Por Taylan Altan e equipe do Center for Precision Forming (CPF)*

 

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de outubro de 2010.

 

A estampagem a quente compreende um processo de conformação seguido de resfriamento da peça conformada ainda dentro da matriz. Atualmente, a simulação por elementos finitos da estampagem a quente ainda se encontra em fase de desenvolvimento. Para modelar o processo com precisão, a simulação por elementos finitos precisa prever as alterações mecânicas, térmicas e microestruturais na peça sob processamento (figura 1).

 

 

Fig. 1 – O desafio na simulação por elementos finitos está no desenvolvimento de um modelo de material que possa levar em conta, de forma precisa, a interação entre dados mecânicos, térmicos e microestruturais ⁽¹⁾.

 

São necessários dados do material ao longo das faixas de temperatura de conformação (600 a 900 °C) e das taxas de deformação para conduzir simulações de processo confiáveis. A alteração das condições superficiais durante a conformação (tais como a formação de carepa sobre a superfície da chapa) influencia significativamente a transferência de calor, bem como as condições de fricção entre a peça sob processamento e o ferramental.

 

Simulação do processo de conformação

 

Uma vez que o processo de conformação de uma peça aquecida ocorre rapidamente (as velocidades de conformação são da ordem de 500 mm/s), pode-se efetuar uma análise isotérmica simplificada, desde que se assuma que não ocorram alterações de temperatura durante a deformação real.

 

Contudo, é necessário considerar o resfriamento da peça sob processamento na matriz, assumindo-se que praticamente todo o resfriamento ocorre após a peça ter sido conformada a quente. A figura 2a mostra os resultados de uma simulação por elementos finitos da conformação isotérmica a quente de uma coluna “B”.

 

 

Fig. 2 – a) uma análise isotérmica por elementos finitos a 700 °C indica o local onde ocorre a máxima estricção; e b) uma simulação termomecânica fornece previsões mais precisas, uma vez que ela leva em conta os gradientes presentes na peça sob transformação, bem como o efeito da velocidade de conformação ⁽²⁾.

 

Em uma análise isotérmica, uma simples curva de resistência à deformação e o coeficiente de fricção são parâmetros de entrada para os cálculos efetuados pelo método de elementos finitos. Não são levados em conta a temperatura e os efeitos da velocidade de conformação.

 

A figura 2b mostra os resultados de uma simulação termomecânica usando elementos finitos, a qual considerou os gradientes de temperatura dentro do material, bem como o efeito da velocidade de conformação e da transferência de calor entre o ferramental e a peça sob processamento.

 

Alterações microestruturais, tais como a transformação para martensita, não foram consideradas nesta análise. As pesquisas sobre a previsão e o modelamento das mudanças microestruturais em uma peça sob processamento com o uso do método de elementos finitos ainda se encontram em desenvolvimento ⁽¹⁾.

 

Simulação do processo de resfriamento

 

Após o processo de conformação ter sido completado, a peça precisa ser resfriada da forma mais rápida e homogênea possível. Conforme tratado na primeira parte deste estudo, a peça conformada a quente é temperada dentro de uma matriz fechada, sob taxas de resfriamento entre, aproximadamente, 50 e 100 °C/s.

 

O projeto do ferramental é particularmente crítico para o processo de resfriamento. A matriz precisa absorver e dissipar uma quantidade significativa de energia térmica através de canais de resfriamento integrados. Estes precisam ser projetados de forma a se conseguir uma distribuição homogênea de propriedades mecânicas na peça conformada.

 

Fig. 3 – a e b) a análise térmica por elementos finitos pode prever a distribuição de temperatura no punção e na matriz durante o processo de resfriamento. Orifícios perfurados na matriz permitem resfriamento mais rápido; c) a análise por elementos finitos pode prever temperaturas na peça conformada, de forma que se pode estimar o tempo de ciclo para a estampagem a quente ⁽³⁾.

 

A análise térmica por elementos finitos pode ajudar os projetistas de ferramentas na estimativa da distribuição de temperaturas dentro da peça sob processamento e do ferramental. As figuras 3a e 3b mostram a distribuição de temperaturas para duas ferramentas com diferentes projetos de canais de resfriamento. A matriz mostrada na figura 3a possui um furo adicional.

 

Uma comparação entre as distribuições de temperatura nos dois projetos de resfriamento mostra que a capacidade de resfriamento foi melhorada com a furação de um orifício adicional. A figura 3c ilustra a distribuição de temperatura em uma peça conformada.

 

Uma taxa de resfriamento insuficiente, decorrente de um projeto deficiente de ferramental, pode ser prevista e corrigida por meio da simulação por elementos finitos. Além da distribuição de temperatura, a análise térmica por elementos finitos também pode ser usada para prever o tempo de ciclo requerido para se resfriar uma peça até cerca de 150 °C. Sob essa temperatura, a peça pode ser extraída com segurança da matriz. Logo, pode-se desenvolver um processo de estampagem a quente controlado e otimizado com o uso da análise por elementos finitos ⁽³⁾.

 

Até a ocasião da elaboração deste artigo, a maior parte das pesquisas associadas à simulação da estampagem a quente por elementos finitos havia sido desenvolvida na Europa. Contudo, o Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming) da Universidade de Ohio também está conduzindo simulações sobre a conformação a morno. Essa instituição também possui extensiva experiência na simulação e modelamento de processos de forjamento a quente e a morno, os quais são similares à estampagem a quente.

Este artigo é a terceira parte de uma série de três publicações que versam sobre a estampagem a quente de aços ao boro. A primeira parte tratou dos métodos e usos desse processo. A segunda parte tratou da microestrutura de aços ao boro e de revestimentos sobre a superfície da chapa.

 

Referências

 

1) Tröster, T.; Rostek, W.: Advanced Hot Forming. In: Proceedings from the International Conference “New Development in Sheet Metal Forming Technology”. Stuttgart, 2004; p. 49-63. 

 

2) Hein, P.; Kefferstein, R.; Dahan, Y.: Hot Stamping of Usibor 1500P: Part and Process Analysis Based on Numerical Simulation. In: Proceedings from the International Conference “New Development in Sheet Metal Forming Technology”. Stuttgart, 2006; p. 163-175.

 

3) Engels, H.; Schalmin, O.; MüllerBollenhagen, C.: Controlling and monitoring of the Heat-Treated Steels. In: Proceedings from the International Conference “New Development in Sheet Metal Forming Technology”. Stuttgart, 2006; p. 135-150.

*Este estudo foi preparado pela equipe do Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming, CPF), anteriormente denominado Centro de Pesquisa em Engenharia para Manufatura Próxima do Formato Final (Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing, ERC/NSM), associado à Ohio State University (Columbus, Estados Unidos). Taylan Altan (www.ercnsm.org) é professor e diretor do instituto. Este artigo foi publicado originalmente na seção “R&D Updates” do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de outubro de 2010 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

Tecnologia em conformação

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