencional

Etapa 6: Simulao Numrica com Vergalho de 9 mmFigura 3.5 Etapas definidas para a realizao das simulaes numricas.

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3.3.1 Sistema proposto para a simulao com um passe de reduo

Objetivando compreender as principais falhas que impossibilitam a ocorrncia do processo de trefilao utilizando-se apenas um passe de reduo, realizar-se- a simulao numrica do processo de trefilao a partir de um vergalho de cobre eletroltico de dimetro 8 mm e uma fieira com seo de sada retangular de dimenses 3,5 x 8,8 mm. A partir deste ponto pretende-se sedimentar o entendimento de ocorrncia de falhas em funo da reduo proposta e da variao brusca de seo pr