Pedro Alexandre Vilaça Moreira
Projeto de produção de tubo elíptico em
aço avançado de elevada resistência
para uma serra de arco
Pedro Alexandre Vilaça Moreira
dezembro de 2015
UMinho | 2015
Pr
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odução de tubo elíp
tico em aço a vançado de ele vada r esis tência par a uma ser ra de ar co
dezembro de 2015
Dissertação de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Trabalho efectuado sob a orientação de
Professor Doutor João Pedro Mendonça
Professor Doutor Nuno Peixinho
Pedro Alexandre Vilaça Moreira
Projeto de produção de tubo elíptico em
aço avançado de elevada resistência
para uma serra de arco
i
AGRADECIMENTOS
Gostaria de deixar o meu sincero agradecimento a todas as pessoas que contribuíram e me apoiaram ao longo do desenvolvimento deste trabalho.
Antes de mais, o meu agradecimento aos orientadores, Professor Doutor João Pedro Mendonça e Professor Doutor Nuno Peixinho, por toda a disponibilidade e apoio fornecido, assim como pelo conhecimento que partilharam no decorrer deste trabalho.
Um agradecimento ao Engenheiro Sérgio Costa que me apoiou no desenvolvimento do trabalho e que se mostrou disponível na resolução dos problemas que fui encontrando.
Quero agradecer ao colega e amigo Nuno Fernandes pela partilha de conhecimento e vontade em ajudar sempre que necessário para o progresso deste trabalho.
Agradeço à minha família, aos meus pais, Avelino Moreira e Angelina Vilaça, pelo apoio incondicional nesta jornada académica. Ao meu irmão Nuno, pela amizade e espírito positivo que contribuiu para facilitar e levar-me a superar os desafios académicos.
Agradeço a todos os amigos que fui encontrando, especialmente às pessoas que descobri em grupos de ativismo como o Movimento Zeitgeist e o Rendimento Básico Incondicional Portugal, que me ajudaram a perceber a importância da intervenção político-social na nossa sociedade.
ii RESUMO
Este projeto enquadra-se no âmbito da conclusão de estudos inserida no Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica da Universidade do Minho. O objetivo do trabalho consiste no desenvolvimento de um tubo de secção elíptica para uma serra de arco manual utilizando um aço avançado de elevada resistência.
Esta problemática surge pelo facto de cada vez mais se utilizarem este tipo de aços em diversas aplicações. Tendo originalmente um grande aparecimento e evolução na indústria automóvel, tem vindo a ser aplicado em novas situações, pelas suas propriedades mecânicas mais favoráveis, podendo-se nomeadamente reduzir a massa de certos componentes, mantendo ou melhorando a sua resposta a solicitações mecânicas.
Neste trabalho é feita, inicialmente, uma revisão bibliográfica abordando de forma curta as serras de arco manuais e a sua história. Apresentam-se os diferentes tipos de aços avançados de elevada resistência, assim como o seu comportamento e características. Procede-se a uma revisão sobre uma propriedade muito relevante destes aços, o retorno elástico, embora importante em muitos outros, neste caso torna-se determinante no sucesso da sua conformação, sendo necessário compreender quais os métodos possíveis de correção. Faz-se ainda alusão aos processos de fabrico de tubo com costura, ao seu funcionamento e gamas de aplicação.
De seguida, define-se o problema que se pretende resolver, que consiste de forma sucinta em sujeitar um tubo de secção circular a conformação através de uma matriz elíptica, recorrendo a simulação computacional, para se perceber que tipo de dificuldades se esperam e a introdução de soluções viáveis. São definidos os componentes e o conjunto, o tipo de contacto existente, um pequeno estudo sobre o tipo de malha e as condições de análise. Esta análise é executada com o auxílio do programa ANSYS, utilizando o método dos elementos finitos.
Procura-se entender a relevância das tensões envolvidas, da problemática do retorno elástico e da possibilidade de redução da espessura da parede do tubo para diferentes materiais. Efetua-se ainda outra simulação com condições mais aproximadas da realidade em que se consideram diferentes coeficientes de atrito nos contactos. Espera-se que, as conclusões que daqui resultam apontem na direção de soluções futuras para problemas que se enquadrem neste contexto.
iii ABSTRACT
This project is part of the completion of studies inserted in the Master’s in Mechanical Engineering from the University of Minho. The main goal is the development of an elliptical section tube for a bow saw using an advanced high strength steel.
This problem arises because the use of this type of steel has been increasing for many applications. Originally it had a great appearing and development in the automotive industry, it has been applied in new circumstances, by their more advantageous mechanical properties, being able to notably reduce the mass of certain components while maintaining or improving their response to mechanical stress.
This work begins, initially, with a literature review addressing, in a concise way, bow saws and its history. This paper presents the different types of advanced high strength steels, as well as their behavior and characteristics. Proceeds to a review of a very relevant property of these steels, the spring back effect, while important in many others, in this steel it becomes determinant in the success of its conformation, also being essential to understand what are the possible correction methods. It is further mentioned the manufacturing processes of welded tube, regarding their operation and its application range.
Then, the problem to be solved is defined, which is succinctly to submit a circular section tube to conformation by an elliptical matrix, using computer simulation, to realize what kind of difficulties are expected and to introduce viable solutions. Components and the assembly are defined, as well as the existing contact types, a small study on the mesh is presented and the analytical conditions are set. This analysis is executed with the help of the ANSYS software, using the finite element method.
Examining the relevance of the stress involved, the problem of spring back and the possibility of reducing the thickness of the tube wall for different materials. Executing yet another simulation with more approximate conditions of reality in which it is considered different coefficients of friction in contacts. It is expected that the conclusions that arise, point toward future solutions to problems that are suitable in this context.
iv ÍNDICE DECLARAÇÃO ... i AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ... ii ABSTRACT ... iii
ÍNDICE DE FIGURAS ... vii
ÍNDICE DE TABELAS ... ix
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Enquadramento ... 1
1.2. Objetivos ... 1
1.3. Organização da dissertação ... 2
2. AÇOS AVANÇADOS DE ELEVADA RESISTÊNCIA ... 3
2.1. Evolução das serras de arco ... 3
2.2. Modo de utilização da serra ... 4
2.3. Marcas e características ... 4
2.4. Enquadramento histórico dos aços... 5
2.5. Classificação dos aços de elevada resistência – HSS ... 7
2.6. Aços convencionais ... 8
2.7. Aços Avançados de Elevada Resistência (AHSS) ... 9
2.9. Retorno elástico ... 17
2.9.1. Alteração angular... 18
2.9.2. Curvatura da parede ... 19
2.9.3. Torção ... 22
3. PRODUÇÃO DE TUBO ... 25
3.1. Tubo com costura... 25
3.1.1. Processo Fretz-Moon ... 27
3.1.2. Processo de corrente contínua ... 28
3.1.3. Processo a baixa frequência ... 28
3.1.4. Processo a alta frequência ... 29
4. ESTUDO DA CONFORMAÇÃO DO TUBO NO SENTIDO TRANSVERSAL ... 31
v
4.2. Cálculo do raio necessário para o tubo ... 31
4.3. Modelação dos componentes ... 32
4.4. Simulação computacional ... 34
4.4.1. Especificação do material ... 34
4.4.2. Definição dos contactos ... 35
4.4.3. Criação da malha ... 36
4.4.3.1. Parâmetros de avaliação da malha... 37
4.4.3.2. Definição da tipologia do elemento ... 39
4.4.3.3. Mapear a área/volume de malha ... 40
4.4.3.4. Definição do tamanho de elemento ... 41
4.4.4. Condições da análise ... 41
4.4.5. Resultados ... 42
5. ESTUDO DA CONFORMAÇÃO DO TUBO NO SENTIDO LONGITUDINAL... 46
5.1. Definição do problema ... 46
5.2. Condições de análise ... 46
5.3. Resultados ... 47
5.4. Condições de atrito ... 50
5.5. Diferentes espessuras da parede do tubo ... 52
5.6. Solução alternativa ... 54
6. CONCLUSÕES ... 56
6.1. Trabalhos futuros ... 57
REFERÊNCIAS ... 58
ANEXOS ... 61
ANEXO A – Resumo das características dos diversos AHSS ... 62
ANEXO B – Gráfico do diâmetro e espessura da parede do tubo ... 65
ANEXO C – Especificação do material ... 66
ANEXO D – Valores da constante C ... 69
ANEXO E – Definição do tamanho de elemento da malha ... 70
ANEXO F – Dados dos gráficos apresentados nos resultados ... 71
vi LISTA DE SIGLAS
AHSS Advanced High Strength Steel
CAD Computer-aided Design
CAE Computer-aided Engineering
HSS High Strength Steel
ULSAB Ultralight Steel Auto Body
LSS Low Strength Steel
HSLA High Strength Low Alloy
UHSS Ultra High Strength Steel
IF Interstitial Free
BH Bake Hardening
DP Dual Phase
CP Complex Phase
FB Ferritic-Bainitic
MS/MART Martensitic Steel
TRIP Transformation-Induced Plasticity
HF Hot-Formed
SF Stretch-flangeable
vii ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Configuração de uma serra do século XVIII ... 3
Figura 2 - Serras de arco da Bahco ... 4
Figura 3 – Comparação do impacto de diferentes materiais para um componente equivalente ... 6
Figura 4 – Evolução positiva no uso de aços HSS e AHSS ... 7
Figura 5 - Tensão de cedência e alongamento total dos aços... 8
Figura 6 - Diagrama global para diferentes gamas de AHSS ... 10
Figura 7 - Esquema da microestrutura do aço DP ... 11
Figura 8 - Microestrutura do aço FB e teste de expansão do furo ... 11
Figura 9 – Microestrutura do aço CP ... 12
Figura 10 – Microestrutura do aço MS ... 13
Figura 11 – Esquema da microestrutura do aço TRIP ... 13
Figura 12 – Tensão-deformação para gamas de aço TRIP e aço macio ... 14
Figura 13 - Tensão-deformação do aço em diferentes fases ... 15
Figura 14 – Curva Tensão-deformação ... 16
Figura 15 - Curva tensão-deformação e retorno elástico ... 17
Figura 16 – Retorno elástico na dobragem de chapa ... 18
Figura 17 – Alteração angular... 19
Figura 18 – Efeito de curvatura da parede ... 20
Figura 19 – Influência do encruamento no retorno elástico ... 20
Figura 20 – Alteração angular menor para os AHSS ... 21
Figura 21 – Curvatura da parede maior para os AHSS ... 21
Figura 22 – Momentos torsores nos componentes ... 22
Figura 23 – Retorno elástico para um aço DP e um HSLA... 22
Figura 24 – Temperaturas abaixo dos 750K (esquerda) Temperaturas acima dos 750K (direita) ... 23
Figura 25 – Curva de tensão deformação obtida a uma temperatura 773K ... 23
Figura 26 – Processos de soldadura no fabrico de tubo ... 26
Figura 27 – Solda longitudinal [23] e solda helicoidal ... 26
Figura 28 – Processo de Fretz-Moon ... 27
Figura 29 – Representação esquemática do processo a baixa frequência ... 29
Figura 30 – Representação esquemática do processo de deformação por rolos ... 30
viii
Figura 32 – Dimensões da secção circular do tubo. ... 32
Figura 33 – Tubo circular com r=10,1 mm ... 32
Figura 34 – Matriz elíptica a=24 mm b=16 mm ... 33
Figura 35 – Conjunto matrizes elípticas e tubo. ... 33
Figura 36 – Estrutura base da Análise estrutural estática ... 34
Figura 37 – Materiais selecionados ... 35
Figura 38 - Seleção das superfícies de contacto ... 36
Figura 39 – Malha obtida por defeito ... 37
Figura 40 - Triângulos e quadriláteros ideais e oblíquos. ... 38
Figura 41 - Aplicação do Mapped face meshing ... 40
Figura 42 - Posição inicial e posição de máximo deslocamento da matriz ... 42
Figura 43 – Deformação total final no tubo (mm) ... 43
Figura 44 - Ilustração dos deslocamentos existentes ... 47
Figura 45 – Sobreposição da secção pretendida (a tracejado) à secção obtida ... 49
ix ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de assimetria e correspondente qualidade ... 39
Tabela 2 – Parâmetros de qualidade para tetraedros e hexaedros ... 39
Tabela 3 - Parâmetros de qualidade para hexaedros mapeados ... 40
Tabela 4 – Parâmetros de qualidade para “Sizing” de 1 e 2 mm ... 41
Tabela 5 – Retorno elástico nos diferentes materiais ... 44
Tabela 6 – Tensão no tubo do primeiro caso de estudo e do segundo caso de estudo ... 48
Tabela 7 – Coeficiente de atrito aço-aço [28] ... 50
1 1. INTRODUÇÃO
Neste capítulo é descrita uma introdução ao trabalho que foi desenvolvido, iniciando-se com um enquadramento geral do tema em questão. São apresentados os objetivos do trabalho, assim como a sua organização ao nível da estrutura.
1.1. Enquadramento
A utilização de novos componentes para as aplicações de engenharia tem por base o desenvolvimento e experimentação de novos materiais, com o objetivo de resolver ou otimizar problemas conhecidos, intervindo também em conjunto com a sua geometria e dimensões. Considerando a importância do aço como liga de ferro e carbono que é amplamente utilizada na engenharia, construção, entre outras vastas aplicações, devido à sua elevada resistência e baixo custo, é necessário um constante trabalho no sentido de melhorar o seu potencial e introduzir novas áreas de uso. Esta necessidade tem vindo a verificar-se na procura de melhores propriedades mecânicas, nomeadamente na redução da sua massa, tentando-se reduzir o impacto ambiental de toda a indústria em volta da produção de aço, assim como na resolução de questões ergonómicas e de segurança.
Neste trabalho é dada importância a uma gama de aços denominada Aços Avançados de elevada Resistência (AHSS), por serem capazes de atingir propriedades mecânicas desejáveis para certas situações que serão detalhadas mais adiante. A integração deste material será aplicada num tubo circular que será sujeito a conformação, para secção elíptica. Serão testados em termos de simulação numérica, três materiais, um AHSS e dois aços convencionais. Embora o objetivo final seja a aplicação a uma serra de arco, a fase seguinte de dobragem de tubo não faz parte dos objetivos deste trabalho. O culminar deste projeto pretende deixar uma ideia sobre a forma como se comportam os AHSS na produção de tubo elíptico, evidenciando as vantagens e desvantagens que podem surgir. E perceber a grandeza das tensões e deformações envolvidas para os diferentes materiais.
1.2. Objetivos
2
- Recolher e compreender a informação que existe em volta do tema, de forma que seja possível definir o problema que se pretende resolver ou otimizar;
- Propor soluções e desenvolvê-las;
- Avaliar as implicações que trazem eventuais soluções ao nível técnico-científico, aplicando as diversas áreas da engenharia mecânica;
- Utilização de software computacional, como o CAD e CAE; - Compreensão do procedimento de investigação científico.
1.3. Organização da dissertação
Relativamente à estrutura desta dissertação, esta divide-se em 7 capítulos.
No primeiro apresenta-se uma pequena introdução com o enquadramento do trabalho, os objetivos a atingir e uma breve descrição de como se encontra organizado o trabalho.
O segundo capítulo inicia-se com uma breve revisão bibliográfica sobre o enquadramento histórico das serras de arco manuais, o seu funcionamento e a sua aplicação, seguindo-se a evolução dos aços, até aos tipos de aços avançados de elevada resistência, as suas características e aplicações. Trata ainda um aspeto muito específico, mas importante, o retorno elástico nos aços, que é ainda mais relevante nos AHSS.
O terceiro capítulo descreve os processos típicos de produção de tubo, com mais detalhe sobre a produção de tubo com costura.
No quarto capítulo é apresentado um caso de estudo acerca da conformação do tubo de secção circular, em secção elíptica recorrendo a software computacional, tendo em atenção o tamanho de malha e o seu refinamento, as condições de análise, obtendo e analisando os resultados que daí vêm.
No quinto capítulo são otimizadas as simulações realizadas de forma a pôr à prova certos parâmetros, como o deslocamento ao longo do tubo, a forma como se aplica a tensão, a existência de um coeficiente de atrito nos contactos, entre outros fatores.
No sexto capítulo é exposta uma conclusão do trabalho a par com uma reflexão crítica acerca dos resultados obtidos. É ainda deixado em aberto algumas possibilidades de trabalhos futuros que surgem na sequência do trabalho realizado e documentado nesta dissertação.
3 2. AÇOS AVANÇADOS DE ELEVADA RESISTÊNCIA
2.1. Evolução das serras de arco
A serra de arco manual consiste numa armação capaz de oferecer uma tensão na lâmina de corte, habitualmente utilizada no trabalho com madeira, mas podendo ser aplicada em outros materiais. De um modo geral, as serras de arco primordiais eram estreitas e tinham a lâmina sobre tensão entre as extremidades inferiores de madeira, enquanto que as extremidades superiores eram ligadas por um cabo, para se poder ajustar a tensão na serra. Na figura 3 pode ver-se uma serra (atual) com a configuração de uma típica do século XVIII.
Figura 1 - Configuração de uma serra do século XVIII [1]
Esta serra é formada por duas extremidades de madeira com uma geometria idêntica, proporcionando uma boa rigidez, sendo posicionados paralelamente. A viga de madeira colocada a meia distância mantém os outros componentes, cabo e serra, sob tensão.
Este contém ainda um braço fixo ao centro das duas extremidades no qual é ajustado o cabo sob tensão, na zona superior. Na parte inferior é colocada a lâmina devidamente acoplada nas extremidades e por consequência da tensão no cabo, encontra-se também sob tensão. Uma diferença evidente neste tipo de serra, em comparação com outras desenvolvidas ao longo da história, tem a ver com a possibilidade de se ajustar a tensão na lâmina. [2]
As serras de arco atualmente servem essencialmente para realizar trabalho manual de corte de madeira, possuindo diversos tamanhos e algumas variações de aplicação. A lâmina encontra-se sob tensão graças a uma estrutura tubular em aço, tipicamente com uma secção elíptica. O comprimento das serras varia, normalmente, entre os 530 mm e os 910 mm. [3]
4
2.2. Modo de utilização da serra
A utilização da serra é feita pela força imposta pelo operador num movimento do braço, apoiando parte do seu corpo sobre a estrutura da serra. O curso da lâmina deve ser usado no máximo da sua extensão para se aproveitar o poder de corte, provocando um desgaste mais uniforme da serra.
Os dentes da lâmina são naturalmente cortantes, sendo aconselhada a utilização de equipamento de proteção individual, como luvas e calçado de segurança. Quando não em utilização deve ser colocada a proteção da lâmina para que esta não permaneça exposta. [3]
No que diz respeito à sua manutenção, a lâmina da serra é o componente que sofre maior desgaste durante a utilização, sendo necessária a sua substituição de forma regular de acordo com a periodicidade da sua utilização. Deve também verificar-se a tensão da lâmina e o aperto dos parafusos de fixação, assim como lubrificar ligeiramente a lâmina, tendo em atenção que não se deve colocar demasiado lubrificante. O excesso de lubrificante reduz demasiado o atrito entre a lâmina e o material a ser cortado, podendo levar a processo muito pouco eficaz. [3]
2.3. Marcas e características
No mercado encontram-se disponíveis diversos fabricantes de serras de arco, como a Bahco, Bellota, Irwin, Benchmark, entre outras. Considerando apena as serras de arco da Bahco podem verificar-se vários modelos direcionados para o tipo de trabalho a ser realizado. Na figura 4 apresentam-se algumas das serras de arco da Bahco.
5
Existem no mercado diversas variações destas serras, enumerando-se de seguida algumas com base no catálogo da Bahco [4]
Serra de arco ERGO com folha para madeira verde/seca
Serra de arco com folha
Serra de arco convencional com folha rotativa
Serra de arco, madeira verde/seca
Serra de arco – madeira e metais
2.4. Enquadramento histórico dos aços
Os aços de alta resistência (HSS – High strength steels) têm sido utilizados ao longo dos anos principalmente na indústria automóvel, entre 1960 e 1970 utilizava-se predominantemente os aços macios (Mild steels) devido à sua boa rigidez e bom desempenho a nível estrutural. Nesta altura os aços de alta resistência (HSS) tinham a mesma rigidez que os aços macios não havendo, por isso, razão para a sua troca uma vez que estes também tinham um custo inferior. [5]
Em 1980 devido à maior dependência do petróleo, o aumento dos preços dos combustíveis e as preocupações a nível ambiental fez com que os fabricantes de aços introduzissem os aços convencionais de alta resistência. [5]
Em 1994, foi iniciado um programa para desenvolver uma estrutura em aço mais leve para automóveis (ULSAB), que deveria cumprir uma série de parâmetros de segurança e desempenho. A carroçaria apresentada em 1998 veio validar o projeto conceptual do programa ULSAB, esta demonstrou ser mais leve, estruturalmente sólida, segura, de produção executável e acessível. Um dos principais fatores que a levou ao sucesso foi a aplicação de um novo grupo de aços chamados Aços Avançados de elevada Resistência (AHSS). Estes aços tinham uma microestrutura única que utiliza processos de deformação e transformação de fase complexas para atingirem uma combinação de resistência e ductilidade que não existiam anteriormente. Outra vantagem era a possibilidade de se utilizarem processos de estampagem e montagem de equipamentos com a tecnologia já existente. [6]
Em 2008, a associação World Auto Steel iniciou outro programa chamado “FutureSteelVehicle”,
no qual produtores de aço aceleraram o desenvolvimento de novas gamas de aços para valores de resistência mais elevados e adicionaram um parâmetro de projeto para reduzir as emissões
6
resultantes do seu ciclo de vida. Para o ilustrar na figura 1 é apresentado um cálculo que considera
apenas a massa de material necessária para um componente e o valor médio de emissão de CO2
por quilograma. [6]
Figura 3 – Comparação do impacto de diferentes materiais para um componente equivalente [6]
Embora menos massa seja necessária para se poder produzir o mesmo componente utilizando
materiais alternativos, o valor das emissões de CO2 pode até ser superior quando se consideram
todos os custos inerentes ao seu processo de fabrico. Este tipo de aço torna-se assim essencial devido a novas especificações globais no que diz respeito à segurança dos automóveis em caso de colisão, na possibilidade de se economizar combustível e consequentemente na emissão dos gases de escape. Isto tem especial relevância quando se consideram as metas de redução das emissões de gases de efeito estufa para 2020, as quais têm objetivos muito ambiciosos, forçando o desenvolvimento de novos componentes que devem ser, no entanto, manufaturáveis e economicamente viáveis para as empresas que trabalham nesta área. Sendo assim, os fabricantes devem procurar um equilíbrio entre desempenho, segurança, eficiência energética, preço e meio ambiente, mantendo um design atrativo para os clientes. Pretende-se o desenvolvimento de aços avançados capazes de atingir altos valores de resistência, na mesma medida em que se proceda a uma redução da massa do veículo. [6]
Durante os próximos anos é expectável que o uso dos AHSS tenha um tremendo aumento, e é por isso importante a acumulação de conhecimento das suas aplicações. Na figura 2 pode verificar-se um aumento da sua utilização, converificar-seguindo uma redução do peso do corpo e estrutura automóvel. A indústria automóvel foi o grande impulsionador do seu desenvolvimento, mas o seu estudo pode contribuir em muitas outras áreas em que seja preferível a sua implementação.
7
Figura 4 – Evolução positiva no uso de aços HSS e AHSS (Adaptado de [6])
2.5. Classificação dos aços de elevada resistência – HSS
Ao longo do tempo, os aços têm sofrido grandes desenvolvimentos com otimizações no seu comportamento. Sendo assim, é essencial classificar os aços, podendo fazê-lo de três formas distintas.
Na primeira classificação pode ter-se em consideração a sua microestrutura, sendo esta de carácter metalúrgico. Podem apontar-se os aços de baixa resistência (LSS) com baixo carbono distribuído intersticialmente, os aços de elevada resistência (HSS) onde se inclui os aços ao carbono, manganês e os de baixa liga (HSLA). Finalmente, os aços de muito elevada resistência (UHSS) do qual fazem parte os aços avançados de elevada resistência (AHSS), que serão estudados com mais detalhe adiante. [7]
Na segunda classificação os aços podem ser organizados pela sua resistência. Os aços de baixa resistência (LSS) têm uma tensão de cedência inferior a 270 MPa, sendo que os aços de elevada resistência (HSS) têm uma tensão de cedência entre os 210 MPa e os 550 MPa e tensão de rutura entre os 270 MPa e os 700 MPa. Os aços de muito elevada resistência (UHSS) são caracterizados por uma tensão de cedência superior a 550 MPa e tensão de rutura acima de 700 MPa. [7] A terceira classificação está dependente de outras propriedades mecânicas para além da tensão de cedência, onde são tidos em conta o alongamento total, o coeficiente de encruamento, o coeficiente de expansão do furo, entre outras. Como exemplo, diferentes aços são comparados num diagrama de tensão-alongamento, na figura 5. Observa-se ainda a divisão (a traço
8
interrompido) da segunda classificação mencionada acima. Nos aços convencionais o aumento da resistência é conseguido com um compromisso da redução de conformabilidade.
Figura 5 - Tensão de cedência e alongamento total dos aços [8]
2.6. Aços convencionais
O aço macio convencional tem uma estrutura ferrítica relativamente simples, tem tipicamente um baixo teor de carbono e elementos de liga, é facilmente formado e é especialmente procurado pela sua ductilidade. É amplamente produzido e serve muitas vezes como material de base para comparar com outros materiais. Normalmente os convencionais incluem os IF (Intersticial livre), BH (Endurecimento térmico) e HSLA (Alta resistência e baixa liga). Estes têm geralmente uma tensão de cedência inferior a 550 MPa e uma ductilidade que decresce com o aumento da tensão.[9]
O aço IF tem esta designação devido ao facto de não existirem átomos de soluto intersticiais na estrutura da matriz, resultando num aço muito macio. Estes aços têm normalmente uma baixa tensão de cedência, elevada taxa de deformação plástica e uma boa formabilidade. A falta de átomos intersticiais na estrutura atómica permite a este aço uma boa ductilidade, ideal para estampagem profunda. A principal desvantagem deste aço é o facto de poder ser demasiado macio, resultando em rutura e a sua utilização não poderá garantir resistência suficiente para certas aplicações. A presença de carbono e azoto neste aço resulta em melhores propriedades mecânicas, endurecimento e diminuição da resistência à estampagem. [10]
9
O aço BH passa por um processo avançado para produzir aços de baixo carbono, normalmente utilizados em carroçarias de automóveis, com elevada resistência. Um tratamento térmico otimizado de recozimento é necessário para se obter carbono suficiente na solução. Utilizando um aço desgaseificado por vácuo é possível adicionar quantidades precisas de elementos de liga, obtendo-se assim aços parcialmente estabilizados. O elemento de liga difunde-se na matriz formando uma solução sólida. Estes aços têm assim um processo químico mais complexo que os aços IF. O procedimento de endurecimento térmico aumenta a tensão de cedência dos aços BH, mantendo a excelente maleabilidade. [11]
Os aços HSLA estiveram entre os primeiros aços de alta resistência amplamente usados em aplicações automóveis. Carbonetos de liga dispersos e agregados de ferrite-perlite assentes numa matriz ferrítica, com teor baixo de liga. Esta estrutura complexa juntamente com o refinamento do tamanho de grão para maior resistência é o que origina este tipo de aço. O HSLA geralmente é produzido para atender às especificações mecânicas, é normalmente resistente à corrosão, moldável e pode ser soldado. [8] Estes aços são projetados para oferecerem melhores propriedades mecânicas assim como maior resistência à corrosão atmosférica. Têm um conteúdo baixo de carbono (0,05-0,25%), com o fim de apresentarem uma formabilidade e soldabilidade adequada. Tem valores de manganês até 2% e quantidade inferiores de crómio, níquel, molibdénio, cobre, azoto, vanádio, nióbio, titânio e zircónio. [12]
2.7. Aços Avançados de Elevada Resistência (AHSS)
Os Aços Avançados de elevada resistência são materiais complexos, com composições químicas selecionadas e microestruturas multifásicas resultantes de processos de aquecimento e arrefecimento controlados de forma meticulosa. Os diversos mecanismos para os obter são aplicados para atingir uma gama de propriedades de resistência, ductilidade, dureza e resistência à fadiga. A família de aços AHSS inclui diversas variantes que servem para atender às especificações de desempenho a nível funcional de certos componentes. [6]
Recentemente tem-se apostado na investigação e desenvolvimento da terceira geração de aços AHSS, contendo maior resistência/ductilidade em comparação com os presentes. As diferentes variedades destes aços são apresentadas na figura 6.
10
Figura 6 - Diagrama global para diferentes gamas de AHSS [6]
Os aços com tensões de cedência superiores a 550 MPa são geralmente designados de AHSS. Estes aços são também chamados de UHSS quando a sua resistência excede os 780 MPa. Os aços que ultrapassam os 1000 MPa de resistência são conhecidos por aços “Giga Pascal”. A terceira geração dos AHSS pretende oferecer alternativas melhoradas ou equivalentes às existentes, a um custo mais reduzido. Esta classe de aços mais recente tem uma resistência e alongamento melhorado, atingida através do desenvolvimento de microestruturas mais complexas conseguidas por processos de arrefecimento controlados. [6]
De seguida são apresentados os diferentes AHSS mais relevantes, assim como as suas propriedades. Os aços aqui descritos: aço DP (bifásico), o FB (ferrítico-bainítico), o MS (martensítico), o TRIP (Plasticidade induzida pela deformação) e o HF (deformado a quente). A microestrutura do aço DP (Dual-Phase) consiste numa matriz ferrítica macia e aglomerados de martensite dura, como se pode verificar na figura 7. Esta classe de aços é caracterizada por uma tensão de cedência de aproximadamente 550 MPa e uma microestrutura que consiste em cerca de 20% de martensite dispersa numa matriz de ferrite macia. A combinação de fases macias e duras resulta numa relação resistência-ductilidade excelente, com a resistência a aumentar com o aumento de martensite. [13]
11
Figura 7 - Esquema da microestrutura do aço DP [14]
Os aços DP podem ser obtidos a quente ou a frio e igualmente terem bom comportamento ao encruamento térmico. Se forem laminados a quente, o arrefecimento é controlado minuciosamente para se obter a estrutura ferrítica-martensítica. Se este for recozido continuamente ou por imersão a quente, a estrutura final é produzida a partir de uma estrutura ferrítica-austenítica de fase dupla que é rapidamente arrefecido para transformar parte da austenite em martensite. A ferrite no material final é excecionalmente dúctil e absorve a tensão em torno dos aglomerados martensíticos, permitindo o alongamento uniforme para altas taxas de endurecimento e resistência à fadiga. Os aços DP podem ser desenvolvidos desde uma baixa até muito elevada tensão de cedência, levando a uma ampla gama de aplicações na zona de deformação. Algumas das suas aplicações incluem vigas e elementos transversais, reforços de colunas, torres de amortecedores, rodas, entre muitas outras. [6]
O aço FB é também um Dual-Phase, com ferrite macia e bainite dura. A microestrutura
apresentada na figura 8 é mais fina que um aço DP típico, no entanto, esta pode ainda ser mais ajustada para se tornar um aço SF (Stretch-flangeable). Esta característica pode ser medida com um teste de expansão de um furo (figura 8) e permite saber a capacidade de um FB/SF em resistir ao alongamento a partir desse mesmo furo. A segunda fase de bainite e refinamento de grão fazem do FB um bom aço com excelente maleabilidade.[9]
12
O aço FB tem um bom desempenho em condições de carregamento dinâmico, tornando-o adequado para situações de vibrações. São utilizados em perfis, peças mecânicas, vigas, reforços e rodas. O SF é recomendado para suspensões e chassis, devido às suas boas propriedades de fadiga em condições de carga dinâmica.[9]
Os aços CP têm uma microestrutura mista com uma matriz de ferrite/bainite, contendo porções de martensite, austenite retida e perlite, como mostra a figura 9. Estes exibem uma elevada resistência à fadiga, superiores aos aços DP, no entanto são mais suscetíveis a picos de tensão, como cargas excessivas. [16]
Figura 9 – Microestrutura do aço CP [9]
A fina microestrutura dá ao aço CP uma elevada tensão de cedência e alongamento para solicitações semelhantes aos aços DP. Estes têm boas características de desgaste e resistência à fadiga e podem ainda ser endurecidos termicamente. As suas características permitem assim um material para elevada absorção de energia, sendo uma boa escolha para componentes que poderão estar sujeitos ao impacto, como vigas e reforços. [16]
Nos aços MS quase toda a austenite é convertida em martensite. A matriz martensítica resultante contém também uma pequena quantidade de ferrite muito fina e/ou fases de bainite. Esta estrutura normalmente forma-se com um arrefecimento rápido na sequência de um processo de laminagem a quente, recozimento ou um tratamento térmico após formação. O aumento do teor de carbono aumenta a resistência e a dureza. Combinações determinadas podem ser realizadas com silício, crómio, manganês, boro, níquel, molibdénio e/ou vanádio, possibilitando o aumento da temperabilidade. [9] Na figura 10 pode ver-se a microestrutura de um aço MS temperado.
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Figura 10 – Microestrutura do aço MS [9]
O aço MS resultante é conhecido pela sua extremamente alta resistência, sendo possível obter valores de resistência na gama dos 900 aos 1700 MPa. Este aço tem um baixo alongamento, mas após têmpera pode melhorar a sua ductilidade, permitindo alguma maleabilidade, no entanto, o tratamento térmico diminui a sua resistência. A gama destes aços é recomendada para vigas de reforço, molas, grampos e outros componentes estruturais. [9]
O aço TRIP, tal como nos aços CP, tem uma microestrutura multifásica com uma matriz ferrítica macia, com fases duras. A matriz contém uma elevada quantidade de austenite retida, e alguma de martensite e bainite, como se pode verificar pela figura 11.
Figura 11 – Esquema da microestrutura do aço TRIP [6]
Este aço oferece a mais elevada combinação de resistência e alongamento, que leva a um elevado nível de absorção de energia. O enriquecimento de austenite pelo carbono ocorre durante o tratamento de recozimento. O arrefecimento inicial, relativamente lento, ao contrário de um arrefecimento rápido, resulta no enriquecimento da austenite, promovendo a sua estabilidade. A
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posterior estabilidade é garantida aquando da transformação da austenite em bainite. O silício e/ou alumínio é geralmente introduzido para acelerar a formação de ferrite/bainite, ao mesmo tempo que se suprime a formação de carbonetos nestas regiões. [17]
Por exemplo, para componentes automóveis em aços TRIP altamente estabilizados, este atraso pode permitir que a austenite permaneça até que haja um evento de colisão, em que esta se transforma em martensite. Outros factores que influenciam a transformação são as condições específicas de deformação, tal como a taxa de deformação, o modo de deformação, a temperatura e o objeto que provoca a deformação. [9] Na figura 12 é possível ver que a deformação continua até valores muito elevados de tensão.
Figura 12 – Tensão-deformação para gamas de aço TRIP e aço macio [9]
O aço HF contém tipicamente 0,002 a 0,005 % de boro. Os processos utilizados para produzir este aço concedem-lhe uma série de propriedades únicas. Este pode ser deformado a quente manipulando a peça no estado austenítico, a altas temperaturas, ou pode ser aquecido, terminando a sua deformação na segunda fase, seguindo-se até à temperatura ambiente. Nas duas situações o aço é submetido a várias transições, ao nível das suas propriedades de alongamento e resistência [9], como se pode ver na figura 13, acabando com um arrefecimento rápido para atingir as propriedades mecânicas finais.
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Figura 13 - Tensão-deformação do aço em diferentes fases [6]
Quando se aplica o primeiro processo “direct hot-forming”, o aço é estampado, à temperatura ambiente e de seguida aquecido até à temperatura de austenitização. O aço é então deformado a quente na ferramenta de conformação, desenvolvendo a microestrutura martensítica. Utilizando o processo de “indirect-hot forming” o aço é estampado e formado à temperatura ambiente. O componente é então aquecido e a sua formação é terminada na fase em que este está com baixa resistência e alto alongamento. O arrefecimento na matriz origina as propriedades finais desejadas. Componentes feitos neste tipo de aço têm diversas vantagens, como a alta resistência e reduzido retorno elástico. O componente permanece na matriz aquando do arrefecimento, e por isso o retorno elástico é quase inexistente. Reparar um componente deste material é algo muito limitado, pois o aço HF torna-se frágil após um impacto (colisão), sendo que o calor necessário para o corrigir degrada a resistência da peça. [9]
O uso do aço HF, também chamado de UHSS (aço de ultra elevada resistência) por alguns fabricantes de automóveis, tem vindo a crescer rapidamente na Europa, assim como a investigação de outros materiais para o mesmo processo, e ainda novos revestimentos para melhorar a resistência à corrosão. As suas aplicações incluem membros de paredes laterais nos automóveis, vigas para impacto, arcos e outros componentes sujeitos a elevadas cargas. [9] No Anexo A podem consultar-se tabelas com o resumo das características típicas dos AHSS aqui mencionados, ao nível da microestrutura, conformabilidade, soldabilidade, vantagens e desvantagens, e as suas aplicações.
2.8. Curva Tensão-deformação
A curva da tensão de engenharia (σ) é definida como a força dividida pela área. A tensão é normalmente representada graficamente em função da deformação (ε), que é a percentagem de
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variação da dimensão de um objeto sujeito a esforço. A curva resultante é essencial para a compreensão de diversas propriedades mecânicas do material.
Quando se aplica uma tensão na região elástica, as ligações entre átomos são alongadas, mas não quebradas. Se o esforço for retirado enquanto se encontrar no domínio elástico, não ocorrerá deformação plástica, o componente irá voltar à sua dimensão original. O declive desta reta no gráfico é o módulo de elasticidade (E) do material. O módulo de elasticidade em conjunto com a geometria da peça determina a sua rigidez. [9]
Na figura 15 é apresentada a curva tensão-deformação para um material dúctil, estando indicadas as suas principais características.
Figura 14 – Curva Tensão-deformação [9]
A tensão de cedência encontra-se geralmente no topo do segmento linear que corresponde à zona de deformação elástica da curva tensão-deformação. A deformação para além deste ponto leva à rutura das ligações entre os átomos e estes começam a escorregar entre si, correspondendo ao domínio plástico. Se a carga é retirada nesta fase de deformação, irá ocorrer algum retorno elástico, e alguma deformação plástica irá manter-se. [9]
O aço que se pretende avaliar no caso de estudo é um aço DP (bifásico) devido às suas boas propriedades de maleabilidade e soldabilidade decidiu-se que seria uma boa escolha para avançar com o trabalho. Os aços DP são também dos AHSS mais comuns, e também por isso com mais informação acessível acerca das suas propriedades mecânicas, com dados essenciais para introduzir no programa.
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2.9. Retorno elástico
O retorno elástico ocorre quando é aplicada uma tensão de conformação num material, mais evidente quando trabalhado a frio, em que com a libertação da tensão o material recupera parcialmente a sua forma original. Isto ocorre devido à recuperação elástica do material. A tensão de cedência, a espessura do material, o tipo de ferramenta e a geometria do componente influenciam o retorno elástico. Existem duas razões principais para esta ocorrência, a primeira tem a ver com o deslocamento de moléculas no interior do material e a segunda tem a ver com a tensão/deformação aplicada. Quando o material é conformado, a região interior da curva é comprimida enquanto que a região exterior é esticada, levando a que a densidade molecular seja maior no interior do que no exterior. Na zona exterior as forças de compressão são menores e por isso o material tenta voltar à sua posição inicial. [18]
A aplicação de AHSS em componentes sujeitos a processos de conformação trouxe novos problemas no que diz respeito ao retorno elástico. Estes apresentam um elevado fluxo de tensões que resultam da elevada resistência do material e do seu encruamento, levando a maiores tensões residuais no componente. Estes podem admitir uma redução da espessura da parede, pois apresentam melhores propriedades mecânicas que podem satisfazer as especificações com uma diminuição da massa do componente. Como são aços ainda pouco utilizados a informação disponível para compreender de que forma compensar o retorno elástico mais elevado que os aços convencionais, escasseia quando comparados. [6]
De forma idêntica, os HSS apresentam um retorno elástico superior aos aços macios para a mesma deformação total, como se pode ver na figura 16.
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Quando um aço macio e um HSS com o mesmo módulo de elasticidade são carregados até uma mesma deformação (A), quando a carga é retirada, o HSS terá um retorno elástico maior, até (B). Esta diferença deve-se ao facto de o HSS estar sujeito a maior carga para um mesmo valor de deformação. [9]
Como já mencionado, a magnitude do retorno elástico é definido pelo processo e pela geometria do componente. Na figura 17 observa-se o comportamento do retorno elástico numa chapa que é dobrada. O “t” é a sua espessura, e o “α₁” é o ângulo de dobragem pretendido, até à posição onde a chapa foi dobrada, “α2” é o angulo obtido após o retorno elástico, “r₁” o raio antes do retorno elástico e “r₂” o raio depois do retorno elástico. [7]
Figura 16 – Retorno elástico na dobragem de chapa (Adaptado de [18])
Encontram-se normalmente 3 tipos de retorno elástico em componentes do tipo canal, com uma geometria da figura 18, sendo estes a alteração angular, a curvatura da parede e a torção.
2.9.1. Alteração angular
A alteração angular, por vezes chamada de retorno elástico, é o ângulo que surge quando a extremidade dobrada (do componente) se desvia do ângulo de dobragem da ferramenta. O ângulo de retorno elástico é medido a partir do raio de concordância do punção, observando-se na figura 18.
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Figura 17 – Alteração angular [19]
A alteração angula é causada pela diferença de tensões na direção da espessura da chapa quando esta dobra sob o raio da matriz. Esta diferença de tensão cria um momento de flexão no raio de dobragem após a libertação da matriz, resultando numa alteração angular. Para se eliminar ou minimizar este problema deve tentar-se reduzir este momento de flexão ao longo da parede. [6]
2.9.2. Curvatura da parede
A curvatura da parede ocorre na zona lateral de um canal. A causa principal é a distribuição não uniforme de tensões ao longo da espessura da parede. Estas tensões são geradas ao longo processo de dobragem e subsequente retiro da carga. Durante esta sequência do processo, é pouco provável que a deformação em ambos os lados da chapa seja idêntica. A resultante curvatura pode trazer problemas de montagem do componente quando se requer tolerâncias apertadas. Numa situação extrema a curvatura pode ser tão elevada que não permita a soldadura do componente. A figura 19 ilustra com detalhe o que acontece quando um componente (chapa) é sujeito a dobragem por um punção, retirando-se de seguida a carga. A deformação no lado A
muda de estar à tração (A1) para estar à compressão (A2), quando se retira a carga. O contrário
ocorre para a deformação do lado B, que passa de compressão (B1) para tração (B2). Quando se
retira a carga o lado A tende a alongar e o lado B a contrair devido à recuperação elástica causando uma curvatura na parede. [6]
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Figura 18 – Efeito de curvatura da parede [6] [19]
Esta diferença de recuperação elástica no lado A e lado B é a maior responsável da variação na curvatura da parede. Quanto maior for a resistência do material, maior será a magnitude, maior a diferença de retorno elástico entre os lados A e B e maior a amplitude da curvatura. A resistência do material depende não só da tensão de cedência, mas também da capacidade de encruamento. É uma das grandes diferenças entre o convencional HSS e o AHSS. A diferença entre o encruamento dos HSS e dos AHSS explica como a relação entre a alteração angular e a curvatura da parede podem alterar o desempenho do componente. A figura 20 mostra a curva real de tensão-deformação (true stress – true strain) para dois aços. Os AHSS têm menor tensão de cedência que os tradicionais HSS para o mesmo valor de tensão de rutura. [6]
Figura 19 – Influência do encruamento no retorno elástico [6]
Para os valores mais baixos de deformação, normalmente encontrado na alteração angular no raio de concordância do punção, os AHSS estão submetidos a baixos valores de tensão e por isso
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apresentam menor retorno elástico. A diferença nestes aços de igual valor de tensão de rutura (mas diferente tensão de cedência) é apresentada na figura 21.
Figura 20 – Alteração angular menor para os AHSS [6]
A tendência é que haja um aumento da alteração angular para aços com tensões mais elevadas. Pode observar-se que nesta situação os AHSS apresentam menor alteração angular que os HSS. Na figura 22, os AHSS encontram-se agora sob tensões mais elevadas, aumentando as tensões elásticas. Sendo assim a curvatura da parede é mais elevada para os AHSS.[6]
Figura 21 – Curvatura da parede maior para os AHSS [6]
Ainda assim, estes tipos de retorno elástico estão dependentes de muitos fatores, como a geometria do componente, da ferramenta, dos parâmetros do processo, lubrificação e propriedades dos materiais.
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2.9.3. Torção
A torção ocorre com a rotação de duas ou mais secções transversais de forma diferente em volta do seu eixo longitudinal. O deslocamento de torção desenvolve-se devido ao retorno elástico e tensões residuais que tendem a fazer rodar um extremo do componente em relação a outro. Na figura 23 mostra-se o problema de torção que pode ocorrer.
Figura 22 – Momentos torsores nos componentes [19]
A magnitude da torção num componente será determinada pela relação entre tensões em várias direções e a rigidez do material na direção da torção. Uma fraca resistência à torção em componentes esbeltos são a razão para haver uma tendência para estes torcerem. Este problema aumenta com o aumento da relação entre o comprimento do componente e a sua largura. A tendência para a torção pode ser ultrapassada, reduzindo-se o desequilíbrio provocado pelas tensões residuais que provocam o momento torsor. Este tipo de desequilíbrios é mais comum em componentes assimétricos e componentes em que existem mudanças abruptas da sua secção transversal. Mesmo em componentes simétricos podem surgir problemas se os gradientes de deformação não forem simétricos. Algumas das razões para isto acontecer são o posicionamento incorreto, lubrificação desigual, desalinhamento das prensas ou polimento da matriz irregular. [6] Na figura 24 pode ver-se o retorno elástico num componente em aço DP e em aço HSLA, verificando-se que existe uma grande diferença entre ambos.
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2.10. Comportamento do retorno elástico a quente
Numa série de experiências levadas a cabo por J. Yanagimoto e K. Oyamada da Universidade de Tóquio, estes concluíram que no processo de conformação de um AHSS (540MPa, 0.08C-0.26Si-1.09Mn, HSS-1) a elevada temperatura havia uma redução da resistência do material à deformação, assim como um retorno elástico inferior. O fenómeno verificou-se para valores de temperatura superiores a 750K (≈477ºC).
No processo de retirada da carga da matriz, verificou-se que na zona do ângulo de dobragem, para temperaturas superiores a 750K, ocorria uma mudança de direção, sendo esta contrária ao retorno elástico, levando a uma redução do mesmo. [21] É possível observar-se na figura 25 este comportamento.
Figura 24 – Temperaturas abaixo dos 750K (esquerda) Temperaturas acima dos 750K (direita)[21]
Observando os resultados, na figura 26 a curva de A a B indica o estágio em que se carrega o provete e a curva de B a C o estágio em que se retira essa carga. A quantidade de retorno elástico é obtida pela diferença de deformação entre B e C. [21]
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Assim, a diminuição no retorno elástico observada após o teste de dobragem em “V”, que inclui zonas com tensões compressivas e outras de tração pode ser explicado com o aumento de temperatura na etapa de retirada de carga. O ângulo de dobragem na chapa torna-se ligeiramente menor, que o da matriz, logo após o carregamento, levando a uma diminuição geral do retorno elástico. [21]
Os tipos de retorno elástico aqui apresentados são mais especificamente direcionados para o retorno elástico em dobragem de chapa, enquanto que no caso de estudo apresentado mais adiante a conformação ocorre para uma geometria circular, não sendo possível aplicar diretamente os mesmos princípios. Decidiu-se ainda assim abordar este tema, pois é extremamente relevante, devido à dificuldade em encontrar bibliografia que abordasse uma situação mais próxima da que se pretende simular.
25 3. PRODUÇÃO DE TUBO
Com o desenvolvimento do processo de laminagem na primeira metade do século XIX, desencadeou-se também evolução nos processos de produção de tubo. Inicialmente, rolos de chapa eram deformados até atingirem uma secção circular e depois unidos por um processo de forjamento, o componente era levado a altas temperaturas e depois martelado para unir as duas extremidades. No final do mesmo século diversos processos de produção de tubo sem costura foram sendo desenvolvidos e cresceram de tal forma que quase levaram ao desaparecimento do mercado dos tubos com costura. Este domínio do processo sem costura perdurou até à segunda guerra mundial. Durante o período seguinte, devido ao desenvolvimento das técnicas de soldadura levou a uma reviravolta, trazendo novamente uma propagação do processo com costura na indústria. Atualmente dois terços da produção de tubo em aço são fabricados com costura. No Anexo B pode consultar-se um gráfico que ilustra as gamas de tubos, em termos de diâmetro e espessura da parede, que são produzidos com costura ou sem costura. O tubo com costura é particularmente produzido para pequena espessura da parede e grandes diâmetros exteriores, enquanto que o tubo sem costura para grandes espessuras da parede e diâmetro exterior aproximadamente até 660 mm. [22]
Neste trabalho será tido em conta o processo de produção do tubo com costura com mais detalhe, pois trata-se do método utilizado no caso particular dos tubos para a armação do serrote manual, pela mesma razão mencionada acima, o facto de terem uma espessura de parede muito fina.
3.1. Tubo com costura
Com a evolução da tecnologia foi possível chegar-se ao ponto de se soldar em apenas uma passagem dentro de um forno. O desenvolvimento deste conceito culminou, em 1931, no processo de Fretz-Moon concebido pelo americano J. Moon e o seu colega alemão Fretz. Linhas de soldadura com este processo ainda hoje se encontram em funcionamento para fabricar tubos com diâmetros até aos 114 mm. Para além desta técnica a alta temperatura, muitos outros processos foram desenvolvidos, como o concebido por E. Thomson em que os materiais podiam ser soldados por via de eletricidade. Este conceito tem por base a descoberta por James P. Joule, em que a passagem de corrente num material condutor aquece devido à sua resistência elétrica. [22]
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Mais tarde vários processos com gás de proteção surgiram, maioritariamente para a produção de tubo de aço inoxidável. A figura 30 mostra um resumo dos processos de soldadura existentes.
Figura 26 – Processos de soldadura no fabrico de tubo [22]
Os tubos com costura são fabricados com uma solda longitudinal ou em espiral (helicoidal). Como se pode ver na figura 31.
O material inicial em qualquer dos casos é chapa laminada, que dependendo do processo, dimensão e aplicação do tubo, pode ser aço laminado a quente ou a frio. As propriedades físicas e o acabamento superficial é, em muitos casos, já parte do produto inicial a ser trabalhado. Caso contrário, o componente pode ainda sofrer tratamento térmico e/ou acabamento superficial para atingir os requisitos. [22]
Os melhores processos de produção de tubo com costura conhecidos são o de Fretz-Moon, o de resistência elétrica a corrente contínua, o de corrente elétrica a baixa frequência e corrente elétrica a alta frequência. [25]
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3.1.1. Processo Fretz-Moon
Neste processo, com o nome dos seus inventores, a fita de aço é continuamente aquecida até temperatura de soldadura numa linha de produção. O material vai sendo deformado por rolos até atingir a forma circular e é então forçado um contra o outro e soldado, usando o princípio do processo primordial de forjamento. Tubo de 40 a 114 mm de diâmetro pode ser fabricado com este processo, com velocidades de soldadura desde 200 até 100 m/min respetivamente. [25]
Figura 28 – Processo de Fretz-Moon [22]
As bobinas de fita de aço usadas como matéria-prima são desenroladas a alta velocidade e passam para um acumulador. Isto serve como depósito durante o processo de produção contínua, permitindo que o fim de uma fita seja soldada à fita de aço da bobina seguinte. Esta fita contínua é conduzida através de um forno onde é aquecida a alta temperatura. Na zona lateral são utilizados aquecedores adjacentes que aumentam a temperatura das extremidades aproximadamente até 100 a 150 ºC mais elevada que no centro da fita de aço. Os rolos deformam a fita até se obter a forma circular, que quando chegam a determinado ponto as extremidades são pressionadas entre si, ocorrendo a sua soldadura. Por fim uma serra corta o tubo nos tamanhos definidos, criando assim componentes individuais. [25]
Nos processos modernos de Fretz-Moon, no fim da linha, o tubo pode ser ainda conduzido para outra linha aquecida em que será esticado ou reduzido o seu comprimento, controlando assim o diâmetro, para atingir requisitos variados (diferentes diâmetros). Esta combinação tem a vantagem de se utilizar a linha de Fretz-Moon para um diâmetro constante, reduzindo custos de troca de rolos e afinação, conseguindo ainda assim uma gama de diâmetros com a mesma linha de soldadura. [22]
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3.1.2. Processo de corrente contínua
Os processos que operam com corrente contínua (Direct Current) foram desenvolvidos para a soldadura longitudinal de tubo de pequenas dimensões, até 20 mm, com uma espessura da parede de 0,5 a 2 mm.
As vantagens da soldadura por corrente contínua, em comparação com a de baixa e alta frequência, deve-se ao bom acabamento final devido à passagem interior, deixando apenas uma muito ligeira saliência. Esta vantagem é importante para tubos em que este pequeno reforço no interior não é possível de se retirar, como no caso de tubos para permutadores de calor. [25] A gama de aplicações deste processo é limitada pela potência elétrica que pode ser transmitida pelos elétrodos de disco. As velocidades de soldadura vão desde 50 a 100 m/min. Os tubos produzidos são depois estirados/reduzidos a frio, num processo em que a espessura do tubo é ligeiramente aumentada, até cobrir a zona de solda, não mostrando praticamente nenhum vestígio de passagem de solda. Por razões de tolerâncias, é utilizado aço laminado a frio como material inicial. [25]
3.1.3. Processo a baixa frequência
Neste processo a soldadura é executada com corrente alternada, com frequências de 50 até 400 Hz. Um elétrodo composto por dois discos isolados de uma liga de cobre, serve não apenas como fonte de potência, mas também como a ferramenta que dá a forma e elemento que gera a pressão necessária para ocorrer a soldadura. Os elétrodos são os componentes essenciais desta tecnologia, pois devem ser regularmente verificados devido ao seu desgaste. [22]
O material que fica a mais devido à soldadura, deve ser retirado, interiormente e exteriormente, no fim da linha de produção, por aparadores. Na figura 33 pode ver-se este processo, inclusive os aparadores (External and internal flash trimmer).
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Figura 29 – Representação esquemática do processo a baixa frequência [22]
Considerando todos este fatores, este processo pode deixar o tubo com um bom nível de acabamento. Serve para soldadura longitudinal, com tubo de diâmetro desde 10 a 114 mm e com velocidades de soldadura até 90 m/min, dependendo da espessura da parede. [22]
3.1.4. Processo a alta frequência
Na sequência do desenvolvimento do processo de soldadura por resistência elétrica a baixa frequência, em 1960 introduziu-se a possibilidade de alta frequência. Desde então esta tecnologia atingiu uma grande aceitação no mercado. O processo consiste na aplicação de corrente alternada a alta frequência, entre 200 e 500 kHz, com a formação do tubo e a fonte de potência a serem desempenhados por unidades separadas. [25]
Mais uma vez, este método usa simultaneamente pressão e calor de forma a unir as duas extremidades, sem a adição de material. A pressão é feita por rolos que vão gradualmente aplicando força para ocorrer a soldadura. A alta frequência traz uma série de benefícios. Por exemplo, o facto de se tratar de alta frequência surge um campo magnético no centro do condutor. A resistência do condutor está no máximo, neste campo, fazendo com que o fluxo de eletrões siga o caminho de menor resistência, sendo este o das extremidades a soldar. A corrente pode ser aplicada no tubo por condução, ou por indução utilizando uma ou mais bobinas em sua volta. Com este processo pode conseguir-se tubo estrutural ou tubo para condutas com diâmetros desde 20 a 609 mm e espessura de 0,5 a 16 mm. O material inicial vem em bobina de aço, é
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desenrolado a alta velocidade e passa para um acumulador. O equipamento de soldadura funciona para velocidades de 10 a 120 m/min. [22]
Figura 30 – Representação esquemática do processo de deformação por rolos [22]
O sistema de deformação por rolos é utilizado para diâmetros até 609 mm e consiste em 8 a 10 rolos em que a tira de chapa é gradualmente deformada até um tubo circular aberto, passível de se observar na figura 34, do passo 1 ao 7. Os três passos seguintes (8, 9 e 10) guiam o tubo até à mesa de soldadura (11). Os rolos devem estar devidamente dimensionados para permitirem a obtenção do diâmetro final do tubo conforme o desejado. [25]
A produção de tubo com costura foi aqui abordada para se compreender o processo que está subjacente à sua obtenção, no entanto, esta etapa do processo não será simulada no capítulo seguinte, a situação que estará sujeita a análise será posterior a esta etapa. Ou seja, considera-se o tubo circular preparado para ser conformado em tubo de secção elíptica. Outro fator importante a ter em conta é a localização do cordão de soldadura. Dependendo da qualidade do mesmo, este terá uma influência maior ou menor nas etapas seguintes de conformação que deve ser estudada, no entanto, para as simulações presentes neste trabalho o tubo é considerado uniforme em toda a sua extensão, não tendo em conta a importância da soldadura.
31 4. ESTUDO DA CONFORMAÇÃO DO TUBO NO SENTIDO TRANSVERSAL
4.1. Definição do problema
O que se pretende analisar neste caso de estudo é o comportamento de um tubo de secção circular quando sujeito à conformação de uma matriz elíptica. Espera-se a obtenção de um tubo de secção elíptica com determinadas dimensões. Com a simulação é possível prever certas situações que poderá apontar um procedimento mais correto na eventualidade de um avanço a nível prático de um projeto com estes parâmetros. Assim pretendem-se avaliar diferentes materiais, geometrias da matriz, espessura do tubo, entre outros.
4.2. Cálculo do raio necessário para o tubo
Para ser possível realizar uma simulação computacional que apresente resultados do comportamento do tubo para diferentes materiais, devem ser escolhidos valores de geometria e dimensões da secção. Sendo assim, tomou-se como ponto de partida a geometria e dimensões apresentadas na figura 35 por serem valores típicos para o arco das serras da Bahco.
Figura 31 – Dimensões da secção do tubo pretendida.
Aquilo que se pretende reproduzir neste caso de estudo é conformação do tubo de secção circular para uma geometria elíptica e compreender todas as implicações que este processo traz. Para se proceder é necessário obter o raio da circunferência do tubo antes da sua conformação, ou seja, da sua secção circular. Para realizar o cálculo recorreu-se à utilização da equação 1, para encontrar o valor do perímetro da elipse, com a seguinte aproximação:
𝑝 ≈ 𝜋 [3(𝑎 + 𝑏) − √(3𝑎 + 𝑏)(𝑎 + 3𝑏)]
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Em que 𝑎 é o maior raio e 𝑏 o menor raio da elipse. Sendo assim, 𝑎 = 12 𝑚𝑚 e 𝑏 = 8 𝑚𝑚 podendo-se proceder ao cálculo. Obtém-se um perímetro de valor 𝑝 ≈ 63,46 𝑚𝑚 .
𝑝 = 2𝑟 × 𝜋
Utilizando a conhecida expressão matemática para o cálculo do perímetro de uma circunferência, equação 2, obtém-se o valor pretendido, 𝑟 = 10,1 𝑚𝑚.
Portanto, a circunferência exterior do tubo circular que será utilizada neste caso de estudo terá um raio de 10,1 𝑚𝑚, com a espessura de 1 𝑚𝑚 no sentido do seu eixo, observável na figura 36.
Figura 32 – Dimensões da secção circular do tubo.
4.3. Modelação dos componentes
Recorrendo-se ao software de modelação SolidWorks, procedeu-se ao desenho dos componentes necessários à simulação da conformação do tubo. Estes resumem-se essencialmente ao tubo circular e às matrizes elípticas.
O tubo consiste na secção da figura 36, com uma extensão em comprimento de 100 mm, como se pode ver na figura 37.
Figura 33 – Tubo circular com r=10,1 mm Equação 2 – Expressão do perímetro de uma circunferência
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Figura 34 – Matriz elíptica a=24 mm b=16 mm
A matriz tem uma geometria de revolução com as dimensões de meia elipse. As duas geometricamente idênticas perfazem as dimensões de a=24 e b=16. Assim na figura 38 pode ver-se um desenho da matriz com as dimensões relevantes e uma perspetiva dimétrica do componente depois de modelado.
Realizando agora uma montagem dos três componentes, obtém-se a base sobre a qual se vai trabalhar no software de simulação, ou seja, colocam-se já nas posições espaciais pretendidas para depois serem efetuados os deslocamentos e aplicadas as restrições. Na figura 39 encontra-se a disposição que estes têm.
Figura 35 – Conjunto matrizes elípticas e tubo.
O conjunto é exportado num tipo de ficheiro neutro aceite pelo software de simulação ANSYS,
neste caso o IGES (Initial Graphics Exchange Specification), usado para a troca de informação em
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4.4. Simulação computacional
A simulação é realizada no software ANSYS R15.0 no módulo de análise estrutural estática. Este tipo de projeto apresenta uma configuração como a presente na figura 40.
Figura 36 – Estrutura base da Análise estrutural estática
Inicialmente é definido o material para cada componente envolvido: o tubo, a matriz inferior e superior. De seguida, são escolhidos os tipos de contacto que existem entre os componentes, definem-se que superfícies estarão em contacto e o tipo de contacto entre estas: sem separação, sem atrito, com atrito ou ligadas, entre outras possibilidades. Nesta fase, define-se a malha (Mesh) que se pretende utilizar, assim como a procura e estudo de a otimizar para obter resultados mais próximos da realidade. No seguinte ponto definem-se as condições da simulação, quer suportes fixos, quer deslocamentos a realizar pelos componentes. Por último, na solução é possível obter variados resultados, desde o deslocamento, deformação, tensão aplicada, obtendo assim tabelas de dados essenciais para uma avaliação crítica dos resultados.
4.4.1. Especificação do material
Neste momento é selecionado o material que se pretende utilizar em cada componente. Como não é relevante, por enquanto, avaliar a deformação nas matrizes elípticas estas são consideradas rígidas, levando o software a assumir que não existe qualquer deformação nestes dois componentes. O material utilizado no tubo é de extrema importância, pois é uma das variáveis que se pretende estudar por comparação entre três materiais diferentes. Neste caso as escolhas
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incidiram sobre um aço estrutural não-linear, um aço inoxidável não-linear e um AHSS DP600, presentes na figura 41.
As propriedades do aço estrutural e do aço inoxidável faziam já parte da biblioteca de materiais do ANSYS, enquanto que as propriedades do DP600 foram introduzidas manualmente na biblioteca.
Figura 37 – Materiais selecionados
Foi escolhida a propriedade de não linearidade para os materiais pois uma parte considerável da deformação que se pretende analisar ocorre na zona de comportamento plástico. Estes fatores não poderiam ser corretamente avaliados caso se considerassem materiais lineares. A escolha do aço estrutural e do aço inoxidável deveu-se ao facto de serem materiais típicos, servindo de base para serem comparados com o AHSS. O aço DP600 foi selecionado por apresentar boas propriedades de formabilidade e soldabilidade, como já mencionado anteriormente. No Anexo C encontram-se com detalhe as propriedades destes três materiais usados na simulação.
4.4.2. Definição dos contactos
O passo seguinte a tomar consiste na seleção do tipo de contactos que existem entre os componentes. Na figura 42, as matrizes e o tubo são divididas em duas superfícies, duas metades de cada componente. Esta situação em particular ocorre devido à forma como é armazenada e organizada a informação no ficheiro IGES, sendo que poderia ser diferente noutro tipo de ficheiro, por exemplo se fosse importada a geometria diretamente do ficheiro de base do SolidWorks. Sendo assim, são selecionadas as duas superfícies do tubo como zona de “contact” e as duas superfícies da matriz inferior como “target”. Procede-se da mesma forma para a matriz superior, como se pode ver na figura 42.
