Estado da Arte – Estudos relevantes em Conformação por Estiramento

no processo de conformação por estiramento em função da trajetória de carregamento baseado em deslocamento distribuído. A estiradeira utilizada neste trabalho (Figura 7) devido à sua concepção estrutural, permite que seus mordentes apresentem movimentos independentes, sendo que em uma estiradeira convencional essa interdependência não é possível.

Figura 7 - Diagrama estrutural do dispositivo de conformação por estiramento com deslocamento (YANG et al., 2015).

A Figura 8 apresenta duas trajetórias de carregamento. Na Figura 8(a) é apresentado um modo de carregamento tradicional no qual não existe a independência de cinemática entre os mordentes, de modo que somente uma curva é exibida no gráfico. Já na Figura 8(b) é apresentado um modo de carregamento com deslocamento variável, no qual os mordentes possuem deslocamento independente, de modo que cada curva exibida representa a cinemática de um mordente.

Figura 8 - Trajetória de carregamento: (a) Modo de Carregamento Tradicional (b) Modo de Carregamento Deslocamento Variável (YANG et al., 2015).

Nesse estudo, YANG et al. (2015) investigaram quatro trajetórias distintas de carregamento e dois moldes que apresentavam geometria esférica e de sela e concluíram que a trajetória de carregamento no processo de conformação por estiramento influencia diretamente o resultado da conformação.

Na melhor trajetória de carregamento variável, a tensão e a deformação obtidas são as menores e a distribuição de deformação na chapa metálica é mais uniforme sobre a superfície da peça conformada. Os resultados numéricos também mostram que a média e o pico da tensão na peça conformada no molde esférico com a melhor trajetória de carregamento pode ser reduzida para 26% e 44%, respectivamente, se comparados com a peça conformada no modo de carregamento tradicional.

YAN et al. (2008) apresentam um estudo relevante em que evidenciam algumas variáveis do processo de conformação por estiramento que influenciam o

valor do retorno elástico do produto conformado. Para tanto, investigaram três trajetórias de carregamento, ou caminhos, em um molde cilíndrico para dois casos distintos: revestimento com baixa e alta deformação por dobramento, respectivamente.

Na primeira trajetória foi aplicado o dobramento e estiramento da chapa sobre o molde ao mesmo tempo. Na segunda trajetória foi aplicado primeiro o dobramento e depois o estiramento da chapa sobre o molde. E na terceira trajetória foi aplicado primeiro o estiramento e depois o dobramento da chapa. Comparando-se as três formas de carregamento, a que apresentou melhor resultado, do ponto de vista de redução do retorno elástico, foi a segunda trajetória que representa o processo mecânico drape forming.

Figura 9 – Retorno Elástico em função da forma de carregamento (YAN et al., 2008).

YAN et al. (2008) também concluíram que a geometria em combinação com a espessura da chapa são variáveis que podem apresentar influência na mitigação do retorno elástico. Essa análise demostrou uma baixa influência da espessura em geometria cilíndrica para mitigação do retorno elástico conforme Figura 10, porém em uma geometria esférica a espessura demostrou ser de grande influência como apresentado na Figura 11.

Figura 10 – Retorno Elástico calculado para geometria cilíndrica em diferentes espessuras (YAN et al., 2008).

Figura 11 – Retorno Elástico calculado para geometria esférica em diferentes espessuras (YAN et al., 2008).

YAN et al. (2008) também investigaram a influência da matéria-prima no retorno elástico. Na Figura 12 é apresentada uma liga de alumínio em duas condições distintas, a 2024-O (recozida) e a 2024-T3 (tratada termicamente). Observa-se que ao aplicar-se um baixo valor de deformação, a diferença de retorno elástico entre as duas condições é elevada, já com a aplicação de valores altos de deformação esta diferença se torna mínima.

Figura 12 – Retorno Elástico em função do tratamento e deformação na chapa (YAN et al., 2008).

XING et al. (2016) apresentam um estudo sobre os efeitos do rearranjo dos punções unitários no processo de conformação por estiramento por multipontos. O

multi-point stretch forming (MPSF) é uma conformação por estiramento na qual o

molde rígido é substituído por uma molde flexível de multipontos (Figura 13), denominada multi-point die (MPD). Essa é uma importante estratégia utilizada no processo de conformação por estiramento uma vez que a MPD pode assumir variadas geometrias, reduzindo assim o número de moldes.

Figura 13 - Estrutura do Multi-Point Die (MPD) (XING et al., 2016).

Esse estudo comprovou que as ondulações provocadas na chapa durante a conformação, pelo fato de não se tratar de um molde rígido e contínuo, podem ser suprimidas alterando-se a disposição dos punções unitários no MPD. Foram selecionados produtos com geometria esférica para o estudo com a mesma condição de carregamento e duas distribuições distintas de punções unitários no MPD, sendo uma convencional (CAMPD) e a outra escalonada (SAMPD).

Figura 14 - Forma estrutural da MPD: (a) CAMPD e (b) SAMPD (XING et al., 2016).

De acordo com os resultados obtidos neste estudo constataram que os valores de tensão, deformação, redução de espessura e retorno elástico são menores quando conformados em SAMPD, além da distribuição da tensão, da deformação e da espessura serem mais uniformes.

A Figura 15 mostra o modelo esquemático da ondulação h que representa a distância entre o ponto médio da linha AB e o ponto médio da região sem contato. O

valor de h médio é reduzido 12,96% ao longo da direção do eixo-x e 17,39% ao longo da direção do eixo-y quando conformado por SAMPD.

Figura 15 – Base para medição dos dados (XING et al., 2016).

Quando conformados em SAMPD o grau de ondulações é menor, o grau de deformação local ao longo da direção do eixo-y é maior do que ao longo da direção do eixo-x na mesma peça, e a qualidade de conformação na superfície e a precisão da forma são melhoradas (Figura 16).

Figura 16 - Peças conformadas no experimento. (a) Peça conformada por CAMPD (b) Peça conformada por SAMPD (XING et al., 2016).

Em um estudo posterior, Jian Xing (2016) buscou dentro do processo MPSF a mitigação dos efeitos de ondulações na chapa. Nesse trabalho foram analisados dois conceitos de manta elástica (Figura 17), sendo a primeira uma manta elástica integral ou contínua (FUIEC) e a segunda uma manta elástica discreta ou descontínua (SUDEC) que possui um punção com unidade em balanço.

Figura 17 - Formas do punção unitário. (a) FUIEC (b) SUDEC (XING et al., 2016).

Nesse estudo foi utilizada uma chapa metálica de 1600 x 1200mm e espessura de 2mm, espessura da manta elástica de 10mm, raio no topo do punção unitário de 40mm, topo da unidade de balanço é plano, raio da peça alvo esférica de 2000mm e área conformada de 1200 x 1200mm. A Figura 18 apresenta os modelos em elementos finitos para os dois conceitos de manta elástica.

Figura 18 – Modelos EF do processo de conformação por estiramento (1/4 simetria). (a) Modelo EF do FUIEC (b) Modelo EF do SUDEC (XING et al., 2016).

De acordo com os resultados da simulação numérica, a tensão, deformação e espessura distribuída na peça conformada por SUDEC são mais uniformes e os valores de tensão, deformação e redução de espessura são menores se comparados com a peça conformada por FUIEC. As ondulações da peça conformada por SUDEC são mais fracas e a qualidade da conformação é melhor do que a da peça conformada por FUIEC. A SUDEC pode diminuir a utilização da

manta elástica integral, que reduz o trabalho de remoção da manta, simplificando o processo e aumentando sua eficiência.

Figura 19 - Peças conformadas no experimento. (a) Peça conformada por FUIEC (b) Peça conformada por SUDEC (XING et al., 2016).

2.2.3 Vantagens da utilização do processo de conformação por estiramento

A Senior Aerospace Thermal Engineering empresa líder no mercado de componentes aeroespaciais apresenta as vantagens na utilização do processo de conformação por estiramento:

 Tensão interna reduzida: a tensão é reduzida devido à estrutura de grãos do metal normalizada após o tratamento térmico e o processo de conformação, reduzindo consideravelmente o retorno elástico.

 Saída de alto volume: a conformação por estiramento é um processo rápido e adequado para uma maior saída de volume;

 Grandes peças: peças maiores podem ser conformadas utilizando as prensas de estiramento a frio;

 Menor custo: a conformação por estiramento possui menor custo em comparação a conformação por estampagem profunda devido a utilização de uma ferramenta mais simples;

2.2.4 Principal Aplicação: Conformação por Estiramento

Este processo é amplamente utilizado na indústria aeroespacial para fabricação de grandes painéis metálicos de curvatura suave. Esse tem sido tradicionalmente um processo de baixa precisão que exige um trabalho manual considerável na montagem. No entanto, as recentes exigências de alta produtividade e menor desperdício em função da competitividade no mercado demandaram novas exigências sobre a precisão e consistência (qualidade) deste processo.

Figura 20 - Divisão da fuselagem da aeronave por segmentos

Nas Figuras 20 e 21 são apresentados alguns segmentos da fuselagem da aeronave como: Dianteira, Traseira e Cone de Calda, que necessitam da utilização da conformação por estiramento para a fabricabilidade de seus revestimentos, uma vez que, a complexidade da geometria não permite a utilização de um processo simples de conformação por calandra.

Figura 21 - Exemplos de segmentos da fuselagem que utilizam o processo de conformação por estiramento.

A Asa que também é considerada como um segmento, possui dentre algumas famílias de peças, o Bordo de Ataque, Leading Edge, para o qual a conformação por estiramento é predominante (Figura 22).

Figura 22 - Indicação dos bordos de ataque da aeronave.

Em uma definição aerodinâmica, o bordo de ataque é a peça da asa que primeiramente entra em contato com o ar. Já em uma definição estrutural, o bordo de ataque é o principal perfil da seção do aerofólio.

Figura 23 - Exemplos de revestimentos conformados para montagem do bordo de ataque.