Tecnologia 26/01/21 Análise de fadiga termomecânica em matrizes de forjamento

A durabilidade das matrizes é um dos fatores mais importantes que afetam o custo de produtos forjados a quente e representa entre 5 e 30% do custo. 

Excluindo-se as falhas catastróficas devido a excesso de carga, 70% das falhas de matrizes são causadas por desgaste e em torno de 25% são relacionadas a fadiga mecânica. Na maioria dos pacotes de software de elementos finitos para Simulação de processos de forjamento, existem ferramentas incorporadas para a análise do desgaste superficial nas matrizes. Entretanto, a capacidade de previsão de fadiga de baixo ciclo ainda não é rotineira. 

Uma característica significativa do carregamento em matrizes é a de pulsação, na qual o carregamento na ferramenta em cada ciclo muda de zero ao máximo. Além disso, o máximo carregamento poderia ser considerado constante para uma mesma cavidade de matriz se não se levar em consideração desvios da massa e temperatura dos forjados em um lote, que são relativamente pequenos. 

Em tais circunstâncias somente o primeiro ciclo será com deformação plástica, enquanto todos os demais ciclos se manteriam no regime elástico devido ao encruamento do metal. Entretanto, essa conclusão é válida somente se o encruamento isotrópico for assumido. Deformações plásticas podem ser acumuladas em condições cinemáticas ou de encruamento mesclado.  Assim, o regime estacionário é usualmente alcançado nos primeiros 8-10 ciclos. Para um material sofrendo encruamento, isso corresponde ao ciclo elástico e o acúmulo de deformação plástica reduz com cada ciclo. 

O efeito de amaciamento cíclico, dependendo da temperatura, frequência etc., pode influenciar a fadiga termomecânica em aços de matrizes, mas o amaciamento de aços de matrizes também existe em condições de carregamento estático. Além disso, o amaciamento tem o maior efeito no estágio inicial, mas em seguida, a intensidade do amaciamento reduz. 

Método para cálculo 

O método de análise é baseado nas seguintes proposições:

1.  O processo de carregamento cíclico de matrizes é considerado como uma combinação de dois estágios, i.e., primeiro o carregamento elastoplástico acompanhado pelo acúmulo de deformação plástica em áreas de concentração de tensões e, então no segundo estágio, carregamento puramente elástico.
2. O acúmulo de dano causado pelas deformações plástica e elástica é resumido de acordo com o critério de falha da cinética de deformação.
3. O dano por deformação plástica é baseado na teoria do dano acumulado.
4. O dano causado pela deformação elástica é determinado pelo componente elástico da equação de Manson-Coffin-Basquin.
5. As tensões máximas nos locais de concentração de tensões são constantes e determinadas pela carga durante o primeiro ciclo.
6. O processo de acúmulo de deformação plástica é determinado pelo mecanismo de amaciamento termo-cíclico.
7. O encruamento do material é linear. Amaciamento reduz o limite de escoamento. O módulo de encruamento é constante.
8. O valor da redução do limite de escoamento é proporcional a deformação plástica em um ciclo. 

O modelo de acúmulo de deformação plástica é baseado na suposição de encruamento linear em material elastoplástico, como mostrado na Figura 1. Pode-se observar que a deformação plástica em cada ciclo reduz e tende a zero, enquanto a deformação elástica se mantém invariável. Este modelo concorda com os dados da literatura de redução de deformação plástica nas matrizes durante os primeiros ciclos.

Fig. 1. Acúmulo de deformação plástica no carregamento cíclico de matrizes quando se leva em consideração o amaciamento do material.

 

Exemplos de predição de falha por fadiga 

Para implementar o método proposto, foi criada uma subrotina para calcular a falha por fadiga de baixo ciclo usada no software de simulação de processos de conformação QForm. A subrotina permite definir os seguintes campos calculados para as ferramentas:

- Número de ciclos até a falha.
- Deformação plástica no primeiro ciclo.
- Deformação plástica acumulada até a fratura.
- Número de ciclos com deformação plástica, i.e., dano de deformação plástica.
- Amplitude equivalente do ciclo.
- Tensão média equivalente do ciclo.

O primeiro exemplo é a análise das matrizes para forjamento de uma engrenagem cônica em uma prensa mecânica.

Fig. 2. Fratura na matriz surgiu após 400-420 ciclos.

A matriz superior com fratura próximo da base da matriz após o forjamento de aproximadamente 400 peças é mostrada na Figura 2. A Figura 3 apresenta a tensão equivalente na matriz superior ao final do estágio de forjamento quando a carga e as tensões atingem um valor máximo b. O inserto da matriz feita de aço H13 é ajustado no bloco da matriz com interferência de 0,05 mm. A análise de tensões no inserto da matriz mostra que a tensão efetiva máxima ocorre na região do raio de transição, na qual observou-se dano na realidade (Figura 2). Essas tensões superam o limite de escoamento da matriz, o que leva a deformação plástica. 

Fig. 3. Distribuição das tensões equivalentes de von Mises (em MPA) na matriz superior ao final do forjamento.

Uma análise do ciclo de carregamento das matrizes conclui que o estado de tensões de compressão triaxial (todas as três tensões principais são negativas) é o vigente no estágio inicial do carregamento na região do raio de transição. No estágio final do forjamento o estado de tensões é mais próximo de tração uniaxial, com tensões equivalentes iguais a 1600-1800 Mpa. Então, na região do raio de transição, ocorre um ciclo alternante com um valor positivo de tensão média no ciclo. 

O cálculo da temperatura da matriz é feito simultaneamente à simulação do fluxo de metal e do estado de tensão-deformação na matriz (modelamento acoplado). A simulação mostra que a temperatura na área do raio de transição varia na ordem de 200-400°C.

Com os parâmetros de tensão-deformação e com a distribuição de temperatura na matriz, foi implementado o modelo apresentado de previsão de fadiga de baixo ciclo usando o software QForm. Os resultados estão mostrados na Figura 4. O número mínimo de ciclos para a falha é 398, que é bem próximo das observações experimentais. Além disso, o local apontado está localizado na mesma área em que a falha ocorreu na realidade.

Fig. 4. Localização da fratura prevista usando o modelo proposto com indicação do número de ciclos até a falha em 398 ciclos.

No próximo exemplo considerou-se um forjamento por martelo de uma peça de aço. A sequência da ação está apresentada na Figura 5. Os parâmetros tecnológicos básicos são os seguintes: a queda de um martelo de duas toneladas foi usada, o tarugo é feito de aço carbono AISI 1020, com temperatura de 1200°C, temperatura inicial das ferramentas de 30°C e material das ferramentas H13. A produção dessa peça requer uma batida para cada ação, i.e., recalque, pré-forma e calibragem. O lubrificante é grafite e água. 

A tecnologia existente não fornece uma vida de ferramenta aceitável. Na prática, leva em torno de 200 peças forjadas para a fratura aparecer. A foto da matriz com essa falha característica é apresentada na Figura 6. 

Fig. 5. Tarugo no primeiro, segundo e terceiro golpe da sequência de forjamento a quente.

Fig. 6. Fratura após em torno de 200 peças forjadas na terceira cavidade do bloco da matriz no forjamento a quente por martelamento.

 A simulação da ferramenta foi feita no modo acoplado simultaneamente à simulação do fluxo de material. A operação crítica do ponto de vista da vida da matriz é a última ação. A análise do ciclo de carregamento da matriz na terceira ação mostra o estado de tensão trativa na zona problemática, indicado em vermelho na Figura 7. O cálculo da temperatura da matriz mostrou que a mesma pode alcançar 250°C no primeiro ciclo.

 

Fig. 7. Distribuição de tensões médias e seus valores extremos na zona crítica da matriz durante a terceira ação do forjamento.

Fig. 8. Número de ciclos até a falha da matriz por fadiga de baixo ciclo: mínimo de 284. 

A avaliação da vida da ferramenta na matriz foi feita usando as mesmas propriedades mecânicas do aço H13 do primeiro exemplo do forjamento da engrenagem cônica. Novamente, aqui houve uma boa correspondência entre o número previsto e o real até a ocorrência da fratura, como mostrado na Figura 8. 

As propriedades elásticas durante o carregamento cíclico para o aço H13 estão publicadas na literatura e a deformação plástica crítica pode ser aproximada usando os resultados de investigações. Para outros materiais de ferramentas amplamente utilizados como o M2, L6 e H11, é necessário determinar os parâmetros do material a serem usados no software. Ou seja, é necessário fazer a mesma investigação que foi feita para o H13 e incluir no banco de dados de propriedades de materiais de ferramentas os seguintes parâmetros:
- Módulo de Young, coeficiente de Poisson e parâmetro de encruamento, que são dependentes da temperatura;

- Dependência da deformação crítica na temperatura e parâmetro do estado de tensão;

- Dependência dos parâmetros de amaciamento cíclico na temperatura;

- Dependência do coeficiente de resistência a fadiga e do expoente de resistência a fadiga na temperatura. 

A tarefa mais difícil é determinar a deformação plástica crítica que deve ser incluída no software. Entretanto, apesar da quantidade limitada de informações experimentais importantes a respeito das propriedades do aço da ferramenta, a abordagem para estimação quantitativa da vida de ferramenta das matrizes em forjamento a frio e a quente é possível, conforme demonstrado. 

Conclusões 

1.      O método proposto para predição de falhas por fadiga de baixo ciclo leva em consideração componentes elásticos e plásticos da deformação e a influência da temperatura.

2.      O modelo e a subrotina programada já está incorporada ao software QForm e foram usados para predição de falha por fadiga de baixo ciclo em matrizes durante forjamento a quente e mostraram boa correspondência com o observado na prática.

3.      O método desenvolvido pode ser aplicado de forma bem sucedida na indústria para prever a vida de ferramentas e otimizar o projeto de matrizes.

 Co-autores

Nikolay Biba (Micas Simulation Ltd.)

Sergey Stebunov (QuantorForm Ltd.)

 

Traduzido por: Olavo Carvalho Haase (SIXPRO Virtual&Practical Process)

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