DESENVOLVIMENTO DE UMA MATRIZ PARA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA SEVERA VIA MÉTODO ECAP
*Antônio Pereira Santos1, Thiago Figueiredo Azevedo1, Abraão Santos Silva1, Silvando Vieira dos Santos1 e Sandro Griza1 Amós Andrade1.
*aps.engenheiro@gmail.com
¹Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Sergipe; Brasil.
RESUMO
O presente estudo tem o objetivo de desenvolver uma matriz para a deformação plástica severa de ligas metálicas via prensagem por canais iguais e angulados (equal channel angular pressing - ECAP). Este método consiste na passagem do tarugo através do canal de entrada que tem um ângulo em relação ao canal de saída. A vantagem do ECAP é que ele permite elevados níveis de deformação sem afetar significativamente a seção do tarugo, permitindo maior versatilidade na usinagem posterior de corpos de prova para ensaios mecânicos. A matriz foi concebida em placas para reduzir problemas de fratura e custo de substituição de componentes. Foi utilizada simulação por elementos finitos para prever as tensões e deslocamentos das placas. A simulação mostrou que o afastamento máximo entre as partes que compõem a matriz durante o carregamento é inferior à espessura do lubrificante, comprovando que o projeto foi adequado.
Palavras-Chave
: Deformação plástica severa, ECAP, simulação numérica,2 1. INTRODUÇÃO
A redução do tamanho do grão através de deformação plástica e recristalização é uma forma de aumentar a resistência de metais. O refino de grão é atingido através da recristalização ou recuperação que pode ocorrer durante ou posteriormente a deformação plástica, dependendo de fatores tais como temperatura, nível de deformação e taxa de deformação. A deformação plástica provoca a movimentação, multiplicação e acumulação das discordâncias em zonas de maior restrição ao movimento, junto a defeitos do grão ou junto aos contornos de grãos. As zonas de maior restrição possuem energia maior para transformação de fase no estado sólido. Assim sendo, a liga encruada ao ser devidamente aquecida, experimenta a nucleação de novos grãos a partir de um único grão primário. Este é um dos principais mecanismos de refino de grãos dos metais [1].
O ECAP pode ser descrito como uma operação na qual um tarugo é forçado pela ação de um punção a seguir através de um canal de entrada de uma determinada seção transversal, formado no interior de uma matriz, e escoar por cisalhamento ao ter mudada sua direção de fluxo, no canal de saída. A Figura 1 apresenta um esquema do ECAP [2].
Os estudos nessa área mostram que maiores níveis de cisalhamento do material têm sido obtidos nos casos em que o ângulo entre os canais é de 90°.
Figura 1. Desenho de processo ECAP [2].
A Equação 1 pode ser utilizada para relacionar os ângulos formados nos canais da matriz e o grau de deformação, onde N representa o numero de passes da amostra pelo canal [3].
Uma grande dificuldade na fabricação de uma matriz para ECAP é a dos canais em ângulos diferentes que precisam coincidir na sua intercessão sem a formação de degraus. Por este motivo, em geral são fabricados canais de seção quadrada e não circular. Isto facilita o controle dimensional na usinagem. Também por este motivo, uma das gerações de matrizes foi concebida como sendo um sanduíche de diversas placas que se combinam formando os canais. A fabricação da matriz em diversas placas permite que as arestas dos canais sejam a interseção de duas peças, o que evita a formação de trincas devidas a altas concentrações de tensões. Mas isso provoca outro problema: a pressão de extrusão tende a separar as placas, permitindo que o metal extrude para o interior das frestas, o que pode determinar o insucesso do projeto. Portanto, é importante prever o correto aperto das placas para produzir uma tensão residual suficiente que evite aberturas demasiadas.
Outro fator importante para o sucesso da extrusão é a aplicação de uma contrapressão. Esta etapa consiste na aplicação de pressão sobre o material no canal de saída, com o objetivo de garantir a distribuição uniforme da tensão aplicada na amostra pelo canal de entrada e evitar falha de preenchimento durante a extrusão.
O presente estudo tem o objetivo de desenvolver uma matriz para a deformação plástica severa de ligas metálicas, via ECAP, bem como utilizar simulação por elementos finitos para prever possíveis afastamentos das partes constituintes da matriz durante o processamento.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Desenvolvimento da matriz
Os componentes da matriz foram modelados em software de projeto adequado para construção de sólidos. Foi escolhido um ângulo de 90º entre o canal de entrada e saída, para atingir o máximo de deformação por cada passe do tarugo. Como o atrito do tarugo com as paredes dos canais da matriz é
4 muito alto, foram desenvolvidas partes individuais, que facilitam a fabricação (usinagem e polimento das superfícies dos canais), além de facilitar a substituição individual no caso de desgaste excessivo ou outro problema mecânico que possa ocorrer. A Figura 2 mostra uma vista explodida da matriz com todos os seus componentes. As peças foram nomeadas de pastilha-01, pastilha-02, pastilha-03 pastilha-04 e pastilha-05.
Para a concepção da matriz multi partida, as interfaces já existem, mas a pressão de fechamento da matriz através de parafusos deve garantir que não haja abertura significativa das interfaces. Esta verificação será feita por simulação por elementos finitos.
Para as pastilhas-01, 02 e 03, foi projetada uma inclinação de 0.2º nas duas laterais, com objetivo de produzir um ângulo para uma pressão adicional na saída do material e também para diminuir a espessura final, permitindo a reinserção do tarugo no canal de entrada sem necessidade de usinagem do tarugo. Também nessas pastilhas foram realizados furos para a passagem dos pinos guia e dos parafusos de fixação.
Para as pastilhas-04 e 05 as inclinações de 0.2º foram realizadas em apenas uma das laterais (lado interno), com o objetivo de manter a simetria com as pastilhas-01,02 e 03. Já no lado externo não houve essa inclinação. Nas pastilhas-04 e 05 foram projetados furos de 5 mm e 10 mm para passagem dos pinos guia e de parafusos, respectivamente.
Os ângulos das pastilhas foram projetados para permitir que a seção quadrada de entrada do material possua uma aresta de 8 mm, enquanto a seção quadrada de saída possua uma aresta de 7,5 mm. Além da contrapressão, o ângulo no canal de saída facilita a reinserção do tarugo subsequentemente, e facilita a lubrificação através do envelopamento do tarugo com o uso de teflon.
Para a fixação do dispositivo a uma máquina de ensaio universal (Instron modelo 3385-H com célula de carga de 250 kN), foi projetada uma base de 140 mm de diâmetro e com espessura de 15 mm, com furos dispostos a uma distância radial do centro da placa coincidente com os furos de fixação à base da máquina. Esta placa é aparafusada às placas 06. O punção foi projetado para comprimir o material e ser possível retirá-lo do canal após o
processo. Após o punção atingir o deslocamento máximo de 40 mm, ele pode ser puxado à posição inicial, pois ele possui extremidade rosqueada diretamente no travessão superior da máquina.
2.2. Seleção dos Materiais
O aço selecionado foi o AISI 4340 devido a sua elevada tenacidade e devido à possibilidade de adquirir alta dureza e resistência à deformação após o adequado tratamento térmico, possibilitando a extrusão de ligas metálicas não ferrosas. As demais peças (placas externas e base) foram usinadas em aço baixo carbono ABNT 1020, pois não sofrerão grandes esforços em relação às anteriores.
Figura 2. Vista explodida da Matriz. (a) Plastilha-06a; (b) Pastilha-04a; (c) Base; (d) Punção; (e) pastilha-01; (b) (f) Pastilha-04b; (g) Pino guia; (h) Plastilha-06b (i) Parafuso sextavado M10; (j) Pastilha-03; (k)
Pastilha-02; (l) porca sextavado M10.
2.3. Seleção do torque dos parafusos
Os parafusos selecionados foram M10 classe 10.9. Para essa classe, a pré-tensão máxima de aperto é de 1000 MPa. A partir dessa tensão é possível prever a pressão de fechamento, resolvendo a equação 2.
Onde:
- Tensão suportada pelo parafuso;
Fi - Força de fechamento máxima que o parafuso suporta; Am - Menor área do parafuso.
6 Para o parafuso selecionado o diâmetro de fundo de filete é de 9,4 mm. Então, Am é igual a 69,39 mm2.
Como a pré-tensão aceitável para essa classe de parafuso é de 1000 MPa, a força de fechamento Fi conforme a equação 2 será de 69,39 kN. Como a força deve ser distribuída uniformemente em toda a área de contado do parafuso com a superfície das pastilhas-6 da matriz, ou seja, a área de contato da base interna da cabeça do parafuso com a placa externa, então é possível calcular essa pressão, a partir da equação 3, ou seja, a pressão será igual a força de fechamento sobre a área de contato do parafuso.
(Equação 3)
Onde:
p - Pressão sofrida na área de contado do parafuso com a pastilha-4; Fi - Força de fechamento;
Ac - Área de contado entre a base interna da cabeça do parafuso e a pastilha.
2.4. Simulação Numérica
O uso da simulação tem como objetivo analisar as tensões na matriz no início do processo de deformação da amostra, além de observar qual será a abertura máxima nas regiões mais solicitadas. A simulação permite verificar o projeto previamente concebido, a fim de subsidiar eventuais ajustes do projeto. Para a realização da simulação, foram suprimidas algumas partes (base, parafusos, porcas, pinos guia e plastilha-6) e o punção foi dimensionado de uma forma mais simples, considerando-o rígido. Foi utilizado o programa Abaqus CAE 12.6. Foram gerados dois tipos diferentes de malha, um para as peça da matriz e a amostra e outro para o punção.
Foram feitas duas análises da tensão de Von Misses: inicialmente uma simulação do fechamento da matriz pelo aperto dos parafusos, em seguida uma simulação aplicando carregamento axial no punção, com o objetivo de analisar a magnitude do afastamento das paredes da matriz ao atingir tensão de 400 MPa no tarugo.
5.1. Simulação Numérica
A figura 3 mostra a primeira etapa de aplicação de força de fechamento dos parafusos. A tensão de fechamento atinge valores da ordem de 557 MPa na superfície de contato da base da cabeça do parafuso. Como foram suprimidas as placas externas (pastilhas-6) para a simulação, esta tensão foi transferida para as placas internas (pastilhas 4).
Figura 3. Analise da tensão de Von Misses para aplicação do torque nos parafusos, com a legenda de variação de tensão.
A partir desta etapa, foi aplicada uma força axial de compressão no punção. Dessa forma, observou-se a tensão na matriz e no tarugo, sendo que é esperado que com 400 MPa o tarugo já tenha atingido o início do escoamento. Este valor é superior à tensão equivalente de escoamento das ligas não ferrosas (alumínio, titânio beta) no estado recozido, as quais serão processadas por esta matriz. A figura 4 apresenta a força sobre o punção e consequentemente compressão do tarugo sobre o canal da matriz. A máxima tensão de Von Mises atingida foi de 620 MPa, valor duas vezes inferior a tensão de escoamento do aço AISI 4340 revenido para 45 HRC [4]. Este resultado indica que a matriz suportará a extrusão com coeficiente de segurança 2 para o escoamento. Uma vez que não se esperam processos de fadiga nas arestas da matriz, este coeficiente de segurança pode ser considerado adequado. Com a aplicação da força, o deslocamento causado no punção produz uma reação de tração nos parafusos, provocando um afastamento das peças que compõem a matriz. Observou-se o afastamento máximo de 0,038 mm (Figura 5), que ocorre entre as duas pastilhas que
8 compõem o cotovelo do canal. Este afastamento da ordem de centésimos de milímetro é pequeno, inferior à espessura do lubrificante que será utilizado (multicamadas de fita de teflon). Sendo assim, a simulação mostra que não ocorrerão problemas de escoamento excessivo de material para as frestas da matriz.
Figura 4. Analise da tensão de Von Misses para aplicação do deslocamento do punção e variação de tensão.
(a) (b)
Figura 5. Afastamento das pastilhas após a aplicação do deslocamento do punção em (a) e detalhe em (b).
4. CONCLUSÕES
A simulação numérica mostrou que a carga máxima aplicada na matriz no início da deformação do tarugo foi de 620 MPa, valor inferior à tensão de escoamento do aço utilizado. Além disso, o afastamento máximo entre as partes que compõem a matriz durante o carregamento é inferior à espessura do lubrificante que será utilizado. Estes resultados comprovam que o projeto foi adequado para um coeficiente de segurança 2 para materiais que apresentam tensão máxima no escoamento de 400 MPa. A matriz foi usinada a partir do presente projeto e já está em operação.
5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA:
[1] CALLISTER, WILLIAM D Jr. FUNDAMENTOS DA CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS- UMA ABORDAGEM INTEGRADA, 2ª Edição. Material editado pelo grupo Anhanguera Educacional S.A (2006); [2]Baldissera M. R., NUMERICAL SIMULATION OF THE ECAP PROCESS (EQUAL CHANNEL ANGULAR PRESSING) USING THE VMB 300 STEEL. Universidade Federal Fluminense - Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda, 2009;
[3] M. Ebrahimi, DESIGNING OF ECAP PARAMETERS BASED ON STRAIN
DISTRIBUTION UNIFORMITY, Materials International 2012; 22 (5):452–460;
[4] Villares Metals, TRATAMENTO TERMICO AÇO AISI 4340, disponível em http://www.villaresmetals.com.br/portuguese/files/FT_15_V4340T.pdf. Acessado em 23/09/2013 ás 09h14min;
DEVELOPMENT OF A MATRIX TO PERFORM SEVERE PLASTIC DEFORMATION VIA ECAP
This study aims to develop a device for severe plastic deformation of metal alloys via equal channel angular pressing (ECAP). The ECAP method consists in passing the billet through the inlet channel having an angle relative to the output channel. The advantage of ECAP is that it allows high strains without significantly affecting the section of the billet, allowing greater versatility to subsequent machining of mechanical test samples. The device was designed through individual plates which were joined to reduce concerns of fracture and costs of replacing components. Finite element simulation was used to predict the stresses and displacements of the plates during load. The simulation showed that the maximum displacement between the parts during the device loading is lower than the lubricant thickness, proving that the design was adequate.
