Por Sebastian Scheib, Partchapol Sartkulvanich e Taylan Altan*

 

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de setembro de 2011.

 

A estampagem dos aços avançados de alta resistência (advanced high strength steels, AHSS) pode implicar diversos desafios, tais como efeito-mola, fratura sob flexão e estiramento, e trincamento de bordas. O ensaio de expansão de furo é comumente usado para avaliar o trincamento ou a capacidade de estiramento das bordas.

A falha por trincamento de bordas pode ocorrer sob valores de deformação significativamente menores do que aqueles previstos pela curva-limite de conformação, a qual é usada para avaliar a estampabilidade do material.

 

Fig. 1 – A borda cisalhada possui diversas características geométricas.

 

 

Diversos estudos mostraram que a qualidade da borda do furo puncionado possui significativa influência sobre sua capacidade de estiramento. Por exemplo, furos feitos por eletroerosão apresentam capacidade de estiramento melhor do que aqueles produzidos por furação ou cisalhamento⁽¹⁾.

Outro estudo mostrou que o corte de blanques por puncionamento, o método mais prático para se produzir furos ou recessos, gera uma zona afetada pelo cisalhamento e rebarbas. A capacidade de estiramento do furo aumenta caso estas sejam removidas⁽²⁾.

 

É útil caracterizar a qualidade da borda cisalhada produzida pelo corte do blanque, por meio de experimentos e simulações de computador. Em última análise, o objetivo é viabilizar um método para quantificar a máxima profundidade que um flange pode ter, ou quanto um furo pode ser expandido, para uma dada qualidade de borda cisalhada ou de blanque.

 

A borda cisalhada (figura 1) consiste em:

 

• A zona de cisalhamento, que é lisa e brilhante, e que foi criada pelo corte do material;

 

• A zona de fratura, a qual faz a peça se separar do blanque;

 

• A profundidade da penetração da trinca, que é um desvio da borda reta da peça;

 

• A rebarba, que é uma projeção na borda da peça;

 

• A zona de arredondamento, onde a borda da superfície da chapa é dobrada por deformação plástica.

 

Além das características geométricas, a qualidade da borda cisalhada também inclui a zona afetada pelo cisalhamento, a qual se estende desde a superfície cisalhada para dentro do material adjacente. Esta zona consiste do volume de metal que foi sujeito a uma deformação plástica muito elevada e altas temperaturas durante o cisalhamento.

 

Fig. 2 – Experimentos de corte de blanques foram conduzidos no Centro para Conformação de Precisão com chapas de aço AISI 1050⁽³⁾.

 

Logo, a qualidade da borda cisalhada (tanto em termos geométricos quanto da zona afetada pelo cisalhamento) é afetada pela folga punção-matriz, as propriedades do material, a espessura da chapa, a velocidade de corte e o desgaste do ferramental.

 

Efeitos da folga punção-matriz sobre a geometria da borda cisalhada

 

Os experimentos de corte de blanques por puncionamento conduzidos no Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming, CPF) com chapas de aço AISI 1050 são mostrados esquematicamente na figura 2. Foram usadas matrizes com diferentes diâmetros para estabelecer diferentes valores de folga punção-matriz, tais como 5%, 10% e 15% da espessura da chapa.

A borda do blanque obtida a partir dos testes foi seccionada e analisada por microscopia óptica para medir as características geométricas das bordas cisalhadas. Os resultados experimentais estão resumidos na tabela 1.

 

 

 

Foram feitas as seguintes constatações, à medida que o valor da folga punção-matriz se elevou dentro da faixa aqui investigada:

 

• A zona de arredondamento (deformação plástica da chapa antes da separação) aumenta;

 

• A zona de cisalhamento aumenta;

 

• A zona de fratura aumenta ligeiramente;

 

• A altura da rebarba permanece praticamente inalterada.

 

Simulação do corte de blanques pelo método de elementos finitos

Foram conduzidas simulações do corte de blanques pelo método de elementos finitos para prever, de forma mais precisa, as geometrias das bordas de cisalhamento e das zonas afetadas pelo cisalhamento. O arranjo inicial do modelo de elementos finitos está ilustrado na figura 3.

 

Fig. 3 – Foram efetuadas simulações pelo método de elementos finitos do corte de blanques para prever com maior precisão as geometrias das bordas cisalhadas e da zona afetada por cisalhamento. Esta figura mostra a etapa inicial da simulação do corte para uma chapa de aço AISI 1050 com espessura de 1,27 mm.

 

 

As etapas de cálculo para o corte de blanques estão mostradas na figura 4, em que se pode observar que as deformações na zona de cisalhamento continuam crescendo até que as trincas se iniciem, o que causa a fratura. O modelamento do corte de blanques pelo método de elementos finitos foi melhorado com a inclusão de um critério de fratura que indica quando a trinca se inicia durante a simulação. A figura 5 mostra a borda cisalhada obtida a partir dos ensaios de corte de blanques e da simulação, para uma folga punção-matriz igual a 15%.

 

Fig. 4 – Estas distribuições de deformação foram obtidas por simulação, em diferentes etapas do corte de blanque, para uma chapa de aço AISI 1050 com 1,27 mm de espessura.

 

O efeito da temperatura precisa ser considerado no modelo por elementos finitos, uma vez que ocorre tanto uma deformação plástica muito alta quanto a elevação da temperatura em uma zona localizada de deformação. A simulação mostrou que podem ocorrer aumentos locais de temperatura de até 440 °C durante o corte de blanques a partir de chapas de aço AISI 1050 (figura 5b).

 

Fig. 5 – Aqui são mostradas as geometrias das bordas cisalhadas após ensaio (a) e simulação pelo método de elementos finitos (b), incluindo-se neste caso a distribuição prevista de temperaturas.

 

Essa temperatura pode ser maior durante o corte de blanques de aço AHSS, uma vez que esse material possui maior resistência mecânica e menor condutividade térmica do que o aço AISI 1050.

Esta é a segunda parte de uma série de quatro artigos que trazem uma análise sobre a relação entre a qualidade da borda cisalhada e o trincamento de bordas no flangeamento de aços avançados de alta resistência (advanced high strength steels, AHSS). Este artigo aborda a significância do modelamento do processo de corte de blanques por puncionamento (blanking) para a previsão da qualidade da borda cisalhada e sua influência na conformação subsequente.

Referências

 

1) Karelova, A. et al.: Influence of the Edge Conditions of the Hole Expansion Property of Dual-Phase and Complex-Phase Steels. In: Proceedings from Material Science and Technology Conference (MS&T). Detroit, 2007.

 

2) Levy, B. S.; Van Tyne, C. J.: Failure During Sheared Edge Stretching. Journal of Materials Engineering and Performance (online); mar. 2008.

 

3) Al-Zkeri, I.; Baroncini, P.; Altan, T.: Determination of the Critical Damage Value at High Strength Rate Using a Blanking Process. ERC/NSM Report No. HPM/ERC/NSM-02-R-02. The Ohio State University, 2002.

 

4) Ibid.

 

 

*Este estudo foi preparado por Sebastian Scheib, Partchapol Sartkulvanich e Taylan Altan (www.ercnsm.org), pesquisadores do Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming, CPF) da Ohio State University, em Columbus, Estados Unidos (www.cpforming.com). Este artigo foi publicado originalmente na seção “R&D Updates” do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de setembro de 2011 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

 

Tecnologia em conformação

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