INFLUÊNCIA DA FORÇA NO PRENSA-CHAPAS NA CONFORMABILIDADE DO AÇO MULTIFÁSICO CPW800

Manolo Lutero Gipiela, manolo.gipiela@pr.senai.br1

Anselmo Fabris, anselmo.fabris@ifpr.edu.br2 Paulo Victor Prestes Marcondes, marcondes@ufpr.br3 1Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial do estado do Paraná, Faculdade de Tecnologia, Rua Senador Accioly

Filho, 298, CEP 81.310-000, Cidade Industrial, Curitiba, Pr - Brasil. 2Instituto Federal do Paraná, Rua Engenheiro Tourinho, 829, CEP83.607-140, Bairro Solene, Campo Largo, Pr - Brasil.

3Universidade Federal do Paraná, DEMEC, Av. Cel. Francisco H. dos Santos, 210 CEP 81531-990, Curitiba, Pr - Brasil.

Resumo: Para se produzir peças estampadas de qualidade com baixo custo e otimização do processo, se faz necessária

a compreensão da conformabilidade do material que se deseja estampar. Durante testes com ferramentas de

estampagem de geometrias distintas é preciso o ajuste dos parâmetros envolvidos na estampagem a fim de se otimizar

o processo. Tendo-se em mãos uma prévia avaliação da conformabilidade das chapas, consequentemente economiza-se

tempo e recursos financeiros em testes preliminares. Ensaios de estampagem se fazem necessários para se determinar a

CLC - Curva Limite de Conformação do material, a qual prevê a máxima deformação que o material sofre até o

instante em que ocorre sua ruptura. A CLC é uma ferramenta de grande importância na otimização do processo de

estampagem, pois proporciona segurança e garantia de qualidade nos produtos estampados. O objetivo deste trabalho

foi estudar a influência da força no prensa-chapas na conformabilidade do aço avançado de alta resistência CPW 800.

Ensaios de Nakazima foram realizados para avaliar a estampabilidade do aço empregando-se forças no prensa-chapas

distintas. Os ensaios permitiram concluir que a força no prensa-chapas tem influência direta na conformabilidade do

aço CPW800 de forma que a diminuição gradativa dessa força reduz a conformabilidade do material. Além disso, uma

análise gráfica realizada com base na taxa de deformação no flange e na força no prensa-chapas possibilitou definir

uma equação experimental da força no prensa-chapas, o que permitiu calcular a força necessária para obter o

travamento da chapa considerando escorregamento desprezível no flange.

Palavras-chave: estampagem, CLC, prensa-chapas, aço CPW800.

1. INTRODUÇÃO

No estudo da conformabilidade de aços são utilizadas Curvas Limites de Conformação (CLC) para determinar o

limite de falha nas peças fabricadas por processos de estampagem. Através do seu emprego é possível analisar as

deformações nas chapas metálicas, servindo de auxílio em investigações para melhoria dos processos de estampagem

(Lobão, 2003). A CLC serve para uma melhor compreensão da conformabilidade de chapas metálicas e é essencial para

a produção de estampados de qualidade. Planejadores de processo e projetistas de ferramentas devem determinar o nível

de conformabilidade requerido por cada peça a ser estampada para então conhecerem o nível de conformação do

material que utilizam (Lorentz e Gilapa, 1998). Segundo Sampaio et al (2003), a CLC é uma importante ferramenta para

o desenvolvimento e aplicação de produtos obtidos a partir de chapas metálicas.

O uso de aços avançados de alta resistência em carrocerias de automóveis tem aumentado nos últimos anos. Graças

às propriedades mecânicas favoráveis, a utilização dos aços avançados de alta resistência (AHSS – Advanced High

Strength Steels) se tornou bastante atrativa para as indústrias automotivas (Silveira e Schaeffer, 2011a; Silveira e

Schaeffer, 2011b). A alta resistência dos aços AHSS permite que produtos estampados de menores espessuras sejam

produzidos e, consequentemente, possibilitem redução do peso dos veículos, bem como melhora da segurança veicular

a partir da utilização de componentes fabricados em aços mais adequados para tal função (Hammer, 2007).

Dentre a gama de aços desenvolvida até a atualidade estão os aços de alta resistência (HSS – High Strength Steel),

aços de ultra-alta resistência (UHSS – Ultra High Strength Steel) tais como os aços de plasticidade induzida por

deformação (TRIP – Transformation Induced Plasticity), aços bifásicos (DP – Dual Phase) e os aços de fase complexa

(CP – Complex Phase) (Lamikiz et al., 2005).

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Embora exista grande utilização dos aços de alta resistência na indústria, pode-se afirmar que a aplicabilidade de

tais aços ainda é limitada devido aos desafios mecânicos e metalúrgicos que envolvem a estampabilidade de chapas

metálicas e vida do ferramental de estampagem (Chen e Koç, 2007).

Os aços AHSS são aços multifásicos que contém em sua microestrutura fases como ferrita, martensita, bainita, e/ou

austenita retida. Estas fases são formadas em função dos elementos de liga e do processamento utilizado na fabricação

destes aços (Andrade et al., 2000). Para Sakar (2008), dentro da variedade de aços AHSS, os aços multifásicos de fase

complexa ou aços CP são um tipo único de aço bainítico de baixo carbono e seus elementos de liga desempenham um

papel importante na determinação da microestrutura, contribuindo para a resistência final do produto. Os elementos de

liga nos aços CP exercem um forte efeito de retardamento sobre a austenita para transformação ferrítica levando à

formação de bainita e martensita. Quando comparados com aços bifásicos, os aços CP apresentam um alto limite de

resistência e alto limite de escoamento em torno de 800 MPa ou, às vezes, até mesmo superior (Lombardo, 2011). A

composição química, bem como as propriedades mecânicas do aço CPW800 estão informadas nas Tab. 1 e Tab. 2,

respectivamente.

Tabela 1. Composição segundo o fabricante (Thyssenkrupp Steel, 2008).

Aço C

max Mn max

Si max

P max Cr+Mo

max S max

Nb+Ti max

Al max

V max

B max

CPW 800 0,12 2,20 0,80 0,040 1,00 0,015 0,15 1,20 0,20 0,005

Tabela 2. Propriedades mecânicas de chapas não revestidas de aços de fase complexa (Thyssenkrupp Steel, 2008).

Tipo de aço

Lim. esc. min (MPa)

Lim. esc. max (MPa)

Lim. rup. min (MPa)

Lim. rup. max (MPa)

Along. min A5%

Along. min A80%

CPW 800

680 830 800 980 - 10

O objetivo do presente trabalho foi avaliar a conformabilidade de chapas de aço multifásico CPW800 de 1,6 mm de

espessura laminadas à quente utilizando ferramental de Nakazima de dimensões reduzidas e empregando-se três

intensidades de força no prensa-chapas sem a utilização de drawbead para travamento da chapa durante a estampagem.

O emprego de três intensidades de força no prensa-chapas foi definido com o propósito de obter a CLC do material sob

diferentes condições de deslizamento da chapa para o interior da matriz. Além disso, a taxa de deslizamento no flange

da chapa e as forças aplicadas no prensa-chapas foram avaliadas propositando estimar uma condição onde o material

não apresenta deslizamento no processo de estampagem do aço aqui estudado.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

A conformabilidade do aço CPW800 foi avaliada a partir de ensaios de Nakazima conduzidos em prensa hidráulica

utilizando um ferramental de dimensões reduzidas, conforme ilustra a Fig. 1.

Figura 1. Ferramental desenvolvido para execução dos ensaios Nakazima: (a) desenho esquemático e (b) como fabricado.

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Nos ensaios considerou-se a aplicação de forças distintas no prensa-chapas visando obter condições de maior e

menor travamento da chapa (menor deslizamento da chapa para o interior da matriz). A condição de maior travamento

possível foi imposta pela aplicação de força na ordem de 1002 kN, a qual foi desenvolvida a partir da pressão máxima

possível na prensa (200 Bar). Sequencialmente, aplicou-se a força intermediária de 401 kN, desenvolvida a partir da

pressão de 80 Bar no prensa-chapas. Por fim, aplicou-se a força de 300,6 kN, desenvolvida a partir de 60 Bar de pressão

no prensa-chapas. Os valores de pressão no prensa-chapas fixados para condução dos ensaios de Nakazima foram

definidos a partir de testes preliminares considerando faixas de pressão similares às empregadas em trabalho anterior

conduzido por Chemin (2011).

Ao contrário de pesquisas recentes realizadas por Chemin (2011) e Tigrinho (2011) onde foram empregadas

geometrias de corpos de prova recomendadas por Nakazima, neste trabalho foram empregadas geometrias e dimensões

de corpos de prova reduzidas. Os corpos de prova utilizados nos ensaios de conformabilidade deste trabalho possuíam

apenas duas geometrias diferentes, segundo a Fig. 2. A intenção neste caso foi propor geometrias de corpos de prova

que permitissem realizar os ensaios para levantamento da CLC do aço CPW800 com menor quantidade de material e

assegurando a confiabilidade dos ensaios.

Figura 2. Corpos de prova dimensionados para os ensaios de Nakazima.

Para medição das deformações desenvolvidas nas chapas, cada corpo de prova foi submetido a um processo de

impressão de malhas visioplásticas circulares. Seguindo a recomendação de Netto (2004), realizou-se a impressão de

malhas circulares de diâmetro de 5,0 mm empregando-se processo eletroquímico. A quantidade de corpos de prova

definido para realização dos ensaios é informada na Tab. 3 abaixo.

Tabela 3. Quantidade de corpos de prova necessários para os ensaios de Nakazima empregando diferentes forças no prensa-chapas.

Dimensões (mm) Quantidade Força no

prensa-chapas (kN) 50 x 137 4

1002 R 65 4

50 x 137 4 401

R65 4

50 x 137 4 300,6

R65 4

Realizados os ensaios de Nakazima com as três intensidades de forças no prensa-chapas, executou-se as medições

dos eixos maiores e menores das elipses formadas na malha impressa nos corpos de prova. Inicialmente foram

selecionadas elipses (Fig. 3) e todas as medições foram realizadas com um paquímetro digital. Efetuadas as medições

para obter os valores das deformações de engenharia representados pelos eixos das elipses, calculou-se as deformações

verdadeiras necessárias para traçar as CLC`s obtidas nas três condições de travamento pelo prensa chapas.

Figura 3. Elipses selecionadas para medição das deformações para levantamento da CLC.

12 mm

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Os diâmetros após a estampagem dos corpos de prova de raio de 65 mm, bem como os comprimentos após a

estampagem dos corpos de prova de 137 x 50 mm, foram utilizados para calcular a intensidade do escorregamento das

chapas na região do flange em contato com o prensa-chapas. Para calcular as taxas de deformação ou escorregamento

no flange de cada corpo de prova, considerou-se o tempo de estampagem em cada condição de travamento. O tempo de

estampagem foi monitorado com o auxilio de um CLP – Controlador Lógico Programável instalado na prensa

hidráulica para tal finalidade.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A Fig 4 mostra as CLC`s obtidas considerando as diferentes intensidades de força impostas pelo prensa-chapas.

Figura 4. Curva Limite de Conformação para as cargas no prensa-chapas de 1002, 401 e 300,6 kN.

Nota-se que a CLC obtida com força de prensa-chapas de 1002 kN apresentou um comportamento típico tanto na

região de embutimento (região esquerdado ao eixo de deformação plana) quanto na região de estiramento (região à

direita do eixo). No caso das CLC`s obtidas com 401 kN e 300,6 kN no prensa-chapas, estas apresentaram

deslocamento vertical na região de estiramento abaixo da CLC obtida com 1002 kN. Esse comportamento das CLC`s

obtidas com 401 kN e 300,6 kN no prensa-chapas caracteriza claramente uma queda na conformabilidade do material

na região de estiramento. Em outra palavras, pode-se dizer que o aço CPW800 atingiu um menor nível de deformação

até a sua ruptura no ensaio de Nakazima com as menores forças impostas no prensa-chapas.

Apesar da rigidez da fixação dos corpos de prova pela força de prensa-chapas de 1002 kN, durante os ensaios

observou-se um escorregamento mínimo das chapas para o interior da matriz. Esse escorregamento, em média para

amostras ensaiadas com mesma força de prensa-chapas, foi de 0,45 mm para nos corpos de prova circulares de raio de

65 mm. Na segunda condição de travamento (401 kN) observou-se um escorregamento mais intenso no flange, sendo o

escorregamento médio na ordem de 1,83 mm na região do flange durante a estampagem.

A terceira condição de travamento do prensa-chapas (300,6 kN) foi a que mostrou a maior liberdade de

escorregamento durante a estampagem. O escorregamento médio no flange para esta condição foi de 2,18 mm. Embora

inicialmente a CLC do aço CPW800 obtida com a menor força no prensa-chapas mostre uma condição de menor

conformabilidade do material, algumas considerações ainda podem ser feitas. Observando-se as CLC`s a partir da

intersecção entre as curvas obtidas a 401 kN e 300,6 kN na Fig.4, é fácil notar um comportamento parecido nas

referidas curvas. Na região de início da CLC em vermelho (300,6 kN), pode-se afirmar que o comportamento da CLC é

devido a uma condição de escorregamento e, logo após a região de início da curva, ocorre um sensível travamento da

chapa sobre o raio do ombro da matriz (raio R10 – Fig. 1), caracterizando a curva com deformações mais intensas após

o aumento do travamento. Tal comportamento pode ser explicado da seguinte maneira: durante o deslocamento

contínuo realizado pelo punção, o raio de dobramento da chapa sobre o ombro da matriz se reduz drasticamente,

permitindo uma condição que tende a restringir o escorregamento da chapa ao ponto do material ganhar certa

conformabilidade, se comparado com a região inicial da CLC. Em outras palavras, a restrição possibilitou que o

estiramento do material ocorresse de forma mais intensa a partir do momento em que a deformação o deslizamento da

chapa sobre o raio da matriz se tornou mais dificultado.

Embora seja bastante nítida a diferença entre as parcelas iniciais das CLC`s obtidas com as três forças aplicadas no

prensa-chapas, fica claro que a diminuição do raio de dobramento no ombro da matriz foi intensa quando aplicada a

força de 300,6 kN imposta no prensa-chapas. Isso colaborou para que o escorregamento nos corpos de prova ensaiados

sob essa força no prensa-chapas fosse pouco maior (2,18 mm) que o escorregamento (1,83 mm) observado em ensaios

conduzidos com força de 401 kN no prensa-chapas.

Uma análise mais detalhada quanto ao efeito da força no prensa-chapas na conformabilidade do aço CPW800

estampado nos ensaios de Nakazima com base na Fig. 5. Na Fig. 5, é relacionada a velocidade de escorregamento no

flange durante a estampagem em função da força aplicada no prensa-chapas. Ainda na Fig. 5 é mostrada uma equação

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experimental obtida a partir de uma linha de tendência plotada em escala logarítmica. Essa equação experimental

permite calcular a força no prensa-chapas (FPC) a partir de diferentes velocidades de escorregamento da chapa na

região em contato com o prensa-chapas (flange).

A velocidade de escorregamento da chapa no flange (V2) que, segundo Kim et al. (2011) pode ser interpretada

como a taxa de deformação nesta região, foi determinada pela divisão do deslocamento (∆df) pelo tempo de

estampagem (te). A divisão do deslocamento do punção (profundidade média de estampagem de 24 mm) pelo tempo

médio de estampagem permite ainda a determinação da velocidade de embutimento (V1), correspondente a 3,99 mm/s

nestes ensaios. Com estes dados foi plotada a curva que mostra a variação da velocidade de escoamento no flange (V2)

em função da FPC, como mostra a Fig. 5.

Figura 5. Variação da velocidade de escorregamento no flange em função da força no prensa-chapas.

A partir da Fig. 5, a equação da força no prensa-chapas renomeada fica:

47,223)ln(.50,4952

−−= VFPC (1)

Na Tab. 4 são informados os dados utilizados na plotagem da curva da Fig. 5.

Tabela 4. Tempo de estampagem, deslocamento da chapa e velocidade de escoamento da chapa no flange para diferentes forças aplicadas no prensa-chapas.

Força aplicada no

prensa-chapas FPC (kN)

Tempo de estampagem

te (s)

Deslocamento do material ∆df (mm)

Velocidade de escorregamento

no flange V2 (mm/s)

1002 5,35 0,45 0,084

401 6,2 1,83 0,295

300,6 6,5 2,18 0,335

A Fig. 5 mostra que o travamento da chapa na região do flange tende a aumentar á medida que a força aplicada no

prensa-chapas é elevada, mas não permite definir a força máxima de prensa-chapas necessária pera se obter total

travamento da chapa. Nesse sentido, empregando-se a equação 1, dois outros valores de força no prensa-chapas foram

calculados. Para uma condição de restrição total da chapa no flange, a taxa de deformação V2 foi considerada igual ou

muito próxima de zero e, para tal condição, a força no prensa-chapas calculada com a equação 1 foi de 3199,32 kN. A

segunda condição de força no prensa-chapas foi calculada considerando-se o valor da taxa de deformação máxima do

material através da equação 2 proposta por WAGONER et al. (2011).

)/1ln(.)(3

)/(1

max

.

rdtmmt

smmV+=ε (2)

Para a velocidade V1 = 3,99 mm/s, espessura da chapa (t) de 1,6 mm e raio do ombro da matriz (rd) de 10 mm,

encontrou-se uma taxa máxima de deformação Ԑmax de 0,123 s-1

que, aplicada na equação da curva de tendência

apresentada na Fig. 5, equivale a um valor de força no prensa-chapas de 814,90 kN. Desta forma, acrescentados os

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valores das taxas de deformação para as FPC`s de 814,90 kN e 3199,32 kN, foi obtida uma nova curva da variação da

velocidade de escorregamento no flange (V2) em função da força no prensa-chapas. Esta curva é ilustrada na Fig. 6.

Figura 6. Variação da taxa de deformação no flange em função da força no prensa-chapas, considerando as cargas de 3199,32 kN e 814,90 kN.

A Fig. 6 mostra que a FPC de 814,90 kN encontra-se em uma região crítica, onde acima da qual tem-se uma

pequena variação na taxa de deformação da chapa no flange para um grande aumento da carga no prensa-chapas. Por

outro lado, abaixo do ponto correspondente a FPC de 814,90 kN tem-se um grande aumento na taxa de deformação no

flange para pequenas reduções na FPC até 300,6 kN.

A FPC de 3199,32 kN corresponde a carga calculada onde ocorreria o travamento total da chapa pelo

prensa-chapas. Essa é a máxima FPC a ser aplicada em ensaios de Nakazima com o aço CPW800 de espessura de

1,6 mm empregando o ferramental de dimensões reduzidas utilizado neste trabalho. Embora seja necessária uma FPC

relativamente elevada para obter o travamento total ou quase total do flange das chapas, o presente trabalho mostra que

acima da região crítica da FPC é possível realizar ensaios com menores taxas de deformação no flange, ou seja, com

menores escorregamentos das chapas, permitindo avaliar de forma confiável a conformabilidade do aço CPW800 em

condições de embutimento e estiramento.

4. CONCLUSÕES

A força aplicada no prensa-chapas é uma variável importante nos processos de conformação de chapas. A definição

adequada da intensidade de força no prensa-chapas é fundamental para que materiais metálicos apresentem

conformabilidade suficiente para atender as mais diversificadas aplicações de produtos a partir de chapas estampadas.

Neste estudo, a influência da força no prensa-chapas foi avaliada na estampagem do aço multifásico CPW800 a partir

de ensaios de Nakazima e as conclusões obtidas dos resultados são as seguintes:

• A força no prensa-chapas tem influência direta na conformabilidade do material estudado. A diminuição

gradativa da força no prensa-chapas reduz o grau de conformabilidade do material na região de estiramento.

• Embora as CLC`s plotadas a partir de ensaios realizados com força no prensa-chapas de 401 kN e de 300,6 kN

tenham mostrado um comportamento parecido em certo trecho das curvas, fica claro que o material estudado

tende ter sua conformabilidade aumentada à medida que a força no prensa-chapas se eleva até 1002 kN.

• A equação experimental da FPC não apenas proporciona um conhecimento mais preciso do potencial de

estampagem do aço CPW800, mas, torna possível prever o efeito da força no prensa-chapas sobre o material,

podendo-se, desta forma, definir em que condições pode ser obtido ganho ou perda na conformabilidade do

aço estudado.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Thyssenkrupp Steel pelo fornecimento do aço CPW800.

6. REFERÊNCIAS

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7. RESPONSABILIDADE AUTORAL

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo deste trabalho.

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STUDY OF CPW800 STEEL FORMABILITY UNDER DIFFERENT BLANK HOLDER FORCES

Manolo Lutero Gipiela, manolo.gipiela@pr.senai.br1

Anselmo Fabris, anselmo.fabris@ifpr.edu.br2 Paulo Victor Prestes Marcondes, marcondes@ufpr.br3 1Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial do estado do Paraná, Faculdade de Tecnologia, Rua Senador Accioly

Filho, 298, CEP 81.310-000, Cidade Industrial, Curitiba, Pr - Brasil. 2Instituto Federal do Paraná, Rua Engenheiro Tourinho, 829, CEP83.607-140, Bairro Solene, Campo Largo, Pr - Brasil.

3Universidade Federal do Paraná, DEMEC, Av. Cel. Francisco H. dos Santos, 210 CEP 81531-990, Curitiba, Pr - Brasil.

Abstract: In order to produce stampings of quality with low cost and process optimization, the understanding of the

material formability is required. During tests with different geometries tools the parameters adjusting involved in

stamping in order to optimize the process is necessary. Having in hand a prior assessment of the sheet metal

formability is possible to save time and financial resources in preliminary tests. Stamping tests are needed to determine

the FLC (Forming Limit Curve) of the material which provides the maximum strain that the material suffers until the

moment that it's rupture occurs. The FLC is a very important tool in optimizing the stamping process, it can provides

safety and quality assurance in the formed product. The aim of this work was to study the influence of the blank holder

force in the steel formability of advanced high strength CPW800 steel. Nakazima tests to evaluate the formability of

the steel employing different levels of blank holder force were conducted. The tests showed that the strength used for

the blank holder shows direct influence on the CPW800 formability so gradual decrease of this force reduces the

formability of the material. In addition, a graphical analysis based on the deformation rate on the flange and in the

blank holder force enabled to define an experimental equation for the the blank holder force, which allowed us to

calculate the force required to obtain the locking of the sheet considering a negligible slip of the flange.

Palavras-chave: stamping, FLC, blank holder, CPW800.