Este trabalho visou entender e avaliar a resistência mecânica da junção de chapas de aço obtidas pelo processo de União de Chapas por Conformação a Frio (UCCF). Esse processo é conhecido no meio industrial pelo termo em inglês: clinching ou press joining. O formato de união cilíndrico, também conhecido como Round, foi selecionado para unir os corpos de provas. As uniões metálicas ensaiadas foram fabricadas com aço de baixo teor de carbono sem camada superficial de proteção (170MPa de limite de escoamento). O material escolhido é de comum utilização na indústria automotiva. Duas espessuras diferentes foram avaliadas: 0,8mm e 1,2mm. Um completo procedimento foi criado para determinar os parâmetros ideais do processo UCCF baseado nos critérios de falha existentes na literatura e na experiência do fornecedor do equipamento. A união em estudo foi submetida, experimentalmente, a cargas multiaxiais com o auxílio de um dispositivo baseado no ensaio de Arcan para possibilitar uma condição de carga combinada, onde foi possível identificar graficamente o comportamento estrutural do corpo de prova em estados de carregamento que variam de tração (normal à superfície do ponto) até cisalhamento (perpendicular à superfície do ponto). Os valores de resistência mecânica encontrados foram de 1,13kN (mínimo) a 2,55kN (máximo) para as chapas de aço com espessura de 0,8mm e de 1,89kN (mínimo) e 3,18kN (máximo) para as chapas de 1,2mm. Um estudo comparativo com Solda Ponto por Resistência Elétrica (SPRE) foi realizado. A UCCF alcançou resultados de 47,68% dos valores obtidos para a SPRE para chapa com espessura de 0,8mm e 37,78% para chapas de 1,2mm. / The purposes of this work were understand and evaluate cold forming sheet metal joining of steel plates mechanical resistance. This process is well known as clinching or press joining. Round clinching element was selected to be used on all tested specimens due to its industry suitability. The metallic specimens were built on mid carbon steel without zinc coat protection (Yield Stress: 170MPa). This is a common material on automotive industry. Two different thicknesses were evaluated: 0.8mm and 1.2mm. A full procedure to determine ideal clinching parameters was created based on available literature information and clinching supplier know-how. All union technology was experimentally submitted to multiaxial loads using device based on Arcan concept. Joining mechanical behavior curves were plotted from traction (normal to element joint surface) to shear (perpendicular to element joint surface) loads. As a result, 0.8mm thickness steel plates achieved load values from 1.13kN (minimum) to 2.55kN (maximum), 1.2mm thickness steel plates achieved values from 1.89kN (minimum) e 3.18kN (maximum). A comparative study was made with Electric Resistance Spot Weld (ERSP). Clinching joining achieved results as 47.68% and 37.78% of ERSP loads for 0.8mm and 1.2mm thickness steel plates respectively.

Orientador: Sérgio Tonini Button / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T18:58:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Batalha_MarioHenriqueFernandes_M.pdf: 5393156 bytes, checksum: a53f9730323b17df3ef4631f7f7de1e7 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Este estudo teve como finalidade avaliar a estampabilidade de chapas de aço de ultra-alta resistência mecânica (da sigla inglesa UHSS), neste caso o aço DIN 27MnCrB5-2 (nº 1.7182), para a estampagem a quente com estiramento controlado. Esse processo é conhecido por associar a alta produtividade da estampagem com o tratamento térmico de têmpera durante a conformação, o que se torna vantajoso no caso de aços UHSS, já que simultaneamente, reduz os esforços durante a conformação, praticamente elimina o efeito de retorno elástico e permite gerar produtos com limite de resistência superior a 1.500 MPa. O objetivo principal de associar a redução de espessura à estampagem a quente é de gerar uma peça que atenda aos esforços aplicados e que não apresente variações bruscas de microestrutura devidas à variação local na têmpera ou pela união de chapas que seria uma alternativa para a obtenção de seções com espessuras diferentes. Além disso, também tem-se por objetivos elevar a complexidade geométrica, diminuir o peso do componente estrutural e reduzir o custo de produção. Nesse caso, buscou-se avaliar a capacidade do material de confeccionar peças com redução de espessura variável durante a conformação a quente, por meio da análise dos limites de conformabilidade, obtidos pelo ensaio Nakazima em um modelo real e outro virtual, no caso, utilizando o software Forge 2008 ® que é baseado no método de elementos finitos. Além disso, foi confeccionado um componente com variação de espessura em sua parede, a fim de exemplificar em um modelo real a aplicação das informações obtidas no ensaio Nakazima. Ao final da análise, foi possível determinar uma faixa de deformação verdadeira segura de trabalho, válida para os diferentes estados de tensão e deformação, e verificou-se uma coerência na previsão do modelo virtual previamente calibrado com os resultados experimentais / Abstract: This study aimed to evaluate the formability of ultra-high strength steel (UHSS), in this case the DIN 27MnCrB5-2 (No. 1.7182), for hot stamping with controlled stretching. The process is known by its high productivity in stamping with simultaneous heat treatment of quenching, which is advantageous in the case of UHSS steel, since it simultaneously reduces the loads during forming, practically eliminates the "springback" effect and generates products with ultimate tensile strength exceeding 1.500 MPa. The main purpose of associating the reduction of thickness with hot stamping, is to generate a continuous structure that support the loading, or in other words, without abrupt changes in microstructure due to local variation in quenching conditions or welding of blanks which is another alternative to obtain parts with different thickness along the product. Moreover, it allows high geometric complexity, reduce component weight and reduce the cost of production. In this context, it was evaluated the capacity of the material to produce parts with variable thickness reduction during forming, by analyzing the limits of formability obtained by Nakazima test in a real and virtual model with the software Forge 2008 ® which is based in the Finite Element Method. Furthermore, it was manufactured a component with varying thickness in its wall, in order to exemplify the application of the data obtained in the Nakazima tests. After the analysis, it was determined a range of safe deformation, valid for the different states of stress and strain, also it was noticed a consistency in predicting hot formability between the virtual calibrated model and experimental results / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Os processos de conformação de chapas metálicas são largamente usados na fabricação de produtos em diversas áreas, desde partes aeronáuticas a utensílios domésticos, devido a sua alta produtividade, confiabilidade e baixo custo de produção. Para se atingir tais qualidades, o desenvolvimento de um produto conformado deve levar em consideração os fatores metalúrgicos da chapa a ser usada. As chapas são geralmente produzidas por laminação a frio, o que as levam ter propriedades mecânicas distintas em relação à direção de laminação. Para modelar esta anisotropia, vários critérios de escoamento foram propostos. A fim de verificar a influência do critério de escoamento na distribuição de deformação no produto conformado, este trabalho teve como objetivo implementar os critérios de Hill (1979) e de Barlat et al. (1993) em um programa acadêmico que modela o processo de conformação de chapas via o método dos elementos finitos. O critério de Hill (1979) foi implementado e apresentou bons resultados, em acordo com a literatura. O critério de Barlat et al. (1993) foi deduzido em sua formulação para elementos finitos, embora não implementado. Com o critério de Hill (1979) foi possível analisar a distribuição da deformação para várias superfícies de escoamento, alterando-se apenas o valor de um parâmetro da função de escoamento. / The sheet metal forming processes are widely used in the manufacturing of products in several areas, from aviation to household utensils, due to its high productivity, reliability and low cost of production. To achieve these qualities, the design of a product made by sheet metal forming should take into consideration the metallurgical factors of the blank to be used. The blank is usually cold-rolled, which leads to different mechanical properties in the rolled and transverse directions. To take into account this anisotropy, several yield criteria were proposed. To check the influence of the yield criterion in the strain distribution of the final product, this study focused on the implementation of the yield criteria of Hill (1979) and Barlat et al. (1993) in an academic computer program that modeled the sheet metal forming process by the finite element method. The Hill (1979) criterion was implemented and had good results, in accordance with the literature. The Barlat et al. (1993) criterion was formulated for a finite element method analysis, though not implemented. By using Hill\'s non-quadratic yield criterion it was possible to analyze the strain distribution for various yield surfaces, changing only the value of one parameter of the yield function.

Esta tese contempla o desenvolvimento de uma prensa para conformação biaxial superplástica com sistema de controle in situ e real time de pressão e de temperatura, como também um módulo de monitoramento de deformação através da técnica de correlação digital de imagem. A referida prensa é capaz de atingir durante a conformação ótimas condições superplásticas através da instrumentação e do controle dedicado dos parâmetros que caracterizam o processo de conformação fluidoestática biaxial, pressão, temperatura e taxa de deformação. São seis os principais temas abordados e desenvolvidos nessa tese: (a) técnicas, métodos e requisitos da superplasticidade da liga de titânio Ti6Al4V; (b) concepção e construção da prensa que atenda aos requisitos do projeto; (c) instrumentação do ferramental; (d) implementação do sistema de controle; (e) definição e aplicação de metodologia de ensaio superplástico para conformação fluidoestática biaxial e (f) fabricação da peça modelo. A aplicação e desenvolvimento do sistema de controle em expansão fluidoestática biaxial envolve desde a escolha das condições de conformação, determinação do ciclo de pressão, implementação de controles dedicados que atendam aos requisitos de conformação até os métodos de determinação dos coeficientes de interesse (m, n e K). Com tal instrumentação é possível determinar os coeficientes a partir de ensaios biaxiais, ao invés de simplesmente utilizar os coeficientes de ensaios de tração uniaxiais. Realizou-se um ensaio superplástico fluidoestático biaxial de chapas de liga de Ti6AL4V controlado em torno de sua condição ótima. Em suma sobre o controle, o sistema de controle térmico minimiza o intervalo de tempo de estabilização da temperatura, sem sobressinal, reduzindo o tempo de exposição do material superplástico a altas temperaturas; o sistema de controle de pressão aplica um ciclo de pressurização que é responsável por realizar a conformação de forma que resulte em uma taxa de deformação específica que represente a condição de maior índice de sensibilidade a taxa de deformação, assim se caracteriza como ponto ótimo do processo. Os principais resultados são o Ferramental instrumentado e controlado para realização de conformação superplástica em atmosfera controlada e os sistemas de controle de temperatura, pressão e deformação, validados e testados de forma integrada em ensaios de conformação superplástica / This thesis contemplates the full development of a superplastic biaxial forming Press which contains an in situ and real time pressure and temperature control systems, as well as a deformation monitoring module that applies digital image correlation technique. The Press can achieve optimum superplastic forming conditions supported by dedicated instrumentation and control of the parameters that characterize the superplastic forming process; these parameters are pressure, temperature and strain rate. Six main topics are discussed: (a) techniques, methods and Ti6Al4V alloy superplastic requirements; (b) design and construction of the press that meets the project requirements; (c) Press instrumentation; (d) control system implementation; (e) definition and implementation of a new superplastic test methodology for bulge test and (f) a part model manufacturing. The application and development of the control system in biaxial forming process involves the selection of forming conditions, pressure cycle determination, implementation of dedicated controls that meet the forming requirements, besides methods for calculating important coefficients (m, n K). With the referred instrumentation, it is possible to determine these coefficients from biaxial tests, rather than simply using the uniaxial tensile tests coefficients. A Ti6Al4V alloy fluid static superplastic biaxial test was conducted, controlled around its optimum condition. Summarizing the control system, the thermal control system minimizes the stabilization temperature time, avoiding temperature overshooting, reducing the material time exposure at superplastic temperatures. The pressure control system applies a pressurization cycle, responsible for conducting the forming process, to achieve a specific strain rate. This represents the condition of maximum strain rate sensitivity, thus characterized as optimal process point. The main results are the instrumented and controlled superplastic biaxial forming Press efficient to conduct superplastic forming in a controlled atmosphere, and temperature, pressure and deformation control systems validated and tested in an integrated Superplastic forming tests.

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.

Este trabalho trata da avaliação da técnica de conformação por expansão fluidostática (bulge forming) através de uma matriz com múltiplas cavidades. Duas ligas de especificação AA5083 e Pb-60Sn foram submetidas ao processo de superplasticidade (Superplastic Forming) para a verificação de diferentes parâmetros de trabalho e comparação com os resultados por simulação numérica. Uma das principais conclusões obtidas é que o método multidomo foi válido para o estudo do fenômeno superplástico. Os testes foram realizados através do método de pressão constante, onde foi possível obter variáveis como tensão, taxa de deformação e índice de sensibilidade a taxa de deformação. Uma importante implicação deste processo é o controle correto do tempo de trabalho com cavidades conformadas em ensaios distintos. / This study aims to evaluate the forming technique fluidostatic expansion (bulge forming) through a die with multiple cavities. Two AA5083 alloy and Pb-60Sn specification were submitted to superplasticity process (superplastic forming) for checking different working parameters and comparison with the results in numerical simulation. One of the main conclusions is that the multidomo method was valid to study the superplastic phenomenon. The tests were performed using the constant pressure method, where it was possible to obtain variables such as stress, strain rate and the strain rate sensitivity index. An important implication of this process is the correct control of working time with shaped cavities in separate trials.

Nesta dissertação de mestrado foram utilizadas duas ligas de alumínio (AA1100 e AA5052) para a produção de uma microestrutura final apresentando tamanho médio de grãos menores que um micrometro. Tal fato foi possível através do processo de Accumulated Roll Bonding (ARB). Tais materiais produzidos por ARB, foram caracterizados conforme propriedades mecânicas (microdureza, limite de escoamento e resistência) e microestruturais (tamanho de grão e macrotextura e composição química dos precipitados). O principal resultado para este trabalho foi a produção de tiras de AA 1100 e AA 5052 com tamanho médio de grão de 0,50 ± 0,04 m e 0,42 ± 0,06 m respectivamente. Tal resultado é coerente em comparação à literatura. Com relação aos resultados de textura, tais amostras apresentaram temperatura de recristalização acima de 473K e componente de textura típicas de cisalhamento (tanto para o material oriundo de fábrica como para o material laminado). Tal fato é esperado já que não se utilizou lubrificação durante ensaios de laminação. A propriedade mecânica de microdureza de AA 1100 ficou coerente com a literatura embora as propriedades de limite de escoamento e de resistência possuíram módulos abaixo da literatura. / The present work is related to the production, in a laboratory scale, of a metallic microstructure having a grain size smaller than one micrometer, through the Accumulated Roll Bonding technique(ARB), for two different aluminum alloys, namely AA 1100 and AA 5052. The strips obtained by the ARB technique have been characterized by their mechanical properties (microhardness, yield and tensile strength), and their microstructure (grain size, macrotexture and precipitates chemical composition). The main result of this work has been the rolling of AA1100 and AA5052 strips with an average grain size of 0.5 ± 0.04 m and 0.42 ± 0.06 m respectively. Such results are consistent with the literature. Relative to the texture, the samples presented a recrystallization temperature higher than 473K and typical shear texture components (due to the dry rolling conditions during the ARB). Microhardness of the AA110 was consistent with literature data; however yield and tensile strength presented values that were lower than those observed in the literature.

Com a evolução dos processos de fabricação, aumenta o emprego de topografias engenheiradas com o objetivo de aumentar o desempenho dessas superfícies sob vários aspectos. Apesar do bom desempenho comprovado em algumas aplicações, existem outras em que o desempenho é questionável, como, em condições não lubrificadas e com elevadas pressões de contato. Neste cenário de dúvidas sobre a utilização de superfícies engenheiradas, o presente trabalho objetiva contribuir com as discussões por meio de um estudo do efeito de topografias anisotrópicas na transferência de material e resistência ao movimento em condições de deslizamento a seco com deformação plástica micro e macroscópica. O método utilizado contempla ensaios tribológicos que consistem, basicamente, em deslizar um material sobre superfícies engenheiradas de outro material com maior dureza, em duas condições de deformação plástica: i/ localizada no pico das asperezas em contato (ensaio pino-sobre-disco) e ii/ volumétrica (ensaio de compressão do anel). Os resultados permitiram concluir que os mecanismos de desgaste podem ser reproduzidos nos dois ensaios. Com deformação plástica microscópica (pino-sobre-disco) constatou-se que: i/ os vales e cavidades da topografia atuam de forma a evitar o contato das partículas de desgaste com o corpo em deslizamento; e ii/ os maiores valores do coeficiente de atrito foram obtidos com a superfície com maior quantidade de cavidades, a mesma condição topográfica que apresentou maior área com transferência de material. Com deformações plásticas macroscópicas (ensaio de compressão do anel) constatou-se que os vales da topografia da ferramenta atuaram como bloqueios para o deslizamento do anel conformado, o que resultou num aumento do coeficiente de atrito e redução da transferência de material. / The evolution of manufacturing progresses increases the use of engineered surfaces, seeking the improvement of the overall performance of these surfaces. Despite the enhanced performance under some circumstances, uncertainties still exist in conditions such as unlubricated and high contact pressure conditions. This work aims contributing to these discussions by studding the effect of anisotropic topographies on the material transfer and resistance to movement under dry sliding conditions including micro and macroscopic plastic deformation. The method consisted of tribological tests by sliding a material against engineered surfaces of higher hardness. Tests were conducted under two plastic deformation conditions: i/ localized on surface asperities contact (pin-on-disc test) and ii/ volumetric (ring test). Results allowed concluding that wear mechanisms can be reproduced on both tests. Under microscopic plastic deformation (pin-on-disc test) it was possible to verify that: i/ grooves and cavities have contributed to avoid the contact between wear debris and sliding body; and ii/ the higher friction coefficient was obtained when testing the surface with high amount of cavities, a condition that presented the larger area of material transfer. Under macroscopic deformation (ring test), grooves from tool topography played the role of blocking the ring material sliding, increasing friction coefficient and decreasing material transfer.

O processo de conformação por spray é interessante devido à capacidade de conjugar, em apenas uma etapa do processo, a vantagem da técnica de solidificação rápida combinada com alta produtividade dos processos de fundição convencional. Este processo permite a obtenção de materiais livre de macrossegregações, livre de porosidades e com microestrutura refinada. A evolução recente das pesquisas está levando ao desenvolvimento de novas ligas e os resultados têm sido interessantes. O processo de solidificação rápida inerente da conformação por spray permite a produção de ligas com composições diferentes das obtidas pela fundição convencional. O objetivo deste trabalho foi o de caracterizar mecanicamente uma liga de alumínio AA-6082 conformada por spray. Os resultados de testes de dureza Vickers são apresentados para seções de um preformado em relação a sua altura (em um arranjo tridimensional). O material foi avaliado na condição como conformado por spray e após tratamento térmico de solubilização a 525 ºC por 1 h, seguido por envelhecimento a 125 ºC por períodos distintos de 1 h, 10 h, 100 h e 500 h. É mostrado que o a liga AA 6082 conformada por spray mostra uma boa estabilidade térmica em relação a variação da dureza durante o envelhecimento. / The spray forming technology combines in a single step the advantages of the rapid solidification techniques and high the productivity of the conventional casting processes, allowing obtention of preforms with a refined microstructure, almost without porosity and macrosegregation free. The development and research efforts are leading to interesting alloys and materials production. The rapid solidification processes inherent to the spray forming allow the production of alloys with different compositions from those obtained by conventional ingot processes. The aim of this work was to carry out mechanical properties characterization of a spray formed AA-6082 alloy. The hardness results are presented in different sections related to the height of the spray formed preform (in a three-dimensional arrangement). The material was evaluated in the as sprayed condition and after heat treatment of solution at 525 ºC for 1 h, and aging for 1 h, 10 h, 100 h and 500 h periods. It was shown that the spray formed AA-6082 aluminum alloy is very stable regarding hardness variation during aging.

Em anos recentes, os processos de conformação de chapas automotivas têm sido drasticamente modificados. A utilização de equipamentos de medição metrológicos óticos sem contato e respectivos softwares baseados em fotogrametria, bem como o uso de programas de simulação de estampagem baseados no Método dos Elementos Finitos (FEM), estão se tornando uma rotina no desenvolvimento de ferramentais de estampagem, visto que a confiabilidade, precisão de resultados e facilidade de uso em relação à topologia superficial do ferramental, representou um grande salto tecnológico. Entretanto, por maior que tenha sido o avanço, persistem ainda problemas relacionados ao custo benefício quanto à adoção de certas técnicas e a possibilidade de utilizar ambos os sistemas de forma a um complementar o outro. Neste sentido, o objetivo desta tese é analisar o processo de conformação de chapas utilizando simulação computacional e engenharia reversa como ferramentas integradas no desenvolvimento e construção de estampos automotivos. São descritos casos industriais, cujos resultados demonstram que novas técnicas podem ser aplicadas na definição e modelagem do processo de estampagem de chapas metálicas, utilizando a metrologia ótica, engenharia reversa e a simulação computacional baseada no Método dos Elementos Finitos. / In recently years, sheet metal forming processes used in automotive industry have been drastically modified. The use of non-contact measurement devices based on optical metrology and respective software based on photogrammetry, and the use of stamping simulation programs based on Finite Element Method (FEM), are becoming a routine in the development of tools for stamping, visa that reliability, accuracy of results and ease of use, in relation to the tooling surface topology, was a major technology leap. However, although this advancement, there are still remaining problems related to the cost benefit of the adoption of certain techniques, and the possibility of the use of both systems, in order to complement one another. In this sense, the aims of this thesis is to analyze the sheet metal forming process using computer simulation and reverse engineering as integrated tools in design and construction of automotive dies. Industry cases are described, whose results show that new techniques can be applied in definition and modeling of stamping metal sheets process, using optical metrology, reverse engineering and computer simulation based on Finite Element Method.