DIMENSIONAMENTO TEÓRICO E PRÁTICO DE UM DISPOSITIVO HIDRÁULICO HÍBRIDO PARA CONFORMAÇÃO DE JUNÇÕES METÁLICAS TIPO T

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1 DIMENSIONAMENTO TEÓRICO E PRÁTICO DE UM DISPOSITIVO HIDRÁULICO HÍBRIDO PARA CONFORMAÇÃO DE JUNÇÕES METÁLICAS TIPO T José Antonio Pio Cintra Filho, cintra@ita.br¹ Willem Vieira Nascimento, willem.vieira@hotmail.com² Lindolfo Araújo Moreira Filho, lindolfo@ita.br³ ¹Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Rua Valentin Pinheiro, 166, Casa 21, Jardim São José, CEP: Jacareí S.P. Brasil. ²Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Rua Praça Marechal Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, CEP: São José dos Campos S.P. Brasil. ³Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Rua Praça Marechal Eduardo Gomes, 50, Vila das Acácias, CEP: São José dos Campos S.P. Brasil. Resumo: De modo recente, os processos não convencionais para o setor de conformação tubular vêm crescendo de maneira ampla, e as indústrias estão cada vez mais interessadas em saber como fazer os componentes de junções de geometrias complexas com alta produtividade e menor tempo de processo. Neste projeto, será apresentado um estudo de uma máquina híbrida para conformação de tubos de geometrias complexas empregando as técnicas não convencionais utilizando os processos de hidroconformação e elastômero, bem como o projeto de dimensionamento hidráulico e seus parâmetros de conformação para materiais metais não ferrosos, como por exemplo, o alumínio, cobre e latão. Palavras-chave: Conformação,processo, elastômero, hidroconformação. 1. INTRODUÇÃO Com a aceleração no meio industrial e da concorrência, pesquisadores e engenheiros lutam para obter novos desenvolvimentos de projetos para serem utilizados para ganhar o mercado interno e externo com um processo mais célere, simples, sem perdas e com redução de custos. (SIEGERT et al., 2000). O processo de hidroconformação abrange essas características marcantes neste meio citado, ele se destaca por ser uma peça chave na composição de peças automotivas, com a fabricação de componentes extremamente complexos em uma só etapa, podendo utilizar materiais com elevadas propriedades mecânicas. (Leil et al.., 2003). A utilização do elastômero no meio industrial tem sido utilizada mais de um século e foi um grande auxílio para a conformação tubular em geometrias complexas, Adelph Delkescamp, foi o precursor na utilização de blocos de borras para cortar e cisalhar chapas metálicas finas. Em seguida, a técnica foi utilizada em vários outros tipos de processo, como a furação e flangeamento, entre outros parecidos. Vale ressaltar que, H. Guerin atuou de forma destacável dentro deste meio para a comercialização da técnica, sendo que atualmente é chamado de Processo Guerin, Al - Qureshi (1972). A ênfase primordial neste processo é a grande deformação que o elastômero obtém sob pressão, adicionalmente o atrito entre o elastômero e o tubo metálico é um fator de extrema importância para a obtenção de algumas geometrias complexas. Para o desenvolvimento deste dimensionamento, foram estudadas e calculadas as variáveis que envolvem os processos não convencionais supracitados, adicionando os conhecimentos hidráulicos teóricos obtidos ao longo do tempo de estudos e aplicado em catálogos de componentes hidráulicos disponibilizados por empresas do ramo Objetivos O objetivo dessa pesquisa é dimensionar teoricamente e praticamente um dispositivo hidráulico híbrido capaz de conformar junções metálicas complexas tipo T, utilizando materiais não ferrosos, com auxílio dos processos não convencionais da hidroconformação e elastômeros.

2 2. ESTUDO DO PROCESSO NÃO CONVENCIONAL UTILIZANDO O ELASTÔMERO Nos primeiros estudos sobre hidroconformação em junções metálicas tipo T Adelph Delkescamp foi pioneiro neste campo, cisalhando material metálico com blocos de borracha. Entretanto foi durante a Segunda Guerra Mundial que H. Guerin, da Douglas Aircraft Company, quem desenvolveu o processo de forma a ser utilizado comercialmente, sendo que atualmente é conhecido como processo de Guerin, (Al-Qureshi, 1972). Este desenvolvimento foi prejudicado inicialmente pelas propriedades físicas naturais da borracha que se danificava ao encontrar os cantos vivos dos materiais metálicos. Com o desenvolvimento de elastômeros sintéticos, como o poliuretano, avotano e uretano, este processo ganhou qualidade, pois estes materiais são mais duráveis, apresentando maior resistência a óleo e solventes mais robustos e maior resistência ao esmagamento e abrasão, (Moreira Filho, 1984). Para conformação dos tubos, Moreira Filho (1998) projetou, construiu e automatizou uma máquina especial de conformação de maneira a se obter um carregamento simultâneo nas duas extremidades do tubo. O equipamento basicamente consiste de uma estrutura rígida em forma de quadro, mostrado na Fig. 1, onde lateralmente existem dois cilindros hidráulicos, com capacidade de 30 toneladas, acionados simultaneamente durante o processo de conformação, (Foli, 2004). Figura 1- Dispositivo mecânico de conformação, Moreira Filho (1984a) O processo de conformação se desenvolve perfeitamente se houver uma compressão simultânea entre o elastômero e o tubo. No sentido de se obter tal resultado, se torna necessária à utilização do punção de duplo estágio, Fig. 2, o primeiro para pressurização inicial do elastômero, dando suporte lateral à parede do tubo devido ao preenchimento da folga entre o tubo e o tarugo de elastômero e ao mesmo tempo desenvolvendo forças de atrito para auxiliar a sua compressão axial, executada pelo segundo estágio, (Foli, 2004).

3 Figura 2 - Esquema geométrico 3. ESTUDO DO PROCESSO NÃO CONVENCIONAL UTILIZANDO A HIDROCONFORMAÇÃO A hidroconformação se resulta na obtenção de peças metálicas considerando os esforços de compressão e as pressões hidrostáticas internas e externas sobre o material a ser conformado. (PONCE, Aline Szabo., 2006). Nos meados da década de quarenta do século XX começou indícios de utilização do processo de hidroconformação, segundo Koç e Altan, (2001) na fabricação de junções em T e depois de algum tempo começaram a usar também nos processos hidráulicos. Com maior desenvolvimento da indústria automobilística a hidroconformação começou a ser usado com sucesso na fabricação de componente tipo chassis, com um dos objetivos deixa-lo com menor peso. O material usado naquela época além do cobre eram os materiais de tubos de aço de baixo carbono com costura, aços de alta resistência e baixa liga com costura (ARBL), de chapas de aço finas laminadas, tubos de alumínio entrudados entre outros. (Moreira Filho, 1998). Figura 3 - Exemplo de componentes hidroconformados de um veículo ( A automatização está ganhando espaço neste mercado, pois permitem grande flexibilidade nos processos, tarefas árduas e repetitivas com uma grande exatidão nas máquinas controladas por lógicas inseridas. (PONCE, Aline Szabo., 2006). Segundo SCHMOECKEL et al, 1999, para garantir a segurança do processo, ele precisa estar longe o suficiente de suas limitações ou o controle da máquina que necessita ser capaz de responder às mudanças das condições tribológicas que ocorrem durante seu andamento. 4. ESTUDO DO DIMENSIONAMENTO TEÓRICO HIDRÁULICO HÍBRIDO A máquina que será utilizada para este processo assemelha-se com uma prensa hidráulica, porem este modelo é de fato exclusivo, ela trabalhará conformando materiais utilizando a técnica não convencional do elastômero e da

4 hidroconformação, empregando primeiramente materiais não ferrosos recozidos e depois dando continuidade ao trabalho utilizando materiais ferrosos recozidos e não recozidos com espessuras distintas. O dispositivo consistirá de um quadro rígido, onde serão acoplados em suas laterais dois atuadores que serão responsáveis pelo acionamento do segundo estágio do punção, que é responsável pela compressão axial do tubo e um atuador em sua parte vertical para garantir a vedação do sistema e a não variação da espessura. O segundo estágio do punção (2) e Fig. 4, serão responsáveis pela aplicação de carga ao elastômero. Durante o processo de conformação está força aplicada ao elastômero deve ser controlada, isto será feito por meio do controle de pressão dentro de uma câmara (4), por meio de uma unidade hidráulica (9) e válvulas de controle proporcional (10). Será utilizada outra unidade hidráulica para a injeção de fluído no processo de hidroconformação, onde será responsável pela aplicação direta de fluido ao tubo. Figura 4 - Esquema do dispositivo Híbrido para conformação de tubos Nas figuras 5 e 6 são detalhes do punção de dois estágios, matriz e tubo conformado para o processo utilizando elastômero: Figura 5 - Detalhe do Punção de dois estágios Figura 6 - Detalhe Tubo conformado, Matriz Bi-Partida e Punção

5 A parte estrutural utilizada na hidroconformação são os tubos metálicos ferrosos ou não ferrosos como matéria prima básica, surge então o nome do processo de hidroconformação tubular. No processo de hidroconformação tubular é uma técnica de conformação mecânica em que os componentes são obtidos por meio de ação simultânea do deslocamento das extremidades ou de parte dos componentes a serem conformados, e do aumento da pressão interna, ou exclusivamente do aumento da pressão interna. A ampliação da pressão interna é conseguida por meio de um fluido hidráulico que é colocado em um meio de transferência de pressão no interior da peça. (BORTOLUSSI, Roberto., 2001). Segue abaixo os passos necessários para o processo de hidroconformação tubular para fabricar o componente com geometria complexa tipo T segundo Metal Forming Handbook, Vide Fig. 7: Figura 7. Diagrama de blocos para o processo de hidroconformação Em pesquisas realizadas no ITA, Foli (2004), calculou o fator de atrito sobre a força total de conformação em junções metálicas tipo T, estes experimentos foram feitos em um dispositivo real de conformação, supracitado na Fig. (1). Foram esboçadas curvas teóricas de acordo com a equação força de conformação total, fixando o valor de atrito e variando o deslocamento do domo e comparando com o valor experimental. Para isto, foram tomados alguns cuidados para que se fosse encontrado um valor médio de atrito entre o teórico e experimental, como por exemplo: Aplicação uniforme de pasta lubrificante ao longo da parte interna da matriz e na superfície externa do tubo, com o intuito de diminuir as condições de atrito ao máximo; E o processo experimental foi seguido rigorosamente, para evitar variação de tubo para tubo durante o processo; Esses valores foram utilizados para a adoção da força máxima específica citada abaixo na tabela 1. Como dentre os três materiais não ferrosos metálicos, o latão se destacou entre o cobre e o alumínio, sendo o material que exigiu mais força para se deformar, foi utilizado o este valor para determinar a força máxima tanto na direção horizontal e vertical que a máquina híbrida de conformação terá que originar e suportar para conformar o material plasticamente. Segue abaixo os gráficos determinados por Foli (2004). Veja as Fig. 8, 9 e 10.

6 Figura 8. Valores teóricos e experimentais de carga conformação total - Alumínio Figura 9. Valores teóricos e experimentais de carga conformação total - Cobre

7 Figura 10. Valores teóricos e experimentais de carga conformação total Latão No dimensionamento do sistema hidráulico será composto pelos itens abaixo. Segue abaixo as tabelas 1 e 2 de componentes para construção da máquina hibrida: Tabela 1. Tabela do projeto hidráulico Descrição Valores Dimensionados (S.I) Diâmetro da matriz 0,02859 (m) Comprimento da matriz 0,13 (m) Pressão máxima de trabalho 25 (MPa) Força de reação matriz/tubo ,5 (kgf) Área teórica total do cilindro para suportar a força de reação 0, (m²) Diâmetro teórico do cilindro 0,0862 (m) Diâmetro comercial do cilindro 0,10 (m) Área do cilindro comercial 0, (m²) Força máxima do cilindro ,95 (kgf) Pressão de trabalho real 18,584 (MPa) Pressão de trabalho de acordo com uma força específica 15,279 (MPa) Força específica (kgf) Tabela 2. Elementos Hidráulicos Item Quantidade Descrição (S.I) Hydraulic Drive Unit for Cylinder Reservatório = 0.03 (m³) Vazão = (m³/s) Pressão máxima = 25 (MPa) Pressão de trabalho = 16 (MPa) Motor elétrico trifásico = 1750 (rpm) Sistemas de Válvulas: Válvulas Proporcionais Unidade Hidráulica para injeção do fluido Reservatório = 0.02 (m³) Vazão= m³/s Engrenagem Interna Pressão máxima = 25 (MPa)

8 Motor elétrico trifásico = 5 CV Sistema de Válvulas: Válvulas direcionais Cilindro hidráulico com ø 0.1 x 0.06 (m) com articulação traseira macho e suporte Pt = 25 (MPa) Cilindro hidráulico com ø 0.1 x 0.08 (m) com articulação traseira macho e suporte Pt = 25 (MPa) - 08 Mangueira Hidráulica ø 3/8" x 2.5 (m) com terminal de rotação fêmea - 16 Adaptador 3/8 NPT x ø 3/8" Segue abaixo a Fig. 11 que representa o circuito de como irá atuar a máquina hibrida com seus respectivos componentes e a Fig. 12 representando o desenho do projeto em escala 1:1 do dispositivo. A unidade hidráulica deste circuito será atarefada para atuar com a movimentação dos atuadores. De forma que, depois de inserido o corpo de prova dentro da matriz, o cilindro A fechará a matriz bi partida, e os dois cilindros B e C irão atuar na conformação da junção metálica tipo T. A unidade hidráulica responsável por este processo será a unidade hidráulica número 01 na Tabela 02. Figura 11 - Circuito hidráulico de movimentação dos três atuadores

9 Figura 12 - Dispositivo hibrido em escala 1:1 Para o processo de hidroconformação, segue a Fig. 13 abaixo de como o fluído irá se deslocar dentro de seu sistema. Este sistema de injeção de fluido dentro do corpo de prova será iniciado após o dos cilindros B e C da Fig. 11 estiver vedado entre matriz e tubo, a injeção de fluido dentro do corpo de prova vai ser feita por meio de um dispositivo de injeção e conformação, esse dispositivo será feito de aço 1045, as mangueiras de passagem de fluído serão de 1/4 com terminais GIC 37 fêmea giratória e tem condições de aguentar até 400 bar, elas irão ser acopladas no começo e no final da matriz para a passagem de fluido e garantir que não irá ter ar dentro do corpo de prova, para a vedação do dispositivo vai ser utilizado o material borracha nitrílica (NBR) com alma de aço que de acordo com o fluido de conformação é o mais correto. Com as válvulas direcionais de duplo solenoide 4/3 abertas, o fluido irá ser injetado por todo corpo de prova pela mangueira inicial e passando pela mangueira final e retornando ao tanque, há a garantia que além de não ter ar, todo o sistema estará preenchido com o fluido. Para manter o fluido dentro do corpo de prova e do sistema as mesmas válvulas direcionais de entrada e saída que foram abertas para a entrada de fluido serão fechadas e garantiram o fluido pressurizado. Realizado esse processo, irão ser acionados os atuadores da Fig. 11 e seguindo o movimento explicado anteriormente, para a saída do fluido e de dentro da matriz a válvula direcional de saída irá ser aberta para o fluido voltar a tanque e logo após os cilindros retornam a sua posição original. Caso haja falhas do corpo de prova por flambagem ou fratura no local da matriz onde forma o domo, será instalada uma tubulação de aço carbono trefilado sem costura de diâmetro externo de 8 mm e diâmetro interno de 6 mm com uma válvula esfera de 1/4 com pressão de trabalho de 400 bar para que o fluido também chegue até o tanque por vasos comunicantes, sendo assim o sistema não terá perdas de fluido de conformação.

10 5. Cálculos Figura 13 - Circuito hidráulico de óleo especial Para a obtenção dos dados da Tabela (1), primeiramente foi calculado a força da reação entre matriz e o cilindro. Foi considerado o comprimento total da parte superior da matriz e seu perímetro. Sabendo que o diâmetro da matriz é 28,6 mm² e seu comprimento total da parte superior é 130 mm. Segue abaixo os cálculos iniciais realizados. Sabendo que a área total de um círculo é: Derivando a Eq. (1): (1) (2) Considerando: (3) Concluímos que o perímetro: (4) Sabendo o dado do diâmetro supracitado, temos então: (5) Para calcular a Área de Reação da Matriz, foi considerado o perímetro e o comprimento total: (6) (7)

11 Conhecendo a área de reação da matriz, podemos então calcular a força total de reação que a matriz irá resultar, sabendo que a pressão total da unidade hidráulica é de 250 bar: (8) Considerando a área de reação da matriz de 58,37 cm², calculado anteriormente, utilizaremos para efetuar o cálculo do diâmetro teórico do cilindro. Sabendo que a área teórica é: (9) (10) (11) Então temos: (12) Sabendo que o diâmetro do cilindro teórico foi de 8,62 cm ou 86,2 mm, portanto, dimensionaremos o próximo valor maior comercialmente tabelado, chegando a um diâmetro comercial de 100 mm. Calculando a nova área de acordo com o diâmetro comercial dimensionado e substituindo na equação (16), temos então a força máxima que o cilindro irá atuar: (13) (14) (15) Portanto a força máxima: (16) (17) Portanto a pressão real de trabalho utilizando a força de reação matriz e o tubo, temos: (18) E para atingirmos a pressão de trabalho para atingir a força específica supracitada na tabela (1), concluímos que: (19) (20) Para a vazão do cilindro B e C em 20 segundos, temos: (21) (22) (23)

12 (24) Deixando as unidades no sistema hidráulico comercial, multiplicando por 60s e por 2, pois são dois cilindros, temos: Com a intenção de saber qual é o tempo que o cilindro A irá avançar, segue abaixo o cálculo: (25) (26) (27) (28) Convertendo para segundos, temos: (29) Agora, calculando o tempo necessário para o cilindro A retornar, temos: (30) (31) Convertendo para segundos, temos: 6. Conclusão Diante deste contexto, a conformação de tubos de junções metálicas não ferrosas utilizando processos de conformação não convencionais híbridos, é uma maneira simples e eficiente para utilização nas indústrias do setor tubular em grande escala de produção. O dimensionamento hidráulico é um grande avanço nos setores de projetos de máquinas, sendo ele, uma das partes mais importantes e confidenciais que foi demonstrado neste projeto, como também, as variáveis de força e pressão que são utilizadas desde o início do dimensionamento, até o final. O sistema de vasos comunicantes é uma importante peça dentro deste projeto de máquina, além de ser único, possibilita o fluído utilizado para conformar o corpo de prova a se escoar de maneira eficiente para o reservatório e detectando falhas de processo no corpo de prova, pelo aumento da pressão interna, torção e fratura do domo. Este exemplo de projeto de máquina é contemplado em maneira ímpar, pois se trata de um mecanismo que pode ser realizado utilizando o processo de hidroconformação, para a utilização em tubos de espessura grossa, e elastômeros, utilizados em tubos de espessura fina, enfatizado, que não se observa na literatura a utilização destes dois processos nos equipamentos de conformação tubulares tradicionais apresentados até o presente momento. Os próximos estudos a ser realizados serão aplicados de modo mais concentrado na parte de usinagem da matriz, possibilitando calcular tempo de processo para obtenção da matriz, o tipo de processo mais conveniente para obter uma matriz e a utilização de elementos finitos aplicando a carga de compressão e de conformação para saber como ela se comporta e detectar possíveis concentradores de tensões. 7. Agradecimentos Agradecemos a todos que acreditaram de forma única neste projeto, desde já muito obrigado a Termomecânica São Paulo SA que doou os tubos de cobre e latão e patrocinador deste projeto, a empresa Rhenus Lub. Lubrificantes (32) (33)

13 Especiais Ltda. que nos deu o fluido para conformar os tubos, bem como o Departamento de Transportes do DCTA, especialmente ao meu orientador Prof º Lindolfo Araújo Moreira Filho, pela amizade e conselhos generosos. 8. REFERÊNCIAS AL-QURESHI H. A," Feasibility of a Rubber-Forming Techniques", Machinery and Prod. Eng., vol.119, p.189, Febr., 1972 BORTOLUSSI, R. Análise Numérica e Experimental da Hidroconformação de Produtos Tubulares p. Tese (Doutorado) - Universidade Estadual de Campinas / Faculdade de Engenharia Mecânica São Paulo, FOLI. C. R.M, Investigação da influência do atrito e de parâmetros plásticos do material na conformação não convencional de junções metálicas. Tese (Mestrado) Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, LEil, L. P. et al.., Rigid-plastic finite element analysis of hidroforming process and its applications J. Mat. Proc. Tech. V. 139 p , LEJEUNE, A.; Bordeau, N.; Gelin, J. C., Influence of material and process parameters on bursting during hydroforming process J. Mat. Proc. Tech. (in press), MOREIRA FILHO L.A., "Conformação de Junções em Tubos de parede Fina utilizando Elastômeros", Tese de Mestrado, 1984, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, C.T.A. MOREIRA FILHO, LA, "Teoria e Automação Formando processo de modelagem Juntas metálicas Tubos de Parede Fina", Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, São Paulo, Brasil, SCHULER GROUP: Metal Forming Handbook, Alemanha. Ed. Springer