Avaliação experimental, analítica e numérica no dobramento em V livre dos aços HSLA S700MC, AHSS S900MC e SAE 1010

Abstract

Para muitas peças que utilizam o aço de Alta Resistência e Baixa Liga S700MC e o aço Avançado de Alta Resistência S900MC e produzidas através do processo de dobramento em V livre, se tem como desafio a previsibilidade de alguns parâmetros deste processo. Os cálculos analíticos têm sido atualmente ainda muito empregados, por seu baixo custo e rapidez na otimização de projetos de manufatura. Este trabalho tem como objetivo, avaliar equações matemáticas para o cálculo de três parâmetros do processo de dobramento em V livre, a Deformação Verdadeira na região externa de dobra e na direção do alongamento das fibras da chapa, a Força de Dobramento e o Fator de Retorno Elástico para os aços de alta resistência S700MC e S900MC, bem como para o aço convencional SAE1010, através da medição dos resultados obtidos por meio de análise experimental e considerados neste estudo como referência para serem comparados com os resultados determinados através de métodos analíticos de cálculo e da simulação numérica computacional de natureza teórica e empírica. Para os três materiais avaliados, utilizou-se 36 corpos de prova com chapas de 3mm de espessura, considerando-se as orientações de 0°, 45° e 90° em relação a direção de laminação da chapa. Empregou-se 4 configurações geométricas diferentes, variando-se simultaneamente para cada uma delas, o raio do punção, a distância entre suportes da matriz e o deslocamento do punção. A previsibilidade através do método analítico para a Deformação Verdadeira nas fibras externas da zona de dobra, em relação aos obtidos pela análise experimental, variou de - 3,7% a -27,0% para o aço S700MC, de -11,8% a -24,7% para o aço S900MC e de 8,3% a - 29,8% para o aço SAE 1010. No entanto, utilizando as duas equações identificadas na revisão bibliográfica realizada para o cálculo deste parâmetro, para esses três aços, apesar de terem propriedades mecânicas distintas, os valores determinados através do método analítico são idênticos. Enquanto, a previsibilidade da Força de Dobramento através do método analítico e utilizando quatro equações identificadas na revisão bibliográfica, variou de -10,0% a -74,2% para o S700MC, -34,9% a -78,4% para o aço S900MC e -19,0% a -84,1% para o aço SAE1010. Para o Fator Retorno Elástico a previsão através do método analítico variou de 1,2% a 6,5% para o aço S700MC, 0,5% a 3,5% para o aço S900MC e 0,4% a 2,3% para o aço SAE1010. Já os resultados através da simulação computacional para Deformação Verdadeira, Força de Dobramento e Fator de Retorno Elástico para os aços S700MC e S900MC apresentaram percentuais abaixo de 10% em relação aos resultados experimentais. Enquanto para o aço SAE1010 os resultados para Deformação Verdadeira variaram de -9,3% a -15,3%, para a Força de Dobramento variam de -10,8% a 25,5% e para o Fator de Retorno Elástico variaram de 0,1% a 5,2%. Os resultados evidenciam limitações das equações analíticas, especialmente para a previsão da Deformação Verdadeira e da Força de Dobramento, enquanto a simulação numérica, com exceção para o aço SAE 1010, apresentou maior proximidade com os resultados experimentais nas condições analisadas.

For many parts that use the High Strength and Low Alloy steel S700MC and the Advanced High Strength Steel S900MC and produced through the air bending process, the predictability of some parameters of this process is a challenge. Analytical calculations are currently still widely used, due to their low cost and speed in optimizing manufacturing projects. This work aims to evaluate mathematical equations for calculating three air bending parameters, True Strain at the outer bend region and in the direction of sheet fiber elongation, Bending Force and the Springback Factor, for S700MC and S900MC high strength steels, as well as for conventional SAE1010 steel. Results obtained through experimental analysis serve as the reference for comparison against values determined through analytical calculation methods and computational numerical simulation of a theoretical and empirical nature. For the three materials evaluated, 36 specimens made from 3 mm thick sheets were used, considering orientations of 0°, 45°, and 90° relative to the sheet's rolling direction. Four different geometric configurations were employed, with the punch radius, die support span, and punch displacement varied simultaneously for each. The predictability of the analytical method regarding True Strain in the outer fibers of the bend zone compared to experimental results ranged from -3.7% to -27.0% for S700MC steel, from -11.8% to -24.7% for S900MC steel, and from 8.3% to - 29.8% for SAE 1010 steel. However, when using the two equations identified in the literature review to calculate this parameter for these three steels, despite their differing mechanical properties, the values determined through the analytical method were identical. Meanwhile, the predictability of the Bending Force using the analytical method and four equations identified in the literature review, ranged from -10.0% to -74.2% for S700MC, -34.9% to -78.4% for S900MC, and -19.0% to -84.1% for SAE1010. Regarding the Springback Factor, predictions through the analytical method ranged from 1.2% to 6.5% for S700MC, 0.5% to 3.5% for S900MC, and 0.4% to 2.3% for SAE1010. As for the results obtained via computer simulation, the values for True Strain, Bending Force, and Springback Factor for S700MC and S900MC steels showed a deviation of less than 10% relative to the experimental results. While for SAE 1010 steel the results for True Strain ranged from -9.3% to -15.3%, those for Bending Force ranged from -10.8% to 25.5%, and those for the Springback Factor ranged from 0.1% to 5.2%. The results highlight limitations in the analytical equations, particularly regarding the prediction of True Strain and Bending Force, whereas numerical simulation with the exception of SAE 1010 steel, showed closer agreement with experimental results under the conditions analyzed.