Avaliação numérica da predição de forças no processo de estampagem incremental de ponto único

Abstract

Resumo: Dentre diversos processos de conformação de chapas aplicados a indústria metal mecânica, a estampagem incremental de chapas tem um grande potencial em aplicações industriais devido à sua simplicidade. Com interesse por esse processo, estudos científicos e aplicações práticas tem crescido constantemente nos últimos anos. Desta forma, estudando este tipo de processo de fabricação, neste trabalho avaliou-se a precisão da simulação computacional no processo de estampagem incremental de ponto único a fim de determinar os esforços requeridos aplicado ao conjunto máquina-ferramental e produto, com aplicação experimental de diferentes parâmetros de processos. Os ensaios experimentais foram realizados com um centro de usinagem CNC de três eixo, ferramentais e um dinamômetro Kistler modelo 9139 AA para obtenção dos dados de força. Neste estudo aplicaram-se parâmetros ao processo, analisando a mudança do ângulo de parede e o passo vertical na direção Z, aplicado em conjunto com outros parâmetros fixos para a conformação de peças em aço no formato de cone truncado. Partindo de uma metodologia experimental, foram retirados os dados de força normais na direção Z e forças cisalhantes na direção X e Y e posteriormente tratados para se comparar e avaliar a predição das forças com os resultados obtidos na modelagem por elementos finitos via "software" Abaqus®. Na simulação foram adotadas as propriedades mecânicas, leis constitutivas, critério de escoamento e um modelo de endurecimento isotrópico para alimentação dos dados do material ao modelo numérico. Para o modelo numérico foi utilizada modelagem explicita com o elemento tipo casca (S4R) com integração reduzida e refino definido em estudo. Os resultados mostraram que os comportamentos do material devido aos diferentes parâmetros do processo avaliado foram previstos pelo modelo numérico na análise das forças pico (Fz_p), forças normais médias (Fz_m) e forças cisalhantes médias (Fxy_m). Tanto os dados experimentais quanto numéricos mostraram que o aumento do ângulo de parede e do passo vertical na direção Z, contribuiram para o aumento da força de deformação necessária para se moldar a peça. Conforme estudos os erros entre o experimento e o simulado estão de acordo com as referências estudadas. . Palavras-chave: Estampagem Incremental de Ponto Único (SPIF). Predição de Forças. Análise por Elemento Finito.

Abstract: Among several sheet metal forming processes applied to the mechanical industry, the incremental sheet forming has immense potential in industrial applications due to its simplicity. With interest in this process, scientific studies and practical applications have grown steadily in recent years. In this work, it analyzed the computational simulation in the single-point incremental forming process to determine the necessary efforts to the machine, tools and products, with experimental application of different parameters of processes. The experimental tests were performed with a three axis CNC machining center, tooling and a dynamometer Kistler model 9139 AA to obtain force data. In this study were applied to the process, analyzing the change of the vertical angle and the vertical pitch in the direction Z, applied in conjunction with other fixed parameters for the conformation of steel pieces in truncated cone shape. From an experimental methodology, the normal force data in the Z direction and shear forces in the X and Y direction were extracted and later treated to compare and evaluate the force prediction with the obtained results in finite element modeling using software Abaqus®. In the simulation, the mechanical properties, constitutive laws, flow criterion and an isotropic hardening model were adopted to feed the material data to the numerical model. For the numerical model, explicit modeling with the shell element (S4R) with reduced integration and refining defined in the study was used. (Fz_m), average normal forces (Fz_m) and average shear forces (Fxy_m). The results showed that the behavior of the different parameters of the evaluated process was predicted by the numerical model in the analysis of the peak forces. Both the experimental and numerical data showed the increase of the vertical angle and the vertical pitch in the Z direction contributed to the increase of the force deformation required to mold the part. According to studies the errors between the experiment and the simulation are in agreement with the studied references. Keywords: Single Point Incremental Forming (SPIF). Prediction forces. Finite Element Analysis.