Modelação e simulação do processo de têmpera a vácuo em aços ferramenta

Abstract

Com a evolução das necessidades da Humanidade, é necessário aperfeiçoar os processos produtivos e os tratamentos térmicos de modo a garantir uma resposta mais eficiente. A têmpera a vácuo é um tratamento térmico que permite temperar peças em aço ferramenta mantendo um bom acabamento superficial. Porém, este processo de elevada complexidade e custo está sujeito a grandes gradientes térmicos, induzindo elevadas deformações e tensões residuais, podendo resultar em fissuras e na inutilização da peça tratada. A modelação numérica e simulação pode prever o processo de tratamento térmico de tempera a vácuo de forma a minimizar os problemas inerentes a este e a obter o seu controlo ótimo. Porém, a simulação deste processo é de elevada complexidade devido a todos os parâmetros necessários e não tem sido alvo de estudo da comunidade científica. Este trabalho tem como objetivo (i) a modelação numérica de um processo de têmpera a vácuo através do método dos elementos finitos em regime transiente e (ii) a determinação das condições de fronteira. A metodologia utilizada para determinação das condições de fronteira recorre a um balanço energético para obter um valor médio de coeficiente de transferência de calor. Partindo deste, desenvolveu-se um método de calibração por ajuste a resultados experimentais que permite obter os coeficientes de convecção dependentes da orientação das superfícies. As metodologias desenvolvidas foram validadas através de duas peças distintas: uma peça de geometria cúbica e um molde de geometria complexa. Obtiveram-se resultados térmicos muito próximos dos experimentais e previu-se a evolução das tensões e deformações plásticas ao longo de todo o processo. A simulação numérica demonstra-se útil para o aumento de eficiência do processo de tempera a vácuo.

With the increase of Humanity requirements, it is compulsory to improve the production processes and thermal treatments in order to guarantee a more efficient response. Gas quenching is a heat treatment that allows quenching tool steel parts while maintaining a good surface finish. However, this high cost and complex process undergoes large thermal gradients, inducing high deformations and residual stresses, which can result in cracking and the destruction of the treated part. Numerical modeling and simulation can predict the gas quenching heat treatment process in order to minimize inherent problems and to obtain its optimum control. However, the simulation of this process is highly complex due to all the necessary parameters and has not been appropriately studied by the scientific community. The main goal of this work is (i) the numerical modeling of a gas quenching process using the transient finite element method and (ii) the determination of its boundary conditions. The methodology used to determine the boundary conditions uses an energy balance to obtain an average value of heat transfer coefficient. From this, a calibration method was developed in order to fit the experimental results and, consequently, obtain the convection coefficients dependent on the orientation of the surfaces. The methodologies developed were validated through two distinct parts: a cubic and a complex geometry mold. Thermal results were obtained quite similar to the experimental ones. The stresses and plastic deformations evolution was predicted throughout the whole process. It was demonstrated that the numerical simulation is useful for the efficiency increase of the gas quenching process.