PROCESSOS DE ESTAMPAGEM

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1 5 PROCESSOS DE ESTAMPAGEM 1. Introdução Por estampagem entende-se o processo de fabricação de peças, através do corte ou deformação de chapas em operação de prensagem a frio. Emprega-se a estampagem de chapas para fabricar-se peças com paredes finas feitas de chapa ou fita de diversos metais e ligas. As operações de estampagem podem ser resumidas em três básicas: corte, dobramento e embutimento ou repuxo. corte repuxo A estampagem da chapa pode ser simples, quando se executa uma só operação, ou combinada. Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricam-se peças de aço baixo carbono, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e de diferentes ligas não ferrosas. Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para as grandes séries de peças, obtendo-se grandes vantagens, tais como: Alta produção Reduzido custo por peça Acabamento bom, não necessitando processamento posterior. Maior resistência das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material. Baixo custo de controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a detecção de desvios. Como principal desvantagem deste processo, podemos destacar o alto custo do ferramental, que só pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada.. Operações de estampagem dobramento Corte: Consiste em separar-se de uma chapa, mediante golpe de prensa, uma porção de material com contorno determinado, utilizando-se ferramental apropriado denominado estampo de corte Dobra: Como seu nome indica, consiste em obter uma peça formada por uma ou mais dobras de uma chapa plana. Para isto, é utilizada uma ferramenta denominada estampo de dobra. Embutimento ou repuxo: Esta operação tem como finalidade obter peças em forma de recipientes, como canecas, caixas e tubos; obtidas pela deformação da chapa, a golpes de prensa e empregando ferramental especial denominado estampo de repuxo. 3. Nomenclatura básica da ferramenta de estampagem

2 53 Punção: é o elemento da ferramenta que provoca a perfuração através de movimento e força transmitidos pela prensa. Matriz: é o elemento da ferramenta que fica fixo na base da prensa e sob o qual se apóia a chapa. Folga: é o espaço existente entre o punção e a matriz na parte paralela de corte. Alívio de ferramenta: é o ângulo dado à matriz, após a parte paralela de corte, para permitir o escape fácil da parte cortada. colunas guias punção porta-punção guia matriz extrator 4. Operações de corte As operações de corte de chapas de metal são obtidas através de forças de cisalhamento aplicadas na chapa pêlos dois cantos da ferramenta criando tensões internas que, ultrapassando o limite de resistência ao cisalhamento do material, provocam a ruptura e finalmente a separação. O corte é realizado fundamentalmente em três etapas: a) Deformação plástica b) Redução de área c) Fratura Quando o punção pressiona a chapa, o material começa a deformar-se até que o limite elástico seja ultrapassado, então o material deforma-se plasticamente e penetra na matriz, formando uma calota na parte inferior. Com a manutenção da aplicação da força pelo punção, o metal continua a penetrar na matriz, reduzindo a área na região do corte (extricção).

3 54 Aí se inicia a fratura, que começa no canto de corte do punção, para logo em seguida iniciar-se no canto de corte da matriz. Com o aumento da penetração do punção, a fratura prolongar-se-á e as duas fraturas, eventualmente, encontrar-se-ão, quando, então, podemos dizer que o corte ocorreu por cisalhamento puro. Caso isto não aconteça, a parte compreendida entre as duas fraturas iniciadas por cisalhamento será "rasgada", por esforço de tração. As partes rompidas por cisalhamento terão um acabamento liso e brilhante, enquanto que a parte rasgada por tração terá um acabamento áspero e sem brilho. punção chapa trincas matriz ruptura tração cisalhamento 4.1.Folga entre o punção e a matriz A folga entre o punção e a matriz tem uma função muito importante, pois dela depende o aspecto da peça acabada, a força necessária para o corte e o desgaste da ferramenta. Quando a folga é correta, os inícios das fraturas que começam no canto de corte do punção e da matriz, depois de prolongarem-se, encontrar-se-ão no mesmo ponto, produzindo uma peça sem rebarbas. Essa folga depende do material, bem como de sua espessura. Segundo Oehler, a folga ideal pode ser obtida através das seguintes fórmulas empíricas: Para chapas de até 3 mm de espessura: f = 0, 01 e 0, 015) Ks Para chapas com mais de 3 mm de espessura: f = 0, 005 e Ks onde: e = espessura da chapa e Ks = tensão de ruptura ao cisalhamento do material. ( 4..Força necessária para o corte O esforço de corte é obtido multiplicando-se a área da seção a ser cortada pela resistência ao cisalhamento do material. Como a área da seção a ser cortada é igual à espessura da chapa multiplicada pelo perímetro de corte, podemos dizer que: L Fc = e.l.ks e Onde: Fc = Força de corte (Kgf) e = espessura da chapa (mm) L = perímetro de corte (mm) Ks = tensão de ruptura ao cisalhamento (Kgf/mm) A seguir damos o valor de Ks para alguns metais.

4 55 Na falta do valor exato Ks pode ser tomado como sendo 0,8 da tensão de ruptura à tração do material. 4.3.Força de sujeição Metal. Ks (Kgf/mm) recozido Ks (Kgf/mm) encruado Aço, 0,1%C 4 3 Aço, 0,% Aço, 0,3% Aço, 0,4% Aço, 0,6% 55 7 Aço, 0,8% Aço, inoxidável Alumínio 99 e 99,5 7 a 9 13 a 16 Prata e Monel (liga de níquel) 8 a a 56 Bronze 33 a a 60 Cobre 18 a 5 a 30 Estanho Zinco 1 0 Chumbo 0 03 Algumas vezes a tira a ser cortada fica presa através de um sujeitador ou prensa- chapa ligado ao mecanismo do punção e acionado pela pressão dada por molas. Podemos considerar que, para condições médias de folga e afiação das ferramentas, o esforço de sujeição varia de 5 a 1% do esforço de corte e na prática, quando não se conhece o valor exato, utiliza-se 10%. Assim, nesse caso, a força total de corte será igual a 1,1.Fc sujeitador com molas 4.4. Redução da força de corte Muitas vezes é interessante procurar-se diminuir o esforço de corte, com o intuito de minimizar a necessidade de grandes prensas. Isto pode ser feito através de um ângulo no punção ou na matriz, de maneira a diminuir a área de resistência ao corte. A redução do esforço de corte pode ser demonstrada conforme segue: O trabalho requerido para cortar uma chapa de metal pode ser calculado pela fórmula básica: Trabalho = Força x distância em que a forca atua

5 56 No caso do punção de face reta, à distância percorrida pelo punção para executar o corte será igual à espessura da chapa (e). Portanto: Tc1 = Fc1 x e No caso do punção de face angular à distância percorrida pelo punção para executar o corte completo será igual a (e + c), conforme desenho Assim: Tc = Fc x (e + c) Como o trabalho para executar o mesmo corte não varia, (Tc1 = Tc) e como a distância percorrida pelo punção com face angular é maior, para manter-se a igualdade, a força de corte, neste caso, necessariamente, terá que ser menor. Tc1 = Fc1 x e Tc = Fc x (e + c) Tc1 = Tc (e + c) > e Portanto: Fc < Fc1 O ângulo de inclinação dado na face do punção não deve ultrapassar a 18 graus Exercícios de aplicação a) Desejamos cortar,simultaneamente,dez discos de 30 mm de diâmetro, em chapa de aço carbono para estampagem, com 0,1% C, de mm de espessura. Calcular o valor da força total de corte. Solução : Fc = e x L x Ks 10 L= π d da tabela Ks = 4 Kgf/mm Assim: Fc = π = 4540kgf b) No problema anterior, calcular o ângulo que deveria ter a face do punção para que pudéssemos cortar 10 discos, simultaneamente, usando-se uma prensa de 30tf. Solução: Tc1 = Fc1 e = 4540 = 90480kgf. mm Tc= Fc ( e + c) 30 α Tc1 = Tc = Fc = 30000kgf 1,0 Portanto: = ( +c ). Assim: c = 10, 10, 0 Portanto: tgα = = tg0, 034 = 1, 947 α = Estudo do "layout" para o melhor aproveitamento das chapas Podemos obter uma importante economia de material, particularmente quando se tratar de grandes séries de peças, se estudarmos, cuidadosamente, a posição que deve ocupar a peça na tira de chapa. Além do aspecto relativo à redução de retalhos e sobras em geral, muitas vezes é importante considerar-se também o sentido de laminação da chapa, para obter-se uma resistência mecânica adequada da peça. Um bom arranjo da peça na tira também pode contribuir para um aumento de produtividade, bom acabamento das peças, ao mesmo tempo que pode propiciar o uso de ferramentas mais simples. Para termos a melhor disposição possível da peça na tira devemos seguir as seguintes regras: Separação entre as peças A separação que deve deixar-se entre peças ou entre essas e as bordas da tira varia de acordo com a espessura da chapa e o formato da peça. É importante observar que o retalho de chapa deve manter sempre a rigidez, pois caso contrário haverá problemas de posicionamento da tira na ferramenta com conseqüentes interferências, produtos incompletos, engripamentos da ferramenta, etc. Normalmente adotam-se como distanciamentos mínimos os que se seguem:

6 57 S = distância ou sobra de material e = espessura da chapa S = x e: se os lados de duas peças consecutivas são paralelos, portanto a separação das peças é constante. S = e: quando a separação mínima entre duas peças é somente num ponto, (por exemplo, formatos circulares). O mesmo critério é empregado para distância mínima entre as bordas da tira e a peça. Qualquer que seja e, sempre devemos ter S > 0,5 mm. Em alguns casos, quando o formato da peça permite, pode-se conseguir um aproveitamento máximo não se deixando retalho entre as peças, conforme mostra a figura abaixo. Modos de disposição das peças na tira A princípio a disposição das peças na tira é feita através de uma das seguintes formas: Reta Inclinada

7 58 Invertida A disposição invertida exige que a tira do metal passe duas vezes pela mesma ferramenta, sendo que da segunda vez a tira deve ser invertida. Outra alternativa é dispor de uma ferramenta equipada com dois punções, para corte simultâneo das duas peças. Essa solução acarretará aumento no preço da ferramenta e na exigência de prensas mais potentes para execução do corte. Múltipla Para descobrir-se qual a melhor disposição para determinada peça, o método mais prático, se não tivermos acesso a um software adequado, é o de recortar-se modelos da peça em cartolina e distribuí-los de várias formas sobre papel milimetrado, até encontrar-se a disposição que seja a mais econômica. Para tanto devemos considerar: área efetiva ocupada pela peça, perdas nos extremos da tira, custo da ferramenta, produtividade, etc. Em determinados casos pode ser altamente vantajoso alterar-se o desenho da peça de forma a melhorar-se substancialmente o aproveitamento da tira. Veja o exemplo ao lado, onde uma pequena alteração, que não influiu na aplicação da peça resultou numa melhor utilização da chapa.

8 59 1 Outras vezes, as peças são mais complexas e há necessidade de operações sucessivas para obtenção da peça. Aí também um bom estudo de layout pode levar a uma economia expressiva de material, conforme mostra o exemplo ao lado. Repare que a peça 1 está sendo produzida a partir do retalho da peça Exercícios de aplicação a) Calcular qual das disposições: Paralela, oblíqua ou invertida apresenta o melhor aproveitamento da tira de chapa (menor área ocupada), para a fabricação da peça abaixo. Solução: Disposição paralela P = 17 + = 19mm L = = 34mm A = = 646mm

9 60 Disposição inclinada a = = 707, mm P = + 7, 07 = 9, 07 d = 30 sen 45 = 1, 1mm f = 17 sen 45 = 1, 0mm L = 1+ 1, 1+ 1, = 35, 3 A = L P = 35, 3 9, 07 = 319, 54mm Disposição invertida P = 17 + = 19mm L = = 41mm L P! 9 41 A = = = 389, 50mm Assim, nesse exercício, o melhor aproveitamento dá-se na disposição inclinada. 5. Operações de dobramento Consiste na deformação da chapa ou tira, de forma a obter-se uma ou mais curvaturas através da aplicação de esforços de flexão. Dizemos, então, que o material está submetido a um estado duplo de tensão.

10 Características da operação de dobramento Como todo material submetido à flexão, a chapa dobrada é solicitada por tração no lado externo da dobra e por compressão no lado interno, caracterizando o estado duplo de tensão. Assim sendo, as tensões a que está sujeito o material são decrescentes das faces externas em direção ao núcleo da peça e, como as mesmas são de sentido inverso haverá uma linha onde essas tensões se anulam, que é chamada de linha neutra (L.N.). Esta linha é importante na operação de dobramento, pois como aí a tensão é zero ela não sofre alteração de comprimento durante a deformação, o que não acontece com as partes que estão sendo tracionadas e comprimidas que, aumentam ou diminuem de comprimento, respectivamente, após a operação. É através da linha neutra que se calculam as dimensões do desenvolvimento ( blank ), ou seja, da tira antes do dobramento. Quando se inicia o dobramento, a linha neutra está localizada no centro da espessura da tira e, conforme operação vai sendo executada, sua tendência é deslocar-se em direção ao lado interno da curvatura (lado da compressão). 5.. Determinação da posição da linha neutra (LN). Como valores práticos para localização da LN,em função da espessura da chapa, podemos citar: espessura da chapa (e) posição em relação ao lado interno da dobra até mm 1.e acima de mm até 4 mm 37.e acima de 4 mm 13.e Determinação experimental da linha neutra: Para determinação exata da posição da LN, é necessário fazer-se o dobramento de uma tira de chapa, de comprimento L e espessura e conhecidos, com um raio r de dobramento desejado, como mostra a figura abaixo. L l e h R

11 6 πr Assim, teremos: L = a + + b 4 onde: a = l e r b = h e r R = raio na L. N. Multiplicando a expressão por vem: L = a + π R+ b R = ( L a b Chamando-se à distância da linha neutra à face interna da dobra de x, vem: π ) R = r + x x = R r x = Exemplo de aplicação: ( ) L l h π r Determinar a distância entre a LN e a face interna da dobra de uma tira de aço de 100 x 0 x 3 mm, que uma vez dobrada, ficará com as dimensões indicadas a seguir: 5.3. Cálculo do desenvolvimento πr 100 = a + + b 4 onde: a = = 40 b = = 50 R = raio na L. N. ( R = π x = R r, assim: x = ( π ) ) 5= 13, mm Para obter-se uma peça dobrada temos que partir de um esboço plano, cortado com dimensões adequadas, denominado desenvolvimento da peça. Este desenvolvimento é calculado, baseado na linha neutra da peça, pois essa não muda de comprimento após a deformação da chapa. Assim, para o cálculo do desenvolvimento, basta determinar o comprimento da mesma. Exemplo de aplicação Calcular o desenvolvimento da peça desenhada a seguir, construída em chapa de mm de espessura. Como a espessura da chapa é de mm, podemos considerar a LN no centro da chapa (LN = 1/.e)

12 63 Cálculo do desenvolvimento: AB = 8 - (3 + ) = 3 mm BC = πr/4 = 1/.π. (3 +1) = 6,8mm CD = 15 - (5 + 5) = 5 mm DE = BC = 6,8 mm EF = 40 - (3 + ) = 35 mm FG = πr/ = π. (5 + 1) = 18,84 mm Portanto, o desenvolvimento terá o seguinte comprimento: L = 3 + 6, , ,84 = 74,40 mm 5.4. Deformação durante o dobramento No dobramento de tiras de seção retangular, os lados do retângulo são formados pela largura da tira e pela sua espessura. Quando chapas espessas são dobradas com raios de curvatura pequenos, este retângulo é distorcido para um trapézio, onde o lado interno à curvatura tem suas dimensões aumentadas, devido aos esforços de compressão e o lado externo tem suas dimensões diminuídas, devido aos esforços de tração Raio mínimo de dobramento Quanto menor o raio de dobramento maiores serão as tensões a que o material ficará submetido. Para que não haja início de trinca ou esmagamento, as tensões máximas de tração e compressão atingidas nas partes externas e internas da curvatura nunca devem atingir a tensão limite de ruptura. Assim, o raio mínimo de dobramento deve ser limitado de forma a evitar esta ocorrência. Existem fórmulas empíricas para a determinação do raio mínimo, mas na prática utilizam-se valores obtidos experimentalmente. Para o aço doce recomenda-se Rmin > e, onde e é a espessura da chapa.

13 Retorno elástico (Spring back) No dobramento sempre deve ser levado em conta o fato que, após cessado o esforço do punção sobre o material, haverá um certo retorno da peça dobrada, ficando a dobra com um ângulo maior que o obtido no momento da pressão da ferramenta. Esse retorno é devido à componente elástica do material, pois a deformação plástica permanente é conseguida apenas nas fibras mais externas do material, permanecendo às próximas à linha neutra no estado elástico. O ângulo de retorno depende, principalmente, do material, de sua espessura e do raio de curvatura Normalmente ele varia de 1 a 10 e, para ter-se uma idéia de seu valor, convém realizar-se um ensaio prévio de dobra. Portanto, as ferramentas de dobra devem ser feitas com ângulo que compensem esse retorno. Nos dobramentos de perfis "U" o fundo é feito levemente côncavo para compensar a ação elástica do material Folga entre punção e matriz A folga entre o punção e a matriz deve ser igual à espessura da chapa, a menos que a chapa vá ser submetida a um efeito de cunhagem, o que aumentará significativamente as forças necessárias para o dobramento. Como a espessura da chapa pode variar dentro das tolerâncias de usina, isto deve ser considerado no dimensionamento da folga. Normalmente costuma- se acrescentar 10% da espessura para compensar essas tolerâncias. Usando-se esse critério a folga será igual a 1,1 e 5.8. Força de dobramento Para o cálculo da força necessária para realizar-se um dobramento é preciso saber como será realizado o mesmo pois, conforme o desenho da ferramenta, haverá uma variação nessa força. Assim sendo apresentaremos três tipos básicos de dobramento mostrando o roteiro que deve ser seguido para determinação dessa força. Para qualquer outro tipo de dobramento não analisado aqui, o roteiro a ser seguido é o mesmo. O cálculo da força de dobramento é feito baseado nos carregamentos padrões de uma viga, conforme visto em resistência dos materiais. Assim, para calcularmos a força de dobramento devemos associar o tipo de dobramento com um correspondente carregamento de uma viga. A seguir mostramos o cálculo da força de dobramento (F D ) para dobras em "V", "L" e "U". Dobramento em "V"

14 65 Da resistência dos materiais vem: Mfmax Onde: Fd l Fd l = = 4 Mfmax = momento fletor máximo Fd = força de dobramento l = comprimento livre entre apoios na matriz. Por outro lado sabemos também que: Mf = W.σ f Onde: W = módulo de resistência, que depende do formato da seção que está sendo dobrada. σf = tensão de flexão do material, considerada normalmente como sendo duas vezes a tensão de ruptura à tração do material. Para o caso de seções retangulares, como a de uma chapa: W = be., onde: 6 b = largura da tira e = espessura da tira be Substituindo, temos: Mf =.. σ f 6 Igualando-se teremos: Fd l b e.. be f =. σ f Portanto: Fd =.. σ ,. l Dobramento em "L" Da resistência dos materiais vem: Mfmax = Fd. l Onde: l =comprimento livre entre o punção e o engastamento da tira na matriz. Da mesma forma que no exemplo anterior temos: Mf = W.σ f e, para tiras de chapas: W = be. 6 Portanto: Mf be =.. σ f 6 Igualando-se teremos: Fd. l = be. 6. σ f Portanto: Fd be f =.. σ 6. l Quando l = e vem: Fd be f =..σ 6 Dobramento em "U"

15 66 Este tipo de dobramento pode ser considerado como um duplo dobramento em "L", com l = e Assim: Fd be.. σf be.. σf =. = 6 3 Exemplos de aplicação: a) Calcular a força necessária para o dobramento em "U" de uma tira de chapa de aço de σf = 50 kgf mm, de largura 10 mm e de espessura mm. Solução: be..σf Fd = = = 4000 kgf 3 3 b) Calcular a força necessária para o dobramento em "V" de uma tira de chapa de aço de σf = 50 kgf mm, de largura 10 mm e de espessura mm. Solução: Para executarmos este tipo de dobramento é necessário saber-se o comprimento livre entre apoios (l), que depende do projeto da ferramenta. Recomenda-se l entre 15 a 0 x e, onde e é a espessura da chapa. Para o presente problema adotaremos = 15 e, portando: l = 15 x = 30 mm. be.. σf Assim: Fd = = = 533, 33kgf 15,. l 15, Sujeitador Nas operações de dobramento poderá haver a necessidade de manter-se a tira de chapa presa firmemente, para evitar que a mesma desloque-se durante a operação. Sujeitador Para isso, poderá ser usado um prensa-chapa ou sujeitador de ação por molas. Normalmente, o valor dessa força de sujeição pode ser considerado como sendo 0,3 Fd.

16 67 6. Operação de embutimento ou repuxo 6.1. Introdução A operação de repuxar consiste em obter-se um sólido, de forma qualquer, partindo-se de um desenvolvimento de uma chapa plana. O estudo do fluxo do metal nesta operação é bastante complexo, pois aparecem estados duplos e triplos de tensão. As possibilidades de repuxar começam no limite elástico e terminam um pouco antes do limite de ruptura. Portanto, quanto maior for a diferença entre o limite elástico e o de ruptura, maiores serão as possibilidades de repuxar determinado aço. A chapa de aço para operações de repuxar deve ter um limite elástico bastante baixo (18 a 1 kgf / mm ) uma carga de ruptura a mais elevada possível (35 a 4 kgf / mm ), com um coeficiente de alongamento em torno de 33 a 45%. Nesta operação, ao contrário das precedentes, praticamente todo o volume da peça sofre tensões e é encruado, exceto o fundo da peça, que serviu de apoio à face do punção. De forma geral, o encruamento melhora a qualidade do produto acabado. Por exemplo, partes de carroceria de automóvel, onde são feitas deformações com a finalidade específica de encruar a chapa, aumentando a resistência a rupturas, a deformações. Por outro lado, encruamentos excessivos devem ser evitados, pois isso tornará a peça frágil. A figura acima mostra as tensões a que está sujeita uma peça repuxada. Enquanto as paredes verticais estão sendo tracionadas, a área plana do desenvolvimento está tendo sua circunferência reduzida através da atuação de forças de compressão. Como, geralmente, a chapa é fina, as forças de compressão tendem a flambar a chapa na zona plana, o que origina ondulações e rugas nesta área. Para evitar-se este fenômeno utilizam-se prensa-chapas, o que implica no aparecimento de forças de atrito entre este e a chapa que está sendo repuxada. 6.. Determinação do desenvolvimento de uma peça embutida Para esta determinação é necessário conhecer-se tanto o formato como as dimensões do desenvolvimento. Para peças de seção circular sabe-se que o formato do desenvolvimento é um círculo. Caso contrário, sua determinação nem sempre é fácil, exigindo cálculos por computador ou sendo muitas vezes calculado por aproximação ou de forma experimental. As dimensões do desenvolvimento, são calculadas baseado na igualdade das áreas superficiais do desenvolvimento e da peça. Como a espessura da chapa praticamente não varia e o volume do material permanece constante durante o processo, podemos concluir que a área da superfície da peça é igual a do desenvolvimento. Assim temos: Speça = Sdesenvolvimento

17 68 Para o cálculo da área da superfície da peça repuxada devem ser utilizadas as dimensões na linha neutra, como visto para a operação de dobramento Exemplos de aplicação para peça com seções circulares a )Calcular o desenvolvimento da seguinte peça: Solução: Desprezando-se o raio de curvatura, a área da superfície da peça vale: πd Sp = + πdh 4 Como a peça tem seção circular o seu desenvolvimento é um círculo de diâmetro D. Assim: Sd D = π 4 Igualando-se as áreas teremos: πd πd = + πdh 4 4 Portanto: D = d + 4 dh b) Calcular o desenvolvimento da seguinte peça: Solução: Para a determinação das áreas de superfícies complexas devemos decompô-las em uma série de áreas simples. Assim, para a peça do problema teremos: π.. rd π S1 =. π. r =. π. 5 = 1570, 10mm S = π. d. h = π = 75398, mm S3=. π. r =. π. 30 = , mm Sp = S1+ S + S3 = 1570, , , 86 = 14764, 78mm Como a peça tem seções circulares, seu desenvolvimento será um círculo Assim: Sd π. D 14764, 78 4 = = 14764, 78mm D = = 137, 11 mm 4 π A seguir são dadas algumas áreas de superfície

18 Exemplo de aplicação para peça de seção retangular Para o cálculo do desenvolvimento neste caso, a peça, desenhada abaixo, deve ser decomposta em regiões com raios (cantos) e regiões de dobramentos em linhas retas. Onde existem raios, a forma de cálculo do desenvolvimento é similar ao de uma peça cilíndrica e nas partes retas calcula-se como se fosse o desenvolvimento de uma peça dobrada. Cálculo do desenvolvimento Inicialmente é desenhado o retângulo ABCD de lados = a 1 = a - r e b 1 = b- r A partir de cada um dos lados deste retângulo devem ser marcadas as distâncias Π.r/ + h 1, onde h 1 = h - r. Desta forma obtemos a seguinte figura: Π.r/ h 1 Para completar o desenvolvimento devemos traçar, a partir dos pontos ABCD quatro quartos de círculo com diâmetro D, que corresponde ao diâmetro do desenvolvimento de um cilindro de raio R. com cantos arredondados no fundo, de raio r e altura h. Assim,teremos: ( ) D = 4R + 8R h + 057r onde: h 1= h - r 1,

19 70 As concordâncias necessárias para evitar-se cantos vivos, que ocasionariam defeitos nas peças são feitas sem alteração da área total do desenvolvimento, conforme mostra o croqui abaixo Força de embutimento Não é fácil calcular o esforço necessário para a operação de embutimento de uma peça, pois são muitos os fatores que interferem, tais como: tipo de material, espessura da chapa, profundidade do embutimento, raios da matriz e do punção, acabamento superficial dos mesmos, lubrificação, etc. Porém, é certo que a força de embutimento deve ser menor que a necessária para o corte do fundo da peça. Assim, praticamente, podemos dizer que a força de embutimento (Fé) pode ser obtida multiplicandose a força de corte (Fc) por um coeficiente m, menor que 1, tabelado em função da relação d/d. Portanto, para corpos cilíndricos teremos: w w 6.5. Embutimento progressivo Chapas de aço para repuxo profundo d/d m 0,55 1,00 0,575 0,93 0,60 0,86 0,65 0,7 0,70 0,60 0,75 0,50 0,80 0,40 Quando a peça a ser embutida possui a altura muito grande em relação às dimensões do fundo, não é possível obtê-la em uma só operação, pois o esforço de embutimento seria tão grande que a chapa seria rompida. Para contornarmos este problema devemos recorrer ao embutimento em etapas progressivas. No caso de peças cilíndricas, a seqüência para determinação do número de etapas e dos vários diâmetros intermediários inicia-se pelo cálculo do diâmetro do desenvolvimento (D).

20 71 A relação entre o diâmetro da peça (d) e o diâmetro do desenvolvimento (D) é que irá determinar se a peça pode ser executada em uma única operação ou se serão necessários embutimentos intermediários. A relação d/d para que a peça possa ser obtida em uma única operação varia com a resistência à tração do material, com a espessura da chapa, com a pressão do prensa-chapa, com a força de atrito e com coeficiente de alongamento do material. É claro, também, que folgas, raios e ângulos da ferramenta, bem como seu acabamento são de fundamental importância para a operação de repuxo. Para condições médias são admitidos os fatores K1 e K relacionados abaixo. K1 é o fator que deve ser usado na primeira operação, quando o material ainda não sofreu qualquer encruamento e K é o fator que deve ser usado nas operações subseqüentes. Assim, teremos: D.K1 = d1 d1.k = d d.k = d3 d(n-1).k = dn 6.7. Exemplo de aplicação Valores de K 1 e K para repuxo progressivo Material K1 K Aço para repuxo 0,60 a 0,65 0,80 Aço para repuxo profundo 0,55 a 0,60 0,75 a 0,80 Aço inoxidável 0,50 a 0,55 0,80 a 0,85 Alumínio 0,53 a 0,60 0,80 Cobre 0,55 a 0,60 0,85 Latão 0,50 a 0,55 0,75 a 0,80 Zinco 0,65 a 0,70 0,85 a 0,90 Desejamos obter um recipiente cilíndrico, de aço para repuxo profundo, com 0 mm de diâmetro por 30 mm de altura (ambas as medidas feitas na linha neutra da peça). Calcular o número de embutimentos necessários e os respectivos diâmetros intermediários. Solução: a) Cálculo do diâmetro de desenvolvimento D = d + 4dh D = D = 53 mm b) Cálculo da relação d/d Sd D π. == md =,, =, m π Como 0,38 é menor do que 0,55 há necessidade de embutimento progressivo. c) Da tabela vem: K1 = 0,56 e K = 0,75 Assim: d1 = 0,56 x 53 = 30 mm d = 0,75 x 30 =,5 mm d3 = 0,75 x,5 = 17 (diâmetro mínimo) Portanto teremos um total de três operações com d1 = 30 mm, d =,5 mm e d3 = 0 mm Força no prensa - chapa A pressão do prensa-chapa é fundamental para um bom embutimento, pois a pressão quando excessiva provoca a ruptura do material e quando insuficiente favorece a formação de rugas na peça. A pressão ideal depende do material e da espessura da chapa sendo que quanto menor for a espessura maior deverá ser a pressão. De forma geral podemos tomar a força no prensa chapa como sendo 30% da força de embutimento.

21 Folga entre punção e matriz A folga deverá ser tal que permita o escoamento uniforme da chapa sem que haja formação de rugas ou diminuição na sua espessura. Na prática admite-se: para o aço: f = 1,. e; para o cobre, latão e alumínio: f = (1,1 a 1,15). e. Onde e é a espessura da chapa. 7. Prensas para estampagem 7.1. Prensas mecânicas O princípio de acumulação de energia que está presente quando se levanta a massa de um martelo pode também ser aplicado às prensas mecânicas. Neste caso a energia é armazenada em um volante e, ao contrário do martelo onde toda energia acumulada é gasta de uma só vez, na prensa ela deve ser despendida apenas em parte. Uma redução de velocidade do volante da ordem de 15% para operação contínua e de 5% para uma única pancada, é estimada como a máxima permitida, sem que o motor elétrico que toca o volante seja afetado. A Força máxima de projeto definida para uma determinada prensa é um valor compatível com os esforços que pode suportar sua estrutura e as peças móveis que fazem a transmissão de forças. Forças acima desta começam por comprometer a rigidez estrutural causando desgastes prematuros e perda de precisão das ferramentas e finalizam pelo aparecimento de fissuras e quebra de peças da prensa. Para melhor entendimento analisemos o exemplo a seguir: Suponhamos uma prensa excêntrica com carga máxima de placa - P = Kgf e trabalho nominal - An = 560 m Kgf. a) Se a força P = kgf for exercida numa distância W = 5,6 mm teremos: A 1 = x 0,0056 = 560 m Kgf Assim estaremos solicitando a prensa nos seus limites máximos de força e energia. b) Se a força P = kgf for exercida numa distância W = 3,0 mm teremos: A = x 0,0030 = 300 m kgf Estamos usando o limite de força, mas não de energia. c) Se usamos o limite de energia A n = 560 m.kgf numa distância W = 3,0 mm teremos: P 3 =560/0,003 = kgf Neste caso como a máxima força permitida é de Kgf, a prensa foi severamente sobrecarregada Na verdade a queda de velocidade do volante está dentro do limite aceitável pois não foi ultrapassado o limite de energia e, portanto, não há sinais externos de sobrecarga. Entretanto, todas as partes do sistema de transmissão de forças, bem como a estrutura da prensa estão sob risco de falha. Sérias sobrecargas desta natureza ocorrem com freqüência quando prensas são carregadas para uso de grandes forças em pequenas distâncias, tais como em trabalhos de cunhagem ou timbramento. O mais grave é que esta sobrecarga não é percebida. Por esta razão as prensas mecânicas devem ser providas de mecanismos de segurança tais como embreagens e pinos que se partem quando determinada carga é atingida, desconectando o sistema motor da prensa e evitando a sobrecarga. Outra forma de sobrecarga da prensa aparece quando se usa mais energia do que o permitido. É claro que este tipo de sobrecarga pode estar associado com o anterior quando forças muito grandes atuam em pequenas distâncias e, neste caso, as conseqüências são bastante danosas. Entretanto, quando a força permissível não é ultrapassada o problema é bem menor do que se costuma supor. Admitamos que, no exemplo acima, o volante seja levado a uma parada durante a execução de um trabalho numa distância W = 100 mm (0,1 m). O total de trabalho disponível no volante (A = 1560 m.kgf) terá sido consumido, mas a força exercida neste período será: P = A / W = 1560 / 0,1 = kgf, bem abaixo da máxima permissível Neste caso apenas o motor elétrico que toca o volante foi sobrecarregado e, se o fato é esporádico, provavelmente não será comprometido.

22 73 Em operações continuas, uma prensa de maior capacidade deverá ser usada, embora a força exigida seja pequena. Sobrecargas desta natureza acostumam ocorrer em operações de repuxo profundo e extrusão Prensas excêntricas Nestas prensas, o volante acumula uma quantidade de energia, que cede no momento em que a peça a cortar, dobrar ou embutir, opõe resistência ao movimento. No eixo do volante há um excêntrico que funciona por meio de uma biela, transmitindo movimento alternativo ao cabeçote, que desliza por guias reguláveis, onde se acopla o conjunto superior do estampo. O conjunto inferior é fixado à mesa, por meio de parafusos e placas de fixação. NOMENCLATURA 1 - Volante - Guias do cabeçote 3 - Excêntrico 4 - Biela 5 - Mesa regulável 6 - Volante regulador Prensas excêntricas de simples efeito São aquelas que possuem um único cabeçote, onde é montada a ferramenta Prensas de duplo efeito NOMENCLATURA 1 - Excêntrico - Biela 3 - Guias 4 - Chapa a embutir 5 - Matriz 6 - Prensa-chapa 7 - Punção 8 - Cabeçote interno 9 - Cabeçote externo

23 74 São as que realizam ações distintas e sucessivas através do uso de dois cabeçotes. O interno, cujo movimento é retardado, um quarto de volta do externo é movido por um excêntrico, como nas prensas de simples efeito e nele é, geralmente, fixado o punção de embutir. O externo é movido por um excêntrico que aciona o prensa-chapa e o cortador, em alguns casos. Prensas excêntricas inclináveis Estes tipos de prensas são geralmente utilizados nos estampos de duplo efeito e sua mesa dispõe de um disco central com ação de mola, permitindo o funcionamento do expulsor adaptado nos estampos. O ângulo de inclinação da prensa varia de 5 o a 30 o, para permitir uma boa visão do estampo ao operador e facilitar a saída das peças, em combinação com um bico de ar comprimido que as dirige a uma calha, de onde caem num recipiente. NOMENCLATURA 1 - Conjunto do Estampo - Pedal Acionador 3 Motor 4 - Parafuso de Inclinação 5 Calha 6 - Recipiente Parâmetros de funcionamento das prensas excêntricas É importante neste tipo de prensa a relação entre a posição do cabeçote e o movimento angular do eixo do excêntrico. Na figura a posição do cabeçote em relação à mesa da prensa (w') é relacionada com o movimento angular do eixo do excêntrico. Para efeitos práticos podemos considerar Assim teremos: r w cosa = r w r = w = r( 1 cosα ) 1 cosα w w r H = w = H ( 1 cosα ) onde: r é o raio de giro do excêntrico; H o braço de manivela; P.M.S. é o ponto morto superior e P.M.I. é o ponto morto inferior.

24 75 Exemplo de aplicação: Um eixo-manivela com braço de 100 mm comanda uma prensa cujo cabeçote faz contato com a peça a 6,7 mm acima do ponto morto inferior (PMI) da manivela. Qual é o ângulo do eixo nesta posição? Solução: cosα = H w H = 100 6, = 08660, α = 30 Velocidade do cabeçote A velocidade C do cabeçote está relacionada com a velocidade periférica do ponto de conexão da biela com o eixo excêntrico. Assim: rn C = π.. sen α / 30 [ mm s] Exemplo de aplicação:, sendo n a rotação em rpm Determinar a velocidade do cabeçote de uma prensa com: H = 100, W = 6,7 mm e n = 80 rpm. Solução: H w 100 6, 7 cosα = = = 08660, α = 30 sen α = 05, H 100 C π H n =.. senα = π , C = 09 mm/ s Força e capacidade No exemplo abaixo veremos como calcular a força e o trabalho para determinada operação de estampagem. a) Um disco de diâmetro d = 165 mm deve ser cortado de uma chapa de aço para repuxo profundo com Ks = 9 Kgf/mm ; e = mm Solução: Fc = π.d. e. Ks = π = 30 t O trabalho para executar-se este corte é dado por: A = X.Fc.e, onde X é um fator que relaciona a efetiva força despendida durante o corte. X varia entre 0,4 a 0,7 para operação de corte. Para o aço X=0,6. Portanto: A = 0,6 x x 0,00 A = 36 m.kgf b) Usaremos agora a mesma chapa para obtermos uma peça repuxada cilíndrica com diâmetro d = 148 mm, e altura h = 8 mm, partindo-se de um desenvolvimento em forma de disco de D = 56 mm Solução:

25 76 Fé = π.d.e.ks. m d/d = 0,58, portanto m = 0,9 Fé = π x 148 x x 37 x 0,9= kgf Para repuxo : A = X Fé h, sendo que para o aço X = 0,75 Portanto : A = 0,75 x x 0,08 A= 1947 mkfg Dos exemplos acima podemos observar que, embora para os dois trabalhos (corte e repuxo) a força seja a mesma, o trabalho necessário é 51 vezes maior no segundo caso, o que exigirá uma prensa de capacidade bem superior para a operação de repuxo. Momento ou torque da prensa Admitindo-se que a força P age no ponto de conexão entre a biela e o girabrequim, a mesma está a uma distância a do ponto O, produzindo um momento no eixo - Md = P x a ou Md = P x r x sen α Portanto: P Md = r.senα As prensas são projetadas de forma que as máximas forças apareçam entre a posição 30 o e o PMI Neste espaço (0 o a 30 o ) a força permissível não pode ser ultrapassada, entretanto, não há perigo se o momento o for. Porém, entre 30 o e 90 o a força será limitada pelo máximo momento permissível. Para melhor compreensão vejamos o exemplo abaixo: Temos uma prensa com H = 180 mm e P = 50t (α= 30 o ) Qual será o valor de P disponível para execução de um trabalho numa distância w = 60 mm? Solução: cosa r w = = r α = Md = sen 30 = kgf P = H Md = 50 P = 6, 6tf sen , Muitas vezes as prensas mecânicas excêntricas são ajustáveis, podendo ter alterada a distância a, adaptando-se melhor às exigências do serviço a ser executado. Outras vezes a força permissível é dada a 0 o ao invés de 30 o. Neste caso a força para um dado torque será sempre superior a da prensa idêntica com P a 30 o. Capacidade An A capacidade de armazenagem de energia de uma prensa é dada pelo peso G, pelo diâmetro de giro D e pela velocidade de rotação n de seu volante. Como o volante não deve ser parado, mas apenas ter reduzida sua velocidade (no - ni), a energia disponível para determinado serviço pode ser dado por: no ni An = G D 7100 Após a execução do trabalho, a energia remanescente será: Ax Exemplo de aplicação: nx = An no

26 77 Uma prensa com An = 800 mkgf tem um volante girando a 60 rpm. Após determinado serviço a nova rotação do volante é de 30 rpm Qual a capacidade da prensa neste momento? Solução: nx 30 Ax = An no Ax = Ax = 00 mkgf 7.1. Prensas de fricção ou parafuso Nesse tipo de prensa, em contraste com as excêntricas, o total da energia do volante é usado em uma determinada operação. A magnitude da força exercida é função da distância sobre a qual ela é aplicada. Grandes forças podem ser exercidas quando as distâncias a serem percorridas são extremamente pequenas. A força indicada na placa da prensa não é a máxima possível, mas não deve ser excedida sob risco de danos à estrutura e peças móveis da prensa, bem como à ferramenta de estampo. Se, para a execução de determinada operação não for consumida toda energia acumulada no volante, a energia remanescente será convertida em deflexão da estrutura, do fuso e da ferramenta. A conseqüência poderá ser um repentino aumento da carga que, muitas vezes, causa danos de grande monta. Por esta razão é importante determinar-se o intervalo de tempo requerido p/ acelerar o volante, de forma que a energia acumulada seja compatível c/ a necessidade do serviço a ser realizado. (A descrição do funcionamento dessa prensa encontra-se no capítulo de Forjamento) 7. Prensas hidráulicas Estas prensas têm seus movimentos feitos através de pressão de óleo e são utilizadas, geralmente, para os estampos de grandes dimensões. Podem competir com as prensas mecânicas, desde que tenham as mesmas vantagens (alta velocidade de trabalho e autonomia). A bomba de êmbolo rotativo, de alimentação variável, apresenta a característica de conferir ao curso da prensa, a velocidade máxima quando a pressão é mínima e a velocidade mínima quando a pressão é máxima. Portanto, o cabeçote da prensa desce rapidamente, sem exercer nenhuma pressão. Em seguida, inicia-se a estampagem da chapa previamente colocada sobre a matriz inferior e, como conseqüência, a velocidade diminui e a prensa desenvolve toda a pressão requerida para execução da estampagem. Terminada a ação, o cabeçote retorna até a posição superior em grande velocidade. É evidente, portanto, que a bomba oferece meios capazes de conferir ao curso do cabeçote, várias velocidades, em função da pressão necessária. É comum entre as prensas hidráulicas além das de simples efeito, as de duplo e até triplo efeito. Parâmetros de funcionamento das prensas hidráulicas Para embutimentos pequenos, existem também prensas hidráulicas rápidas. Em prensas hidráulicas é feito uso do princípio da pressão hidrostática ou seja: Quando a pressão p age sobre uma superfície de área A, obtém -se a força P, tal que: P = pxa

27 78 As pressões empregadas nestas prensas podem alcançar até 300 Kgf/cm. A força exercida no cabeçote da prensa depende do trabalho a ser executado, a pressão p irá aumentando conforme a solicitação de maior carga. A força máxima pode ser limitada conforme desejado através da regulagem de uma válvula de alívio que limita a pressão. Diferentemente das prensas mecânicas a força não depende da distância (w) a ser percorrida pelo cabeçote. Por outro lado não há como exceder a força máxima permissível, devendo a mesma ser suficiente para a execução da operação ou esta não se completará. A potência N requerida para uma prensa hidráulica depende do volume de fluido hidráulico que flui por segundo V, da pressão p e das perdas mecânicas, hidráulicas e elétricas do sistema η. N V = P η Bibliografia Específica FRANCO, Egberto, LINO, Jorge da Costa, KAMEI, Koyo et al. Estampagem dos Aços. São Paulo: Associação Brasileira de Metais PROVENZA, Francesco. Estampos I, II e III. São Paulo: Pro -Tec, SCHULER, Louis. Metal Forming Handbook. 4. ed. Stuttgart: Ernst Klett, YOSHIDA, Américo. Ferramenteiro (Corte-Dobra-Repuxo). São Paulo: Oren. BRITO, Osmar de. Estampos de Corte. São Paulo: Hemus.