Estudo experimental para predição de falha em tempo real em estampagem incremental multipasses
Resumo
Resumo: O processo de estampagem incremental multipasse, é um processo complexo, que exigem conhecimento dos parâmetros de processos e experiência para criação de peças livre de fraturas ou trincas. Em geral, a predição de falha neste processo se restringe a aplicações em simulação computacional por elementos finito, sendo assim, nesta tese foi apresentado uma proposta para predição de falha em tempo real em estampagem incremental multipasses a partir das análises de deformação passe a passe. Para isso, experimentos iniciais de análise de falha em estampagem incremental de ponto único e simulação computacional foram aplicadas para o aço BH180 GI nas espessuras de 0,43 mm e 0,8 mm. Os estudos se iniciaram em estampagem incremental de ponto único em peças tipo cone truncado nos ângulos de 30 graus a 90 graus para validação dos parâmetros de processo e obtenção dos dados de deformação, espessura de parede e altura de estampagem. A partir dos dados de deformação em diversos ângulos de estampagem foram obtidos a reta limite de deformação para as diferentes espessuras do material, que foram a base para prevenir e predizer a possível falha em incremental multipasse. Para as simulações computacionais foram adotados as propriedades mecânicas, leis constitutivas, critério de escoamento, modelo de endurecimento isotrópico com base no ensaio cíclico do material e um mecanismo de dano dúctil com base na energia de fratura do material para predição da falha. Esses dados foram alimentados ao modelo numérico utilizando uma abordagem por integração explicita, com elemento tipo casca (S4R) com integração reduzida e refino definido em estudo. As simulações em estampagem incremental de ponto único conseguiram predizer com qualidade as falhas nas alturas de estampagem realizadas além de validar o modelo computacional. Para os experimentos em estampagem incremental multipasses, foram realizados passes de 30 graus até 90 graus com saltos a cada 10 graus totalizando 7 passes em diferentes alturas de estampagem. A partir do ângulo de 60 graus foram realizadas medições de deformação passe a passe a comparadas com reta limite de conformação para cada espessura de material. Quando as deformações fossem semelhantes ou ultrapassem a reta limite de conformação do material, correções de geometria e caminho eram impostas para minimizar as deformações locais e garantir a integridade do produto livre de falha. Os resultados mostraram que a metodologia aplicada e as correções impostas preveniram a falha e garantiram maior conformabilidade do material levando a espessuras mínimas de 0,098 mm na de parede do material, além de indicar a presença de um patamar máximo de área de superfície deformada do material, o que indicou um limite para o qual é possível realizar a distribuição da deformação no material em diferentes alturas de estampagem e raios de curvatura da peça. As simulações em estampagem incremental multipasse se apresentaram eficientes e conseguiram demonstrar o impacto do uso ou não de correções na geometria e caminho impostas por essa metodologia. Abstract: The multi-step incremental forming is a complex process that requires knowledge of process parameters and expertise to create parts fracture-free or crackfree. In general, the failure prediction in this process is restricted to applications in finite element computer simulations, therefore, in this thesis, a proposal for real-time failure prediction in multi-step incremental forming based on step-by-step strain analysis was presented. For this, initial experiments of failure analysis in single point incremental forming and computer simulation were applied to BH180 GI steel in thicknesses of 0.43 mm and 0.8 mm. The studies started with single point incremental forming on truncated cone-type parts at angles from 30 degrees to 90 degrees to validate process parameters and obtain strain data, wall thickness and forming height. From the strain data at different angles, the forming limit line was obtained for the different thicknesses of the material, which was used as a basis for preventing and predicting the possible failures in multi-step incremental forming. For the computer simulations, mechanical properties, constitutive laws, yield criterion, isotropic hardening model based on the cyclic test of the material and a ductile damage mechanism based on the fracture energy of the material were adopted to predict failure. These data were fed to the numerical model using an explicit integration approach, with a shell element (S4R) with reduced integration and refinement defined in the study. The simulations in single point incremental forming were able to predict with quality the failures in the forming heights performed in addition to validating the computational model. For the multi-step incremental forming experiments, steps were performed from 30 degrees to 90 degrees with jumps every 10 degrees, totaling 7 steps at different forming heights. From the angle of 60 degrees, strain measurements were performed step by step and compared with the forming limit line for each material thickness. When strains were similar or exceeded the forming limit line of material, geometry and trajectory corrections were imposed to minimize strains and ensure flawless product integrity. The results showed that the methodology applied and the corrections imposed avoided failure and ensured greater formability of the material, leading to minimum thicknesses of 0.098 mm on the material wall, in addition to indicating the presence of a maximum level of deformed surface area of the material, which indicated a limit for which it is possible to carry out the strain distribution in the material at different forming heights and radius of curvature of the part. The simulations in multi-step incremental forming were efficient and were able to demonstrate the impact of the use or not of corrections in the geometry and trajectory imposed by this methodology.
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