Simulações computacionais para análise e minimização das tensões residuais no processo de trefilação - Souza, Tomaz Fantin de (2011)
Este trabalho é parte da cooperação internacional BRAGECRIM (Iniciativa Brasil-Alemanha para Pesquisa em Tecnologia de Fabricação) do projeto "Investigation and improvement of a manufacturing process chain from cold drawing processes to induction hardening – reducing dimensional changes and distortion" (Investigação e Melhoramento de uma Rota do Processo de Trefilação Combinada e Endurecimento por Indução para Minimização de Distorções e Mudanças de Forma) e está diretamente relacionado ao tema de estudo. As tensões residuais são aquelas presentes em um material quando não há atuação de forças externas ou presença de gradientes de temperatura, podendo gerar distorções de forma e empenamentos. Elas podem atuar de forma benéfica, para o caso de possuírem sentido contrário ao da carga de trabalho; ou maléfica, no caso do seu sinal ser o mesmo da carga aplicada em regime, o que gera, por exemplo, redução da vida em fadiga. Com a evolução dos softwares de modelagem e simulação numérica dos últimos 40 anos, a simulação computacional tem se mostrado uma importante ferramenta para prever o comportamento, as características geométricas e os parâmetros (velocidade, força, etc) dos processos de fabricação. Neste trabalho, foram simuladas numericamente através do método de elementos finitos as tensões residuais geradas durante a trefilação de barras redondas de aço AISI 1045, os resultados numéricos foram comparados com medições de tensões residuais via difração de nêutrons e com equações fornecidas pela literatura para avaliação de forças e deformações. Foram criados três modelos axissimétricos (mecânico axissimétrico, mecânico axissimétrico com fieira elástica, termomecânico axissimétrico) e outro tridimensional mecânico com o objetivo de reproduzir o processo de fabricação. Os parâmetros que alimentaram o software foram adquiridos de processos industriais em uso corrente e na literatura, dentre eles: o coeficiente de atrito do processo, a curva tensão-deformação das barras, as dimensões das barras e a velocidade de trefilação. A necessidade do conhecimento prévio do valor do coeficiente de atrito como um dado de entrada para o software impôs a realização de simulação computacional para o ensaio do anel, criando uma curva de calibração posteriormente confrontada com os resultados experimentais do mesmo ensaio. A curva de escoamento do material foi obtida através de ensaio de tração e as tensões residuais foram medidas via difração de nêutrons e comparadas com os resultados simulados. O modelo que indicou maior aproximação com os valores de força teórica foi escolhido para a variação de alguns parâmetros como: taxas de deformação, ângulos de fieira e configuração geométrica das reduções para se estimar a influência destes na geração de tensões residuais. A comparação entre os resultados de força e deformação analíticos e numéricos demonstrou que os modelos desenvolvidos descrevem corretamente o processo. Observou-se uma grande diferença entre os resultados de tensões residuais simulados e medidos via difração de nêutrons para o centro das barras na direção axial, principal responsável pelo surgimento de tensões residuais, que podem ser originados de erros da medição experimental e da não consideração de importantes fenômenos físicos que ocorrem no comportamento do material como o efeito Bauschinger e a anisotropia do material. A magnitude das tensões residuais na direção axial aumenta com o aumento do semi-ângulo de fieira; e as taxas de deformação não modificaram significativamente os resultados, demonstrando não afetar em grande escala o desenvolvimento das tensões residuais. O modelo com duas reduções de feira mostrou-se o que gera menores gradientes de tensão residual, diminuindo os valores compressivos no centro da barra, sendo este o sugerido como melhoramento do processo.