Previsão de defeitos na estampagem de componentes cilíndricos

Abstract

O fabrico de recipientes metálicos (latas) para a distribuição de bebida é realizado com recurso a processos de conformação. O alumínio é um dos materiais mais utilizados no fabrico de latas devido às suas características de resistência à oxidação e, em particular, devido às vantagens associada à sua reciclagem. A análise com o auxílio do método dos elementos finitos é, hoje em dia, uma parte integrante no design e conceção do processo de fabrico deste tipo de latas, uma vez que permite a previsão de possíveis defeitos com custos muito menores do que envolvidos na análise experimental. No entanto, a ocorrência de defeitos associados à localização da deformação está intrinsecamente ligada às propriedades mecânicas do material, pelo que a sua previsão depende da capacidade que o modelo constitutivo adotado apresenta na sua descrição.O presente trabalho tem como objetivo principal estudar a influência dos parâmetros do critério de plasticidade na previsão de defeitos, nomeadamente na formação de orelhas de estampagem e na localização da deformação. Neste contexto, foram selecionados dois casos de estudo que envolvem a produção de componentes cilíndricos. O primeiro caso corresponde ao Benchmark 3 – "Previsão de defeitos após estampagem, estampagem inversa e expansão de uma taça", proposto no âmbito da conferência internacional NUMISHEET 2020. O segundo caso, considera apenas o processo de estampagem, mas permite a comparação com resultados experimentais.O material utilizado foi, para ambos os casos de estudo, a liga de alumínio AA3104. No entanto, como foram utilizadas chapas de espessura diferentes foi necessário proceder a identificações distintas dos parâmetros do modelo constitutivo. Em ambos os casos, o encruamento isotrópico foi descrito pela lei de Swift e o comportamento ortotrópico pelo critério de plasticidade comummente designado por CPB06ex2. Todas as identificações foram realizadas com o programa académico DD3MAT e as simulações numéricas com o programa académico DD3IMP.A análise de resultados considerou a evolução da força das várias ferramentas, bem como a distribuição de espessura da taça e o perfil de alturas. Para ambos os casos de estudo, foram analisadas as trajetórias de deformação e evolução das componentes do tensor das tensões, no sistema de eixos material, para vários pontos localizados na zona da chapa inicialmente em contacto com o cerra-chapas. A análise dos estados de tensão para a fase de estampagem permite concluir que estes apresentam uma gama de triaxialidade entre -1/3 e valores cada vez mais próximos de zero, com o parâmetro de Lode a variar de -1 a valores próximos de zero. Os resultados obtidos foram muito semelhantes para os dois casos de estudo, tendo sido possível concluir que isto se deveria a uma semelhança da razão de tamanhos das matrizes e das chapas dos dois casos.O presente trabalho permitiu confirmar a influência da tendência dos coeficientes de Lankford no número de orelhas de estampagem, bem como o impacto da amplitude de variação no plano das tensões à tração na magnitude das orelhas. Para além disso, permitiu realçar a influência da distribuição da tensão de corte na altura média da taça. A forte interação entre todos estes fatores, torna difícil prever o impacto dos parâmetros utilizados nas identificações dos critérios de plasticidade na previsão das orelhas.

The manufacture of metal containers (cans) is carried out through forming processes. Aluminum is one of the most used materials for can manufacturing due to its oxidation resistance and, in particular, due to the advantages associated with its recycling. Nowadays, the finite element analysis is an integral part in the design and conception of the manufacturing processes involved in producing this type of cans, since it allows for the prediction of possible defects, with much lesser costs than those involved in the experimental try-out. However, the occurrence of defects associated with strain localization is intrinsically linked to the material's mechanical properties, so its prediction depends on the ability that the adopted constitutive model presents in its description.The main objective of the present work is to study the influence of the yield criteria parameters on the prediction of defects, namely the occurrence of earing after deep drawing and the strain localization. In this context, two case studies that involve the production of cylindrical components were selected. The first case corresponds to Benchmark 3 - "Failure prediction after cup drawing, reverse redrawing and expansion", proposed under the international conference NUMISHEET 2020. The second case considers only the deep drawing process but allows for the comparison with experimental results.The material used was the AA3104 aluminum alloy, for both cases. However, since blanks with different thicknesses were used, it was necessary to proceed to different identifications of the constitutive model' parameters. In both cases, the isotropic hardening was described by the Swift law and the orthotropic behavior by the yield criterion commonly designated as CPB06ex2. All identifications were performed with DD3MAT in-house code and all numerical simulations with DD3IMP in-house code.The result analysis considers the evolution of the force of the various tools, as well as the thickness distribution and height profile of the cup. For both case studies, the following variables were analyzed: strains paths and evolution of the stress tensor components, in the material axis system, for several points located in the blank zone initially in contact with the blank-holder. The analysis of the stress states for the drawing phase allowed concluding that these present a stress triaxiality range between -1/3 and values progressively closer to zero and that the Lode parameter varies from -1 to values close to zero. The results obtained were very similar for both case studies, due to a likeness in the size ratio between the matrixes and blanks of both cases.The present work allowed confirming the influence of the Lankford coefficient tendency in the number of drawing ears, as well as the impact of the in-plane amplitude of variation of the uniaxial yield stresses in the ear magnitude. Furthermore, it highlighted the influence of the shear stress distribution in the average height of the cup. The strong interaction between all of these factors makes it difficult to predict the impact of the parameters used in the identification of the yield criteria in the earing prediction.