Avaliação numérica da predição de forças no processo de estampagem incremental de ponto único

Orientador : Prof. Dr. Paulo Victor Prestes MarcondesDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 25/05/2017Inclui referências : fls. 106-111Resumo: Dentre diversos processos de conformação de chapas aplicados a indústria metal mecânica, a estampagem incremental de chapas tem um grande potencial em aplicações industriais devido à sua simplicidade. Com interesse por esse processo, estudos científicos e aplicações práticas tem crescido constantemente nos últimos anos. Desta forma, estudando este tipo de processo de fabricação, neste trabalho avaliou-se a precisão da simulação computacional no processo de estampagem incremental de ponto único a fim de determinar os esforços requeridos aplicado ao conjunto máquina-ferramental e produto, com aplicação experimental de diferentes parâmetros de processos. Os ensaios experimentais foram realizados com um centro de usinagem CNC de três eixo, ferramentais e um dinamômetro Kistler modelo 9139 AA para obtenção dos dados de força. Neste estudo aplicaram-se parâmetros ao processo, analisando a mudança do ângulo de parede e o passo vertical na direção Z, aplicado em conjunto com outros parâmetros fixos para a conformação de peças em aço no formato de cone truncado. Partindo de uma metodologia experimental, foram retirados os dados de força normais na direção Z e forças cisalhantes na direção X e Y e posteriormente tratados para se comparar e avaliar a predição das forças com os resultados obtidos na modelagem por elementos finitos via "software" Abaqus®. Na simulação foram adotadas as propriedades mecânicas, leis constitutivas, critério de escoamento e um modelo de endurecimento isotrópico para alimentação dos dados do material ao modelo numérico. Para o modelo numérico foi utilizada modelagem explicita com o elemento tipo casca (S4R) com integração reduzida e refino definido em estudo. Os resultados mostraram que os comportamentos do material devido aos diferentes parâmetros do processo avaliado foram previstos pelo modelo numérico na análise das forças pico (Fz_p), forças normais médias (Fz_m) e forças cisalhantes médias (Fxy_m). Tanto os dados experimentais quanto numéricos mostraram que o aumento do ângulo de parede e do passo vertical na direção Z, contribuiram para o aumento da força de deformação necessária para se moldar a peça. Conforme estudos os erros entre o experimento e o simulado estão de acordo com as referências estudadas. . Palavras-chave: Estampagem Incremental de Ponto Único (SPIF). Predição de Forças. Análise por Elemento Finito.Abstract: Among several sheet metal forming processes applied to the mechanical industry, the incremental sheet forming has immense potential in industrial applications due to its simplicity. With interest in this process, scientific studies and practical applications have grown steadily in recent years. In this work, it analyzed the computational simulation in the single-point incremental forming process to determine the necessary efforts to the machine, tools and products, with experimental application of different parameters of processes. The experimental tests were performed with a three axis CNC machining center, tooling and a dynamometer Kistler model 9139 AA to obtain force data. In this study were applied to the process, analyzing the change of the vertical angle and the vertical pitch in the direction Z, applied in conjunction with other fixed parameters for the conformation of steel pieces in truncated cone shape. From an experimental methodology, the normal force data in the Z direction and shear forces in the X and Y direction were extracted and later treated to compare and evaluate the force prediction with the obtained results in finite element modeling using software Abaqus®. In the simulation, the mechanical properties, constitutive laws, flow criterion and an isotropic hardening model were adopted to feed the material data to the numerical model. For the numerical model, explicit modeling with the shell element (S4R) with reduced integration and refining defined in the study was used. (Fz_m), average normal forces (Fz_m) and average shear forces (Fxy_m). The results showed that the behavior of the different parameters of the evaluated process was predicted by the numerical model in the analysis of the peak forces. Both the experimental and numerical data showed the increase of the vertical angle and the vertical pitch in the Z direction contributed to the increase of the force deformation required to mold the part. According to studies the errors between the experiment and the simulation are in agreement with the studied references. Keywords: Single Point Incremental Forming (SPIF). Prediction forces. Finite Element Analysis

Estudo experimental para predição de falha em tempo real em estampagem incremental multipasses

Orientador: Prof. Dr. Paulo Victor Prestes MarcondesCoorientador: Prof. Dr. Pablo Deivid ValleTese (Doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 14/03/2022Inclui referências: p. 157-167Resumo: O processo de estampagem incremental multipasse, é um processo complexo, que exigem conhecimento dos parâmetros de processos e experiência para criação de peças livre de fraturas ou trincas. Em geral, a predição de falha neste processo se restringe a aplicações em simulação computacional por elementos finito, sendo assim, nesta tese foi apresentado uma proposta para predição de falha em tempo real em estampagem incremental multipasses a partir das análises de deformação passe a passe. Para isso, experimentos iniciais de análise de falha em estampagem incremental de ponto único e simulação computacional foram aplicadas para o aço BH180 GI nas espessuras de 0,43 mm e 0,8 mm. Os estudos se iniciaram em estampagem incremental de ponto único em peças tipo cone truncado nos ângulos de 30 graus a 90 graus para validação dos parâmetros de processo e obtenção dos dados de deformação, espessura de parede e altura de estampagem. A partir dos dados de deformação em diversos ângulos de estampagem foram obtidos a reta limite de deformação para as diferentes espessuras do material, que foram a base para prevenir e predizer a possível falha em incremental multipasse. Para as simulações computacionais foram adotados as propriedades mecânicas, leis constitutivas, critério de escoamento, modelo de endurecimento isotrópico com base no ensaio cíclico do material e um mecanismo de dano dúctil com base na energia de fratura do material para predição da falha. Esses dados foram alimentados ao modelo numérico utilizando uma abordagem por integração explicita, com elemento tipo casca (S4R) com integração reduzida e refino definido em estudo. As simulações em estampagem incremental de ponto único conseguiram predizer com qualidade as falhas nas alturas de estampagem realizadas além de validar o modelo computacional. Para os experimentos em estampagem incremental multipasses, foram realizados passes de 30 graus até 90 graus com saltos a cada 10 graus totalizando 7 passes em diferentes alturas de estampagem. A partir do ângulo de 60 graus foram realizadas medições de deformação passe a passe a comparadas com reta limite de conformação para cada espessura de material. Quando as deformações fossem semelhantes ou ultrapassem a reta limite de conformação do material, correções de geometria e caminho eram impostas para minimizar as deformações locais e garantir a integridade do produto livre de falha. Os resultados mostraram que a metodologia aplicada e as correções impostas preveniram a falha e garantiram maior conformabilidade do material levando a espessuras mínimas de 0,098 mm na de parede do material, além de indicar a presença de um patamar máximo de área de superfície deformada do material, o que indicou um limite para o qual é possível realizar a distribuição da deformação no material em diferentes alturas de estampagem e raios de curvatura da peça. As simulações em estampagem incremental multipasse se apresentaram eficientes e conseguiram demonstrar o impacto do uso ou não de correções na geometria e caminho impostas por essa metodologia.Abstract: The multi-step incremental forming is a complex process that requires knowledge of process parameters and expertise to create parts fracture-free or crackfree. In general, the failure prediction in this process is restricted to applications in finite element computer simulations, therefore, in this thesis, a proposal for real-time failure prediction in multi-step incremental forming based on step-by-step strain analysis was presented. For this, initial experiments of failure analysis in single point incremental forming and computer simulation were applied to BH180 GI steel in thicknesses of 0.43 mm and 0.8 mm. The studies started with single point incremental forming on truncated cone-type parts at angles from 30 degrees to 90 degrees to validate process parameters and obtain strain data, wall thickness and forming height. From the strain data at different angles, the forming limit line was obtained for the different thicknesses of the material, which was used as a basis for preventing and predicting the possible failures in multi-step incremental forming. For the computer simulations, mechanical properties, constitutive laws, yield criterion, isotropic hardening model based on the cyclic test of the material and a ductile damage mechanism based on the fracture energy of the material were adopted to predict failure. These data were fed to the numerical model using an explicit integration approach, with a shell element (S4R) with reduced integration and refinement defined in the study. The simulations in single point incremental forming were able to predict with quality the failures in the forming heights performed in addition to validating the computational model. For the multi-step incremental forming experiments, steps were performed from 30 degrees to 90 degrees with jumps every 10 degrees, totaling 7 steps at different forming heights. From the angle of 60 degrees, strain measurements were performed step by step and compared with the forming limit line for each material thickness. When strains were similar or exceeded the forming limit line of material, geometry and trajectory corrections were imposed to minimize strains and ensure flawless product integrity. The results showed that the methodology applied and the corrections imposed avoided failure and ensured greater formability of the material, leading to minimum thicknesses of 0.098 mm on the material wall, in addition to indicating the presence of a maximum level of deformed surface area of the material, which indicated a limit for which it is possible to carry out the strain distribution in the material at different forming heights and radius of curvature of the part. The simulations in multi-step incremental forming were efficient and were able to demonstrate the impact of the use or not of corrections in the geometry and trajectory imposed by this methodology

Estudo experimental para predição de falha em tempo real em estampagem incremental multipasses

Orientador: Prof. Dr. Paulo Victor Prestes MarcondesCoorientador: Prof. Dr. Pablo Deivid ValleTese (Doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 14/03/2022Inclui referências: p. 157-167Resumo: O processo de estampagem incremental multipasse, é um processo complexo, que exigem conhecimento dos parâmetros de processos e experiência para criação de peças livre de fraturas ou trincas. Em geral, a predição de falha neste processo se restringe a aplicações em simulação computacional por elementos finito, sendo assim, nesta tese foi apresentado uma proposta para predição de falha em tempo real em estampagem incremental multipasses a partir das análises de deformação passe a passe. Para isso, experimentos iniciais de análise de falha em estampagem incremental de ponto único e simulação computacional foram aplicadas para o aço BH180 GI nas espessuras de 0,43 mm e 0,8 mm. Os estudos se iniciaram em estampagem incremental de ponto único em peças tipo cone truncado nos ângulos de 30 graus a 90 graus para validação dos parâmetros de processo e obtenção dos dados de deformação, espessura de parede e altura de estampagem. A partir dos dados de deformação em diversos ângulos de estampagem foram obtidos a reta limite de deformação para as diferentes espessuras do material, que foram a base para prevenir e predizer a possível falha em incremental multipasse. Para as simulações computacionais foram adotados as propriedades mecânicas, leis constitutivas, critério de escoamento, modelo de endurecimento isotrópico com base no ensaio cíclico do material e um mecanismo de dano dúctil com base na energia de fratura do material para predição da falha. Esses dados foram alimentados ao modelo numérico utilizando uma abordagem por integração explicita, com elemento tipo casca (S4R) com integração reduzida e refino definido em estudo. As simulações em estampagem incremental de ponto único conseguiram predizer com qualidade as falhas nas alturas de estampagem realizadas além de validar o modelo computacional. Para os experimentos em estampagem incremental multipasses, foram realizados passes de 30 graus até 90 graus com saltos a cada 10 graus totalizando 7 passes em diferentes alturas de estampagem. A partir do ângulo de 60 graus foram realizadas medições de deformação passe a passe a comparadas com reta limite de conformação para cada espessura de material. Quando as deformações fossem semelhantes ou ultrapassem a reta limite de conformação do material, correções de geometria e caminho eram impostas para minimizar as deformações locais e garantir a integridade do produto livre de falha. Os resultados mostraram que a metodologia aplicada e as correções impostas preveniram a falha e garantiram maior conformabilidade do material levando a espessuras mínimas de 0,098 mm na de parede do material, além de indicar a presença de um patamar máximo de área de superfície deformada do material, o que indicou um limite para o qual é possível realizar a distribuição da deformação no material em diferentes alturas de estampagem e raios de curvatura da peça. As simulações em estampagem incremental multipasse se apresentaram eficientes e conseguiram demonstrar o impacto do uso ou não de correções na geometria e caminho impostas por essa metodologia.Abstract: The multi-step incremental forming is a complex process that requires knowledge of process parameters and expertise to create parts fracture-free or crackfree. In general, the failure prediction in this process is restricted to applications in finite element computer simulations, therefore, in this thesis, a proposal for real-time failure prediction in multi-step incremental forming based on step-by-step strain analysis was presented. For this, initial experiments of failure analysis in single point incremental forming and computer simulation were applied to BH180 GI steel in thicknesses of 0.43 mm and 0.8 mm. The studies started with single point incremental forming on truncated cone-type parts at angles from 30 degrees to 90 degrees to validate process parameters and obtain strain data, wall thickness and forming height. From the strain data at different angles, the forming limit line was obtained for the different thicknesses of the material, which was used as a basis for preventing and predicting the possible failures in multi-step incremental forming. For the computer simulations, mechanical properties, constitutive laws, yield criterion, isotropic hardening model based on the cyclic test of the material and a ductile damage mechanism based on the fracture energy of the material were adopted to predict failure. These data were fed to the numerical model using an explicit integration approach, with a shell element (S4R) with reduced integration and refinement defined in the study. The simulations in single point incremental forming were able to predict with quality the failures in the forming heights performed in addition to validating the computational model. For the multi-step incremental forming experiments, steps were performed from 30 degrees to 90 degrees with jumps every 10 degrees, totaling 7 steps at different forming heights. From the angle of 60 degrees, strain measurements were performed step by step and compared with the forming limit line for each material thickness. When strains were similar or exceeded the forming limit line of material, geometry and trajectory corrections were imposed to minimize strains and ensure flawless product integrity. The results showed that the methodology applied and the corrections imposed avoided failure and ensured greater formability of the material, leading to minimum thicknesses of 0.098 mm on the material wall, in addition to indicating the presence of a maximum level of deformed surface area of the material, which indicated a limit for which it is possible to carry out the strain distribution in the material at different forming heights and radius of curvature of the part. The simulations in multi-step incremental forming were efficient and were able to demonstrate the impact of the use or not of corrections in the geometry and trajectory imposed by this methodology