Simulações Dos Ensaios de Compressão e Embutidura

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Tecnologias de Maquinagem e Conformação Prof. Luís Alves MIEMEC Universidade do Minho, Guimarães 2014 Página 1 Simulação do ensaio de compressão O objetivo deste ensaio de compressão (forjamento) consiste em sujeitar um 1/8 de um cilindro a forças de compressão, e analisar o comportamento do material segundo a influência de duas condições: uma delas diz respeito ao contacto da ferramenta com o provete, ou seja, a ação do atrito e a não existência dele e, a segunda diz respeito às características do material no que diz respeito à isotropia e anisotropia. De acordo com esses parâmetros foram obtidos os resultados das simulações, gerando-se o gráfico da Figura 1, bem como as representações das deformações nas Figuras 2 a 6. Figura 1 – Gráfico sobre a influência da anisotropia no ensaio de compressão 0.0E+00 2.0E+05 4.0E+05 6.0E+05 8.0E+05 1.0E+06 1.2E+06 1.4E+06 0 5 10 15 20 25 30 35 FORÇA (N) DESLOCAMENTO (MM) INFLUÊNCIA DA ANISOTROPIA Anisotropia μ=0.25 Anisotropia μ=0.75 Anisotropia μ=0 Isotropia μ=0.25 Isotropia μ=0.75 Isotropia μ=0

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Tecnologias de Maquinagem e ConformaçãoInfluência da Anisotropia

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Simulação do ensaio de compressão

O objetivo deste ensaio de compressão (forjamento) consiste em sujeitar um 1/8 de um

cilindro a forças de compressão, e analisar o comportamento do material segundo a influência

de duas condições: uma delas diz respeito ao contacto da ferramenta com o provete, ou seja, a

ação do atrito e a não existência dele e, a segunda diz respeito às características do material no

que diz respeito à isotropia e anisotropia.

De acordo com esses parâmetros foram obtidos os resultados das simulações, gerando-se

o gráfico da Figura 1, bem como as representações das deformações nas Figuras 2 a 6.

Figura 1 – Gráfico sobre a influência da anisotropia no ensaio de compressão

0.0E+00

2.0E+05

4.0E+05

6.0E+05

8.0E+05

1.0E+06

1.2E+06

1.4E+06

0 5 10 15 20 25 30 35

FOR

ÇA

(N

)

DESLOCAMENTO (MM)

INFLUÊNCIA DA ANISOTROPIA

Anisotropia µ=0.25 Anisotropia µ=0.75 Anisotropia µ=0

Isotropia µ=0.25 Isotropia µ=0.75 Isotropia µ=0

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Figura 2 – Anisotropia considerando atrito μ = 0.25

Figura 3 – Efeito Barril na Anisotropia considerando atrito μ = 0.25

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Figura 4 - Isotropia considerando atrito μ = 0.25

Figura 5 – Anisotropia não considerando atrito (μ = 0)

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Uma primeira conclusão que se pode tirar do gráfico é que a influência do atrito é pouco

significativa, ou até mesmo insignificante uma vez que considerando ou desprezando o atrito,

os valores da força aplicada pouco diferem, quer para as curvas da isotropia, como para as

curvas da anisotropia.

Comparando as deformações do material anisotrópico com as do material isotrópico, pode-

se concluir que o material anisotrópico deforma-se numa direção preferencial, segundo o eixo

dos xx (Figuras 2 e 5), enquanto o material isotrópico apresenta uma deformação uniforme em

relação ao eixo de aplicação da força, eixo dos zz (Figuras 4 e 6). Este fenómeno acontece porque

na anisotropia as propriedades mecânicas diferem com a orientação dos grãos. Durante o

processo de conformação, os grãos tendem a alongar na direção de maior deformação de tração

devido ao processo de escorregamento do material, durante a deformação. Assim, na estrutura

cristalográfica, os grãos tendem a deslizar ou distorcer uns sobre os outros com maior facilidade

num determinado sentido, havendo um isolamento mútuo entre grãos, levando a que os planos

cristalográficos e direções cristalinas dos materiais com orientação aleatória, adquiram uma

textura, ou seja, uma orientação preferencial.

Pelo contrário, na isotropia, as propriedades mecânicas do material são proporcionais em

todas as direções, estando os grãos distribuídos com uma orientação aleatória.

Figura 6 - Isotropia não considerando atrito (μ = 0)

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Através do gráfico, é possível inferir que, para as mesmas deformações, é necessário aplicar

uma força maior num material anisotrópico do que num material isotrópico.

No teste de compressão, o comprimento do provete é reduzido substancialmente e

consequentemente são aumentadas as dimensões da seção transversal. Aquando da carga

aplicada, gera-se um atrito entre as superfícies do provete e os pratos compressores da

máquina. Isto provoca constrangimentos ao deslizamento do material do provete adjacente aos

pratos compressores resultando, numa deformação não homogénea, uma vez que o material

tem mais facilidade em fluir radialmente nas zonas mais afastadas da superfície de contato,

levando à formação do chamado efeito barril, mais percetível na Figura 3.

Para diminuir esse efeito, é usada uma lubrificação da zona de contacto dos componentes,

para que se minimize o atrito. Idealmente, sem qualquer efeito do atrito, condição impossível

na realidade, o provete apenas experimentaria a tensão normal de compressão e, após ser

deformado manteria a sua forma cilíndrica inicial, como está representado na Figura 6.

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Simulação do processo de embutidura

Neste segundo ensaio, simulou-se o processo de conformação de chapa conhecido como

embutidura que consiste na obtenção de peças ocas por deformação plástica de chapas planas,

representado na Figura 7.

Em primeiro lugar, é colocada a chapa sobre a matriz, de seguida o cerra-chapas desce e

prende a chapa contra a matriz, depois o punção desce e deforma a chapa. Por último, o punção

e o cerra-chapas são retirados, e assim se obtém a peça embutida.

Para a simulação numérica no software GiD, utilizou-se uma chapa quadrada com 75 mm

de lado, como a representada na Figura 8.

Figura 7 – Processo de Embutidura

Figura 8 – Chapa a embutir

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A principal conclusão que se pretende tirar desta simulação é saber qual a influência da

ação do cerra-chapas no processo de embutidura. Utilizaram-se a forças de 1000N, 4900N e

90000N, tendo-se obtido os diagramas das Figuras 9, 10 e 11.

Figura 9 – Diagrama de deformações plásticas para uma força de 1000N

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Figura 10 - Diagrama de deformações plásticas para uma força de 4900N

Figura 11 - Diagrama de deformações plásticas para uma força de 90000N

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Pela análise das deformações plásticas, conclui-se que para forças mais baixas como 1000N

e 4900N, o material deforma-se de forma mais ou menos uniforme, ao contrário do que

acontece para forças elevadas (90000N) em que o cerra-chapas impede que o material se escoe

para a zona da matriz, levando a que na zona de contacto lateral com o punção, os elementos

da malha estejam sujeitos a tensões elevadas e sofram elevados alongamentos o que sugere

que possa ocorrer rutura do material.

Para se tentar compreender melhor, a ação direta da força do cerra-chapas no escoamento

e deformação do material da chapa, apresentam-se as Figuras 12 a 16.

Como é possivel verificar na Figura 12, para forças mais baixas (neste caso 1000N)

aplicadas pelo cerra-chapas na chapa, contra a matriz, o material tem maior liberdade para

se escoar para a zona da matriz sendo que, devido à possível existência de excesso de material

na zona de ação do punção, provoca-se o enrugamento da chapa, na zona onde esta está

apoiada na matriz.

Figura 12 – Deslocamento Plano XZ para uma força de 1000N

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Figura 13 - Deslocamento Plano XY para uma força de 4900N

Figura 14 - Deslocamento Plano XY para uma força de 90000N

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Por comparação entre as Figuras 13 e 14, é evidente a considerável diminuição da largura

da chapa quando aplicados os 4900N. Devido à maior quantidade que se desloca para o interior

da matriz, a largura passou de inicialmente 75mm para cerca de 49mm, não ocorrendo da

mesma forma para uma força de 90000N em que a largura da chapa é semelhante à inicial, cerca

de 73mm.

É visível igualmente nas Figuras 15 e 16 que, quando as forças do cerra-chapas permitem o

movimento do material para a zona de deformação, as deformações são mais baixas e a chapa

Figura 15 - Deslocamento Plano XZ para uma força de 4900N

Figura 16 - Deslocamento Plano XZ para uma força de 90000N

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mantém, aproximadamente, a espessura inicial, diminuindo o risco de rutura do material, o que

não acontece para elevadas deformações em que há o risco de, tão mínima espessura existir, o

material rompe.

RUI COSTA nº 68556