Processo de Estricção em Estampagem Automotiva: Modo de Falha versus Operação

RESUMO

Na estampagem automotiva, o termo "estricção" refere-se a dois conceitos distintos, mas críticos: um processo específico de fabricação processo e uma falha em materiais modo de Falha . Como processo (muitas vezes chamado de redução), a estricção é a redução intencional do diâmetro de um tubo ou recipiente, comumente utilizada em componentes de escapamento e reservatórios. Como modo de falha, a estricção é uma instabilidade de afinamento localizado em chapas metálicas que precede a fratura, marcando o limite absoluto da conformabilidade de um material.

Para engenheiros de processo, dominar a estricção exige uma abordagem dupla: otimizar as ferramentas para realizar a operação de estricção sem flambagem, ao mesmo tempo em que se projetam painéis estampados para evitar instabilidade por estricção por meio da análise da distribuição de deformação e das taxas de encruamento. Este guia detalha a física, os parâmetros e as estratégias de controle para ambos os cenários.

A Operação de Estricção: Redução de Diâmetro em Peças Tubulares

No contexto da fabricação de peças, embuchamento é uma operação de conformação utilizada para reduzir o diâmetro de uma casca cilíndrica ou tubo em sua extremidade aberta. Diferentemente do repuxo, que desloca material para criar profundidade, o embuchamento utiliza forças compressivas para encolher a circunferência. Esta técnica é comum na fabricação automotiva para componentes como carcaças de catalisadores, tubos de amortecedores e bocais de enchimento de combustível.

Mecânica do Processo de Embuchamento

A operação força uma matriz sobre a extremidade de uma peça tubular. À medida que a matriz avança, o material é submetido a tensões compressivas circunferenciais, fazendo com que flua para dentro e engrosse ligeiramente. O sucesso do processo depende da capacidade do material de fluir plasticamente sob compressão sem colapsar.

Existem dois métodos principais para realizar essa redução:

• Embuchamento com Matriz Estática: Uma matriz estática é empurrada axialmente para dentro do tubo. Este método é mais rápido, mas limitado pelo atrito e pelo risco de flambagem se a relação de redução for muito acentuada.
• Embuchamento Rotativo ou por Rotação: A peça ou a ferramenta gira, aplicando pressão localizada para reduzir gradualmente o diâmetro. Este método, frequentemente utilizado em latas de bebidas e peças automotivas de alta precisão, reduz o atrito e permite maiores reduções de diâmetro sem defeitos.

Defeitos Comuns em Operações de Necking

Como o material está sendo comprimido, o modo principal de falha durante o processo de necking não é fissuração, mas desdobramento enrugamento. Se o comprimento não suportado do tubo for muito longo, ou se a espessura da parede for insuficiente em relação ao diâmetro, o metal dobrará em vez de fluir. Engenheiros frequentemente utilizam buchas internas ou reduções escalonadas (múltiplas passagens) para suportar o material e manter a integridade geométrica.

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O Necking como modo de falha: o limite da formabilidade

No contexto mais amplo do carimbo do corpo em branco (BIW), o pescoço é o inimigo. Define o início da instabilidade do material, onde a deformação se localiza numa faixa estreita, levando inevitavelmente à fratura. Uma vez que se forma um pescoço local, o material naquela região se dilui rapidamente enquanto o material circundante deixa de se deformar completamente.

Difusão versus Necação local

A compreensão da progressão do necking é vital para prever falhas em aços avançados de alta resistência (AHSS):

• Dispersão do pescoço: Esta é a fase inicial em que a largura da folha começa a contrair de forma não uniforme. É espalhada por uma área maior e não leva imediatamente ao fracasso. No teste de tração, isso ocorre no ponto de força de tração máxima (UTS).
• Necking local: Este é o limite de falha crítica. A deformação concentra-se numa faixa estreita (aproximadamente a espessura da folha). Neste estado, o material se dilui catastróficamente sem mais extensão nas áreas circundantes. Na simulação e no desenho de estampagem, o início do descolamento local é considerado o ponto de falha funcional da peça.

A Física da Inestabilidade

O "necking" ocorre quando o material taxa de endurecimento por trabalho não pode mais compensar a redução da área transversal. De acordo com o critério de Considere, a estabilidade é mantida enquanto o material se fortalecer (endurecer) mais rápido do que se afina. Quando a taxa de endurecimento do trabalho cai abaixo do nível de estresse verdadeiro, a instabilidade é desencadeada.

É por isso que o alto valor n (exponente de endurecimento por tensão) são preferidos para estampagens complexas; mantêm a sua capacidade de distribuir a tensão numa área mais larga por mais tempo, atrasando o início do pescoço.

Parâmetros de engenharia e comportamento do material

Conectar o processo e o modo de falha requer um mergulho profundo na ciência dos materiais. O comportamento do aço durante a operação de colagem e a instabilidade do colagem é regido pela sua curva de tensão-deformação.

O papel do valor n

O expoente de endurecimento por deformação (valor n) é o parâmetro mais significativo:

• Para a prevenção de falhas: É desejável um elevado valor n. Permite que o material se alonge ainda mais antes de começar o encosto localizado, o que é crucial para painéis de corpo profundos.
• Para operações de enrolamento: Ironicamente, um valor n muito alto pode às vezes ser desafiador para operações de compressão de pescoço se o material endurecer muito rapidamente, exigindo forças maiores e aumentando o risco de dobragem.

Formação de curvas de limite (FLC)

Para prever a instabilidade da produção, os engenheiros dependem da Curva de Límites de Formação (FLC). O FLC traça as cepas principais e secundárias em que ocorre o necking local. Qualquer ponto numa peça estampada que se situe acima desta curva deve falhar.

Os métodos modernos de detecção, como a correlação digital de imagem (DIC), permitem aos engenheiros visualizar o acúmulo de tensão em tempo real. Ao rastrear o padrão da superfície, o DIC pode identificar a "banda de pescoço" antes que ela se torne visível a olho nu, permitindo ajustes proativos da matriz.

Prevenção de defeitos e controlo de processos

Quer esteja a realizar uma operação de enrolamento ou a tentar evitar uma falha de enrolamento, o controlo do atrito e do fluxo de material é primordial.

Prevenção da instabilidade do pescoço (folha de metal)

• Estratégia de Lubrificação: O alto atrito restringe o fluxo do material, causando alongamento localizado. Melhorando a lubrificação em áreas críticas, o material pode ser absorvido de zonas adjacentes, distribuindo a tensão.
• Ajuste da força de ligação: Se a força do suporte em branco for demasiado elevada, o material não pode fluir para dentro da matriz, o que leva a um alongamento e um descolamento excessivos. Reduzir esta força permite mais atração.
• Raios da Matriz Raios afiados concentram o stress. Aumentar o raio de entrada da matriz pode reduzir a tensão máxima e prevenir o aparecimento de um pescoço local.

Garantir o êxito das operações de encosto (tubular)

• Guia de mangas: Para evitar a flexão durante o enrolamento por compressão, utilizar guias externos ou internos para suportar as paredes do tubo.
• Redução por etapas: Não tente uma redução de diâmetro de 50% num único golpe. Dividir o processo em várias etapas (por exemplo, 20% -> 15% -> 10%) para gerir as tensões de compressão.
• Recozimento: Para reduções agressivas, pode ser necessário recozimento intermediário para restaurar a ductilidade e reduzir o estado de endurecimento do material.

Conclusão

A impressão automática é uma dualidade que todo engenheiro de processos deve lidar. É uma técnica de moldagem valiosa para componentes tubulares e um limite definidor para a formabilidade da chapa metálica. A distância entre a mecânica de compressão do processo de necking e a instabilidade de tração de falha de encosto , os fabricantes podem otimizar os seus projetos de ferramentas e selecção de materiais. O êxito consiste em equilibrar estas forças, aproveitando a deformação plástica para dar forma ao metal, respeitando os limites físicos onde a estabilidade termina e a falha começa.

Perguntas Frequentes

1. a) A Comissão Qual é a diferença entre cerrar e desenhar?

O desenho é um processo de tração em que um branco é puxado para uma matriz para criar profundidade, muitas vezes reduzindo a espessura da parede. O Necking (como processo) é uma operação de compressão aplicada à extremidade aberta de um tubo para reduzir seu diâmetro. No desenho, o material flui para fora da flange; no encosto, o material é forçado para dentro na abertura.

2. A sua família. Como é que o valor n afeta a instabilidade do pescoço?

O valor n (exponent de endurecimento por trabalho) indica a capacidade de endurecimento de um material à medida que se deforma. Um valor n mais elevado significa que o material resiste ao afinamento localizado de forma mais eficaz, distribuindo a tensão em uma área maior. Isto retarda diretamente o início da instabilidade do pescoço, permitindo estampagens mais profundas e complexas.

3. A sua família. Pode-se detectar uma fratura no pescoço antes de ocorrer uma fratura?

- Sim, é verdade. Embora seja difícil de ver a olho nu até que seja grave, a coloração localizada pode ser detectada usando sistemas de correlação de imagem digital (DIC) durante o teste. Na produção, uma "canelha" ou linha de afinamento visível na superfície do painel é um sinal claro de que o processo está à beira de se dividir e requer ajuste imediato.