TECNOLOGIA MECÂNICA. Temas abordados: Corte por arrombamento. Forjamento. Hydroforming. Tecnologia Mecânica 1

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1 TECNOLOGIA MECÂNICA Temas abordados: Corte por arrombamento Forjamento Hydroforming Tecnologia Mecânica 1

2 TECNOLOGIA MECÂNICA CORTE POR ARROMBAMENTO Tecnologia Mecânica 2

3 Corte por arrombamento CORTE POR ARROMBAMENTO Corte de chapa, varão, tubo, etc. Normalmente realizado a frio Espessuras máximas de 6 a 8 mm Aplicações: Carroçarias de automóveis e de camiões; Fuselagens dos aviões; Painéis das carruagens; Móveis de escritório; Computadores; Electrodomésticos; Utensílios de cozinha; Discos para cunhagem de moeda; Tecnologia Mecânica 3

4 Corte por arrombamento CORTE POR ARROMBAMENTO Punção e matriz que definem os contornos interior do furo efectuado na chapa e exterior da peça, respectivamente; j Folga entre o punção e a matriz 5% a 10% da espessura da chapa; Processa-se por deformação plástica seguida de rotura τ F F τ γ Devido a tensões de corte distribuídas ao longo da espessura, segundo o perímetro de corte Tecnologia Mecânica 4

5 Corte por arrombamento CORTE POR ARROMBAMENTO CONVENCIONAL Qualidade das superfícies Repuchamento Penetração Secção resistente Início da fissuração zona de repuchamento superfície polida e brilhante superfície irregular originada pela fissuração empeno rebarba Tecnologia Mecânica 5

6 Deslocamento Corte por arrombamento CORTE POR ARROMBAMENTO CONVENCIONAL Força de corte F max = 0, 8 σ R ph Força 2/3 F max F max h Cone de rotura Tecnologia Mecânica 6

7 Corte por arrombamento CORTE POR ARROMBAMENTO CONVENCIONAL Redução da força de corte: Inclinação das arestas de corte do punção ou da matriz: Decalagem de punções: Tecnologia Mecânica 7

8 Corte por arrombamento CORTE POR ARROMBAMENTO CONVENCIONAL Ferramentas de corte progressivo - Na primeira fase executam-se os cortes interiores, enquanto que na segunda fase são feitos os cortes exteriores punções porta-punções arco piloto matriz base arco Tecnologia Mecânica 8

9 CORTE POR ARROMBAMENTO Aplicação Corte por arrombamento Rotor e estator de um motor eléctrico Tecnologia Mecânica 9

10 Corte por arrombamento CORTE POR ARROMBAMENTO Prensas mecânicas de excêntrico Tecnologia Mecânica 10

11 Corte por arrombamento CORTE FINO ou de PRECISÃO Foi desenvolvido nos anos 20 (Séc. 20) na indústria relojoeira Suíca Produz peças na forma final com superfícies lisas e polidas, sem as irregularidades características do corte por arrombamento convencional - geradas sem aparecerem mecanismos de fissuração As folgas variam entre 0,5~1% da espessura a cortar Vantagens: Elevada qualidade das superfícies cortadas Elimina a necessidade de se recorrer a operações de acabamento; Peças planas; Repetibilidade e tolerâncias dimensionais apertadas; Redução significativa do choque e consequente redução do ruído e vibrações; Tecnologia Mecânica 11

12 CORTE FINO ou de PRECISÃO Ferramenta Corte por arrombamento Elementos complementares com que as ferramentas de corte fino estão dotadas: encostadores com anéis de retenção; encostador/desembainhador porta-punção encostador com anel de retenção punção guia do punção matriz Força máxima de corte F = C σ p h max f C varia entre 0.9 e 1.2 f R Força no anel de retenção 30% e 50% da força máxima de corte Força no encostador/desembainhador 10% e 25% da força máxima de corte encostador ou desembainhador Tecnologia Mecânica 12

13 Corte por arrombamento CORTE FINO ou de PRECISÃO Mecanismo de corte Tecnologia Mecânica 13

14 Corte por arrombamento CORTE por ARROMBAMENTO CONVENCIONAL vs. CORTE FINO ou de PRECISÃO Morfologia e Qualidade das Superfícies Tecnologia Mecânica 14

15 Corte por arrombamento CORTE FINO ou de PRECISÃO Ferramentas progressivas O seu custo é superior às de corte por arrombamento convencional Lubrificação! Revestimento das ferramentas - TiN Tecnologia Mecânica 15

16 Corte por arrombamento CORTE FINO ou de PRECISÃO Prensas hidráulicas As cadencias de funcionamentos são inferiores às das prensas utilizadas no corte por arrombamento convencional Prensa Hidráulica CNC de Corte Fino Força Nominal: 4000 kn Cadência Máxima: 50 golpes/min Tecnologia Mecânica 16

17 Corte por arrombamento CORTE FINO ou de PRECISÃO Linha de produção automática Prensa Hidráulica CNC de Corte Fino Força Nominal: kn Tecnologia Mecânica 17

18 Corte por arrombamento CORTE FINO ou de PRECISÃO Aplicações na indústria automóvel Componentes utilizados na indústria automóvel Caixa de velocidades automática de um automóvel ligeiro Tecnologia Mecânica 18

19 TECNOLOGIA MECÂNICA FORJAMENTO Tecnologia Mecânica 19

20 Forjamento FORJAMENTO Processos tecnológicos de deformação plástica na massa de materiais metálicos; A frio, a morno ou a quente; Efectuado por forças de compressão aplicadas através de matrizes; APLICAÇÕES: indústria automóvel indústria aeroespacial; indústria militar de defesa, agrícola, mineira, de ferramentas manuais e de equipamentos industriais em geral, etc. Tecnologia Mecânica 20

21 Forjamento FORJAMENTO Vantagens dos componentes forjados Os forjados são produzidos a partir de pré-formas simples, geralmente sob a forma de varão ou barra; Quase todos os metais e ligas metálicas podem ser forjados; Existam poucas restrições ao tamanho dos componentes forjados Cubos e biela Projécteis Divisória de titânio do avião F-22 Tecnologia Mecânica 21

22 Forjamento FORJAMENTO Vantagens dos componentes forjados Produzem-se componentes com tolerâncias apertadas; Os componentes são recicláveis; Assegura o fabrico de peças com excelentes propriedades mecânicas, nomeadamente: Boa resistência mecânica; Boa ductilidade; Boa tenacidade Boa resistência à fadiga; Eficiente em termos do aproveitamento da matéria-prima e da diminuição dos desperdícios; O controlo da sequência de fabrico assegura uma elevada taxa de repetitibilidade das peças forjadas; Os custos de produção são em geral baixos; Tecnologia Mecânica 22

23 Forjamento FORJAMENTO Classificação em função da temperatura de trabalho Temperatura Frio Morno Quente < 0.3 T fusão 0.3 a 0.5 T fusão > 0.6 T fusão Tecnologia Mecânica 23

24 Forjamento FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA Tecnologia Mecânica 24

25 Forjamento FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA Peças com maior grau de complexidade e com tolerâncias mais apertadas Forjamento convencional Componentes obtidos por forjamento de precisão Tecnologia Mecânica 25

26 Forjamento FORJAMENTO EM MATRIZ FECHADA Forjamento convencional - a quente ou a morno, para fabrico de peças com complexidade de forma e tolerâncias geométricas que se enquadrem nos padrões gerais de fabrico. Forjamento de precisão - a frio ou a morno, utilizado para produzir grandes séries de peças na forma final ou quase final, com tolerâncias de fabrico mais apertadas do que as habitualmente conseguidas no forjamento convencional. Componentes da indústria automóvel, obtidos por forjamento de precisão Tecnologia Mecânica 26

27 Forjamento FORJAMENTO CONVENCIONAL Sequência de fabrico - Biela Rebarba! Tecnologia Mecânica 27

28 Forjamento FORJAMENTO DE PRECISÃO Sequência de fabrico de um eixo de secção variável Tecnologia Mecânica 28

29 Forjamento FORJAMENTO Na indústria automóvel A indústria do forjamento emprega cerca de 32 mil pessoas na Europa; Cerca de 50% da sua produção destina-se ao mercado dos veículos - automóveis, camiões, máquinas agrícolas, máquinas de movimentação de terras, etc.; 25% à indústria aeroespacial; E a parcela remanescente na indústria de construção metalo-mecânica em geral. 80% da produção mundial do forjamento de precisão (exceptuando os Estados Unidos da América) tem por destino o automóvel Tecnologia Mecânica 29

30 Forjamento FORJAMENTO Na indústria automóvel Em média um automóvel ligeiro de passageiros incorpora mais de 250 componentes forjados: Componentes do motor: Válvulas, árvore de cames, cambota, bielas etc. Componentes da transmissão: Engrenagens cónicas, carretos, anéis sincronizadores, juntas, eixos, cubos de embraiagem, etc. Componentes do chassis e da suspensão: Pernos, cubos da roda, braços e triângulos de suspensão, etc. Componentes da direcção: Colunas, rótulas, barras de torsão, eixos de direcção, etc. Êmbolos de travão Componentes para os motores eléctricos: Carretos do motor de arranque, "driver" e "pole rotor", etc. ; Tecnologia Mecânica 30

31 Forjamento FORJAMENTO Casos de estudo Socket plate (prato de encaixe) Processo de fabrico: Forjamento em matriz fechada; Dimensões: mm Peso: 0.14 kg Material: Alumínio KN432 Tensão de rotura: 345 MPa Tensão limite de elasticidade: 215 MPa Dureza (HB): Operações secundárias: Maquinagem Tratamento térmico: T4 Processo de fabrico alternativo: Fundição Produção anual superior a Tecnologia Mecânica 31

32 Forjamento FORJAMENTO Casos de estudo Dobradiça de um automóvel desportivo Processo de fabrico: Forjamento em matriz fechada a quente; Dimensões: mm Peso: 0.8 kg Material: Alumínio AISI 7075 Tensão de rotura: 480 MPa Tensão limite de elasticidade: 415 MPa Operações secundárias: Maquinagem Tratamento superficial: Revestimento com pós Processo de fabrico alternativo: Fundição Produção anual: Tecnologia Mecânica 32

33 Forjamento FORJAMENTO Casos de estudo Braço (triângulo) de suspensão superior Processo de fabrico: Forjamento a frio e forjamento a quente; Dimensões: Peso: 3.73 kg Material: SAE 1541 Tensão de rotura: 800 MPa Tensão limite de elasticidade: 620 MPa Operações secundárias: Mandrilagem e perfuração, Tratamento superficial: Pintura Processo de fabrico alternativo: Estampagem Produção anual: Superior a Tecnologia Mecânica 33

34 Forjamento FORJAMENTO Casos de estudo Olhal para macaco hidráulico agrícola Processo de fabrico: Forjamento a quente; Peso: 1 kg Material: Aço AISI 1045 Operações secundárias: Mandrilagem, torneamento e facejamento, Processo de fabrico alternativo: Maquinagem Produção anual: Entre e Inicialmente este componente era produzido através de 13 operações diferentes de maquinagem Tecnologia Mecânica 34

35 Forjamento FORJAMENTO Casos de estudo Cambota para motor de alta performance V6 Processo de fabrico: Forjamento em matriz fechada a quente; Comprimento: 510 mm Peso: 26 kg Material: Aço microligado Tensão de rotura: 825 MPa Tensão limite de elasticidade: 495 MPa Operações secundárias: Acabamento por maquinagem e furação Processo de fabrico alternativo: Fundição Tecnologia Mecânica 35

36 Forjamento FORJAMENTO Casos de estudo Engrenagem Processo de fabrico: Forjamento de precisão; Dimensões (mm): φ76 a φ432 Peso: 3.73 kg Material: Aço AISI 8620 Tensão de rotura: 635 MPa Tensão limite de elasticidade: 355 MPa Operações secundárias: Calibração e rectificação, Tratamento térmico: Normalização; Processo de fabrico alternativo: Forjamento da pré-forma e fresagem para abertura de dentes; Produção anual: a Tecnologia Mecânica 36

37 Forjamento FORJAMENTO Casos de estudo Biela Processo de fabrico: Forjamento em matriz fechada a quente sem rebarba; Comprimento: 210 mm Peso: 2.9 kg Material: Aço E4340 Tensão de rotura: 1240MPa Tensão limite de elasticidade: 1095 MPa Operações secundárias: Acabamento por maquinagem Tratamento térmico: Recozimento ou arrefecimento controlado Processo de fabrico alternativo: Pulverotecnologia Produção anual: Tecnologia Mecânica 37

38 TECNOLOGIA MECÂNICA HYDROFORMING Tecnologia Mecânica 38

39 Hydroforming HYDROFORMING - Estampagem através de elementos líquidos, aplica-se a : CHAPA Quase exclusivamente utilizada em protótipos TUBOS Largamente utilizada ao nível industrial APLICAÇÕES: indústria automóvel indústria aeronáutica Tecnologia Mecânica 39

40 Hydroforming HYDROFORMING DE CHAPA Metade da ferramenta é substituída por um meio flexível. Adequado à produção de pequenas ou médias séries; Permite redução dos custos e tempo de produção; Adequado à estampagem de componentes de forma irregular e complexa (não é necessário alinhamento entre os vários componentes); Existem dois tipos de ferramentas de Hydroforming de Chapa: Contacto directo do fluido com a chapa; Existência de uma membrana elástica (FLEXFORMING) - fronteira entre o fluido e o material. Tecnologia Mecânica 40

41 Hydroforming HYDROFORMING DE CHAPA através do contacto directo do fluido com a chapa: Sequência do processo: 1. Com a prensa aberta a câmara é preenchida com líquido até à posição inicial; 2. A chapa é colocada e pressionada pelo encostador, de modo a garantir a selagem da câmara; 3. O processo é iniciado com o movimento do punção, e a sua penetração na chapa, aumentando a pressão do líquido na câmara; 4. Após atingir a profundidade desejada a pressão na câmara é libertada; Tecnologia Mecânica 41

42 Hydroforming HYDROFORMING DE CHAPA através da utilização de um membrana elástica como fronteira entre o fluido e o material (FLEXFORMING): Fluido sob pressão Zona da membrana a funcionar como encostador Reentrância Membrana elástica Chapa Meia ferramenta rígida Sequência do processo - posicionamento, pressurização e descompressão: 1. A chapa é colocada sobre a meia ferramenta rígida que se encontra sobre a mesa da prensa; 2. O fluido actua sobre a membrana, forçando-a a envolver a chapa em torno da meia ferramenta rígida; 3. A pressão do fluido é elevada e uniforme de modo a assegurar tolerâncias de fabrico apertadas; Nota: Obtêm-se reentrâncias que seriam impossíveis de se obter por estampagem convencional. 1. posicionamento 2. pressurização 3. descompressão Tecnologia Mecânica 42

43 Hydroforming FLEXFORMING Equipamento Tempos de ciclo: 1 a 3 min. Pressões máx: 140 MPa Espessura: 0,1 a 16 mm 1- Mesa móvel para ferramentas 6- Intensificador de pressão 11- Enrolador da borracha de desgaste 2- Pré-tensionado com quilómetros de fio de aço enrolado 3- Sistema de pressão de fios enrolados móvel 4- Mesa da prensa com a unidade da fluid cell 7- Equipamento hidráulico 12- Painel de controle do operador 8- Cabine isoladora do som 13- Estação de carregamento da mesa 9- Compartimento de controle eléctrico 14- Entrada de óleo 5- Tubulação de enchimento de alta pressão 10- Centro de controle do motor Tecnologia Mecânica 43

44 Hydroforming HYDROFORMING DE CHAPA Vantagens A obtenção de profundidades de estampagem superiores, com melhor distribuição de extensões, comparativamente com a estampagem convencional; A estampagem de formas complexas em apenas uma operação; A redução dos custos das ferramentas, pelo facto de apenas ser utilizado um componente rígido de materiais económicos; Obtenção de excelente acabamento superficial da chapa que está em contacto com o meio líquido. Desvantagens Tempos de ciclo elevados protótipos ou pequenas séries Tecnologia Mecânica 44

45 Hydroforming APLICAÇÕES Projecto ULSAB UltraLight Steel Auto Body - Consórcio foi composto por fabricantes de aço de todo o mundo e a Porsche Engineering Services, Inc. para fazer frente à crescente utilização de ligas de alumínio na indústria automóvel. Objectivo: Reduzir o peso da estrutura automóvel, feita de aço, mantendo o seu desempenho e acessibilidade 25% de redução do peso Tecnologia Mecânica 45

46 Hydroforming SHEET HYDROFORMING Aplicações para a indústria automóvel Tecnologia Mecânica 46

47 Hydroforming SHEET HYDROFORMING Aplicações para a indústria automóvel Tecnologia Mecânica 47

48 Hydroforming TUBE HYDROFORMING Expansão tubular de tubos metálicos, através utilização de um fluido pressurizado injectado para o interior do tubo; A pressão é suficientemente elevada para que o tubo se deforme plasticamente e se ajuste à cavidade da matriz; Pré-formas tubulares (dobradas ou não). Características das peças: Elevada tensão de cedência; Elevada rigidez; Peso optimizado; Rigor geométrico. Tecnologia Mecânica 48

49 TUBE HYDROFORMING Sequência do processo Hydroforming A pré-forma tubular, dobrada ou não, é colocada no interior da ferramenta, sob a matriz (que define o contorno da peça a obter); As matrizes são fechadas e o interior do tubo é enchido com o fluido pressurizador. São utilizados dispositivos de selagem para evitar perdas de pressão. A pressão é aumentada até ao valor pretendido; Tecnologia Mecânica 49

50 TUBE HYDROFORMING Sequência do processo Hydroforming Movimento dos cilindros axiais, regulação da pressão do fluido: o material sofre expansão, os punções de selagem comprimem as extremidades do tubo e o material escoa no interior das matrizes; Abertura da prensa e extracção do componente final; Tecnologia Mecânica 50

51 TUBE HYDROFORMING Sequência do processo Hydroforming Tecnologia Mecânica 51

52 Hydroforming TUBE HYDROFORMING Pressões Low Pressure Hydroforming LPH - Pressões até 35 MPa. High Pressure Hydroforming - HPH - (maioria das aplicações automóveis) a 210 MPa. Poderão existir aplicações com cerca de 690 MPa. Pressure Sequence Hydroforming PSH - Neste processo a pressão é aumentada progressivamente à medida que se fecha a matriz, contribuindo para uma redução do atrito entre as paredes do tubo e da matriz. No final quando a matriz já se encontra fechada é aplicada uma pressão mais elevada para definir melhor as arestas da peça e anular a recuperação elástica. Tecnologia Mecânica 52

53 Hydroforming TUBE HYDROFORMING VANTAGENS: Rácio integridade estrutural/peso das peças Precisão dimensional e repetibilidade do processo Integração de operações: o o o o Redução do número de componentes e peso Redução da quantidade de matéria-prima e sucata Melhoria da resistência mecânica e da rigidez Menor número de ferramentas => Menor custo DESVANTAGENS: Elevado tempo de ciclo (20 s) Elevado custo dos equipamentos Pouco conhecimento do processo por ser uma tecnologia recente Tecnologia Mecânica 53

54 Hydroforming TUBE HYDROFORMING Operações subsequentes de furação Executadas na matriz de hydroforming A operação de furação (Hydro Piercing) pode ser realizada de diversas formas: - cavidade na matriz; - saliência na matriz; - extracção do rombo; - sem extracção do rombo. Tecnologia Mecânica 54

55 Hydroforming TUBE HYDROFORMING - Aplicações A. Componente estrutural do tejadilho B. Suporte para o painel de instrumentos C. Suporte de radiador D. Corpo de apoio do motor E. Componente estrutural F. Componente estrutural lateral Tecnologia Mecânica 55

56 Hydroforming Chassis de Arquitectura Spaceframe Volvo Maio de 2001 Audi Space Frame ASF A8 (1994) ASF A2 (2000) Tecnologia Mecânica 56

57 Hydroforming TUBE HYDROFORMING Equipamento Linha completamente automatizada de produção de suportes de motor - Adam Opel AG Cadência - 1 milhão de Peças/Ano Etapas: 1.Dobragem do tubo 2.Verificação a laser de fendas na dobragem 3.Pré-Forma 4.Na prensa de hydroforming 2000 kn 5.Hydroforming e Hydropiercing (22 furos) 6.Fc = kn 7.P = 1500 bar 150 MPa 8.Maquinagem das extremidades do tubo 9.Lavagem e secagem 10.Transferência para armazém Tecnologia Mecânica 57

58 Hydroforming TUBE HYDROFORMING Equipamento Suporte de radiador Vari-Form ( Peças/Ano) Alimentação manual das peças após dobragem Tecnologia Mecânica 58

59 TUBE HYDROFORMING Casos de estudo Hydroforming Suporte de radiador (Dodge Ram Pickup) Diversos tubos do sistema de escape Corpo do Assento dos Passageiros Porsche Boxter Suporte de motor Tecnologia Mecânica 59

60 Hydroforming TUBE HYDROFORMING Casos de estudo Componentes do motor Componentes estruturais Opel Corsa, 2002 MG ZT, 2002 BMW 3 series, 2002 Chrylser PT Jaguar S Type, 2003 Cruiser, 2002 Honda Civic, 2002 Opel Astra, 2002 Audi A2, 2002 Jaguar XJ Type, 2003 Lancia Thesis, 2002 Rover 75, 2002 Dodge Dakota, 2003 Suspensão Dodge, 2003 BMW Mini, 2002 Ford Mondeo, 2002 Jeep Grand Cherokee, 2003 Tecnologia Mecânica 60