Modelação e simulação numérica do processo de estampagem multi-etapa de um pedal de travão

Abstract

Atualmente, o processo de conformação plástica de chapas metálicas é amplamente utilizado na indústria automóvel. A capacidade de resposta deste sector às crescentes exigências do mercado, com a qualidade e a brevidade necessárias, é devidamente aumentada com a utilização de ferramentas de apoio à produção, nomeadamente a aplicação de simulação numérica com o método de elementos finitos. Este instrumento é utilizado para a validação e otimização de ferramentas e parâmetros de processo de estampagem de chapas metálicas, nomeadamente com a previsão da ocorrência de defeitos, permitindo a redução de custos e ciclos de desenvolvimento do produto. Este trabalho tem como objetivo realizar a modelação e simulação do processo de estampagem multi-etapa de um componente automóvel, nomeadamente de um pedal de travão de um automóvel. A produção deste componente envolve corte por arrombamento e dobragem em ferramentas progressivas, sendo a simulação numérica realizada no programa de elementos finitos DD3IMP. As ferramentas de conformação são consideradas rígidas na simulação numérica, enquanto o pedal tem um comportamento elasto-plástico, descrito por um critério de plasticidade anisotrópico (Hill’48) e uma lei de encruamento isotrópico (Swift). Dois lotes do aço S420MC são utilizados na produção do pedal de travão, os quais são considerados na simulação, sendo que para um lote são observados defeitos de fissuração em zonas de corte por arrombamento. Relativamente à discretização espacial do corpo deformável, são utilizados elementos sólidos hexaédricos de 8 nós. A análise e comparação de resultados da simulação dos dois lotes de material, nomeadamente da deformação plástica equivalente, tensão de escoamento e trajetórias de deformação em alguns pontos estrategicamente escolhidos, demonstra os diferentes comportamentos dos dois lotes de materiais em estudo. Estas diferenças permitem efetuar conclusões que sustentam a presença/ausência de defeitos de fissuração nos produtos resultantes dos processos de estampagem multi-etapa. O aumento de camadas de elementos finitos em espessura do modelo numérico tem pouca influência nos resultados de deformação plástica equivalente e de tensão de escoamento nos pontos críticos analisados, permitindo a validação dos resultados com a discretização mais grosseira.

Nowadays, the sheet metal forming process is widely used in industry, especially in the automotive sector. The sector's answer to the increasing market requirements, with the necessary quality and briefness, is properly increased using production support tools, namely numerical simulation using the finite element method. This instrument is used for the validation and optimization of tools and parameters of the sheet metal forming process, namely with the prediction of defects, allowing the reduction of costs and product development cycles.This work aims to perform the modelling and simulation of the multi-stage sheet metal forming process of an automotive component, namely a car brake pedal. The production of this component involves blanking and bending in progressive tools, and the numerical simulation is performed in the DD3IMP finite element program. The conformation tools are considered rigid in the numerical simulation and their surfaces, while the pedal has an elasto-plastic behaviour described by an anisotropic yield criterion (Hill’48) and an isotropic hardening law (Swift). Two batches of S420MC steels used in the production of the brake pedal are considered in the simulation, where edge cracking is observed for one batch. Regarding to the spatial discretization of the deformable body, 8-node hexahedral solid elements are used.The analysis and comparison of simulation results of the two batches the material, namely the equivalent plastic strain, flow stress and strain paths at some strategically chosen points, demonstrates the different behaviours of the two batches of studied materials. These differences allow conclusions to be drawn that support the presence / absence of edge cracking in products resulting from multi-stage forming processes. The increase of finite element layers in thickness of the numerical model has little influence on the results of equivalent plastic strain and flow stress at the analysed critical points, allowing the validation of the results with the coarser discretization.