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Artigos - Süleyman Kahraman
07/05/2020 10h09

 Artigos

Desenvolvimento e modelagem da instalação de Elementos de Fixação em chapas metálicas, sem necessidade de um processo preliminar – Parte final

Concluímos neste espaço o estudo cedido pelos jornalistas Ali Baisal e Nurcan Domez (Fastener Eurasia Magazine, Turquia), traduzido pelo Dr. Roberto Garcia

Resultados e discussão

As curvas “Tensão-Deformação” pertencentes ao material do parafuso (AISI 1050) e da chapa (AA1050A H14) são respectivamente apresentadas na figura 6 e na figura 7. As propriedades mecânicas desses materiais estão resumidas na tabela 2.(Na Foto - Süleyman Kahraman )

  Por conseguinte, quando as propriedades mecânicas do material do parafuso são investigadas, entende-se que a resistência ao escoamento é de 595 MPa, a resistência à tração é de 610 MPa e o alongamento é da ordem de 15%. Os valores obtidos no teste de tração mostram que o material utilizado é capaz de fornecer desempenho mecânico suficiente, com relevantes propriedades funcionais do parafuso. Além disso, as propriedades mecânicas do AISI 1050 mostram que ele permite técnicas de fabricação, como usinagem e conformação de metais a frio. Além disso, as propriedades mecânicas obtidas quase atendem às propriedades mecânicas do material da classe 8.8 indicado na especificação ISO 898. O material de chapa (AA1050A H14) foi obtido a partir de dados existentes na biblioteca de materiais Simufact-Forming. Este material foi transferido para o modelo FEA para temperatura de 20°C (a mesma temperatura em que os estudos experimentais são realizados) e taxa de deformação de 10-2 mm/s, de acordo com a equação GMT, como indicado na figura 7. 

 Figura 6: Curva de tensão e deformação pertencente ao aço carbono médio AISI 1050

Figura 7: Curva de tensão e deformação do material AA1050 H14 de acordo com a equação GMT para temperatura de 20°C.

 

Os componentes do processo desenvolvido indicado na figura 2 foram fabricados por métodos de usinagem. Os componentes fabricados foram medidos e os dados CAD preparados para o modelo FEA foram revisados de acordo com as medidas dimensionais, para que fosse evitada qualquer possibilidade de desvio entre o estudo experimental e o modelo FEA decorrente desse desvio. Os dados CAD revisados são transferidos para o modelo FEA indicado na figura 5. A configuração experimental foi preparada como indicado na figura 5. Estudos experimentais foram realizados com condições semelhantes determinadas para o modelo FEA. Os dados de força e curso obtidos foram registrados e à semelhança do modelo FEA com o estudo experimental foi gerenciada pela otimização do tamanho da malha, coeficiente de atrito entre os componentes, etc.

Os gráficos são apresentados na figura 8, obtidos da operação de instalação pertencente ao modelo FEA e de estudos experimentais. Quando os gráficos significantes são investigados, observa-se que o processo desenvolvido mostra três principais inclinações diferentes, que podem ser separadas para traços entre 0,0-0 , 5 mm, 0,5-1,0 mm e maior que 1,0 mm. Especialmente o gráfico pertencente ao estudo experimental mostra alguma descontinuidade entre 0-0,5mm.. Esta questão pode ser decorrente da folga entre componentes do processo ou deformação elástica da chapa metálica. A taxa de aumento da carga reduz para a segunda área do gráfico, ou seja: curso entre 0,5-1,0 mm.

A inclinação do gráfico relevante para os cursos acima de 1,0 mm aumenta. Além disso, as diferenças de inclinação entre o modelo FEA e o estudo experimental também aumentam.

Figura 8: Gráfico de força e curso obtido através do estudo experimental e modelo FEA.

As amostras foram seccionadas após a aplicação do parafuso na chapa e as vistas obtidas em ambos os estudos foram comparadas ao microscópio digital. A comparação é mostrada na figura 9. As condições de chapa e do parafuso após a instalação foram controladas. Por conseguinte, a direção do fluxo de material e a última condição da chapa deformada dentro da folga para a força de remoção axial parece ser muito semelhante para os modelos experimental e FEA. Além disso, foi observada deformação na cabeça do parafuso durante a sua aplicação, tanto para os estudos quanto para a área dentro da folga relevante correspondente ao último ponto de enchimento do metal da chapa afetado pela carga, também nos dois casos. 

Figura 9: Corte da seção de amostras pertencentes ao estudo experimental e modelo FEA após a instalação do fixador 

O processo desenvolvido foi validado pelo modelo FEA e por estudos experimentais. O objetivo dos critérios de projeto, que são á prova de vazamentos e sem necessidade de operação preliminar, foi alcançado após todos esses estudos.

Adicionalmente, foram realizadas instalações repetitivas em uma chapa, conforme figura 10. Nesses ensaios, os efeitos de retorno da mola (“spring back”) não foram observados nas chapas. Esses testes mostram que o processo desenvolvido é adequado para linhas de produção em série existentes em aplicações automotivas ou de uso na linha branca, por ferramentas de instalação dedicadas.

Figura 10: Testes de instalações repetitivas

Discussão e recomendações

Neste estudo, foi desenvolvido um fixador que pode ser aplicado em uma chapa de metal pela técnica de autorebitagem As principais vantagens do processo de fixação e instalação desenvolvido são que não é necessária nenhuma operação preliminar, como furação ou pré-forma e, após a aplicação do fixador, fornece um sistema à prova de vazamentos. O processo foi desenvolvido utilizando ferramentas de engenharia auxiliadas por computador, bem como estudos experimentais.

Pela análise dos gráficos de força e curso obtidos, como os apresentados na figura 8, ambos os gráficos gerados no modelo e nas experiências da FEA, mostram as três principais características. i) Relação de aumento de força na última zona dos gráficos (curso superior a 1,0 mm), pois observa-se que essa relação aumenta mais que as zonas anteriores. Entende-se por essa característica que os últimos valores de curso e força da operação de instalação são muito importantes para o processo adequado, pois não existe volume extra para as chapas deformadas ou isso é muito restrito ao fluxo de material. Portanto, o estresse hidrostático pode aumentar drasticamente e diminuir o estresse. No caso de se continuar a implementação de curso ou força, é possível levar à zona de metal morto dentro de materiais deformados e que podem afetar negativamente a capacidade de suporte de carga dos pares de chapas e parafusos após a instalação.

A inclinação (tangente) dos gráficos, especialmente na última zona, difere dos dados obtidos no modelo FEA e em estudos experimentais. Pensa-se que o fator de endurecimento por deformação aumentando a deformação em material de chapa metálica pode não ser suficientemente refletido nos modelos FEA. Portanto, este fator deve ser investigado através da realização de testes de tração para chapas metálicas e os modelos FEA podem ser conduzidos novamente com esses novos dados de material.

Referências

[1] Jiang T., Liu Z., Wang P. “Effect of aluminium pre- -straining on strength of clinched galvanized SAE1004 steel-to-AA6111-T4 aluminium” (2014- Journal of Materials Processing Technology).

[2] Meschut G., Janzen V. and Offerman T. “Innovative and highly productive joining Technologies for multi-material lightweight car body structure” Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 23(5) May 2014-1515.

[3] Liu L., Ren D. and Liu F.é"A Review of Dissimilar Welding Techniques for Magnesium Alloys to Aluminium Alloys” materials, Materials 2014, 7, 3735-3757; doi:10.3390/ma7053735.

[4] Israel M., Mauermann R., Schellnock J. “Thick Sheet Clinching Joining up to 20 mm Total Thickness” (2013-Advanced Shipping and Ocean Engineering).

[5] Kahraman S., Aygen M., Saray O., “Investigation of effect of dimensional properties on the load bearing capability of self-clinch fasteners” 9th International Automotive Technologies Congress, OTEKON, pp. 918-926, 2018.

[6] Balon P., Swiatoniowski, A. “Forming of automotive parts with nuts clinch process in comparison to welding of nuts” Key Engineering Materials Vols 611-612 (2014) pp 1503-1510.

Eng. Suleyman Kahraman

Engenheiro mecânico e mestre em Engenharia e Desenvolvimento de Negócios pela Fecon R&D and Engineering Service Limited, da cidade de Bursa, Turquia. Marca surgida da sigla de Fastener Engineering and Consulting, a FECon tem apoio da Tübitak (Conselho de Pesquisa Científica e Tecnológica da Turquia), atua em projetos, validação e otimização de fixadores específicos e métodos de união a serem realizados. 

 
Colaboração
 
 
Ali Baysal
 
 
 
 
 
 
Nurcan Donmez
 
 
 
 
 
 
 
 Dr. Roberto Garcia

 
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