7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
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INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DA JUNTA DO
CLINCHING NA RESISTÊNCIA AO DESABOTOAMENTO ENTRE AS
CHAPAS
Pedro Henrique Rodrigues Pereira, pedrohrpereira@ufmg.br1
Gustavo Calixto Vieira de Faria, gustavovf@ufmg.br1
Alisson Duarte da Silva, lissonds@gmail.com1
Antônio Eustáquio de Melo Pertence, pertence@demec.ufmg.br1
Haroldo Béria Campos, beriacampos@uol.com.br1
Paulo Roberto Cetlin, pcetlin@demec.ufmg.br1
1 Departamento de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Minas Gerais – Av. Antônio Carlos, 6627,
31270-901, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brasil.
Resumo: O processo de junção mecânica localizada a frio de chapas, denominado clinching, tem despertado grande
interesse na indústria metal-mecânica devido à sua capacidade de promover a união entre chapas metálicas de forma eficaz e produtiva em materiais de difícil soldabilidade, dispensando também a necessidade da usinagem de furos nas peças a serem unidas. Com o objetivo de avaliar a resistência ao desabotoamento (separação) das chapas unidas através deste processo foi simulado esse desabotoamento através do método dos elementos finitos, utilizando o software DEFORM. Verificou-se a influência de alguns parâmetros geométricos da junta do clinching na carga necessária para o desabotoamento entre as chapas
Palavras-chave: Clinching; Junção Mecânica; Elementos Finitos; Desabotoamento; Resistência da Junta Clinching
1. INTRODUÇÃO
Uma das etapas mais importantes nos processos de manufatura envolvendo chapas metálicas é a seleção do método de união entre as chapas que possibilite uma relação adequada entre a resistência ao destacamento das juntas e os custos de produção. Conforme mostrado por Sarmento et al (2011), um dos métodos de união de chapas que tem se destacado no cenário industrial na promoção da união de materiais metálicos em carrocerias automotivas é o método denominado clinching.
O clinching permite unir chapas de diferentes espessuras e materiais sem o uso de elementos de união adicionais como rebites e parafusos e sem a necessidade da usinagem de pré-furos ou do aquecimento das chapas a serem unidas. Exige-se somente um punção e matrizes, responsáveis por promover a deformação plástica localizada das chapas, como mostrado no esquema da Fig. (1).
Nos últimos anos, vários estudos têm mostrado o uso promissor do clinching na promoção da união de materiais dissimilares (Abe et al, 2012) ou de materiais de difícil conformabilidade (Neugebauer et al, 2008). Abe et al (2012) mostram que o clinching é obtido com sucesso na união de um aço de alta resistência com diferentes ligas de alumínio, quando a chapa de aço é colocada sob a chapa de alumínio.
Também outros estudos têm sido realizados no intuito de verificar a aplicabilidade técnica e econômica do clinching na construção civil para a união de aços estruturais (Pedreschi; Sinha, 1999; Pedreschi; Sinha, 2008, Varis, 2002 e Varis, 2003).
A resistência da junta obtida através do clinching depende fortemente de sua geometria. Recentes trabalhos, utilizando simulações computacionais com o método dos elementos finitos, têm sido feitos objetivando a otimização da geometria do ferramental do clinching e a avaliação da resistência ao destacamento das juntas. As dimensões denominadas “neck” e “interlock”, representadas na Fig. (1) pelas letras N e X, respectivamente, tem se mostrado determinantes para a caracterização da resistência e dos modos de falha no clinching (Coppieters et al, 2012; de Paula et al, 2007; Lee et al, 2010; Mucha, 2011).
Neste estudo deseja-se estudar a influência do parâmetro X, denominado “interlock” na resistência da junta do clinching obtida entre duas chapas de alumínio. Serão realizadas simulações computacionais, utilizando o método dos elementos finitos, do ensaio de desabotoamento para diferentes geometrias da junta do clinching e será avaliada a influência do encruamento localizado das chapas e do parâmetro X na resistência ao desabotoamento das chapas
Figura 1. Esquema representativo do ferramental e dos principais parâmetros geométricos relacionados ao processo do Clinching. (adaptado de Lee et al, 2010).
2. METODOLOGIA
As simulações do ensaio de desabotoamento do clinching foram executadas com o auxílio do programa de simulação computacional em elementos finitos DEFORM 2D v10.0.
O processo de junção das chapas através do clinching pode ser considerado axissimétrico quando executado utilizando-se um ferramental simétrico em relação a um eixo posicionado perpendicularmente à superfície das chapas. Portanto é permitido considerar que as tensões e deformações presentes na região da junta das chapas são função apenas das coordenadas axial, z, e radial, r. Dessa forma, também o ensaio de desabotoamento da junta do clinching pode ser avaliado, utilizando o método dos elementos finitos, através de um modelo bidimensional axissimétrico de modo que faz-se necessária a construção de apenas metade da geometria das chapas e do ferramental utilizado no plano que contém as direções axial e radial do ensaio, conforme mostrado na Fig. (2).
Figura 2. Representação tridimensional em corte (a) e bidimensional (b) das geometrias, malha e condições de contorno usadas na simulação do ensaio de desabotoamento do clinching. A unidade das cotas é o milímetro.
Na Figura (2) é mostrado que no modelo axissimétrico proposto para o ensaio de desabotoamento do clinching será utilizado um sistema de coordenadas polares e que as tensões, σ, e deformações, ε, não variam com a coordenada tangencial, θ, permitindo avaliar o problema em duas dimensões, conforme representado na Fig. (2.b).
A junta representada na Fig. (2.b) foi obtida através da simulação em elementos finitos do clinching e é adotada como uma geometria padrão para todas as simulações do ensaio de desabotoamento neste trabalho. É notado que cada
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uma das chapas tem 2,50 mm de espessura e que as dimensões dos parâmetros N e X são, respectivamente, 0,26 mm e 0,66 mm.
O ferramental do ensaio de desabotoamento utilizado nas simulações é composto por duas garras posicionadas a 12,00 mm do eixo de simetria. Elas são consideradas rígidas, não sendo permitida a deformação destes componentes durante o ensaio. As chapas foram modeladas como “rígido-plásticas”, ou seja, será levado em consideração apenas o comportamento do material no regime plástico.
A discretização das chapas para a aplicação do método dos elementos finitos foi feita com elementos quadrilaterais axissimétricos, como mostrado na Fig. (2.b). A malha utilizada em cada chapa na simulação padrão apresentada na Fig. (2.b), assim como nas demais simulações, tem aproximadamente 3000 elementos e é refinada na região das juntas do clinching. Foi estabelecido como condição de contorno que a garra 1 move-se verticalmente com uma velocidade constante de 0,01 mm/s e que a garra 2 permanecerá imóvel em todo o ensaio.
Nas simulações considera-se uma condição de agarramento perfeito entre as extremidades laterais das chapas que estão em contato com cada uma das garras, assim sendo os nós das chapas em contato com as garras irão se mover com a mesma velocidade dos elementos rígidos limítrofes.
Em todas as simulações foi definido um coeficiente de atrito igual a 0,4 entre as chapas, conforme sugerido no banco de dados do software DEFORM 2D v.10.0 para a interface alumínio/alumínio. O material das chapas avaliadas neste trabalho foi considerado isotrópico e seu comportamento mecânico no regime plástico obedece à equação do encruamento determinada por Lee et al (2010), segundo a Eq. (1) para a liga de alumínio 6063.
σ =
310,8
ε
0,057(1)
onde:
σ
– tensão verdadeira(N/mm)ε
- deformação verdadeiraPara a geometria da junta representada na Fig. (2.b) foram feitas duas simulações do ensaio de desabotoamento, sendo que em uma delas não foi considerada a deformação prévia existente na região da junta devido ao processo do clinching. Também foram realizadas simulações variando-se o valor do parâmetro X, a partir da geometria padrão da junta, conforme apresentado na Tab. (1) e na Fig. (3).
Tabela 1. Estado de deformação e principais parâmetros geométricos da junção clinching para as simulações do ensaio de desabotoamento Simulação Material N [mm] X [mm] I Encruado 0,26 II 0,26 III 0,36 IV 0,46 V 0,56 VI 0,66 VII Recozido 0,66 0,76
Figura 3. Representação esquemática da variação da geometria da junta do clinching para diferentes valores do interlock em cada uma das simulações executadas.
Na Tabela (1) são apresentados os estados de deformação das chapas unidas através do clinching em cada uma das simulações. Apenas na simulação I o material é considerado como encruado devido à deformação oriunda da obtenção do ponto do clinching e os elementos da malha apresentam uma pré-deformação no início do ensaio de desabotoamento. Nas demais simulações o material é considerado como recozido de forma que se desconsiderou o aumento da resistência da junta na obtenção do clinching e todos os elementos da malha do modelo apresentam uma deformação nula no início das simulações.
São mostrados ainda na Tab. (1) os valores dos parâmetros N e X da junta do clinching para cada uma das simulações realizadas. Observa-se que a dimensão N é mantida constante em todas as simulações e que o interlock é alterado do valor padrão de 0,26 mm nas simulações I e II até o valor de 0,76 mm correspondente à geometria da simulação VII.
Na Figura (3) verifica-se a variação da geometria da região da junção das chapas nas simulações do ensaio de destacamento do clinching de maneira que a escala de cores adotada revela a interface entre as chapas de acordo com a alteração do valor do parâmetro X.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A relação entre a força axial exercida pela garra 1 e seu deslocamento, para as simulações I e II do ensaio de desabotoamento do clinching é apresentada na Fig. (4).
Figura 4. Relação entre a força axial exercida pela garra 1 e seu deslocamento, para as simulações I e II do ensaio de desabotoamento do clinching
É possível observar na Fig. (4) que a resistência ao desabotoamento das juntas de Al 6063 é superior levando-se em consideração o encruamento das chapas durante o clinching. Para um mesmo deslocamento axial da garra 1 a força necessária para promover a deformação plástica da região do interlock das chapas é sempre maior na simulação I, na qual atribuiu-se uma deformação prévia para os elementos da malha do modelo utilizado, de acordo com os resultados da simulação antecedente do processo de obtenção da junta do clinching.
Também através das curvas de carga apresentadas na Fig. (4) revela-se que a força necessária para promover a separação das chapas no ensaio de desabotoamento é crescente até valores de Δz próximos a 0,7 mm e depois decresce até a separação das chapas. A força axial máxima exercida pelo elemento rígido motor é de, aproximadamente, 3450 N na simulação I e de 2900 N na simulação II.
Nos estágios iniciais das simulações I e II, a região da chapa superior, próxima ao interlock escoa em direção ao centro da junta à medida que a garra 1 desloca-se axialmente. Assim sendo há o encruamento da chapa que está por cima nas redondezas do interlock e sua resistência ao desabotoamento cresce até ser atingido um estado limite no qual se diminui tanto a região de contato entre as chapas que passa a existir uma deformação localizada na protuberância do interlock na chapa movida pela garra e a carga de desabotoamento decresce até a separação completa das juntas. A
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morfologia do ponto clinching e a distribuição de deformação nas chapas no início e fim das simulações I e II são mostradas na Fig. (5).
Figura 5. Distribuição da deformação efetiva nas chapas das simulações I e II no início e fim do ensaio de desabotoamento do clinching.
Na Fig. (5) verifica-se o perfil da deformação efetiva ao longo da junta do clinching para as simulações nas quais se avaliou a influência do encruamento prévio e localizado das chapas. È possível observar nesta figura que a morfologia final das juntas do ensaio de desabotoamento é praticamente idêntica nas simulações I e II.
Nota-se também que no caso da simulação I a chapa superior apresenta níveis de deformação próximos a 1,5 na região do interlock, o que faz necessário que sejam aplicados níveis de tensão superiores nesta localidade da junta para promover um mesmo deslocamento, comparando-se com a simulação II, com as chapas recozidas.
Desta forma, de acordo como revelado na Fig. (4), espera-se que a carga necessária para promover o escoamento do interlock e a consequente separação das juntas do clinching seja maior na simulação I em relação à simulação II e seu incremento dependerá, além dos fatores geométricos da junta, das propriedades constitutivas do material das chapas.
Verifica-se na Fig. (4) que a diferença da carga de desabotoamento das simulações I e II diminui para altos valores de Δz. Tal comportamento pode ser explicado pelo fato de que neste estágio do ensaio há uma deformação localizada no ressalto da chapa superior e que com a redução da área que esta sendo efetivamente deformada a influência do encruamento da chapa na resistência ao desabotoamento da junta é menor, visto que a região da saliência da chapa de cima apresenta níveis de deformação efetiva menores em relação aos locais onde ocorre seu escoamento inicial.
Na Figura (6) serão apresentadas as curvas que relacionam a relação entre a força axial exercida pela garra 1 e seu deslocamento, para as simulações II a VII do ensaio de desabotoamento do clinching.
Figura 6. Relação entre a força axial, Fz, exercida pelo punção e seu deslocamento, Δz, durante as simulações II a
VII do ensaio de desabotoamento do clinching.
Na Figura (6) é mostrada a influência do parâmetro X na resistência ao desabotoamento da geometria do clinching para as simulações nas quais não foi considerada a deformação prévia das juntas. Verifica-se que, com o aumento da dimensão do interlock a carga necessária para promover a separação das chapas cresce. Também nota-se que em todas as simulações houve um aumento inicial da resistência das juntas até um determinado deslocamento do elemento tracionador.
Na Tabela (2) são apresentados os valores aproximados da carga máxima de desabotoamento para o grupo de simulações com as chapas recozidas com diferentes valores do parâmetro X.
Tabela 2. Carga máxima de desabotoamento nas simulações do ensaio de desabotoamento do clinching com as chapas sem deformação prévia de diferentes dimensões do interlock, X.
Simulação X [mm] Fmáx [N] II 0,26 2950 III 0,36 3570 IV 0,46 4190 V 0,56 4610 VI 0,66 5010 VII 0,76 5290
A partir dos valores apresentados na Tab. (2) para a carga máxima de desabotoamento do clinching para diferentes valores do interlock nota-se que existe um aumento de quase 80% da carga de desabotoamento levando-se em consideração as simulações II e VII, com valores do interlock de, respectivamente, 0,26 e 0,76 mm.
Observa-se também com o auxílio da Fig. (6) e da Tab. (2) que apesar de ter se verificado um aumento continuo da resistência das chapas ao desabotoamento com o alargamento do interlock, o acréscimo na resistência das juntas diminui com o crescimento da dimensão X. Também o deslocamento, Δz, correspondente ao instante em que a força exercida pela garra 1 é máxima decresce com o aumento do interlock. Tais fenômenos podem ser associados com o fato de que se aumentando a dimensão do parâmetro X, também é alterada a morfologia e a rigidez à flexão do ressalto da chapa superior existente na região de contato lateral entre elas.
Na Figura (7) é apresentada a distribuição da taxa de deformação nas juntas das simulações II e VII para deslocamentos distintos da garra de tração rígida.
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Figura 7. Distribuição da taxa de deformação efetiva nas chapas das simulações II e VII nos instantes iniciais e derradeiros do ensaio de desabotoamento do clinching.
A Figura (7) revela os locais onde se concentra a deformação nas juntas do clinching durante o ensaio de desabotoamento para dimensões extremas do parâmetro X. As ilustrações das juntas correspondentes aos deslocamentos de 0,30 e 0,15 mm mostram os locais que estão sendo deformados nas juntas do clinching antes que seja atingida a carga máxima de desabotoamento. Observa-se na simulação II quando Δz vale 0,30 mm que a faixa em que está ocorrendo a deformação plástica é praticamente horizontal e é limitada pelo raio de curvatura interno da chapa superior e pela região de contato entre as juntas do clinching. Também na simulação VII, para o deslocamento de 0,15 mm, verifica-se a existência de deformação nesta mesma região limítrofe; todavia, para este mesmo deslocamento, existe uma faixa diagonal no início do ressalto da chapa superior que apresenta altas velocidades de deformação.
Nota-se, em ambas as simulações, após ser atingida a carga de desabotoamento máxima, para altos valores de deslocamento do elemento rígido motor, que a taxa de deformação na faixa diagonal da extremidade do interlock aumenta, evidenciando o mecanismo de localização de deformação no interlock.
Baseando-se na Fig. (6) e na Fig. (7) entende-se que o fato da carga máxima de desabotoamento ser atingido anteriormente na simulação VII em relação à simulação II é uma consequência da mudança no formato do ressalto do interlock que faz com que a fase de escoamento lateral do interlock seja menor na simulação com X igual a 0,76 mm.
Vê-se que o ressalto da chapa superior na simulação VII tem um formato triangular, similar a um dente de engrenagem quando visto em corte. Já na simulação II a saliência da chapa superior é menos protuberante e seu contorno é aproximadamente circular. Desta forma verifica-se que na avaliação da resistência da junta do clinching ao desabotoamento, além dos valores absolutos dos parâmetros geométricos X e N, deve ser levada em consideração a alteração do formato da região do interlock que pode resultar em diferentes modos de separação das chapas quando tracionadas no sentido da espessura.
4. CONCLUSÕES
Através das simulações pelo método dos elementos finitos do ensaio de desabotoamento do Clinching pode-se concluir que:
1. A carga necessária para promover o escoamento do interlock e a consequente separação das chapas unidas pelo clinching é superior, para uma mesma geometria, considerando-se o encruamento prévio da região da junta e seu acréscimo depende das propriedades constitutivas do material das chapas;
2. A resistência ao desabotoamento das chapas submetidas ao processo do clinching cresce com aumento do interlock, todavia o valor máximo da carga de destacamento é atingido para menores deslocamentos axiais da chapa superior e cresce a taxas cada vez menores com aumento deste interlock;
3. Na avaliação da resistência da junta do clinching ao desabotoamento, além dos valores absolutos dos parâmetros geométricos deve ser levada em consideração a alteração do formato da região do interlock que pode resultar em diferentes modos de separação das chapas quando tracionadas no sentido da espessura.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFMG, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e do Ministério da Educação (CAPES).
6. REFERÊNCIAS
Abe, Y., Mori, K., Kato, T., 2012, “Joining of high strength steel and aluminium alloy sheets by mechanical clinching with dies for control of metal flow”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 212, pp. 884-889.
Coppieters, S., Lava, P., Baes, S., Sol, H., Van Houtte, P., Debruyne, D., 2012, “Analytical method to predict the pull-out strength of clinched connections”, Thin Walled Structures, Vol. 52, pp. 42-52.
De Paula, A. A., Aguilar, M. T. P., Pertence, A. E. M., Cetlin, P. R., 2007, “Finite element simulations of the clinch joining of metallic sheets”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 182, pp. 352-357.
Lee, C.-J., Kim, J.-Y., Lee, S.-K., Ko, D.-C., Kim, B.-M., 2010, “Design of mechanical clinching tools for joining of aluminium alloy sheets”, Materials and Design, Vol. 31, pp. 1854-1861.
Mucha, J., 2011, “The analysis of lock forming mechanism in the clinching joint”, Materials and Design, Vol. 32, pp. 4943-4954.
Neugebauer, R., Kraus, C., Dietrich, S., 2008, “Advances in mechanical joining of magnesium”, CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 57, pp. 283-286.
Pedreschi, R. F., Sinha, B. P., 1999, “Comparative study of some mechanical connections in cold formed steel”, Construction and Building Materials, Vol. 13, pp. 109-116.
Pedreschi, R. F., Sinha, B. P., 2008, “An experimental study of cold formed steel trusses using mechanical clinching”, Construction and Building Materials, Vol. 22, pp. 921-931.
Sarmento, A. A., Sarmento, C. A., Batalha, G. F., 2011, “Aplicação do Processo de União de Chapas Metálicas por Conformação Mecânica (Clinching) em Veículos Automotivos”, Proceedings of the 6th Brazilian Conference on Manufacturing Engineering, Caxias do Sul, Brazil.
Varis, J. P., 2002, “The suitability of round clinching tools for high strength structural steel”, Thin Walled Structures, Vol. 40, pp. 225-238.
Varis, J. P., 2003, “The suitability of clinching as a joining method for high-strength structural steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 132, pp. 242-249.
7. DIREITOS AUTORAIS
7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
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INFLUENCE OF THE GEOMETRICAL PARAMETERS OF CLINCHED
JOINTS ON THE PULL-OUT STRENGTH OF THE SHEETS
Pedro Henrique Rodrigues Pereira, pedrohrpereira@ufmg.br1
Gustavo Calixto Vieira de Faria, gustavovf@ufmg.br1
Alisson Duarte da Silva, lissonds@gmail.com1
Antônio Eustáquio de Melo Pertence, pertence@demec.ufmg.br1
Haroldo Béria Campos, beriacampos@uol.com.br1
Paulo Roberto Cetlin, pcetlin@demec.ufmg.br1
1 Department of Mechanical Engineering, Federal University of Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6627, 31270-901, Belo
Horizonte, Minas Gerais, Brazil
Abstract. The process of localized mechanical joining of sheets (the so-called clinching), has aroused great interest in
the metalworking industry due to its ability to join metallic sheets effectively and with high productivity, even in difficult to weld materials, eliminating also the need for drilling holes in parts to be joined. The pull-out strength in clinching, was evaluated through a simulation employing the finite element method, using the software DEFORM. The influence of some geometrical parameters of the clinched joint on the load required to detach the sheet was analyzed.
