Methodology of optimization of cold drawing dies aiming the reduction of residual stresses in the material by numerical simulation and its experimental validation

Trefilação é um dos processos de fabricação para a obtenção de arames, tubos e barras. Este processo consiste na redução da área de seção transversal de um material cilíndrico, fazendo-o atravessar uma matriz cônica de menor seção de área transversal, chamada fieira. Destacam-se o excelente acabamento superficial, a boa precisão dimensional e o aumento na resistência mecânica do material como vantagens e, como desvantagens, deformações heterogêneas ocorrem quando atravessam a ferramenta de trefilação (fieira). As deformações heterogêneas provocam retorno elástico também heterogêneo das camadas da barra trefilada, o que induz o aparecimento das tensões residuais relacionadas às distorções de forma, empenamentos e variações dimensionais, causando desperdício de material e energia, tanto no caso de geração de refugo, quanto em tentativas de correção das não conformidades. Desta forma, neste trabalho estudou-se a influência da geometria da fieira no valor da força necessária para realizar a trefilação e no gradiente das tensões residuais em barras de aço, através de experimentos físicos e computacionais. Após a caracterização de um processo de trefilação de um aço SAE 1045 foram desenvolvidos modelos computacionais no software Simufact.forming GP ®, e obtidos os resultados para: a força de trefilação, as tensões residuais das direções principais, as deformações plásticas, o limite de escoamento e o retorno elástico do material após a realização do processo para uma determinada redução. Os modelos foram validados através da comparação dos resultados simulados com experimentos físicos e equações encontradas na literatura. Após a validação, o modelo computacional foi utilizado para simular a variação da geometria da fieira: número de regiões de trabalho, raios de convergência entre as diferentes regiões da ferramenta, diferentes materiais e áreas de seção transversal. Os resultados das simulações computacionais foram correlacionados e utilizados para projetar e fabricar uma fieira em escala reduzida e um dispositivo mecânico para a simulação física do processo de trefilação em uma máquina universal de ensaios Emic ®. Duas diferentes geometrias de fieira foram testadas experimentalmente F1: a fieira convencional, e F4, a fieira modificada a partir das sugestões obtidas a partir da metodologia escolhida para correlacionar os resultados das simulações computacionais. As novas barras trefiladas foram caracterizadas mecanicamente através de ensaios de microdureza e rugosidade para análise das propriedades mecânicas, difração de raios-X para obtenção das tensões residuais superficiais e força de trefilação, que foi medida durante a realização do ensaio. Este trabalho contribuiu cientificamente com uma melhor compreensão do comportamento do escoamento de um material trefilado e através da análise de uma nova geometria de fieira que permitiu uma redução no valor das tensões residuais, um pequeno aumento na força de trefilação, mantendo as propriedades mecânicas do material trefilado quando comparadas com o processo original objeto desta pesquisa.The wire drawing is a manufacturing process used to produce wires, tubes and rods. It consists in a reduction in cross sectional area by plastic deformation where the raw material (wire rod) is pulled through a die. Some of the main features of the wire drawing process are the achievement of an excellent surface finishing and good dimensional accuracies and increase in mechanical strength. However, this process generates inhomogeneous deformation due to the different flowing of the material into the drawing tool (die). The inhomogeneous deformation generates residual stress, stresses present in a material free from the action of external loads and temperature gradients. Residual stresses are commonly related to distortions of shape and dimensional variations of the final products, appearing after heat treatments which are related to shape distortions, warping and dimensional variations, causing material and energy waste, in the case of waste generation and in attempts to correct nonconformities. Thus, the influence of die geometry to reducing the residual stresses and the drawing force of bars manufactured by a cold-drawing process was studied. After the characterization of a drawing process of an SAE 1045 steel, computer models were developed in the software Simufact.forming GP ®, and the results were obtained for: drawing force, residual stresses of the main directions, plastic deformations, flow and the elastic return of the material after the process was carried out. The models were validated by comparing simulated results with physical experiments and equations found in the literature. Different die geometries were simulated as: number of tool regions, fillets between different tool regions, different materials and cross-sectional areas. The results of the computational simulations were correlated and used to design and manufacture a scale die and a mechanical device to develop the physical drawing tests in an Emic ® testing machine. Two different die geometries were experimentally tested F1: the conventional die, and F4, the modified from suggestions obtained in the computational simulations correlation F. The mechanical characterization of the new drawn bars were carried out by Vickers microhardness and roughness tests, X-ray diffraction to obtain surface residual stresses and the drawing force was taken during the test. This work contributes scientifically with a better understanding of the behavior of the flow of a drawn material by the analysis of a new die geometry that allowed a reduction in the value of the residual stresses, an increase in the drawing force and maintaining the mechanical properties of the drawn material when compared to the original process object of this research