Uma Abordagem Híbrida na Estimativa das Condições Ótimas para a Crimpagem de Terminais Elétricos

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DOI: 10.32749/nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-mecanica/hibrida
Uma Abordagem Híbrida na Estimativa das Condições Ótimas para a Crimpagem de Terminais Elétricos
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DUARTE, Écio Naves [1], SIMÕES, Frederico de Oliveira [2], LIMA, Henrique Junio Martins [3]

DUARTE, Écio Naves; et.al. Uma Abordagem Híbrida na Estimativa das Condições Ótimas para a Crimpagem de Terminais Elétricos. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 03, Vol. 04, pp. 121-137, Março de 2018. ISSN: 2448-0959

RESUMO

A crimpagem de terminais elétricos é largamente empregada na indústria para fixação de conectores à ponta de condutores elétricos, embora o conhecimento de seus princípios mecânicos seja ainda bastante debatido. Essa lacuna teórica é resultado, especialmente, da complexidade do problema. Neste trabalho, buscou-se avançar na compressão desse processo. O foco do estudo foi verificar a influência dos parâmetros de processo na força do punção e na forma do terminal crimpado. Analisou-se o atrito entre ferramenta e terminal e a velocidade do punção. O terminal estudado é conhecido como tipo B ou barril aberto. As experimentações foram realizadas em ambiente computacional, utilizando-se o Método dos Elementos Finitos (MEF). Primeiramente, realizou-se a calibração do modelo em MEF utilizando-se dos dados experimentais coletados por Villeneuve et al. (1996). Com o modelo calibrado, executou-se a Análise de Sensibilidade (AS). Alterou-se um parâmetro por vez, em um intervalo pré-determinado. Os dados coletados mostraram que ambos os parâmetros estudados influenciam sensivelmente na força de crimpagem. Além disso, o atrito revelou-se como o parâmetro que mais interfere na forma do terminal crimpado. O tempo de processamento da simulação se mostrou muito sensível à alteração da velocidade do punção. Este estudo permitiu identificar que ambos os parâmetros estudados são importantes para o resultado do processo de crimpagem.

Palavras-chave: Crimpagem, Terminais Elétricos, Método dos Elementos Finitos (MEF), Análise de Sensibilidade.

Introdução

A crimpagem de terminais elétricos é largamente empregada na indústria de conectores, permitindo a fixação de um terminal à ponta de um condutor elétrico. Apesar disso, o conhecimento de seus princípios mecânicos ainda é bastante debatido. Essa lacuna teórica é resultado, especialmente, da complexidade do processo (DUARTE et al., 2011; ZHMURKIN, 2009).

Destaca-se que pesquisas têm sido realizadas a fim de buscar teorias mais sólidas sobre o problema (ZHMURKIN, 2009). O MEF tem sido muito empregado nesses estudos, principalmente devido à facilidade de análise de problemas com grande número de variáveis, como o processo de crimpagem (DUARTE et al., 2011; ZHMURKIN, 2009; ZHMURKIN et al., 2008; ABBAS, 2003; VILLENEUVE et al., 1996).

Nesse contexto, este trabalho tem por objetivo investigar a influência dos parâmetros de processo na crimpagem de terminais elétricos. Os parâmetros estudados são o atrito entre o terminal e a ferramenta e a velocidade do punção. Para tanto, utilizou-se o MEF, a fim de reduzir os custos e viabilizar as experimentações. Os resultados das simulações permitiram verificar a influência desses parâmetros na força do punção e na forma final do terminal crimpado. Também, quantificou-se essa influência através de análise de sensibilidade paramétrica.

Primeiramente, foi desenvolvido um modelo numérico 2D (duas dimensões) em MEF do processo de crimpagem de terminais elétricos. Durante o desenvolvimento do modelo, buscou-se a sua calibração utilizando-se dos resultados experimentais apresentados por Villeneuve et al. (1996). Em seguida, realizou-se a variação do atrito entre ferramenta e terminal e da velocidade do punção, ambos individualmente.

Por último, analisou-se a influência das alterações na força do punção, no tempo de processamento e na forma final do terminal crimpado. Para quantificar a influência sobre os dados de força do punção e tempo de processamento utilizou-se do índice conhecido como “elasticidade”. Já a análise da forma final do terminal foi feita visualmente.

Modelagem do processo

Atualmente, existem inúmeros modelos de conectores com diferentes geometrias, dimensões e materiais. O terminal estudado neste trabalho é chamado de conector tipo B ou barril aberto (Figura 1). Ele possui garra em formato “U”, como mostrado na Figura 2 (TE CONNECTIVITY, 2017; ZHMURKIN, 2009; ABBAS et al., 2003).

Figura 1: Conector elétrico básico (ABBAS et al., 2003, p. 242).
Figura 1: Conector elétrico básico (ABBAS et al., 2003, p. 242).
Figura 2: Modelo 3D da garra de crimpagem de um conector (ABBAS et al., 2003, p. 242).
Figura 2: Modelo 3D da garra de crimpagem de um conector (ABBAS et al., 2003, p. 242).

Na crimpagem da garra em formato de “U” é empregado um punção com o fundo duplamente curvado e uma matriz curvada, como mostra a Figura 3. Para conformar o terminal, o punção se move contra a matriz, comprimindo a garra do terminal contra o condutor, fixando-os (ABBAS et al., 2003). O terminal estudado possui espessura de 0,36 mm e ponta cunhada com 60% dessa espessura. O cabo possui sete filamentos com 0,31 mm de diâmetro cada. A Figura 3 mostra o modelo do processo utilizado.

Figura 3: Modelo do processo de crimpagem de terminal elétrico.
Figura 3: Modelo do processo de crimpagem de terminal elétrico.

O material do terminal é o C195-HH. Seu gráfico tensão-deformação é apresentado na Figura 4 (linha azul), juntamente com o gráfico tensão-deformação do cabo (linha laranja). Também são apresentados os gráficos tensão-deformação utilizados no modelo em MEF (linhas pontilhadas):

Figura 4: Gráfico tensão-deformação dos materiais do cabo e do terminal (ensaio real (VILLENEUVE et al., 1996) e simulação).
Figura 4: Gráfico tensão-deformação dos materiais do cabo e do terminal (ensaio real (VILLENEUVE et al., 1996) e simulação).

A primeira etapa deste estudo consistiu no desenvolvimento do modelo numérico 2D em MEF, como mostrado na Figura 5. Utilizou-se, para tal, um software em MEF de solução explícito-dinâmica.

Figura 5: Malha do processo de crimpagem estudado.
Figura 5: Malha do processo de crimpagem estudado.

A simulação em MEF foi inicialmente executada com os elementos configurados como Estados Planos de Deformação (EPD). O atrito entre a ferramenta e o terminal foi de 0.20. Porém, os cálculos não convergiram. O processo de cálculo era interrompido com o terminal conformado na altura de 1,65 mm. A dimensão do terminal final esperada seria de 1,25 mm. A Figura 6 mostra o terminal crimpado para EPD no momento da falha. Villeneuve et al. (1996) também obtiveram o mesmo comportamento para EPD.

Figura 6: Forma do terminal crimpado no momento da falha da simulação – configurado como EPD.
Figura 6: Forma do terminal crimpado no momento da falha da simulação – configurado como EPD.

Para contornar o problema de não convergência da simulação, os elementos foram alterados para Estados Planos de Tensão (EPT). A Figura 7 apresenta o resultado da simulação para essa configuração. Nessa simulação, ajustou-se o atrito entre o punção e o terminal para 0.40 e a velocidade do punção para 7,5 m/s. Também foi realizado um pequeno arredondamento das pontas das garras do terminal, a fim de corrigir os erros de convergência da simulação.

Figura 7: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.40 e velocidade do punção de 7,5 m/s.
Figura 7: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.40 e velocidade do punção de 7,5 m/s.

Como já citado, para a calibração do modelo tomou-se como referência os resultados experimentais apresentados por Villeneuve et al. (1996). Os parâmetros analisados foram a forma final do terminal e a força do punção. A forma do terminal simulado (Figura 7) mostrou-se próxima do obtido experimentalmente por Villeneuve et al. (1996) (Figura 8).

Figura 8: Terminal crimpado; dados experimentais: –altura 1,25/1,26 mm –largura 2,25 – 20 GA (VILLENEUVE et al., 1996).
Figura 8: Terminal crimpado; dados experimentais: –altura 1,25/1,26 mm –largura 2,25 – 20 GA (VILLENEUVE et al., 1996).

Em relação à força do punção, a Figura 9 compara os dados obtidos no modelo desenvolvido com os simulados por Villeneuve et al. (1996). O gráfico mostra a força do punção em relação à altura do terminal. Nessas simulações, o terminal foi comprimido até as ferramentas se encontrarem.

Figura 9: Comparação entre a força do punção obtida e a apresentada por Villeneuve et al. (1996).
Figura 9: Comparação entre a força do punção obtida e a apresentada por Villeneuve et al. (1996).

Comparando as forças do punção, observa-se que elas mostraram comportamento e amplitude semelhantes. Vale destacar que elas convergem na faixa de operação real do sistema, com altura de terminal maior e igual a 1,25 mm. Destaca-se que Villeneuve et al. (1996) não apresentam os dados experimentais da força de crimpagem por eles medidos, mas comentam que esse parâmetro apresenta forma e amplitude semelhantes ao obtido em sua simulação.

Em relação à calibração do modelo desenvolvido, é notória a proximidade de seus resultados aos dados experimentais e de simulação apresentados por Villeneuve et al. (1996). Isso permite considerar calibrado o modelo desenvolvido.

Análise de Sensibilidade

Após a calibração do modelo, realizou-se a Análise de Sensibilidade dos parâmetros de processo do modelo em MEF. A AS é um conceito relativamente simples: modifica-se o sistema e observa-se o seu comportamento. Esse método consiste na variação de parâmetros em relação a seus valores de referência. Pode-se variar um parâmetro ou uma combinação de parâmetros por vez. Deve-se analisar a melhor opção para cada caso (PANNELL, 1997).

Neste trabalho, primeiramente alterou-se o atrito entre o punção e o terminal no intervalo entre 0.05 até 1.00 e observou-se sua influência na forma final do terminal, na força de crimpagem e no tempo de processamento. A velocidade do punção para esse experimento foi fixada em 7,5 m/s. As Figuras 10, 11 e 12 mostram a forma final do terminal para diferentes valores de atrito. E as Figuras 14 e 15 apresentam a força do punção durante o processo de crimpagem.

Figura 10: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.05.
Figura 10: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.05.
Figura 11: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.20.
Figura 11: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.20.
Figura 12: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.60.
Figura 12: Terminal crimpado com atrito punção-terminal de 0.60.
Figura 13: Comparação da força de crimpagem para diferentes valores de atrito ferramenta-terminal (todas as simulações).
Figura 13: Comparação da força de crimpagem para diferentes valores de atrito ferramenta-terminal (todas as simulações).
Figura 14: Comparação da força de crimpagem para diferentes valores de atrito ferramenta-terminal (algumas simulações).
Figura 14: Comparação da força de crimpagem para diferentes valores de atrito ferramenta-terminal (algumas simulações).

Em seguida, simulou-se o processo de crimpagem para diferentes valores de velocidade do punção. A variação de velocidade foi de 1,875 a 90 m/s. O atrito entre o punção e o terminal foi mantido em 0.40. Esse valor de atrito foi escolhido por apresentar a melhor formal final do terminal. Da Figura 15 à Figura 19 são mostradas as formas finais do terminal para diferentes velocidades do punção. As Figuras 20 e 21 permitem comparar a força de crimpagem para as diferentes velocidades do punção.

Figura 15: Terminal crimpado com velocidade do punção de 3,75 m/s.
Figura 15: Terminal crimpado com velocidade do punção de 3,75 m/s.
Figura 16: Terminal crimpado com velocidade do punção de 15 m/s.
Figura 16: Terminal crimpado com velocidade do punção de 15 m/s.
Figura 17: Terminal crimpado com velocidade do punção de 30 m/s.
Figura 17: Terminal crimpado com velocidade do punção de 30 m/s.
Figura 18: Terminal crimpado com velocidade do punção de 52,5 m/s.
Figura 18: Terminal crimpado com velocidade do punção de 52,5 m/s.

Figura 19: Terminal crimpado com velocidade do punção de 90 m/s.
Figura 19: Terminal crimpado com velocidade do punção de 90 m/s.
Figura 20: Comparação da força de crimpagem para diferentes velocidades do punção (todas as simulações).
Figura 20: Comparação da força de crimpagem para diferentes velocidades do punção (todas as simulações).
Figura 21: Comparação da força de crimpagem para diferentes velocidades do punção (algumas simulações).
Figura 21: Comparação da força de crimpagem para diferentes velocidades do punção (algumas simulações).

Na Análise de Sensibilidade, após as experimentações, os dados coletados devem ser tratados. Objetiva-se, nessa etapa, identificar os pontos centrais desse conjunto de informações. Para essa tarefa, existem muitos métodos, que variam principalmente quanto ao nível de complexidade.

O método da “elasticidade” é um deles. Esse índice é recomendado para a comparação entre diferentes tipos de parâmetros de entrada, sendo definido como a razão entre as porcentagens de variação do parâmetro de saída e do parâmetro de entrada do sistema. A comparação desse indicador permite um bom apontamento de quais são os parâmetros mais influentes no sistema estudado. Seu cálculo é mostrado nas equações 1 e 2 (PANNELL, 1997):

ou

Além disso, a fim de permitir a comparação gráfica da influência de diferentes tipos de variáveis, é possível a normatização deles, assim como sugerida por Kleijnen (1995a) e Pannell (1997). Essa normatização é realizada segundo cálculo apresentado na equação 3:

Na equação acima, Z é o valor normatizado e a variável “b” é o valor base para X. Neste caso, foi atribuído a “b” o valor mínimo do intervalo de variação de cada parâmetro (0,05 para o atrito e 0,25 para a velocidade do punção).

O resultado da análise gráfica da força de crimpagem para variações do atrito e da velocidade do punção é apresentado na Figura 22. Utilizou-se para comparação a força máxima e a força média do punção durante a deformação do terminal. O cálculo da força média tem o intuito de verificar a influência global da variável de entrada na força do punção.

Figura 22: Gráfico de comparação da influência dos parâmetros estudados na força do punção.
Figura 22: Gráfico de comparação da influência dos parâmetros estudados na força do punção.

Com base nos dados das simulações, analisou-se a elasticidade. Empregou-se nos cálculos o primeiro e o último valor do intervalo de variação de cada parâmetro estudado. A Tabela 1 apresenta os resultados.

Tabela 1: Elasticidade para a força do punção.

Elasticidade
Força média (atrito) 60,69%
Força média (velocidade) 7,65%
Força máxima (atrito) 31,84%
Força máxima (velocidade) 29,48%

 

Também foi analisada a influência dos parâmetros no tempo de processamento, como mostrado na Figura 23 e na Tabela 2.

Figura 23: Variável de entrada normatizada versus tempo de processamento da simulação.
Figura 23: Variável de entrada normatizada versus tempo de processamento da simulação.

Tabela 2: Elasticidade para o tempo de processamento.

Variável Elasticidade
Velocidade do punção -3697%
Atrito 61,96%

 

Discussões

No desenvolvimento do modelo, constatou-se que os elementos configurados como EPT representam melhor o processo de crimpagem de terminais elétricos, se comparados com os elementos configurados como EPD. Isso ocorre, principalmente, pela não convergência da simulação com os elementos configurados como EPD. Possivelmente, a falha da simulação se deve à alta rigidez desses elementos.

As Figuras 7, 10, 11 e 12 permitem observar a influência do atrito na forma final do terminal crimpado. Observa-se nas Figuras 10 e 11 que baixos valores de atrito fazem com que as pontas da garra do terminal enrolem para dentro. Já a Figura 12 mostra que altos valores de atrito fazem com que as pontas do terminal não se fechem completamente, cobrindo parcialmente o condutor. Ambas as condições não são desejáveis por diminuírem a resistência mecânica e o contato elétrico da junção. O valor ótimo encontrado para o atrito, para que as pontas do terminal se fechem sem enrolarem para dentro, ficou em torno de 0.40.

Esse valor de atrito é um pouco maior do que o empregado por Villeneuve et al. (1996). Isso se deve, provavelmente, ao pequeno arredondamento dos cantos realizado nas pontas da garra do terminal para eliminar erros de convergência da simulação.

Destaca-se, também, que o aumento do atrito gera redução da espessura das extremidades inferiores laterais do terminal crimpado. Isso pode ser observado na área destacada pelo círculo vermelho da Figura 12. Esse fenômeno não ocorre para baixos valores de atrito. Provavelmente, a redução do atrito entre a parede lateral do punção e o terminal corrigiria esse problema. É possível que esse tenha sido o motivo para Villeneuve et al. (1996) utilizarem diferentes valores de atrito para a parede e para o fundo do punção.

Já as Figuras 7, 15, 16, 17, 18 e 19 permitem observar a influência da velocidade do punção na forma final do terminal. Por inspeção visual, observa-se que esse parâmetro não causou grandes variações na conformação final do terminal.

Em relação à influência na força do punção, a Figura 13 e a Figura 14 mostram que o aumento do atrito aumenta a força de crimpagem. Esse aumento se mostra tanto na força máxima como na força média. E, com base nas Figura 20 e 21, observa-se que a força de crimpagem também tende a aumentar com o aumento da velocidade do punção. Percebe-se, também, que o aumento da velocidade desloca o pico de força do punção. Esse passa a ocorrer pouco antes do punção concluir o seu curso, e há uma grande redução da força de crimpagem no instante final do processo para as altas velocidades do punção.

Ao se comparar o efeito do atrito punção-terminal e da velocidade do punção (mostrado na Figura 22), observa-se que ambos influenciam a força do punção. Percebe-se que a força máxima do punção tende a aumentar com o aumento de ambas as variáveis de entrada. Já a força média tende a aumentar com o aumento do atrito, e é insensível à variação de velocidade.

A elasticidade, apresentada na Tabela 1, reforça essas observações. A força média do punção apresentou elasticidade de 60,69%, para a variação do atrito de 0,05 para 1,0. Já esse índice é de apenas 7,65% para a variação da velocidade do punção de 1,875 para 90 m/s. Em relação à força máxima do punção, essa apresentou uma elasticidade de 31,84% com a variação do atrito e de 29,48% com a variação da velocidade do punção.

Para o tempo de processamento da simulação, a velocidade do punção é a variável que possui maior influência (como apresentado na Figura 23.

Percebe-se que quanto maior a velocidade do punção, menor será o tempo de processamento. A Tabela 2 mostra que a variação da velocidade do punção de 1,875 m/s para 90 m/s resultou em uma elasticidade de -3697%, e que a variação do atrito de 0,05 para 1 produziu uma elasticidade de apenas 60%.

Conclusões

A partir dos resultados apresentados e discutidos é possível concluir que:

  • Os elementos do MEF configurados em EPT representam melhor o processo de crimpagem de terminais elétricos em relação aos elementos configurados em EPD. Embora, como ressaltaram Villeneuve et al. (1996), a simulação mais fiel do processo de crimpagem é um meio termo entre essas duas formas de análise numérica;
  • O atrito entre ferramenta e terminal se mostrou a variável estudada que indiscutivelmente mais influencia na forma final do terminal crimpado;
  • Ambas as variáveis de entrada influenciam visivelmente na força máxima do punção durante o processo de crimpagem. A variação desses parâmetros no intervalo estudado resultou em elasticidade próxima de 30%;
  • Já em relação à intensidade de força média do punção durante o processo, o atrito é o parâmetro que mais interfere, com elasticidade próxima de 60%;
  • Destaca-se, também, que a velocidade do punção interfere drasticamente no tempo de processamento. O aumento da velocidade do punção de 1,875 para 90 m/s gerou uma elasticidade de -3697%, muito superior aos outros valores de elasticidade apresentados neste trabalho.

Agradecimentos

Agradecemos à Rede de salas CIMNE, em especial à SALA IFSP/CIMNE, que está no âmbito do acordo de cooperação técnico-científico do IFSP com a Universidade Politécnica da Catalunha (UPC), onde este estudo foi feito.

Agradecemos ao Dr. Fernando Rastellini, Diretor Técnico de Pesquisa e Desenvolvimento da QUANTECH ATZ, por toda ajuda e disponibilidade quanto à utilização do software STAMPACK®.

Agradecemos ao Dr. Engênio Onãte, Diretor do CIMNE, ao Me. Gerardo Socorro, Gerente de Desenvolvimento de Interface Gráfica do Usuário da QUANTECHATZ, e a Dra. Sonia Aparecida Goulart de Oliveira, Professora Associada da Universidade Federal de Uberlândia, sem os quais este trabalho não seria possível.
Agradecemos ao IFSP pelo apoio na realização deste trabalho.

Referências

ABBAS, Mickaël et al. Advanced numerical simulation of the crimping process of electric connectors. In: Recent Advances in Integrated Design and Manufacturing in Mechanical Engineering. Springer Netherlands, 2003. p. 241-250.

DUARTE, Écio N. et al. Estudo de Caso do Processo de Crimpagem em Terminais Eletromecânicos. Sinergia, São Paulo, v. 12, n. 2, p. 190-198, 2011.

PANNELL, David J. Sensitivity analysis: strategies, methods, concepts, examples. Agric Econ, v. 16, p. 139-152, 1997.

TE CONNECTIVITY. Terminals & Splices Products. Acessado em: <http://www.te.com/usaen/plp/terminalssplices/Y30Ax.html>. Disponível em: 2 de junho de 2017.

VILLENEUVE, Gary et al. Dynamic finite element analysis simulation of the terminal crimping process. In: Electrical Contacts, 1996. Proceedings of the Forty-Second IEEE Holm Conference on. Joint with the 18th International Conference on Electrical Contacts. IEEE, 1996. p. 156-172.

ZHMURKIN, Dmitry V. et al. 3-dimensional numerical simulation of open-barrel crimping process. In: Electrical Contacts, 2008. Proceedings of the 54th IEEE Holm Conference on. IEEE, 2008. p. 178-184.

ZHMURKIN, Dmitry V. 3-dimensional numerical simulation of open-barrel crimping process – Study of the Effect of Serrations. In: Electrical Contacts, 2009. Proceedings of the 55th IEEE Holm Conference on. IEEE, 2009. p. 114-120.

[1] Doutor em Engenharia Mecânica/UFU – Docente do IFSP – Campus Bragança Paulista

[2] Tecnólogo em Eletrônica Industrial/IFSP – Campus Bragança Paulista – Docente do IFSP – Campus Bragança Paulista – Discente do curso de Mestrado em Automação e Controle de Processos IFSP – Campus São Paulo

[3] Discente de Tecnologia em Mecatrônica Industrial IFSP – Campus Bragança Paulista

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