O processo de conformação por jateamento com granalhas (peen forming) trata da conformação de chapas ou painéis através da ação de um jato de esferas de aço que, atingindo uma de suas superfícies, torna-a convexa na face de recepção do jato e gera tensões residuais superficiais de compressão. Tornar o processo de jateamento com granalhas reprodutível e controlável é um grande objetivo a ser alcançado para que o mesmo possa ser aplicado de forma segura na indústria aeronáutica. Buscando-se estudar a viabilidade e o desenvolvimento de conhecimento da técnica de jateamento de esferas, definiu-se uma metodologia para o projeto de experimentos focalizados nos dois tópicos principais: variáveis de processo e características do material jateado. As variáveis de processo observadas foram diâmetro de granalha, velocidade de impacto, porcentagem de cobertura e pré-tensão. No material jateado, variaram-se a liga de alumínio (7050-T7451 e 7475-T7351) e espessura. As chapas de alumínio foram caracterizadas em: raio de curvatura, microestrutura, dureza, profundidade e morfologia da camada deformada e perfis de tensões residuais. Avaliou-se o efeito do processo nas características do material. Analisando-se os dados, foi possível obter equações semi-empíricas de relação entre processo e raio de curvatura através de um novo parâmetro chamado densidade de energia cinética, que engloba os parâmetros diâmetro de granalha, velocidade de impacto e espessura da chapa. Encontrou-se ainda forte relação entre energia cinética e espessura da camada deformada e profundidade da máxima tensão residual. Os dados experimentais foram utilizados para o treinamento de uma rede neural artificial, que gerou boa previsibilidade do raio de curvatura. / The peen forming process is the forming of metal sheet or panels through the action of a jet of hard spheres, hitting one of the surfaces, making it convex and causing residual compressive stresses on surface. Making the peen forming process reproducible and controllable is a major goal to its safe application in the aircraft industry. Aiming the study of the feasibility of peen forming and the development of its technical knowledge, a methodology for the design of experiments was created focusing on two main topics: process variables and the properties of the formed material. The process variables observed were shot diameter, impact velocity, percentage of coverage and pre-tension. With respect to the formed material, two aluminum alloys (7050-T7451 and 7475-T7351) and four different thicknesses were used. The aluminum plates were characterized by: radius of curvature, microstructure, hardness, depth and morphology of the deformed layer and profiles of residual stresses. The effect of the process on material was evaluated. Analyzing the data, semi-empirical equations were obtained for the relationship between process and radius of curvature through a new parameter called the density of kinetic energy, which includes the parameters shot diameter, impact velocity and plate thickness. It was also found a strong relationship between kinetic energy and thickness of the deformed layer and depth of maximum residual stress. Experimental data were used to train an artificial neural network, which generated a good predictability of the radius of curvature.

O processo de conformação por jateamento com granalhas (peen forming) trata da conformação de chapas ou painéis através da ação de um jato de esferas de aço que, atingindo uma de suas superfícies, torna-a convexa na face de recepção do jato e gera tensões residuais superficiais de compressão. Tornar o processo de jateamento com granalhas reprodutível e controlável é um grande objetivo a ser alcançado para que o mesmo possa ser aplicado de forma segura na indústria aeronáutica. Buscando-se estudar a viabilidade e o desenvolvimento de conhecimento da técnica de jateamento de esferas, definiu-se uma metodologia para o projeto de experimentos focalizados nos dois tópicos principais: variáveis de processo e características do material jateado. As variáveis de processo observadas foram diâmetro de granalha, velocidade de impacto, porcentagem de cobertura e pré-tensão. No material jateado, variaram-se a liga de alumínio (7050-T7451 e 7475-T7351) e espessura. As chapas de alumínio foram caracterizadas em: raio de curvatura, microestrutura, dureza, profundidade e morfologia da camada deformada e perfis de tensões residuais. Avaliou-se o efeito do processo nas características do material. Analisando-se os dados, foi possível obter equações semi-empíricas de relação entre processo e raio de curvatura através de um novo parâmetro chamado densidade de energia cinética, que engloba os parâmetros diâmetro de granalha, velocidade de impacto e espessura da chapa. Encontrou-se ainda forte relação entre energia cinética e espessura da camada deformada e profundidade da máxima tensão residual. Os dados experimentais foram utilizados para o treinamento de uma rede neural artificial, que gerou boa previsibilidade do raio de curvatura. / The peen forming process is the forming of metal sheet or panels through the action of a jet of hard spheres, hitting one of the surfaces, making it convex and causing residual compressive stresses on surface. Making the peen forming process reproducible and controllable is a major goal to its safe application in the aircraft industry. Aiming the study of the feasibility of peen forming and the development of its technical knowledge, a methodology for the design of experiments was created focusing on two main topics: process variables and the properties of the formed material. The process variables observed were shot diameter, impact velocity, percentage of coverage and pre-tension. With respect to the formed material, two aluminum alloys (7050-T7451 and 7475-T7351) and four different thicknesses were used. The aluminum plates were characterized by: radius of curvature, microstructure, hardness, depth and morphology of the deformed layer and profiles of residual stresses. The effect of the process on material was evaluated. Analyzing the data, semi-empirical equations were obtained for the relationship between process and radius of curvature through a new parameter called the density of kinetic energy, which includes the parameters shot diameter, impact velocity and plate thickness. It was also found a strong relationship between kinetic energy and thickness of the deformed layer and depth of maximum residual stress. Experimental data were used to train an artificial neural network, which generated a good predictability of the radius of curvature.

O tratamento superficial de shot peening tem por objetivo aumentar a resistência à fadiga sendo comparada pelas medidas de tensão residual. O processo peen forming é uma variante do processo shot peening onde se obtém uma curvatura na placa produzida pelo jateamento das esferas através da compressão dos grãos localizados próximos à superfície. Foi estudado neste trabalho a influência dos parâmetros pressão e tamanho de granalha, utilizado no processo de peen forming, no perfil de tensão residual e no raio de curvatura em amostras de alumínio 7050. A avaliação do perfil de tensão de residual foi efetuada por difração de raios-x utilizando o método de sen2 . Os resultados mostram que a formação da altura do arco de curvatura é proporcional a pressão de jateamento e ao tamanho das esferas e inversamente proporcional a espessura da amostra, e que o fator de concentração de tensões é maior para amostras jateadas com menores esferas. Na seção final deste trabalho apresenta um estudo complementar sobre microdeformação e tamanho médio de cristalito, podendo avaliar o perfil das amostras após jateamento. / Shot peening is a superficial cold work process used to increase the fatigue life evaluated by residual stress measurements. The peen forming process is a variant of the shot peening process, where a curvature in the plate is obtained by the compression of the grains near to the surface. In this paper, the influence of the parameters such as: pressure of shot, ball shot size and thickness of aluminum 7050 samples with respect to residual stress profile and resulting arc height was studied. The evaluation of the residual stress profile was obtained by sin2 method. The results show that the formation of the curvature arc height is proportional to the shot peening pressure, of spheres size and inversely proportional to the thickness of the sample, and that stress concentration factor is larger for samples shot peened with small balls. On final of this paper presents an additional study on microstrain and average crystallite size, which can evaluate the profile of the samples after blasting.

O tratamento superficial de shot peening tem por objetivo aumentar a resistência à fadiga sendo comparada pelas medidas de tensão residual. O processo peen forming é uma variante do processo shot peening onde se obtém uma curvatura na placa produzida pelo jateamento das esferas através da compressão dos grãos localizados próximos à superfície. Foi estudado neste trabalho a influência dos parâmetros pressão e tamanho de granalha, utilizado no processo de peen forming, no perfil de tensão residual e no raio de curvatura em amostras de alumínio 7050. A avaliação do perfil de tensão de residual foi efetuada por difração de raios-x utilizando o método de sen2 . Os resultados mostram que a formação da altura do arco de curvatura é proporcional a pressão de jateamento e ao tamanho das esferas e inversamente proporcional a espessura da amostra, e que o fator de concentração de tensões é maior para amostras jateadas com menores esferas. Na seção final deste trabalho apresenta um estudo complementar sobre microdeformação e tamanho médio de cristalito, podendo avaliar o perfil das amostras após jateamento. / Shot peening is a superficial cold work process used to increase the fatigue life evaluated by residual stress measurements. The peen forming process is a variant of the shot peening process, where a curvature in the plate is obtained by the compression of the grains near to the surface. In this paper, the influence of the parameters such as: pressure of shot, ball shot size and thickness of aluminum 7050 samples with respect to residual stress profile and resulting arc height was studied. The evaluation of the residual stress profile was obtained by sin2 method. The results show that the formation of the curvature arc height is proportional to the shot peening pressure, of spheres size and inversely proportional to the thickness of the sample, and that stress concentration factor is larger for samples shot peened with small balls. On final of this paper presents an additional study on microstrain and average crystallite size, which can evaluate the profile of the samples after blasting.

Peen forming é um processo de conformação plástica a frio de laminas ou painéis metálicos através do impacto de um jato regulado de pequenas esferas de aço em sua superfície, a fim de produzir uma curvatura pré-determinada. A aplicação da técnica de shot peening como um processo de conformação já é conhecida da indústria desde a década de 1940, mas a demanda crescente por produtos de grande confiabilidade tem impulsionado o desenvolvimento de novas pesquisas visando o seu aperfeiçoamento e automação. . O planejamento do processo de peen forming requer medição e controle de diversas variáveis relacionadas à dinâmica do jato de granalhas e à sua interação com o material a ser conformado. Conforme demonstrado por diversos autores, a velocidade de impacto é uma das variáveis que mais contribui para a formação do campo de tensões residuais que leva o material a se curvar. Neste trabalho é apresentado um modelo dinâmico simplificado que descreve o movimento de um grande número de pequenas esferas arrastadas por um fluxo de ar em regime permanente e sujeitas a múltiplas colisões entre si e com a peça a ser conformada. Simulações deste modelo permitiram identificar a correlação entre o campo de velocidades das granalhas e os demais parâmetros do processo. Mediante a aplicação da técnica de projeto de experimentos pôde-se estimar os valores dos parâmetros que otimizam o processo. Ao final, elaborou-se um algoritmo que permite realizar o planejamento de processos de peen forming, ou seja, determinar os valores desses parâmetros, de modo tal a produzir uma curvatura pré-determinada em uma placa metálica originalmente plana. / Peen forming is a plastic cold work process of shaping a metallic sheet or panel through the impact of a regulated blast of small round steel shots on its surface, in order to produce a previously desired curvature. The application of the shot peening as a forming process has been a known technique in the industry since the decade of 1940, but the increasing demand for products of high reliability have pushed the development of new research in order to enhance and automate it. Peen forming process planning requires the measurement and control of several variables concerning the dynamics of the shot jet and its interaction with the piece to be shaped. As previously shown by several authors, impact velocity is one of the variables that most contribute to the development of the residual stress field that causes the material to bend. In this article we present a simplified dynamical model describing the motion of a large number of small spheres (shot) dragged by an air flow in steady conditions and exposed to multiple collisions with each other and with the piece to be shaped. Computer simulations of this model allowed to identify correlations between the shot field velocity and the parameters of the process. Applying design of experiments techniques it was possible to estimate the value of parameters that optimize the process. It was, then, elaborated an algorithm that enables peen forming process planning, allowing the determination of the parameters, in order to make a predetermined bending in a metallic plate originally plane.

Peen forming é um processo de conformação plástica a frio de laminas ou painéis metálicos através do impacto de um jato regulado de pequenas esferas de aço em sua superfície, a fim de produzir uma curvatura pré-determinada. A aplicação da técnica de shot peening como um processo de conformação já é conhecida da indústria desde a década de 1940, mas a demanda crescente por produtos de grande confiabilidade tem impulsionado o desenvolvimento de novas pesquisas visando o seu aperfeiçoamento e automação. . O planejamento do processo de peen forming requer medição e controle de diversas variáveis relacionadas à dinâmica do jato de granalhas e à sua interação com o material a ser conformado. Conforme demonstrado por diversos autores, a velocidade de impacto é uma das variáveis que mais contribui para a formação do campo de tensões residuais que leva o material a se curvar. Neste trabalho é apresentado um modelo dinâmico simplificado que descreve o movimento de um grande número de pequenas esferas arrastadas por um fluxo de ar em regime permanente e sujeitas a múltiplas colisões entre si e com a peça a ser conformada. Simulações deste modelo permitiram identificar a correlação entre o campo de velocidades das granalhas e os demais parâmetros do processo. Mediante a aplicação da técnica de projeto de experimentos pôde-se estimar os valores dos parâmetros que otimizam o processo. Ao final, elaborou-se um algoritmo que permite realizar o planejamento de processos de peen forming, ou seja, determinar os valores desses parâmetros, de modo tal a produzir uma curvatura pré-determinada em uma placa metálica originalmente plana. / Peen forming is a plastic cold work process of shaping a metallic sheet or panel through the impact of a regulated blast of small round steel shots on its surface, in order to produce a previously desired curvature. The application of the shot peening as a forming process has been a known technique in the industry since the decade of 1940, but the increasing demand for products of high reliability have pushed the development of new research in order to enhance and automate it. Peen forming process planning requires the measurement and control of several variables concerning the dynamics of the shot jet and its interaction with the piece to be shaped. As previously shown by several authors, impact velocity is one of the variables that most contribute to the development of the residual stress field that causes the material to bend. In this article we present a simplified dynamical model describing the motion of a large number of small spheres (shot) dragged by an air flow in steady conditions and exposed to multiple collisions with each other and with the piece to be shaped. Computer simulations of this model allowed to identify correlations between the shot field velocity and the parameters of the process. Applying design of experiments techniques it was possible to estimate the value of parameters that optimize the process. It was, then, elaborated an algorithm that enables peen forming process planning, allowing the determination of the parameters, in order to make a predetermined bending in a metallic plate originally plane.

The surface-normal impact velocity distributions, impact frequencies and impact power per unit area were measured using a force sensor in a vibratory finisher for two types of spherical media. These parameters control the degree, rate and character of plastic deformation of a workpiece surface in vibratory finishing. The force sensor was also used to quantify the effect of media type, finisher amplitude, and location within the finisher on the probability distribution of the particle impact velocity normal to the workpiece. It was found that reducing the total media mass in the finisher and moving closer to the wall resulted in a more aggressive process. It was also found that contacts occured periodically within time periods that corresponded to the finisher’s driving frequency. The Almen system was adapted to a vibratory finishing process to characterize the effect of varying process parameters for the purposes of process development and control. Saturation curves for two types of aluminum Almen strips were obtained by finishing at two distinct conditions. Comparison with the normal contact forces and effective impact velocities, measured for both these conditions, provided insight into the mechanics of the vibratory finishing process. An electromagnetic apparatus was constructed to simulate the normal impacts in the vibratory finisher. It was found that surface-normal impacts at velocities comparable to the higher range in the vibratory finisher produced Almen saturation curves similar to those created in the vibratory finisher. This provided support for the modeling approximation of treating all contact events in a vibratory finisher as effective surface-normal impacts, and the accuracy of the effective impact velocity measurement. A model of the process by which Almen strips were plastically deformed by media impacts in vibratory finishing was presented. The motivation was to extend the use of Almen strip measurements as a means of characterizing vibratory finishing through an improved understanding of the process parameters that controlled time-dependent curvature development. Two thicknesses of Almen strip were tested for two finishing conditions. The quantitative agreement between the model saturation curves and the experimental curves was fair, although the overall trends were predicted very well.

The surface-normal impact velocity distributions, impact frequencies and impact power per unit area were measured using a force sensor in a vibratory finisher for two types of spherical media. These parameters control the degree, rate and character of plastic deformation of a workpiece surface in vibratory finishing. The force sensor was also used to quantify the effect of media type, finisher amplitude, and location within the finisher on the probability distribution of the particle impact velocity normal to the workpiece. It was found that reducing the total media mass in the finisher and moving closer to the wall resulted in a more aggressive process. It was also found that contacts occured periodically within time periods that corresponded to the finisher’s driving frequency. The Almen system was adapted to a vibratory finishing process to characterize the effect of varying process parameters for the purposes of process development and control. Saturation curves for two types of aluminum Almen strips were obtained by finishing at two distinct conditions. Comparison with the normal contact forces and effective impact velocities, measured for both these conditions, provided insight into the mechanics of the vibratory finishing process. An electromagnetic apparatus was constructed to simulate the normal impacts in the vibratory finisher. It was found that surface-normal impacts at velocities comparable to the higher range in the vibratory finisher produced Almen saturation curves similar to those created in the vibratory finisher. This provided support for the modeling approximation of treating all contact events in a vibratory finisher as effective surface-normal impacts, and the accuracy of the effective impact velocity measurement. A model of the process by which Almen strips were plastically deformed by media impacts in vibratory finishing was presented. The motivation was to extend the use of Almen strip measurements as a means of characterizing vibratory finishing through an improved understanding of the process parameters that controlled time-dependent curvature development. Two thicknesses of Almen strip were tested for two finishing conditions. The quantitative agreement between the model saturation curves and the experimental curves was fair, although the overall trends were predicted very well.

Orientadores: Sergio Tonini Button, Renato Pavanello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T03:57:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_EvandroCardozoda_D.pdf: 7516310 bytes, checksum: e6a941fa7741a9dbf2fd38237d40195b (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O grande desafio do engenheiro no processo de jateamento de esferas, é obter o perfil da tensão residual e a deformação final da peça com precisão. Pois a solução analítica, os resultados experimentais e as simulações numéricas, que possam ser validados, ainda não são totalmente dominados, devido a complexidade do problema de contato dinâmico não linear do impacto que envolve várias disciplinas da elasticidade e plasticidade estática e dinâmica. É preciso reconhecer os vários parâmetros que influenciam o processo e obter um modelo de simulação numérica 3D de elementos finitos (EF) dinâmica e estática, utilizando ferramentas comerciais consagradas, que tenha relativa precisão e possa ser validado ao se caracterizar a tensão residual mecânica induzida e conseqüente deformação. O estudo de modelos estáticos de carregamento equivalente são limitados pela precisão da temperatura e pressão que da a forma final da peça. No modelo de EF elasto-plástico dinâmico 3D do impacto simples, identifica-se que a camada deformada plasticamente, a tensão residual superficial e sub-superficial são influenciados significativamente pelas características da esfera. Além disso, a separação entre as esferas no impacto simultâneo alteram o desenvolvimento da região plástica. Modelos de impactos múltiplos são implementados com base nestes resultados para a condição de impacto concentrado e disperso de forma semialeatória para modelos reduzidos da peça discretizada / Abstract: Shot peen forming presents a great challenge to engineers to get a precise residual stress and the correct final plastic strain distribution within the formed parts. Because there is not a complete knowledge on analytical solutions, experimental results and numerical simulations are commonly used due to the complex dynamic contact of nonlinear impact problems that involve many disciplines on static and dynamic elasticity and plasticity. Therefore, it is essential to know the parameters that affect the process to obtain a static and dynamic 3D finite element (FE) numerical model to simulate peen forming using powerful FE commercial codes that have relative precision and give results that can be validated and consequently induced mechanical residual stress and consequent deformation can be characterized. The study of equivalent static load models are limited by the precision of temperature and pressure to calculate the correct deformed shape. In the elastic-plastic 3D dynamic FE model with a single impact, the shot characteristics influence the thickness plasticity, and the superficial and under surface residual stress. Besides, the separation distance between adjacent shots changes the development of the plastic region. Multiple shot impacts models are implemented based in these results for concentrate and partial randomic dispersed impact conditions to reduce the models of the target / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica