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

Abstract

Trefilação 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 con-tribuir 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 obje-tivo 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 deforma-ções 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 di-âmetro 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.

Wire 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 the equilibrium conditions for the problem, as well as by comparison with literature data. Furthermore, the principal strains and the contact pressure (between the bar and the die) values obtained from the simulation were compared with calculated ones. Initially, simulations were carried out for different bearing lengths and it was found that for relations of bearing length to diameter of the drawn bar between 0.4 and 0.6, a reduction in the axial residual stresses can be achieved. A large reduction in the axial residual stresses at the surface of 65% in relation to the typical industrial design was found in the case of the design with a double conical re-gion, showing to be a promising solution for die design improvement.