1º trimestre: Qual é a base científica para o processo de dobra incremental na conformação a frio, e como isso evita falhas catastróficas de materiais em comparação com a dobra em uma única etapa?
A base científica para o processo de flexão incremental em formação de rolo a frio reside fundamentalmente nos princípios de plasticidade, endurecimento por trabalho, e distribuição de energia de tensão. Esta abordagem em fases é uma resposta direta da engenharia às limitações da ductilidade do material e aos complexos estados de tensão induzidos durante a deformação do metal., garantindo a produção de longos, perfis complexos sem falhas catastróficas.
1. A Física da Deformação Incremental
A perfilagem funciona passando uma tira de metal, aço tipicamente enrolado, através de uma série de suportes de rolos consecutivos, ou passa. Cada estande contribui com um pequeno, quantidade calculada com precisão de deformação plástica (mudança permanente na forma) para a faixa.
UM. Deformação Plástica Controlada
Em qualquer processo de conformação de metal, a deformação ocorre quando o aplicado estresse ($\sigma$) excede o força de rendimento ($\sigma_y$) do material, fazendo com que o material entre na região plástica da curva tensão-deformação. Se o metal for dobrado muito severamente em uma única etapa, a taxa de deformação local nas áreas altamente estressadas (a superfície externa do raio de curvatura) pode exceder o material limite de alongamento uniforme ($e_u$) e chegar rapidamente ao tensão de fratura ($\épsilon_f$).
A abordagem incremental garante que:
Where $\epsilon_{\texto{total}}$ é a deformação final necessária, $N$ é o número de passes, and $\Delta \epsilon_i$ is the strain contributed by each pass $i$. By keeping each $\Delta \epsilon_i$ small, o processo controla o acúmulo de tensão, permitindo que a estrutura do material se ajuste e redistribua as tensões internas gradualmente.
B. Gerenciamento de momentos fletores e mudança de eixo neutro
Em perfilagem, o material é submetido a um puro momento fletor (M). Para uma tira de espessura $t$ e largura $w$, a tensão máxima de flexão ($\sigma_{\texto{máx.}}$) ocorre nas fibras extremas. Se a flexão for muito agressiva (high $\Delta \epsilon_i$), o gradiente de tensão ao longo da espessura torna-se muito acentuado, levando a:
- Tensão de alta tração: Na superfície externa, que pode causar microfissuras, rasgando, ou efeito casca de laranja.
- Tensão Compressiva Excessiva: Na superfície interna, o que pode levar a flambagem localizada ou enrugamento (um defeito comum na formação de perfis profundos).
A flexão incremental suaviza a transição do eixo neutro (o plano dentro da seção transversal que sofre deformação longitudinal zero), minimizando o acúmulo de deformação longitudinal por estande.
2. O papel do endurecimento do trabalho
Processos de conformação a frio, por definição, ocorrem abaixo da temperatura de recristalização do material, o que resulta em endurecimento por trabalho (ou endurecimento por deformação). O endurecimento por trabalho aumenta a resistência ao escoamento do material ($\sigma_y$) pois está deformado, de acordo com a lei de potência:
Onde $K$ é o coeficiente de resistência e $n$ é o expoente de endurecimento por deformação.
UM. Aprimoramento de Força Controlado
Se um perfil for formado em uma passagem agressiva, o endurecimento localizado pode ser excessivo, tornando o material quebradiço e altamente suscetível a falhas naquela zona.
A conformação incremental distribui o endurecimento total necessário pelas passagens $N$. Este endurecimento gradual:
- Aumenta a integridade estrutural: O produto final é mais forte (maior resistência ao escoamento) e mais rígido que o material original da bobina, uma vantagem primária da conformação a frio.
- Mantém a ductilidade: Ao evitar alta tensão instantânea, permanece ductilidade residual suficiente para completar as curvas finais sem fratura, utilizando o estado endurecido para resistir à deformação subsequente.
3. Prevenindo falhas catastróficas (Rasgando e enrugando)
Falha catastrófica na conformação de metal é frequentemente prevista usando o Diagrama de limite de formação (FLD), que representa a deformação principal principal ($\$épsilon_1) contra a tensão principal menor ($\$épsilon_2) para definir um limite (a Curva Limite de Formação, FLC) acima do qual ocorre a falha.
UM. Prevenção de rasgos (Falha de tração)
Rasgando (falha de tração) ocorre quando a tensão de tração é muito alta, frequentemente na borda externa de uma curva. O processo incremental mantém o caminho de deformação local bem abaixo do FLC por:
- Alívio de tensão: Cada passagem alivia ligeiramente a tensão interna acumulada, permitindo que o material flua para a nova forma.
- Contato de ferramentas: Os rolos fornecem suporte lateral e compressivo contínuo, suprimindo a tendência do material para pescoço ou fratura sob tensão.
B. Prevenção de enrugamento/deformação (Falha Compressiva)
Enrugamento (falha compressiva) ocorre frequentemente no raio interno ou nas bordas livres devido à compressão longitudinal excessiva. Em perfilagem, isso é mitigado por:
- Design de padrão de flor: O design dos perfis de rolo (padrão de flor) garante que as bordas livres do material sejam dobradas no final da sequência, e a pressão de formação é cuidadosamente equilibrada para aplicar tensão suficiente para esticar o material (evitando rugas) mas não tanto a ponto de causar rasgos.
- Rolos laterais e polias: Ferramentas auxiliares (como rolos laterais) é frequentemente usado para aplicar restrição lateral, que estabiliza a alma e os flanges, evitando flambagem localizada devido a tensões de compressão.
Para concluir, a dobra incremental na conformação a frio é um processo de engenharia altamente sofisticado governado pela mecânica contínua e pela ciência dos materiais. Transforma um complexo, deformação propensa a falhas em uma única etapa em uma série de previsíveis, momentos fletores gerenciáveis, aproveitando estrategicamente o endurecimento por trabalho para aumentar a resistência do produto final, evitando cuidadosamente os limites críticos de fratura do material.
