O clinching é um processo de união de chapas que ocorre a partir da deformação localizada das juntas. Essa técnica apresenta como vantagens não requerer nenhum elemento de união adicional (tais como rebites e parafusos) e não produzir gases nocivos na etapa de obtenção da junta. Seu uso para a união de chapas metálicas em carrocerias automotivas é uma tendência na indústria automobilística nacional⁽¹³⁾ e vários estudos têm sido realizados no intuito de caracterizar melhor esse processo para diferentes combinações de materiais das chapas^{(1, 9)}.

Na figura 1 é representada, esquematicamente, uma junta típica obtida por meio de clinching, bem como os principais parâmetros geométricos da junção mecânica e o ferramental básico utilizado nesta técnica. Observa-se que a união dos materiais é promovida pela aplicação de uma força na direção da espessura das chapas por um punção que causa a deformação plástica localizada dessas chapas.

Fig. 1 – Representação esquemática das matrizes e dos parâmetros geométricos relacionados ao processo de clinching, denominados interlock, X, e neck, N.

Com a ascensão desse método de união de estruturas de paredes finas, várias pesquisas têm sido realizadas com a finalidade de verificar a viabilidade técnica e econômica do uso do clinching na indústria de construção civil para a união de treliças de aço de alta resistência em um sistema construtivo conhecido como steel frame^{(10, 11, 14, 15)}. Varis⁽¹⁶⁾ também comparou os custos do processo de clinching com a união por rebites e mostrou que eles dependem substancialmente do desgaste das ferramentas, e que quanto maiores os volumes de produção e o tempo de vida das ferramentas menor o preço do clinching em relação ao processo de rebitagem, o que torna o primeiro mais vantajoso no tocante a aspectos econômicos.

A resistência da junta obtida por clinching e os mecanismos de separação das chapas dependem fortemente de sua geometria. As dimensões denominadas neck e interlock, representadas na figura 1 pelas letras N e X, respectivamente, têm se mostrado determinantes para a caracterização da resistência e dos modos de falha no método. O desabotoamento das chapas unidas mecanicamente pelo clinching pode ocorrer pelo escoamento da chapa superior na região do interlock ou pela estricção e consequente ruptura da chapa superior, como mostra a figura 2.

Fig. 2 – Representação esquemática dos modos de falha no clinching correspondentes ao escoamento da região do interlock (a) e à estricção da chapa superior (b).

Estudos recentes foram executados utilizando ensaios mecânicos para avaliar a resistência das juntas do clinching a esforços estáticos de tração e cisalhamento^{(6, 7, 17)}, bem como a esforços dinâmicos que levam à sua falha por fadiga⁽²⁾. Pesquisas envolvendo o método dos elementos finitos aliado a formulações analíticas também têm sido feitas, com o objetivo de otimizar a geometria do ferramental do clinching e a avaliação da resistência ao destacamento das juntas^{(3, 4, 5, 8, 12)}.

Este estudo analisa a influência dos parâmetros N e X, denominados, respectivamente, neck e interlock, em relação aos mecanismos de destacamento entre duas chapas de alumínio unidas por clinching. Serão realizadas simulações computacionais pelo método de elementos finitos, do ensaio de desabotoamento para diferentes geometrias da junta do processo, e ainda será avaliada a influência dos parâmetros N e X em relação à carga estática necessária para promover o desabotoamento entre as chapas e aos mecanismos de separação.

 

Metodologia

As simulações do ensaio de desabotoamento do clinching foram executadas com o auxílio do programa de simulação computacional em elementos finitos Deform 2D v10.0. O processo de junção das chapas por esse método pode ser considerado axissimétrico quando a junção mecânica oriunda do clinching apresenta formato circular. Dessa forma é permitido considerar que as tensões e deformações presentes na região da junta das chapas são função apenas das coordenadas axial, z, e radial, r. Sendo assim, também o ensaio de desabotoamento da junta pode ser avaliado, utilizando o método dos elementos finitos, por meio de um modelo axissimétrico, de modo que se faz necessária a construção da geometria das chapas e do ferramental em duas dimensões no plano que contém as direções axial e radial do ensaio, como representado na figura 3.

A figura 3 mostra que a geometria da junta e das garras de tração do modelo axissimétrico proposto para o ensaio de desabotoamento do clinching correspondem à vista frontal de uma seção da junta cujo plano de corte intercepta seu eixo de simetria.

Fig. 3 – Representação tridimensional em corte (a) e bidimensional (b) das geometrias, malha e condições de contorno usadas na simulação do ensaio de desabotoamento do clinching.

A junta representada na figura 3b foi obtida por meio da simulação por elementos finitos e é adotada como geometria padrão para todas as simulações do ensaio de desabotoamento neste trabalho. Cada uma das chapas tem 2,5 mm de espessura e as dimensões iniciais dos parâmetros X e N são, respectivamente, 0,26 mm e 0,66 mm.

O ferramental do ensaio de desabotoamento utilizado nas simulações é composto por duas garras posicionadas a uma distância fixa do eixo de simetria. Elas são consideradas rígidas, não sendo permitida a deformação desses componentes durante o ensaio. As chapas foram modeladas como “rígido-plásticas”, ou seja, será levado em consideração apenas o comportamento do material no regime plástico.

Conforme os trabalhos de alguns autores^{(3, 4)}, a distância horizontal da região na qual é aplicada a carga no ensaio de destacamento em relação ao centro da junção é um fator determinante da resistência ao destacamento da junta, e o aumento desta distância promove a flexão das chapas na região não deformada, facilitando sua separação. Dessa forma, neste trabalho foi adotado o valor de 12 mm para a distância entre as garras e o eixo de simetria com o objetivo de não permitir o dobramento conjunto de ambas as chapas e a falha prematura das juntas.

A discretização das chapas para a aplicação do método dos elementos finitos foi feita com elementos quadrilaterais axissimétricos, como mostrado na figura 3b. A malha utilizada em cada chapa na simulação padrão apresentada na figura 3b, assim como nas demais simulações, tem aproximadamente 3.000 elementos e é refinada na região das juntas do clinching. Foi estabelecido como condição de contorno que a garra 1 se moverá verticalmente com uma velocidade constante de 0,01 mm/s e que a garra 2 permanecerá imóvel em todo o ensaio.

Nas simulações é considerada uma condição de agarramento pleno entre as extremidades laterais das chapas que estão em contato com cada uma das garras; assim, os nós das chapas em contato com as garras irão se mover com a mesma velocidade dos elementos rígidos vizinhos.

Em todas as simulações foi definido um coeficiente de atrito igual a 0,4 entre as chapas, conforme sugerido no banco de dados do software Deform 2D v.10.0 para a interface alumínio/ alumínio.

O material das chapas avaliadas neste trabalho foi considerado isotrópico e seu comportamento mecânico no regime plástico obedece à curva de fluxo determinada por Lee⁽⁵⁾, segundo a equação σ = 310,83ε^0,057 para a liga de alumínio 6063.

Pereira⁽¹²⁾ demonstrou a influência da pré-deformação na região da junta do clinching em sua resistência ao destacamento e mostrou que a carga necessária para promover o escoamento do interlock e a consequente separação das chapas unidas pelo processo é superior, para uma mesma geometria, considerando-se o encruamento prévio da região da junta, e que seu acréscimo depende das propriedades constitutivas do material das chapas.

Neste trabalho, para a simulação com a geometria-padrão da junta representada na figura 3b, bem como para as demais simulações, foi desconsiderado o encruamento prévio na região das juntas que ocorre durante o processo de obtenção da união, de forma que a análise dos resultados pode ser feita considerando a junção mecânica em seu estado recozido.

Foram realizadas simulações variando-se o valor dos parâmetros N e X, a partir da geometria-padrão da junta, conforme apresentado na tabela 1 e na figura 4.

Na tabela 1 são apresentados os valores dos parâmetros N e X da junta do clinching para cada uma das simulações realizadas. Observa-se que foi considerada uma diminuição da dimensão N com o aumento do interlock. Tal atribuição foi feita no intuito de aproximar a geometria das juntas avaliadas daquelas que poderiam ser obtidas experimentalmente, visto que, ao variar a geometria das matrizes, é possível aumentar a dimensão do parâmetro X em detrimento da espessura N.

Na figura 4 verifica-se a variação da geometria da região da junção das chapas nas simulações do ensaio de destacamento do clinching, de maneira que a escala de cores adotada revela a interface entre as chapas de acordo com a alteração dos valores dos parâmetros neck e interlock.

Fig. 4 – Representação esquemática da variação geométrica da junta do clinching para diferentes valores dos parâmetros neck e interlock em cada simulação executada.

 

Resultados e discussão

A relação entre a força axial (Fz ) exercida pela garra e seu deslocamento (Δz) para as simulações I a VI do ensaio de desabotoamento do clinching é apresentada na figura 5 (pág. 32). A partir dela é possível observar que nos estágios iniciais do ensaio de destacamento do clinching a carga necessária para promover o destacamento das juntas é crescente até ser atingido um valor máximo, a partir do qual a força de desabotoamento diminui com o deslocamento da garra trativa. Também é percebido que a maior força de destacamento foi atingida na simulação IV, cuja geometria da junção tem N igual a 0,51 mm e X igual a 0,41 mm.

A tabela 2 mostra os valores aproximados da carga máxima de desabotoamento para o grupo de simulações com as chapas recozidas com diferentes valores dos parâmetros N e X. A partir dos valores apresentados nessa tabela, para a carga máxima de desabotoamento do clinching para diferentes valores do interlock, nota-se um aumento da carga máxima de desabotoamento da simulação I até a IV e que, a partir da simulação V, há uma diminuição da resistência das juntas ao destacamento, apesar do crescimento do interlock.

É possível observar três comportamentos distintos em relação às curvas apresentadas na figura 5. Para as simulações I a IV, verifica-se que com o aumento do interlock os valores da força axial máxima e do deslocamento da garra 1 no instante da carga máxima são crescentes, apesar da diminuição da dimensão N. Também constata-se que, após atingida a carga máxima, a inclinação das curvas Fz x Δz das simulações I a IV é praticamente a mesma.

Fig. 5 – Relação entre a força axial, Fz, exercida pela garra 1 e seu deslocamento, Δz, durante as simulações I a VI do ensaio de desabotoamento do clinching.

Comparando-se a simulação V com a simulação IV percebe-se que, apesar do aumento do interlock, os valores da carga máxima de desabotoamento e do deslocamento do elemento rígido motor neste instante do ensaio decrescem. Verifica-se, ainda na figura 5, que para a simulação V também existe um aumento da resistência ao descolamento das chapas no início do ensaio, de forma semelhante à apresentada no grupo de simulações I a IV; todavia, depois de atingida a carga máxima do ensaio, a queda de carga na simulação V é mais abrupta em relação a este grupo de simulações.

A partir das curvas apresentadas na figura 5, é visto que na simulação VI a carga máxima de desabotoamento é alcançada quase instantaneamente no início do ensaio de desabotoamento e que a queda de carga é acentuada de maneira similar à queda de carga da simulação V.

Com o objetivo de apresentar o mecanismo de separação das chapas para as diferentes geometrias das juntas do clinching, a figura 6 mostra a distribuição da taxa de deformação na região das juntas das simulações I, V e VI do ensaio de desabotoamento do processo para deslocamentos distintos da garra de tração rígida.

A figura 6 destaca os locais em que se concentra a deformação nas juntas do clinching durante o ensaio de desabotoamento, para diferentes mecanismos de separação das chapas.

Para as simulações I a IV, foi verificado o mecanismo de separação denominado escoamento do interlock. Conforme mostrado na figura 6 (I), nos estágios iniciais da simulação I a região da chapa superior, próxima ao interlock, escoa em direção ao centro da junta à medida que a garra 1 se desloca axialmente. Assim, há o encruamento da chapa que está por cima, perto do interlock, e sua resistência ao desabotoamento cresce até ser atingido um estado-limite, no qual a região de contato entre as chapas diminui de tal maneira que passa a existir uma deformação localizada na protuberância do interlock na chapa movida pela garra e a carga de desabotoamento decresce até a separação completa das juntas.

Para a simulação VI o modo de falha verificado foi a estricção da região da chapa superior na qual é medida a espessura N. Analisando a figura 6 (VI), nota-se que bem no início do ensaio de desabotoamento a velocidade de deformação é maior na região de menor espessura da chapa superior. Para o deslocamento axial da garra trativa de 0,025 mm percebese ainda que são atingidas elevadas velocidades de deformação em comparação com as verificadas na simulação I, e que a distribuição da taxa de deformação nos instantes iniciais do ensaio forma uma espécie de “X” na chapa superior, evidenciando o fenômeno da instabilidade plástica, também conhecida com estricção ou “pescoço”.

Tendo em vista a figura 6 (V), observa-se que na simulação V ambos os modos de falha ocorreram no ensaio de destacamento da junta do clinching. Inicialmente, no instante em que o deslocamento da garra 1 é de 0,20 mm, foi dominante o modo de falha do escoamento do interlock e foram notadas maiores velocidades de deformação na região da chapa superior, na qual antes foi medido o parâmetro X. Todavia, depois de atingida a carga máxima na simulação V, o mecanismo de separação que se tornou proeminente foi a estricção localizada da chapa superior.

Fig. 6 – Distribuição da taxa de deformação efetiva nas chapas das simulações I, V e VI antes e após o alcance da carga máxima exercida pela garra 1 no ensaio de desabotoamento do clinching.

Na simulação V houve essa alternância entre os modos de falha devido ao aumento da resistência da região do interlock na chapa superior, em razão do encruamento da junta no decorrer do ensaio de destacamento. No início do ensaio a carga necessária para promover a estricção da chapa superior era superior à força trativa necessária para o escoamento do interlock. Entretanto, à medida que a região da junta se deformava plasticamente, também sua resistência mecânica aumentava, até chegar ao instante em que se despende menor energia promovendo a concentração de deformação no “pescoço” da chapa superior do que deformando o interlock em seu estado encruado.

A figura mostra a relação entre o modo de falha e os parâmetros X e N para as geometrias do clinching avaliadas. A partir do mapa de falhas do processo presente na figura 7, é possível observar a forte dependência geo­métrica da junta em relação ao seu mecanismo de separação axial. Observa-se que, para altos valores do parâmetro neck, o modo de falha das juntas é o escoamento do interlock e, à medida que se reduz a espessura N e, consequentemente, aumenta-se a dimensão X, é alcançado um estado-limite a partir do qual surge a instabilidade plástica da estricção na chapa superior.

Fig. 7 – Mapeamento dos modos de falha do clinching em relação às dimensões dos parâmetros geométricos das juntas denominados interlock, X e neck, N.

Tendo em vista as curvas mostradas na figura 5 e o mapa da figura 7, verifica-se que o aumento da resistência da junta não depende unicamente do interlock e que a maior carga estática de desabotoamento é encontrada para valores intermediários dos parâmetros N e X, logo na eminência da transição entre os modos de falha do escoamento do interlock e da estricção da chapa superior. Dessa forma, no projeto de uma junção mecânica do clinching a escolha da geometria da união deve ser feita considerando uma combinação dos valores de N e X, na qual o mecanismo de separação das junções seja o escoamento do interlock com o maior valor de X possível para evitar a estricção na chapa superior.

Na seleção da geometria da junta do clinching também deve ser observada a resistência da união em relação ao deslocamento necessário da garra para promover o completo destacamento das chapas quando submetidas a esforços estáticos. Com base nas curvas da figura 5, verifica-se, qualitativamente, que a energia mínima necessária para promover o desabotoamento das uniões sob as condições de ensaio estabelecidas corresponde à área sob as curvas Fz x Δz. Assim, outra característica importante que torna a geometria da simulação IV preferível em relação às outras simulações executadas é sua elevada “tenacidade” da união, visto que, como verificado na figura 5, a área sob a curva Fz x Δz nesta simulação é a maior em relação às demais.

Dessa forma, se com uma determinada combinação dos valores das dimensões N e X fossem consideradas duas diferentes juntas que falhassem sob a mesma carga máxima, mas tivessem modos de falha distintos, a junta do clinching mais adequada seria aquela que apresentasse como mecanismo de separação o escoamento do interlock, pois a energia necessária para separar as junções seria maior neste caso.

 

Conclusões

Por meio das simulações feitas utilizando-se o método dos elementos finitos do ensaio de desabotoamento do clinching, pode-se concluir que o modo de falha existente para juntas do clinching com pequenos valores do parâmetro geométrico denominado interlock, X, e altos valores da espessura mínima da chapa superior, N, é o escoamento do interlock e à medida que se reduz N e se aumenta a dimensão X da junta passa a ocorrer o mecanismo de separação pela estricção da chapa superior.

Verifica-se ainda que os valores da carga máxima no ensaio de destacamento do clinching ocorrem nas geometrias das juntas que falham pelo mecanismo do escoamento do interlock e que apresentam maiores valores do parâmetro X.

Também foi percebido que, nas junções mecânicas do clinching que apresentam maiores valores da dimensão X e cujo mecanismo de separação é o escoamento do interlock, se verifica uma maior tenacidade da junta, levando-se em consideração o trabalho realizado pela garra trativa para promover o completo desabotoamento das juntas.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio do CNPq, FAPEMIG e CAPES às presentes atividades de pesquisa.

 

Referências

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