Produtos e materiais semi-acabados
Atualmente, predominantemente, ligas de aço e ligas de alumínio são utilizadas como materiais para os produtos semi-acabados necessários na produção de hidroconformação. As ligas de cobre e latão são utilizadas para produtos hidroconformados na indústria de tubulações e sanitários. As ligas aplicadas correspondem, na maioria dos casos, a materiais que são utilizados para processos comuns de conformação a frio, tais como trefilação profunda ou conformação em massa. Em princípio, todos os materiais metálicos com formabilidade suficiente são adequados para produtos semiacabados em processos de hidroformação. Uma estrutura de grão fino combinada com grandes quantidades de alongamento uniforme, alongamento na fratura e um grande coeficiente de deformação são vantajosos na expansão viável da peça inicial, alcançável sem a ocorrência de instabilidades do material. A resistência do componente final é melhorada por um tratamento térmico distinto do material formado; contudo, o tratamento térmico também provoca um aumento das cargas de conformação necessárias.
As ligas de aço utilizadas ou testadas para componentes de hidroconformação convencionais são aços dúcteis de baixo teor de carbono, aços cementados, aços tratados termicamente, aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos, bem como aços de elevada resistência e ultra-resistência, por exemplo . Em geral, os materiais de aço tubular, que são utilizados para aplicações de hidroconformação, são produzidos a partir de material de chapa plana por perfilagem contínua e soldadura longitudinal de alta frequência para fechar a secção transversal tubular do rolo formado. Tubos com seção transversal circular, bem como perfis que diferem de uma forma circular, podem ser gerados pelo processo de perfilagem utilizando ferramentas de perfilagem adequadas. No entanto, predominantemente produtos semi-acabados com seção transversal circular estão atualmente em uso para a produção de hidroformação de componentes de aço. As dimensões típicas dos tubos de aço convencionais hidroformados são diâmetros externos, d0, entre cerca de 20 mm e 140 mm com relações de espessura de parede para o diâmetro externo, t0/d0, entre cerca de 0,012 e 0,16. Em relação à micro-hidroformação, o mercado fornece atualmente microtubos metálicos formados em rolo e soldados com diâmetros externos mínimos de cerca de 0,2 mm e espessura de parede mínima de cerca de 0,03 mm.
Ao selecionar os tubos apropriados para os processos de hidroformação, deve-se fazer uma distinção entre tubos sem processo de recozimento após a conformação a frio por laminação ou trefilação, tubos trefilados com uma pequena deformação resultante após um processo de recozimento anterior e tubos recozidos após a operação final de conformação a frio. Os processos de estiramento, após a operação de perfilagem, servem para o ajuste do diâmetro final do tubo e/ou espessura da parede, bem como proporcionam um aumento da resistência devido aos efeitos de endurecimento do trabalho.
Os tubos estirados e não recozidos normalmente proporcionam uma reduzida formabilidade nos processos de hidroformação, dependendo das características da liga de aço utilizada e da quantidade de deformação induzida pela operação de estiramento. Os tubos que foram estirados com uma pequena deformação resultante após o recozimento apresentam uma formabilidade a frio dentro de certos limites. A formabilidade a frio mais extensa é obtida pelo uso de tubos que foram recozidos após a operação final de conformação a frio, tais como perfilagem ou trefilação.
Para evitar a ruptura prematura da peça dentro do processo de hidroconformação, é necessária uma qualidade altamente satisfatória do cordão de solda para os tubos conformados em rolo e soldados. Recomenda-se evitar a localização do cordão de solda no componente hidroformado final dentro de áreas onde tensões de tração excessivas devido à expansão estão atuando sobre o componente durante o processo de hidroformação.
Figure 3 mostra exemplos de peças do micro-protótipo hidroformado feitas de tubos de aço inoxidável recozidos em solução. O material inicial do tubo com diâmetro externo de 0,8 mm e espessura de parede de 0,04 mm tinha sido fabricado por processos de laminação contínua e subsequente estiramento e recozimento.
Figure 3. Componentes micro-hidroformados .
No que diz respeito ao uso de ligas de alumínio para aplicações convencionais de hidroconformação, as ligas de alumínio têmpera de trabalho 5000 são atualmente usadas quando é dada prioridade a uma alta quantidade de formabilidade e resistência à corrosão, enquanto que as ligas de alumínio têmpera de precipitação 6000 são aplicadas para componentes que requerem alta resistência, por exemplo, . Em geral, os tubos feitos de ligas de alumínio 5000 são fabricados a partir de material de chapa plana através da formação contínua de rolos com solda longitudinal, enquanto que as ligas de alumínio 6000 são produzidas como perfis extrudados. Os perfis extrudados oferecem vantagens na flexibilidade de design para seções transversais complexas com cantos afiados, múltiplas cavidades e flanges. Entretanto, a reduzida formabilidade desses produtos semi-acabados deve ser considerada ao projetar um respectivo componente hidroformado. Além disso, a seleção de material extrudado para micro-componentes hidroconformados é atualmente restrita pelas dimensões transversais mínimas que podem ser produzidas pelas indústrias relevantes. A fabricação de perfis microextrudados como produtos semi-acabados foi objecto de várias investigações, por exemplo .
Devido à sua elevada relação força/peso, as ligas de magnésio oferecem um grande potencial para componentes com peso reduzido. No entanto, a utilização destas ligas em processos de conformação que trabalham à temperatura ambiente é limitada devido à sua estrutura atómica hexagonal. Uma melhoria na formabilidade é conseguida através da utilização de temperaturas mais elevadas, acima de cerca de 200 °C, quando planos deslizantes adicionais são activados. Neste contexto, várias investigações sobre a hidroconformação convencional de produtos semi-acabados fabricados a partir de ligas de magnésio pelo uso de uma temperatura elevada foram realizadas durante os últimos anos, por exemplo, .
Nos casos em que a hidroconformação é aplicada em tubos com micro-dimensões, devem ser consideradas as potenciais influências no comportamento de conformação, causadas pela relação reduzida entre a espessura da parede do tubo e o diâmetro médio do grão, t0/dk, da microestrutura do tubo. Isto aplica-se independentemente do material do tubo utilizado. Como exemplo, a Figura 4 mostra a microestrutura dos tubos de partida, utilizados para a hidroconformação dos componentes de aço inoxidável apresentados na Figura 3. Uma relação média, t0/dk, da espessura da parede do tubo t0 para o tamanho do grão dk entre 1,54 e 2,56 foi determinada com um pequeno número de grãos individuais com t0/dk ≈ 1 .
Figure 4. Micro-estrutura de um microtubo (material: AISI 304 solução recozida, diâmetro externo 800 μm, espessura da parede 40 μm) , (a) seção no sentido longitudinal do tubo, (b) seção perpendicular ao sentido longitudinal.
O projeto dos processos de hidroconformação, bem como o monitoramento da qualidade do produto semiacabado na produção de hidroconformação requer métodos adequados e confiáveis para obter parâmetros do material que caracterizam o comportamento de conformação. No que diz respeito à hidroconformação de tubos convencionais, predominantemente métodos tradicionais de teste de materiais estão em uso atualmente, tais como testes de tração, métodos de expansão mecânica e análise de grade. Entretanto, a adequação desses métodos é freqüentemente limitada, pois o típico estado de tensão biaxial nos processos de hidroconformação não é, ou é apenas aproximadamente, reproduzido.
O método mais comum em uso para caracterizar o comportamento de conformação do material tubular aplicado é o teste de tração, que é um método padronizado de teste de material uniaxial. Deve ser feita uma distinção entre a aplicação deste teste ao material da chapa inicial antes da conformação do rolo e as peças conformadas e soldadas. Testar o material da chapa inicial significa que as mudanças nas propriedades do material devido ao processo de fabricação do tubo permanecem não consideradas.
Um método para análises de tensão em componentes hidroformados consiste na aplicação de grades circulares ou quadráticas na superfície do produto semiacabado inicial. A distorção medida dos elementos individuais da grelha na peça de trabalho hidroformada permite a determinação das deformações locais, o que proporciona uma avaliação do processo de hidroformação ao comparar as deformações analisadas com a curva limite de formação do respectivo material do tubo, por exemplo, . Há restrições no uso deste método em processos de microhidroformação devido ao tamanho mínimo aplicável da grade em microtubos.
Um exemplo de um método padronizado de teste de expansão mecânica é o teste cônico, onde a extremidade do tubo investigado é expandida por um punção cônico até que ocorra a fratura. Este teste permite a determinação principal da formabilidade, por exemplo, para comparar diferentes lotes de material tubular. Também é possível detectar falhas na superfície do tubo ou no interior do cordão de solda. Ao aplicar este método de teste, deve-se levar em consideração que variações nas condições de fricção ou rugosidade desigual da superfície preparada na face final do tubo influenciam o início da fratura da seção expandida do tubo. A figura 5 mostra os resultados dos microtubos expandidos mecanicamente feitos de aço inoxidável AISI 304 .
Figure 5. Teste de cone de expansão e resultados experimentais.
Para melhorar os métodos de caracterização de tubos para aplicações de hidroconformação, várias investigações têm sido realizadas em testes de expansão de tubos trabalhando com uma pressurização interna do tubo testado, que é fixado em suas extremidades de acordo com a Figura 6. Este teste de dilatação permite determinar a pressão de ruptura pb, o diâmetro de expansão dependente da pressão d(pi) e o diâmetro de expansão dr atingível sob o estado de tensão de tração biaxial. Estratégias para determinar as propriedades dos materiais dos tubos, bem como suas curvas de rendimento com base no teste de dilatação foram desenvolvidas, por exemplo, em Refs. , . Ao aplicar o teste de protuberância, deve-se levar em consideração que a relação entre o comprimento ld do tubo expandido e o diâmetro d0 influencia a pressão necessária para expandir um espécime tubular, se a relação ld/d0 estiver abaixo de um certo limite . O dispositivo de teste de dilatação mostrado na Figura 6 foi desenvolvido para o teste de microtubos com diâmetros externos inferiores a 1 mm e é adequado para aplicar até 4000 bar de pressão interna . A Figura 7 mostra como exemplo os resultados de testes de microtubos realizados com este dispositivo que verificaram a alteração da formabilidade para processos de hidroconformação downscaled, conforme apresentado em .
Figure 6. Dispositivo de ensaio de granulometria para microtubos.
Figure 7. Relação de expansão versus pressão de ruptura dos microtubos de aço inoxidável recozido em solução.