A demanda por componentes com menor custo agregado, principalmente no caso do setor automotivo, requer a necessidade de resultados mais precisos em um curto espaço de tempo durante o desenvolvimento de produtos e processos, o quetorna mandatório evitar a prática de “tentativa e erro”. Para sair desse círculo vicioso, um maior conhecimento sobre o comport amento físico d os materiais, aliado a uma tecnologia computacional cada vez mais confiável e acessível, já é uma realidade (Al Azraq, 2006).

Em muitos processos de fabricação, o retorno elástico é o fator de maior preocupação, tornando o projeto de ferramentas de conformação de chapas uma tarefa bastante complexa. De acordo com a Teoria da Deformação Plástica, os materiais metálicos possuem, em função do seu estado de deformação, um comportamento elástico (em que a peça volta a ter o formato inicial) e posteriormente um comportamento plástico (em que a peça não volta a ter o seu formato inicial) ao longo do tempo em que os esforços são aplicados nestes materiais (Thipprakmas, 2010).

Fig. 1 – Possibilidades de aplicação do aço DP na carroceria de automóveis. Fonte: Motorstown (2013).
 

O efeito do retorno elástico é um dos principais fatores que determinam a forma final do produto e, se não for corretamente controlado, afeta significativamente a precisão do produto e, consequentemente, a sua qualidade. O controle do retorno elástico ou a correção dos materiais estampados é uma tarefa difícil e complexa que normalmente é resolvida por meio de métodos de tentativa e erro. Estes métodos são demorados e implicam custos elevados.

Nos processos de dobramento de chapas, o material tem uma recuperação elástica maior durante a descarga, o que leva a um retorno elástico também maior, principalmente no caso desses tipos de aços em que a linha de carga e descarga no regime elástico é maior. Dada a dimensão do produto final, o projeto de conformação de chapas deve ser capaz de incorporar com precisão a recuperação elástica, que é influenciada por uma combinação de parâmetros de processo, tais como propriedades dos materiais, temperatura, formas e dimensão da ferramenta, as condições de atrito e de contato, além de espessura, largura, comprimento, entre outros fatores.

Fig. 2 – Representação de uma chapa submetida ao processo de dobramento

 

Revisão bibliográfica

Durante o dobramento, a chapa sofre deformação por flexão em prensas que fornecem a energia e os movimentos necessários para a realização da operação. A forma é conferida pelo emprego de punção e matriz específicos até atingir o formato desejado. Na operação de dobramento a chapa é submetida a esforços aplicados em duas direções opostas para provocar a flexão e a deformação plástica, mudando a forma de uma superfície plana para duas superfícies concorrentes, em ângulo, com raio de concordância em sua junção.

A operação de dobramento é relativamente simples e há muitos anos é aplicada na indústria. Os esclarecimentos tecnológicos e os fundamentos científicos desse método são relativamente recentes. A importância desta técnica está relacionada à confecção de componentes geometricamente simples e de estruturas complexas na área de transportes (por exemplo, fabricação de ônibus ou navios). Durante o processo de dobramento muitas vezes ocorrem fenômenos indeseja dos, como a variação da secção ou a alteração da espessura do componente em questão ⁽⁵⁾ . O dobramento é uma operação onde ocorre uma deformação por flexão. Quando um metal é dobrado, a sua superfície externa fica tracionada e a interna comprimida. Essas tensões aumentam a partir de uma linha interna neutra, chegando a valores máximos de tração na camada externa e de compressão na camada interna. Uma vez cessado o esforço de dobramento, a parte da seção que ficou submetida a tensões inferiores ao limite de proporcionalidade, por ter permanecido na região elástica, tende a retornar à posição inicial, anterior ao dobramento, efeito que é chamado de retorno elástico⁽⁴⁾.

O processo de dobramento poder ser efetuado de diversas maneiras, conforme ilustrado na figura 3.

Fig. 3 – Tipos de processos de dobramento. Fonte: Altan et al. (1999).
 

Na passagem do limite de escoamento de compressão para o limite de escoamento de tração ocorrem tensões correspondentes ao estado elástico do material. Nessa zona o material é deformado apenas elasticamente. Assim que as forças internas deixam de atuar sobre a peça, as partes sob deformação elástica tendem a retornar à posição inicial. Por isso ocorre o fenômeno de retorno elástico em peças dobradas ⁽⁵⁾. Os materiais metálicos possuem, em razão do seu estado de deformação, um comportamento elástico (em que a peça volta a ter o seu formato inicial) e posteriormente um comportamento plástico (em que a peça não volta a ter o seu formato inicial) ao longo do tempo em que os esforços são aplicados a eles ⁽⁷⁾.

O método de elementos finitos possibilita a avaliação de forma mais rápida e eficiente dos aspectos relacionados ao processo em relação ao método de tentativa e erro típico de um ambiente industrial, já que o segundo exigiria muitos recursos financeiros, demandaria muito tempo e seria difícil de controlar e monitorar (Colombo, 2012).

 

Materiais e métodos

Para a realização do dobramento foram utilizadas tiras de aço DP 600 e DP 800 nas seguintes dimensões: 80 mm (comprimento) , 20 mm (largura) e 1 mm (espessura); foram utilizadas quatro tiras de cada material. O método de elementos finitos é uma ferramenta que possibilita a reprodução do comportamento experimental em escala real da dobra, de forma que inúmeros ensaios virtuais sejam realizados sem a necessidade do emprego de amostras. Para fazer a análise pelo método de elementos finitos, foi utilizado o software Abaqus. Para a determinação da previsão de retorno elástico por meio da literatura, foi utilizado o livro intitulado “Conformação mecânica – Cálculos aplicados em processos de fabricação ⁽⁶⁾. Para calcular o fator de retorno elástico (K):

Para calcular o momento (Mb):
 

Para calcular a relação entre ângulo desejado ( α ) e ângulo teórico (ά):

Onde:
K = fator de retorno elástico;
Mb = momento;
r1 = raio de dobramento = 10 mm;
l = comprimento da tira = 80 mm;
l1 = l2 = comprimento teórico das abas dobradas = 40 mm;
b = largura = 20 mm;
s = espessura = 1 mm;
Fb = Força de dobramento (medida experimental);
E = Módulo de elasticidade convencional do aço = 210 GPa;
α = ângulo desejado;
ά = ângulo teórico.

 

Resultados

Ensaios

A força de dobramento foi determinada na prensa hidráulica Dan-Press por meio de uma célula de carga de 20 kN e o deslocamento foi detectado por um sensor LVDT. Para a obtenção dos dados, foi utilizado o programa Spider8 juntamente com o software Catman 4.0. Com a aquisição dos dados foi possível obter os gráficos de força versus deslocamento. Nas tabelas 1 e 2 foram calculadas as forças médias de dobramento para amostras de DP 600 e DP 800.

Segundo os cálculos apresentados no livro Conformação mecânica – Cálculos aplicados em processos de fabricação:
Utilizando a equação 2:

Assim:

Foi feita uma média dos ângulos obtidos na prática experimental após o dobramento das tiras de aços DP 600 e DP 800, conforme as tabelas 3 e 4. Logo:

Diferença entre o valor do fator de retorno elástico teórico e valor experimental:
Erro (%) = (Valor teórico – Valor experimental) x 100

Simulações numéricas

As simulações realizadas pelo método de elementos finitos foram feitas a fim de comparar os dados obtidos pelos ensaios. Tem-se, ainda, a praticidade da obtenção de resultados de forma rápida e precisa, além do baixo custo em relação aos testes experimentais. A maior dificuldade no desenvolvimento de um modelo em elementos finitos é representar de maneira satisfatória o teste experimental, portanto uma das motivações para o desenvolvimento deste trabalho gira em torno da realização desse modelo e do seu comparativo.

Fig. 4 – Montagem do processo de dobramento
 

Na figura 4 é possível visualizar o processo de montagem das ferramentas e o processo de dobramento da tira por completo até o momento em que o punção retorna à sua posição inicial e ocorre então o retorno elástico na tira.

Os ângulos obtidos pelas simulações foram de 94,37o para o aço DP 600 e de 97,70o para o aço DP 800, assim como mostra a figura 5.

Fig. 5 – Ângulos finais observados após os processos de dobramento
 

Outro fator analisado na simulação foi a força necessária para dobrar a chapa ilustrada nas figuras 6 e 7, processo realizado por meio da força exercida pela matriz para efetuar o dobramento de cada material.

Fig. 6 – Força de dobramento (Fb) aplicada ao material DP 600

Fig. 7 – Força de dobramento (Fb) aplicada ao material DP 800
 

Conforme os cálculos apresentados no livro Conformação mecânica – Cálculos aplicados em processos de fabricação – e utilizando as forças oriundas da simulação numérica, que são:

Utilizando a equação 2:
Assim:

Logo:

Assim:

Logo:

Diferença entre o valor do fator de retorno elástico teórico e o da simulação:

Erro (%) = (Valor teórico – Valor simulação) x 100

Conclusões

É possível observar que as equações mostradas no livro intitulado “Conformação mecânica – Cálculos aplicados em processos de fabricação” não se aplicam ao processamento dos aços DP (Dual Phase), pois apresentam um erro na previsão do retorno elástico em relação aos valores medidos experimentalmente pelo processo de dobramento dos aços DP 600 e DP 800. As fórmulas apresentam erros relativos de 8% para o aço DP 600 e de 15% para o aço DP 800.

Na simulação realizada por meio do método de elementos finitos, os resultados também se mostraram diferentes dos resultados práticos, porém esse erro se mostrou inferior ao observado no caso do método de cálculo aplicado neste trabalho, sendo atribuído ao aço DP 600 um erro de 4% e ao DP 800 um erro de 7%.

Com estes resultados é possível verificar que mesmo a simulação feita por elementos finitos, que normalmente é uma ferramenta eficaz para a análise e o desenvolvimento de um projeto ou produto, não apresentou um resultado preciso para este caso. Porém, é preciso destacar que existem variáveis que podem interferir no retorno elástico e todos os parâmetros precisam estar inseridos para que seja possível validar os resultados da simulação com os resultados obtidos pelos ensaios práticos.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e às instituições de fomento à pesquisa CNPq e CAPES pelo apoio financeiro.

 

Referências

1. Gorn i, A. A.; Aços avançados de alta resistência: Microestrutura e propriedades mecânicas. Corte & Conformação de Metais, p. 26-57, Dezembro de 2008.
2. Gorn i, A. A.; Aços avançados de alta resistência: Microestrutura e propriedades mecânicas, 5° Congresso Corte & Conformação de Metais, São Paulo, p 2 – 20, 2009.
3. Haus, S. A.; Influência do efeito Bauschinger no retorno elástico em aços avançados de alta resistência. Dissertação de mestrado. Pós-Graduação em Engenharia Mecânica UFPR, Curitiba, PR, 2011.
4. Moro , N.; Aur a s, A. P.; Conformação Mecânica II – extrusão, trefilação e conformação de chapas. Apostila de processos de fabricação, Cefet – SC; p 24 – 27, 2006.
5. Schaeffer, L.; Conformação de Chapas Metálicas. Imprensa Livre Editora, Porto Alegre, 2004.
6. Schaeffer, L.; Conformação Mecânica. Imprensa livre editora, Porto Alegre, 1999.
7. Thipprakmas, S.; Finite element analysis on V-die bending process. Finite Element Analysis. InTech, 2010. Disponível em < http://www.intechopen.com /books /finite-element-analysis /finite-element-analysis-on-v-die-bending-process>. Acessado em 27/ 08 /2014.