Avaliação numérica da influência da geometria do ferramental na geração de tensões residuais durante o processo de trefilação de barras de aço

Abstract

RESUMOTrefilação é um processo de fabricação que consiste na redução da área de seção transversal de um material, quando este atravessa uma matriz cônica, chamada fieira. Devido às características inerentes ao processo, as deformações são heterogêneas ao longo da seção do material, originando tensões residuais, que podem contribuir com o aparecimento de distorções, propagação de trincas e consequentemente acarretar em redução da vida útil do produto final. Neste trabalho, foi analisada a influência da geometria da fieira no perfil de tensões residuais geradas em um caso típico de trefilação de fio máquina para obter-se barras retas de aço AISI 1045, com redução em área de seção transversal de aproximadamente 11% e diâmetro inicial de 21,46 mm. O objetivo foi encontrar um design de ferramenta que reduza a magnitude das tensões residuais em relação a um design industrial típico com ângulo de trefilação de 15º e único passe. Ensaios de compressão e do anel foram realizados para obter-se a curva de escoamento do material e o valor do coeficiente de atrito. Os modelos numéricos foram validados através da análise dos perfis das tensões residuais simuladas com as condições de equilíbrio impostas pelo problema, bem como com dados da literatura. Além disso, os valores das deformações principais e da pressão de contato (entre a barra e a fieira) simulados foram comparados com valores calculados. Inicialmente, foram simuladas condições com diferentes relações de região de calibração por diâmetro final, verificando-se que na faixa entre 0,4 a 0,6 ocorre uma diminuição nas tensões residuais axiais. Quando incluída uma região cônica dupla na fieira, foi encontrada uma grande redução nas tensões residuais axiais na superfície, de 65% em relação ao design industrial, mostrando ser esta uma solução promissora para a melhoria do projeto de fieiras de trefilação de fio máquina.Palavras-chave: trefilação, tensões residuais, simulação computacional. ABSTRACTWire drawing is a metalworking process used to reduce the cross-section of a wire by pulling the wire through drawing dies. The generated strains are non-homogeneous through the cross section of the material, leading to residual stresses that can contribute to the appearance of shape distortions, crack propagation and shortening of the product life time. In this work, the influence of the die geometry in the generated residual stresses on a typical case of wire rod drawing operation (production of straight AISI 1045 steel bars with 11% reduction from an initial diameter of 21,46 mm) was investigated. The objective was to obtain a new tool design able to reduce the residual stresses in relation to a typical design of the tools which includes the use of a drawing angle of 15º in one single pass. Compression and ring compression tests were performed in order to obtain the material stress-strain curve and the friction coefficient of the process, respectively. The developed numerical models were initially validated by analyzing simulated residual stress profiles regarding Autor Respon...

Influences of Different Die Bearing Geometries on the Wire-Drawing Process

“…The Variations in radial stress affect the mechanical properties, and subsequently, the quality of the drawn product, which might lead to disqualification. Such defects include shape distortion, crack propagation, inferior surface finish quality, and reduced dimensional accuracy [13][14][15][16][17]. For instance, it has been demonstrated in [18,19] that the radial stress due to specific die bearing contour geometry has a significant impact on the degree of residual stress.…”

“…Other studies by Nakagiri [8], Coser [17], and Godfrey [23] focused on the effects of the wire/die contact length to diameter ratio (L/Di). Here the length of L is defined as the sum of the frustum slant length at 2β die angle and the length of the bearing zone Hc indicated in Figure 1.…”

Os efeitos do processo de corte cisalhante em barras oriundas do processo de trefilação combinada

“…Obteve-se um valor médio por ponto medido e seu respectivo desvio padrão. Para objetos trefilados, a direção das tensões residuais de maior importância são as axiais [3,10], portanto, somente tensões axiais serão apresentadas. Os resultados obtidos em termos de tensões residuais foram agrupados segundo a seguinte classificação:…”

“…Isto pode ser atingido através da filosofia da "engenharia de distorção" [1] que visa entender o processo de fabricação como um todo, identificando possíveis portadores de potencial de distorção, atuando sobre eles e, consequentemente, reduzindo distorções durante todas as etapas do processo bem como no produto final [2,3]. Existem diversos potenciais de distorção identificados [4], mas, dentre eles, os mais estudados devido aos seus efeitos gerais no material são geometria, histórico mecânico, composição química, microestrutura e tensões residuais.…”

Co-Cr-Ni-Mo wires for medical applications : processing, mechanical, microstructure and fatigue characterization

“…Vega, et al [26] studied the influence of the process parameters on the copper wire drawing and noticed that an increase in effective strain makes the deformation more inhomogeneous over the cross-section, especially near the die wire interface, thus leading to severe wire damage. Coser, et al [245] investigated the influence of the residual stress distribution in steel rods by changing the bearing geometry and length through numerical analysis and concluded that differing the bearing length (BL) in the ratio of 0.4D to 0.6D (where D is the diameter of the wire drawn) produced less residual stress on the wire surface. The research was analogous to the work of Overstam [246] who altered between two bearing geometry namely circular and tapered and concluded that tapered profile bearing has a better effect in reducing the inhomogeneous deformation in the wire.…”