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Cálculo da distribuição de temperatura não estacionária em ferramentas de conformação, em uma abordagem combinada de simulação

A base para a seleção de sistemas tribológicos adequados ou para a avaliação do desgaste de ferramentas  

Resumo

Selecionar um tribo-sistema adequado para uma operação de conformação a frio ou avaliar o desgaste da ferramenta devido ao espectro de carregamentos equivalentes são tarefas bastante delicadas para a otimização de um processo de conformação.

A distribuição de temperatura da ferramenta e, especialmente, a temperatura nas suas superfícies têm grande influência na eficiência do tribo-sistema utilizado e no desgaste da ferramenta.

Simulações de conformação - sendo estas o estado da arte no projeto e otimização de processos - são focadas normalmente apenas no componente a ser produzido, utilizando a ferramenta de conformação apenas como uma condição de contorno do processo, considerando meramente uma temperatura média estimada.

Na realidade, as ferramentas de conformação apresentam uma distribuição significativa de temperaturas com uma evolução não-estacionária durante as fases iniciais do processo de conformação.

O aquecimento das ferramentas é resultado do fluxo de calor do componente sendo conformado na direção das ferramentas de conformação durante cada ciclo do processo.

A simulação de conformação termomecânica acoplada através do método de elementos finitos é capaz de fornecer tais informações relacionadas ao fluxo de calor para as ferramentas.

Por meio de uma simulação combinada, o efeito de diversos ciclos de conformação, incluindo o intervalo entre eles e interrupções inesperadas do processo, podem ser considerados para avaliar a evolução da temperatura de maneira adequada e eficaz.

Os resultados aqui apresentados baseiam-se num projeto de cooperação alemão denominado ZIM (ZentralesInnovationsprogrammMittelstand), concluído em 2014.[1]  

Introdução

Devido ao alto impacto energético em um processo de conformação a frio, as ferramentas de conformação envolvidas se aquecem devido a absorção da maior parte do calor gerado. O resultado é uma distribuição de temperaturas não constante no interior da ferramenta de conformação e especialmente nas superfícies mais relevantes da ferramenta. Esta distribuição de temperatura é não estacionária, pois, geralmente o início de um processo de conformação se dá com as ferramentas a temperatura ambiente. Dependendo da complexidade do processo, pode-se levar um grande número de ciclos até atingir um estado estacionário da distribuição de temperaturas nas ferramentas. Cada interrupção ou perturbação deste processo adia o estado estacionário para um número de ciclos maior.

Abordagem e Resultados

O cálculo da evolução da temperatura nas ferramentas de conformação requer:

• Um “provedor” das informações relacionadas são fluxo de calor para as ferramentas de conformação durante um único ciclo de conformação;

• Uma “ferramenta de cálculo” capaz de considerar: a) a geometria real da ferramenta e b) o fluxo de calor de entrada não-constante para um único ciclo de conformação;

• Uma “abordagem viável” para considerar o efeito de muitos ciclos de conformação sobre a evolução da temperatura nas ferramentas de conformação.

A melhor alternativa para o "provedor" é uma simulação de conformação baseada no método dos elementos finitos (FEM) feita por um sistema de simulação adequado e realizada como uma simulação termomecânica acoplada para um único ciclo de conformação. Adequado neste contexto, o sistema de simulação deve ser capaz de exportar o fluxo de calor para as ferramentas de conformação envolvidas, em função do tempo de processo e da mudança da(s) área(s) de contato entre componentes e ferramentas. Os resultados apresentados nesta publicação são oriundos de uma versão do software "eesy-2-form" estendida com função de exportação necessária.[2]

 

A "ferramenta de cálculo" usada é o analisador tool-temp V5.50 baseado no método de elementos finitos, desenvolvido previamente em um projeto ZIM, realizado pela empresa CPM GmbH e outros parceiros. Iniciando a partir de informações importadas (tempo de processo, geometria da ferramenta, fluxo de calor, condições de contorno térmico, etc.), o analisador tool-temp pode realizar o malhamento necessário para as ferramentas de conformação e posterior cálculo da evolução de temperatura nas ferramentas, como uma aplicação FEM puramente térmica. Primeiramente, a simulação resulta na distribuição de temperaturas nas ferramentas após um único ciclo de conformação, e se requisitado pode incluir o intervalo ocioso do equipamento após a conformação da geratriz para definir a distribuição de temperaturas na ferramenta no início do ciclo subsequente.

Em contraste com a simulação do processo de conformação, para o qual é, em princípio, suficiente representar as ferramentas apenas como superfícies rígidas e pelas temperaturas da superfície da ferramenta, o cálculo da distribuição da temperatura nas ferramentas de conformação requer a modelagem e o malhamento da geometria da ferramenta real. Isso inclui uma abordagem realista das condições térmicas de contorno para as áreas de superfície em contato com o porta-ferramentas do equipamento de conformação.

A consideração deste intervalo ocioso entre os ciclos de conformação é de especial importância para um cálculo realístico da distribuição de temperaturas pois a duração deste intervalo é geralmente maior do que o tempo de conformação em si. Isto implica que a evolução do campo de temperatura acontece principalmente durante o intervalo ocioso, enquanto que o tempo de conformação curto representa melhor uma nova entrada de energia devido ao calor com uma mudança do campo de temperatura predominantemente concentrada nas regiões superficiais. Devido a esta importância do intervalo ocioso, as diferentes situações de contato/não contato do componente a ser conformado com as ferramentas necessitam ser modeladas baseadas numa escala de tempo precisa para cada sub-fase dos tempos de processo.    

   

Uma primeira “abordagem viável” para considerar o efeito de um grande número de ciclos de conformação é a combinação de uma única simulação de conformação termomecânica - feita para as temperaturas iniciais das ferramentas de conformação (por padrão, temperatura ambiente) - com múltiplas aplicações do analisador tool-temp para todos os ciclos de conformação solicitados. O cálculo da mudança de temperatura da ferramenta durante o intervalo entre os ciclos é incluído em cada execução única do analisador como um cálculo de segunda fase. Como essa abordagem é baseada em apenas uma única simulação de conformação termomecânica, uma pequena imprecisão deve ser considerada, pois o fluxo de calor durante o processo de conformação é calculado para a temperatura inicial da ferramenta.

Uma segunda "abordagem viável" para esta tarefa é incluir uma nova simulação de conformação termomecânica - considerando as temperaturas reais da ferramenta - na aplicação múltipla do analisador tool-temp para todos os ciclos de conformação solicitados. Isso requer uma resposta do analisador para que a simulação forneça as temperaturas reais da ferramenta e para iniciar uma nova execução da simulação enquanto espera-se pela informação atualizada do fluxo de calor real para as ferramentas. Nesta abordagem  - que é muito mais demorada e complexa que a primeira mencionada - o analisador lida principalmente com o controle geral desta abordagem combinada e a simulação de conformação termomecânica torna-se uma sub-tarefa do cálculo da temperatura na ferramenta.

A principal vantagem é o resultado mais preciso para a distribuição de temperatura nas ferramentas de conformação após um elevado número de ciclos de processo.  

Além do resultado da distribuição de temperaturas nas ferramentas de conformação - e especialmente nas suas superfícies - após um determinado número de ciclos, a análise aqui descrita é bastante adequada para determinar o número de ciclos necessários para atingir uma situação de estado próximo ao estacionário da evolução de temperaturas nas ferramentas. Isto é importante quando deve-se decidir por um tribo-sistema adequado - ou se parece ser crítico durante as fases iniciais de desenvolvimento de um processo de conformação - para decidir por um pré-aquecimento das ferramentas de conformação.  

Conclusões

A distribuição de temperaturas nas ferramentas de conformação e seu desenvolvimento não estacionário são aspectos importantes para a eficácia na escolha de um tribo-sistema, para o desgaste da ferramenta e para uma série de avaliações do processo de conformação e das ferramentas envolvidas.

Uma abordagem combinada da simulação de conformação e evolução de temperatura - ambas baseadas no método de elementos finitos -, em conjunto com um procedimento adequado e viável que considere qualquer número de ciclos de conformação, resultam em um campo bastante realista de temperaturas nas ferramentas tanto para o regime não -estacionário nos primeiros ciclos do processo, tal como para o estado estacionário.

Sabendo que o feedback da temperatura real da ferramenta é de grande importância para a precisão dos resultados da simulação de conformação, o analisador tool-temp assume o controle de todo o procedimento de análise, atuando como um servidor e abordando a simulação de conformação como um provedor para solicitar as informações do fluxo de calor para o próximo ciclo com base na distribuição de temperaturas calculadas nas ferramentas de conformação, em especial nas suas superfícies.

Referências

[1]EntwicklungeinerinnovativenAuslegungsmethodikundcomputergestützterAnalyse- Tools-zurthermisch-tribologischgekoppeltenAnalyseundOptimierung von temperaturabhängigenProzessen in der Kaltmassivumformung; Entwicklungeines Software-Tools zurAnalyse der Temperaturentwicklung in  KaltmassivumformwerkzeugenzurtribologischenProzessbewertungund-optimierung (TOOLTEMP- analyzer), 2011-2014.

ZentralesInnovationsprogrammMittelstand - (ZIM)- Kooperationen, Gefördertdurch:BundesministeriumfürWirtschaftundTechnologieaufgrundeinesB

eschlussesdesDeutschenBundestages.

[2] eesy-Software

CPM GmbH, Herzogenrath, Germany, 2017

CPM@CPMGMBH.COM

 

Dr. Michael Twickler

Dr. Gerhard H. Arfmann

Diretores da CPM, desenvolvedora dos softwares de simulação de processos de conformação eesy-2-form (versão 2D), eesy-form (versão 3D) e eesy-DieOpt (Cálculo e Otimização de Encarcaçamento de Ferramentas).

cpm@cpmgmbh.com