DCEENG - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi

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1 1 UNIJUÍ Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEENG - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi FÁBIO MÜLLER OTIMIZAÇÃO DE COMPONENTES FUNDIDOS UTILIZADOS EM PROJETOS DE FERRAMENTAS PARA ESTAMPAGEM Panambi 2013

2 FÁBIO MÜLLER OTIMIZAÇÃO DE COMPONENTES FUNDIDOS UTILIZADOS EM PROJETOS DE FERRAMENTAS PARA ESTAMPAGEM Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Banca Avaliadora: 1 Avaliador: Professor Roger Schildt Hoffmann 2 Avaliador (Orientador): Professor João Henrique Corrêa de Souza, Dr. - Eng.

3 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, pois sem Ele eu não teria forças para essa longa jornada. A minha namorada, aos meus pais, irmãos e amigos pela paciência, compreensão e principalmente pelo apoio e incentivo que me mantiveram motivado na busca de meus objetivos. Ao meu filho, as minhas desculpas pelo período de ausência e falta de paciência para ouvi-lo e acompanhá-lo nos momentos importantes de sua vida. Ao meu professor orientador, Dr. Eng. João Henrique Corrêa de Souza, pelo exemplo de dedicação ao trabalho e orientações simples, claras e precisas. Aos professores do Curso de Engenharia Mecânica da Unijuí, a minha eterna gratidão pelos ensinamentos transmitidos. Ao meu colega de trabalho e amigo Engenheiro Ibson Härter pelo acompanhamento e auxilio durante os ensaios práticos e simulações em software CAE. A empresa Bruning Tecnometal S.A., pela oportunidade de realizar este trabalho e principalmente por prover os recursos e os meios necessários para a execução dos ensaios e simulações. MUITO OBRIGADO!

4 RESUMO A situação de extrema concorrência no mercado atual exige que as empresas busquem vantagens competitivas para promover a completa satisfação de seus clientes, pois quanto maior for à satisfação, maior será a qualidade dos serviços prestados. A adequação dos métodos de produção e o uso de técnicas mais avançadas a fim de buscar alternativas de redução de custos de fabricação são fatores fundamentais para a aplicação de inovações tecnológicas capazes de maximizar a produção e manter ou diminuir os recursos disponíveis. Neste trabalho propôs-se um estudo sobre os conceitos de estampagem, o estado da arte para ferramentas de estampagem, suas nomenclaturas, materiais utilizados, estudos e comparações para a utilização de diferentes ligas de ferros fundidos, otimizações de estruturas de ferramentas de estampagem, ensaios mecânicos e simulações em ferramenta de CAE. Palavras-chave: Estampagem, processos de conformação, ferramentas de estampagem, otimização, ferro fundido.

5 ABSTRACT The extreme competition in the current market requires that companies seek competitive advantages to promote the complete satisfaction of its customers, because the higher the satisfaction, the higher the quality of services provided. The appropriateness of production methods and the use of more advanced techniques in order to seek alternatives to reduce manufacturing costs are key factors in the implementation of technological innovations that maximize production and maintain or decrease the resources available. This work proposes a study on the concepts of stamping, state of the art for forming tools, their nomenclature, materials, studies to the use of cast irons, optimizations structures tools stamping, mechanical testing and simulations of CAE software. Keywords: Stamping, forming processes, stamping tools, optimization, cast iron.

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Típica cadeia de produção de componentes estampados Figura 2 Classificação dos processos de fabricação conforme DIN Figura 3 Exemplo de peças estampadas Figura 4 Etapas de conformação Figura 5 Esquema de estampagem por corte, em (a) contato, em (b) flexão, em (c) cisalhamento, em (d) separação e em (e) extração Figura 6 Aresta de corte, em (a) detalhe e em (b) descrição das regiões de corte Figura 7 Folga de corte Figura 8 Diagrama para folga de corte Figura 9 Parâmetros para cálculo do esforço de corte Figura 10 Alívio de corte Figura 11 Exemplos de alívios de corte, em (a) sem alívio, em (b) inclinado, em (c) côncavo e em (d) convexo Figura 12 Exemplos de ferramentas de dobra, em (a) dobra em U e em (b) dobra em V Figura 13 Retorno elástico Figura 14 Sequência de dobras Figura 15 Exemplos de ferramentas de dobra Figura 16 Exemplos de ferramentas de dobra Figura 17 Esquema de estampagem por estiramento Figura 18 Exemplo de máquina para estiramento Figura 19 Esquema de processo de estiramento em prensas Figura 20 Exemplo de um produto produzido por estiramento Figura 21 Estados de tensões no embutimento Figura 22 Principais componentes de uma ferramenta de embutimento Figura 23 Exemplo de uma peça complexa Figura 24 Esquema de um ensaio de tração Figura 26 Corpo de prova para um ensaio de tração Figura 26 Curva tensão x deformação Figura 27 Esquema de um ensaio de compressão Figura 28 Ensaio de compressão, em (a) metal dúctil e (b) metal frágil Figura 29 Processo de fadiga dos materiais Figura 30 Duração de um componente estrutural à fadiga Figura 32 Aspectos da ruptura por fadiga Figura 32 Exemplo de um ensaio de fadiga por torção e flexão Figura 33 Máquina para ensaio de fadiga tração-compressão Figura 34 Desenhos esquemáticos de corpos de prova, em (a) para ensaio de fadiga por flexão rotativa e (b) para ensaio de fadiga por tração-compressão Figura 35 Microestrutura de um ferro fundido nodular Figura 36 Microestrutura de um ferro fundido cinzento Figura 37 Efeito de amortecimento de vibração, em (a) para ferro fundido e em (b) aço Figura 38 Visão geral de uma prensa hidráulica Figura 39 Visão geral de uma prensa mecânica Figura 40 Ferramenta para dobrar Figura 41 Ferramenta para cortar Figura 42 Ferramenta de estampagem Figura 43 Ferramenta progressiva Figura 44 Ferramenta de grande porte para conformação Figura 45 Ferramenta de grande porte para corte

7 Figura 46 Ferramenta de dupla ação Figura 47 Ferramenta de simples ação Figura 48 Ferramenta para flangeamento Figura 49 Estirador duplo Figura 50 Cadeia de produção de um produto estampado Figura 51 Modelo em isopor Figura 52 Modelagem manual Figura 53 Modelagem robotizada Figura 54 Modelo final usinado Figura 55 Melhoria de projeto Figura 56 traçado assimétrico de peças de ferro fundido Figura 57 Espessura a deixar em torno de um furo roscado Figura 58 Fenômeno da contração, em (a) metal líquido, em (b) início da solidificação, em (c) solidificação e em (d) contração Figura 59 Defeitos de contração e modos de corrigi-los Figura 60 Aspecto típico de porosidade de rechupe Figura 61 Nomenclatura abreviada para ferros fundidos Figura 62 Etapas de realização de estruturas fundida, em (a) primeira etapa, em (b) segunda etapa, em (c) terceira etapa e em (d) quarta etapa Figura 63 Geração de cavidades prismáticas Figura 64 Exemplos de padrões prismáticos de estruturas, em (a) sextavado, em (b) triangulares, em (c) círculos de raios idênticos e em (d) círculos de raios diferentes Figura 65 Condições de contorno para simulação Figura 66 Estruturas selecionadas Figura 67 Corpo de prova para ensaio de tração segundo norma NBR Figura 68 Máquina universal de ensaios Figura 69 Corpo de prova para ensaio de compressão segundo norma ASTM E Figura 70 Extensômetro Figura 71 Sistema inversor de movimentos Figura 72 Esquema para o ensaio de compressão Figura 73 Ensaio de compressão Figura 74 Sistema inversor de movimentos acoplado Figura 75 Gráfico demonstrativo da linha elástica Figura 76 Estrutura maciça Figura 77 Corpo de prova para ensaio de extração por compressão das roscas Figura 78 Mandril para ensaio de compressão Figura 79 Mandril para ensaio de compressão, em (a) componentes do ensaio e em (b) mandril, corpo de prova e apoio posicionados na máquina de ensaios Figura 80 Corpo de prova para ensaio de torque das roscas Figura 81 Ensaio de torque Figura 82 Gráfico de comparativo de massa teórica e real Figura 83 Micrografia do ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X Figura 84 Micrografia do ferro fundido EN-GJL-300 (GG30), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X Figura 85 Micrografia do ferro fundido EN-GJS (GGG 40), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X Figura 86 Micrografia do ferro fundido EN-GJS-HB265 (GGG 70L), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X Figura 87 Gráfico resultante para EN-GJL-250 (GG 25): Tração

8 Figura 88 Gráfico resultante para EN-GJL-300 (GG 30): Tração Figura 89 Gráfico resultante para EN-GJL (GGG 40): Tração Figura 90 Gráfico resultante para EN-GJS-HB265 (GGG 70L): Tração Figura 91 Gráfico resultante para EN-GJl-250 (GG 25): Compressão Figura 92 Gráfico resultante para EN-GJl-300 (GG 30): Compressão Figura 93 Gráfico resultante para EN-GJS (GGG 40): Compressão Figura 94 Gráfico resultante para EN-GJS-HB265 (GGG 70L): Compressão Figura 95 Gráfico comparativo dos módulos de elasticidade Figura 96 Geometria 1: (Perfil maciço), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 97 Geometria 2: (Perfil I), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 98 Geometria 3: (Perfil H), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 99 Geometria 4: (Perfil triângular), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 100 Geometria 5: (Perfil sextavado) em (a) tensões e em (b) deformações Figura 101 Geometria 6: (Perfil circular), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 102 Geometria de melhor eficiência Figura 103 Geometria com espessura 10,5 mm, em (a) tensões e em (b) deformações Figura 104 Geometria com espessura 15 mm, em (a) tensões e em (b) deformações Figura 105 Geometria com espessura 20 mm, em (a) tensões e em (b) deformações Figura 106 Geometria com espessura 25 mm, em (a) tensões e em (b) deformações Figura 107 Geometria com espessura 35 mm, em (a) tensões e em (b) deformações Figura 108 Geometria com espessura 50 mm, em (a) tensões e em (b) deformações Figura 109 EN-GJL-250 (GG 25), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 110 EN-GJL-300 (GG 30), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 111 EN-GJS (GGG 40) em (a) tensões e em (b) deformações Figura 112 EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) em (a) tensões e em (b) deformações Figura 113 Estrutura otimizada de ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 114 Estrutura otimizada de ferro fundido EN-GJL-300 (GG 30), em (a) tensões e em (b) deformações Figura 115 Estrutura otimizada de ferro fundido EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) em (a) tensões e em (b) deformações Figura 116 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25) Figura 117 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-300 (GG 30) Figura 118 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS (GGG 40) Figura 119 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) Figura 120 Gráfico comparativo entre os ferros fundidos Figura 121 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25): Ensaio de torque Figura 122 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-300 (GG 30): Ensaio de torque Figura 123 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS (GGG 40): Ensaio de torque Figura 124 Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS-HB-265 (GGG 70L): Ensaio de torque

9 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Tensão de ruptura Tabela 2 Fator K r de acordo com o material Tabela 3 Propriedades mecânicas de ferros fundidos nodulares Tabela 4 Propriedades mecânicas de ferros fundidos cinzentos Tabela 5 Equivalência aproximada de códigos para ferro fundidos Tabela 6 Elementos de liga dos ferros fundidos Tabela 7 Dados fornecidos pela máquina de ensaios Tabela 8 Geometrias selecionadas Tabela 9 Dimensões dos corpos de prova segundo norma ISO Tabela 10 Dimensões dos apoios e mandris segundo norma ISO Tabela 11 Classe de resistência para as porcas com roscas segundo norma ISO Tabela 12 Dimensões dos corpos de prova para ensaio de torque para as roscas ISO Tabela 13 Valores de torques mínimos para ruptura segundo a norma ISO Tabela 14 Comparação entre peso teórico e peso real Tabela 15 Comparação entre estruturas com e sem restrições de projeto Tabela 16 propriedades mecânicas Tabela 17 Valores do módulo de elasticidade médios Tabela 18 Valores médios da tensão de escoamento para os ferros fundidos Tabela 19 Avaliações das geometrias construtivas mais eficientes Tabela 20 Relações entre abertura e espessura das nervuras Tabela 21 Avaliação dos resultados da variação de espessuras Tabela 22 Avaliação dos resultados da substituição de materiais Tabela 23 Avaliação dos resultados das otimizações das estruturas

10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CAE CAD CAM Computer Aided Engineering (Engenharia assistida por computador) Computer Aided Design (Projeto assistido por computador) Computer Aided Manufacturing (Fabricação assistida por computador)

11 LISTA DE SÍMBOLOS F c Força de corte [N] e Espessura da chapa [mm] p Perímetro de corte [mm] τ r Resistência ao cisalhamento do material [N/mm²] σ r Resistência à tração do material [N/mm²] F c1 Força de corte 1 [N] F c2 Força de corte 2 [N] C Alívio de corte [mm] K r Fator para correção do retorno elástico [-] α 1 Ângulo de compensação [ ] α 2 Ângulo nominal [ ] R i2 Raio interno da peça [mm] s Espessura da chapa [mm] E Modulo de elasticidade [N/mm²] F r Tensão radial [N/mm²] F t Tensão tangencial [N/mm²] σ Tensão de engenharia [N/mm²] F Força aplicada [N] A 0 Área da seção transversal [mm²] ε Deformação [-] L f Comprimento final [mm] L o Comprimento inicial [mm] σ adm Tensão admissível [N/mm²] σ esc Tensão de escoamento [N/mm²] σ R Tensão de ruptura [N/mm²] ΔL Variação do comprimento do corpo de prova [mm] ΔR Anisotropia planar [-] R 0 Índice de anisotropia a 0 [-] R 45 Índice de anisotropia a 45 [-] R 90 Índice de anisotropia a 90 [-] R Anisotropia normal [-]

12 SUMÁRIO INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Conformação mecânica Estampagem Corte por arrombamento Estampagem por dobramento Estampagem por estiramento Estampagem por embutimento Estampagem de peças complexas Propriedades mecânicas dos materiais utilizados Ensaio de tração Ensaio de compressão Ensaio de fadiga Tipos de ensaios de fadiga Corpos de prova Consequências da fadiga sobre os ferros fundidos Absorção de vibrações Máquinas para estampagem Ferramentas para estampagem de pequeno porte Ferramentas para estampagem de grande porte Elementos de uma ferramenta de estampagem Cadeia de produção de produtos estampados Elementos para o projeto de peças fundidas Ferros fundidos Nomenclatura dos ferros fundidos Engenharia assistida por computador Método de elementos finitos Projeto estrutural de ferramentas de estampagem OBJETIVOS DO TRABALHO E ESTRATÉGIA DE SOLUÇÃO MATERIAIS E MÉTODOS Aspectos de fabricação Diferença entre pesos teóricos e práticos de peças fundidas (tecnologia atual)

13 3.1.2 Possibilidade da melhoria da confecção de modelos de fundição (tecnologia nova) Caracterização dos materiais Ensaios metalográficos Ensaio de tração Ensaio de compressão Cálculo do módulo de elasticidade por métodos manuais Aspectos de projeto Estudos de eficiência das geometrias Estudo de eficiência dos materiais Ensaios para a classificação de resistência das roscas em ferros fundidos Ensaio de extração por compressão para as roscas em ferros fundidos Ensaio de torque para as roscas em ferros fundidos RESULTADOS Aspectos de fabricação Diferença entre pesos teóricos e práticos de peças fundidas (tecnologia atual) Possibilidade da melhoria da confecção de modelos de fundição (tecnologia nova) Caracterização dos materiais Ensaios metalográficos Ensaios de tração Ensaios de compressão Cálculo do módulo de elasticidades por métodos manuais Aspectos de projeto Estudos de eficiência das geometrias Estudo da eficiência dos materiais Ensaio de extração por compressão para a classificação de resistência das roscas Ensaios de torque para a classificação de resistência das roscas CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A Relatório de ensaios de tração: Material: EN-GJL-250 (GG 25) ANEXO B Relatório de ensaios de tração Material: EN-GJL-300 (GG 30) ANEXO C Relatório de ensaios de tração Material: EN-GJS (GGG 40) ANEXO E Relatório de ensaios de compressão Material: EN-GJL-250 (GG 25) ANEXO F Relatório de ensaios de compressão Material: EN-GJL-300 (GG 30) ANEXO G Relatório de ensaios de compressão Material: EN-GJS (GGG 40).. 139

14 ANEXO H Relatório de ensaios de compressão Material: EN-GJS-HB265(GGG70L) ANEXO I Ensaios de extração - Rosca M8 Material: EN-GJL-250 (GG 25) ANEXO J Ensaios de extração - Rosca M10 Material: EN-GJL-250 (GG 25) ANEXO K Ensaios de extração - Rosca M12 Material: EN-GJL-250 (GG 25) ANEXO L Ensaios de extração - Rosca M16 Material: EN-GJL-250 (GG 25) ANEXO M Ensaios de extração - Rosca M8 Material: EN-GJL-300 (GG 30) ANEXO N Ensaios de extração - Rosca M10 Material: EN-GJL-300 (GG 30) ANEXO O Ensaios de extração - Rosca M12 Material: EN-GJL-300 (GG 30) ANEXO P Ensaios de extração - Rosca M16 Material: EN-GJL-300 (GG 30) ANEXO Q Ensaios de extração - Rosca M8 Material: EN-GJS (GGG 40) ANEXO R Ensaios de extração - Rosca M10 Material: EN-GJS (GGG 40) ANEXO S Ensaios de extração - Rosca M12 Material: EN-GJS (GGG 40) ANEXO T Ensaios de extração - Rosca M16 Material: EN-GJS (GGG 40) ANEXO U Ensaios de extração - Rosca M8 Material: EN-GJS-HB265 (GGG 70L) ANEXO V Ensaios de extração - Rosca M10 Material: EN-GJS-HB265 (GGG 70L) ANEXO X Ensaios de extração - Rosca M12 Material: EN-GJS-HB265 (GGG 70L) ANEXO Y Ensaios de extração - Rosca M16 Material: EN-GJS-HB265 (GGG 70L)

15 15 INTRODUÇÃO O processo de conformação mecânica emprega a deformação plástica dos metais mantendo a sua massa e integridade. Atualmente esses processos são empregados para a fabricação das mais diversas peças onde operação de corte, dobra, estiramento, extrusão, trefilação e embutimento são realizadas em peças simples até perfis e formas muito complexas. Cada processo possui características muito bem definidas e com uma diversidade de parâmetros muito vasta. O mercado produtivo está muito competitivo, exigindo que seja necessário maximizar o potencial de produção sem aumentar os recursos disponíveis. Para tal devem-se projetar máquinas e ferramentas altamente eficazes e produtivas no menor custo possível sem afetar as suas principais características, como durabilidade, robustez, eficiência, produtividade entre outras tantas. As ferramentas utilizadas nos processos de conformação de corte, dobra, estiramento e embutimento geralmente são projetadas e produzidas especificamente para cada produto. Geralmente essas ferramentas são muito caras por se tratarem de ferramentas de alta produtividade e por sofrerem elevados esforços mecânicos. Os materiais para a sua fabricação devem atender a todos os requisitos pré-estabelecidos sem afetar a durabilidade. Por serem materiais caros, é preciso racionalizar o seu uso e empregar somente a quantidade necessária, sem exageros. A ferramenta é um conjunto formado por vários componentes usinados e montados que possuem os mais variados tipos de materiais. Inúmeros estudos e ensaios são realizados para a escolha correta de materiais para cada processo de conformação. Dentre esses materiais se destaca o ferro fundido de vasta utilização na fabricação mecânica. Peças fundidas podem apresentar as mais variadas formas, facilitando assim a sua utilização em ferramentas de conformação. Tradicionalmente em ferramentas de estampagem, o projetista utiliza de sua experiência profissional para dimensionar e projetar estruturas capazes de suportar os esforços mecânicos a qual são destinados. Usualmente projetam-se estruturas superdimensionadas com a finalidade de fabricar ferramentas de estampagem robustas e com um ciclo de vida muito longo. O trabalho investiga se existe a possibilidade de desenvolver técnicas e estratégias de racionalização de projetos, ou seja, gerar parâmetros e características de projeto que possam ser otimizadas sem comprometer as principais funções na qual serão exigidas. Em

16 16 consequência disso geram-se alternativas construtivas economicamente viáveis visando uma significativa redução do custo final das ferramentas.

17 17 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Dentro da realidade de um ambiente produtivo a chapa percorre uma cadeia de eventos, passando através de diversos estágios que submetem a peça aos mais diversos tipos de ambientes. Cada etapa da fabricação é acompanhada de requisitos de qualidade e seus mecanismos de controle. [29] A Figura 1 apresenta as principais etapas presentes na cadeia de produção de um produto estampado qualquer. Figura 1 Típica cadeia de produção de componentes estampados Fonte: [29]. A produção de um componente estampado típico começa com o desbobinamento da chapa e posterior estampagem por corte, ou seja, a bobina que vem da usina é desenrolada e cortada em pedaços pré-determinados em função do tamanho da peça a ser fabricada. [29] Em seguida realizam-se as etapas de estampagem e soldagem onde frequentemente as peças ficam armazenadas entre uma etapa e outra. Posteriormente as peças passam pelos processos de remoção de impurezas, preparação de superfície, pintura, embalamento e transporte ao cliente. 1.1 Conformação mecânica Por conformação em geral entende-se a alteração controlada da forma, da superfície e das propriedades mecânicas do material de um determinado corpo, mantendo-se a sua massa e composição química original. [47]

18 18 De acordo com a classificação da norma DIN-8580 os processos de fabricação se dividem em seis grupos principais conforme mostrado na Figura 2: Criação de Forma - com criação de volume (grupo 1) Modificação de Forma - com volume constante (grupo 2), com redução de volume (grupo 3) e com aumento de volume (grupo 4 e grupo 5). Modificação das propriedades - sem mudança de forma (grupo 6). Figura 2 Classificação dos processos de fabricação conforme DIN Fonte: [48]. Em um ambiente industrial, a conformação mecânica é qualquer operação durante a qual se aplica esforço mecânico em diversos materiais, resultando em uma mudança permanente de formas e dimensões. Para a produção de peças, a conformação mecânica inclui um grande número de processos: laminação, forjamento, trefilação, extrusão e conformação de chapas. Esses processos têm em comum o fato de que, para a produção da peça, algum esforço do tipo compressão, tração, flexão e cisalhamento, têm de ser aplicado sobre o material. [5] Cada processo possui características muito bem definidas e com uma diversidade de parâmetros muito vasta.

19 19 A seguir serão abordados os principais conceitos de estampagem, ferramentas de conformação, materiais empregados, propriedades e características dos ferros fundidos. 1.2 Estampagem Estampagem ou conformação de chapas é um processo de conformação mecânica, geralmente realizada a frio, que engloba um conjunto de operações. Por meio dessas operações a chapa plana é submetida a transformações que a fazem adquirir uma nova forma geométrica plana ou oca. Isso só é possível por causa de uma propriedade mecânica que os metais têm: a plasticidade. [6] As operações de estampagem podem ser resumidas em quatro básicas: Corte Dobramento Estiramento Embutimento 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, aço inoxidável, 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 Enquanto as estampagens em corte e dobramento são realizadas a frio, a profunda pode eventualmente ser a quente, dependendo da necessidade. Como principal desvantagem deste processo, pode-se destacar o alto custo do ferramental, que só pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada. [7]

20 20 Normalmente para a obtenção de um produto acabado necessita-se a realização de mais de um processo de estampagem, ou seja, realiza-se uma sucessão de operações que resultam em um produto final. A Figura 3 apresenta algumas peças fabricadas através de combinações de operações de processos de estampagem. Figura 3 Exemplo de peças estampadas. Fonte: [18] A Figura 4 apresenta uma determinada seqüência de operações de estampagem, incluindo o corte da chapa, a estampagem profunda, o corte de abas adjacentes, cortes de furações, dobras, flangeamentos e calibragem, para obtenção de um produto acabado. Figura 4 Etapas de conformação. Fonte: [19]

21 Corte por arrombamento O processo de estampagem por corte é usado na obtenção de formas geométricas em chapas por meio de uma ferramenta de corte, ou punção de corte, por intermédio de uma prensa exercendo pressão na chapa apoiada numa matriz. No momento em que o punção penetra na matriz converte o esforço de compressão em cisalhamento acionando o corte. [7] A Figura 5 mostra esquematicamente o sistema de estampagem por corte. Figura 5 Esquema de estampagem por corte, em (a) contato, em (b) flexão, em (c) cisalhamento, em (d) separação e em (e) extração. Fonte: [4]. A aresta de corte apresenta, em geral, três regiões: uma rugosa (correspondente á superfície da trinca da fratura), uma lisa (formada pelo cisalhamento da peça) e uma região arredondada (formada pela deformação plástica inicial), conforme pode ser verificado na Figura 6. Figura 6 Aresta de corte, em (a) detalhe e em (b) descrição das regiões de corte. Fonte: [3].

22 22 A qualidade das arestas cortadas não é a mesma das usinadas, entretanto quando as lâminas são mantidas afiadas e ajustadas é possível obter arestas aceitáveis para uma grande faixa de aplicações. A qualidade das bordas cortadas geralmente melhora com a redução da espessura da chapa. Em chapas de aço temperado a relação espessura da chapa / diâmetro do punção tem o valor máximo de 1,2, o que significa que a espessura da chapa deve ser menor ou igual ao diâmetro do punção. As figuras geométricas obtidas pelo corte podem ser usadas posteriormente na estampagem profunda. [7] Outro fator muito importante que deve ser levando em conta é a folga de corte entre as partes móveis do ferramental que deve ser definida levando em função do tipo e espessura do material a ser cortado. Ela é muito importante, pois é um dos fatores que influenciam na qualidade do corte. Para uma folga muito pequena tem-se o aumento da força de corte, maior qualidade e maior desgaste. Para uma folga excessiva tem-se a diminuição da força de corte, menor qualidade e menor desgaste. Portanto deve-se ter uma folga ideal para se obter um balanço perfeito entre força, qualidade e desgaste. Na Figura 7 têm-se comparações entre folgas pequenas, excessivas e ideais. Figura 7 Folga de corte. Fonte: [4]. Uma folga inadequada produzirá rebarbas no corte e consequentemente será necessária a inclusão de uma etapa posterior de acabamento das arestas. A Figura 8 mostra um exemplo de diagrama utilizado para a obtenção da folga ideal de corte para o aço SAE 1008.

23 23 Figura 8 Diagrama para folga de corte Fonte: [4] A força de corte depende diretamente do tipo de material, da espessura da chapa e do perímetro de corte, onde a espessura da chapa e o perímetro de corte são facilmente conhecidos. A influência do material na força de corte vem por meio do valor da τ r (resistência ao cisalhamento do material), que é uma função da resistência à tração do material (σ r ), [3] conforme pode ser visto na Figura 9 e na Tabela 1. Figura 9 Parâmetros para cálculo do esforço de corte. Fonte: [3]

24 24 Tabela 1 Tensão de ruptura Material Tensão de ruptura Aço < 0,3%C e Alumínio τ r = 0,60 σ r Aço 0,3 a 0,7%C τ r = 0,75 σ r Aço > 0,7%C τ r = σ r Fonte: [3]. Desta forma, o cálculo da força de corte FC pode ser feito a partir da equação abaixo, que é função da espessura da chapa, do perímetro de corte e da tensão de ruptura, onde: (1) Fc = força de corte; e = espessura da chapa; p = perímetro de corte; τ r = resistência ao cisalhamento do material. Muitas vezes é interessante procurar-se diminuir os esforços de corte, com o intuito de minimizar a necessidade de grandes prensas e reduzir os ruídos. Isto pode ser feito através de um ângulo no punção ou na matriz, de maneira a diminuir a área de resistência ao corte. [11] A Figura 10 apresenta dois modelos de punções de corte, sendo um completamente sem alívio de corte e o outro com alívio de corte unilateral. Figura 10 Alívio de corte Fonte: [11]. No caso do punção de face reta, a distância percorrida pelo punção para executar o corte será igual à espessura da chapa e no caso do punção de face angular à distância percorrida será igual à espessura mais a variação da inclinação. Como o trabalho para executar o mesmo corte não varia e como a distância percorrida pelo punção com face angular é maior,

25 25 a força de corte, neste caso, necessariamente terá que ser menor. [11] A Figura 11 apresenta um gráfico comparativo entre o curso realizado do punção e a força de corte respectiva, onde se pode verificar claramente uma redução significativa nos esforços de corte para o punção de face angular e faces em raio em relação ao punção de face reta. Para se obter uma maior vida útil dos punções deve-se sempre incluir tais alívios de corte e por conseqüência positiva ainda tem-se a redução do ruído. Figura 11 Exemplos de alívios de corte, em (a) sem alívio, em (b) inclinado, em (c) côncavo e em (d) convexo. Fonte: [4] Estampagem por dobramento Nesta operação a conformação é feita de flexão além do limite elástico, em torno de uma aresta ou entre um punção e uma matriz onde abrange diversas operações de curva. [5] Durante a operação de dobramento, deve-se evitar que a chapa sofra um alongamento excessivo. O que provocaria uma variação de sua espessura. Para que isso não ocorra, é necessário um controle rigoroso das ferramentas e uma regulagem exata do curso da prensa. [9] A Figura 12 apresenta dois exemplos de ferramentas de dobra. Figura 12 Exemplos de ferramentas de dobra, em (a) dobra em U e em (b) dobra em V. Fonte: [4].

26 26 Deve-se, ainda evitar cantos vivos, sendo, portanto necessário fixar os raios externos de curvatura, a fim de que não ocorra ruptura durante o dobramento. O raio de curvatura deve ser entre uma e duas vezes a espessura da chapa para materiais moles e entre três a quatro vezes para materiais duros. Para se conformar uma peça, muitas vezes é necessário efetuar o dobramento por etapas em diversos estágios. [5] No dobramento sempre deve ser levado em conta o fato que, depois de cessado o esforço do punção sobre o material haverá certo retorno da peça dobrada, ficando a dobra com um ângulo maio 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. [11] Na Figura 13 e na Tabela 2 encontram-se alguns exemplos de materiais e uma razão entre o raio interno e espessura da peça a fim de verificar o valor aproximado do retorno elástico. Figura 13 Retorno elástico Fonte: [4]. O Fator K r é calculado pela seguinte equação: Tabela 2 Fator K r de acordo com o material Material Fator k r R i2 /S=1 R i2 /S=10 Aço comum 0,99 0,97 Aço inoxidável austenítico 0,96 0,92 Alumínio 99% 0,99 0,98 Al Cu Mg 2 F 43 0,91 0,65 Fonte: [4]. (2)

27 27 Na Figura 14 tem-se uma sequência de operações de dobra realizada em uma prensa viradeira ou dobradeira. Figura 14 Sequência de dobras. Fonte: [8]. A Figura 15a apresenta uma sequência de dobras livres, ou seja, sem a utilização de prensa chapas. Pode-se verificar claramente uma deformação na parte inferior do produto. A Figura 15b apresenta a mesma dobra, porém utilizando prensa chapas. Pode-se verificar uma peça com boa qualidade, porém um maior retorno elástico. Figura 15 Exemplos de ferramentas de dobra. Fonte: [4].

28 28 Para se produzir uma peça dobrada em U sem deformações e com possibilidades de compensar o retorno elástico, pode-se projetar a ferramenta utilizando recursos de calibragem e compensações laterais como pode ser visto na Figura 16. Figura 16 Exemplos de ferramentas de dobra. Fonte: [4] Estampagem por estiramento É a operação que consiste na aplicação de forças de tração de modo a esticar o material sobre uma ferramenta ou matriz. Neste processo o gradiente de tensões é pequeno oque garante a quase total eliminação do retorno elástico. O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico (usualmente vertical), que movimenta o punção. Duas garras prendem as extremidades da chapa. As garras podem ser móveis permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa. Garras fixas devem ser usadas somente para conformação de peças com grandes raios de curvatura, evitando-se com isto o risco de ruptura da chapa nesta região. O estiramento é uma das etapas de operações complexas de estampagem de chapas finas. Na conformação de peças como partes de automóveis ou de eletrodomésticos, é comum haver componentes de estiramento. [12] O limite de conformação no estiramento pode ser estabelecido pelo fenômeno da estricção. A estricção é redução das dimensões da seção transversal provocada pelas cargas de tração do processo. No estiramento deve ser evitada estricção localizada. [12] A Figura 17 apresenta um esquema simplificado do funcionamento da estampagem por estiramento

29 29 Figura 17 Esquema de estampagem por estiramento. Fonte: [18]. É comum haver gradientes de deformação em operações de estiramento. A região que deforma mais se torna mais encruada e a deformação é transferida para o elemento de volume vizinho. Se o coeficiente de encruamento for suficientemente grande, haverá a redistribuição das deformações ao longo de toda a peça e esta suportará mais deformações, antes que a estricção localizada se inicie. [12] Este processo de estampagem por estiramento é muito empregado na indústria aeronáutica. A Figura 18 apresenta um exemplo de máquina conformando um determinado produto. Figura 18 Exemplo de máquina para estiramento. Fonte: [21].

30 30 O processo de estiramento também é muito utilizado na indústria metal-mecânica, porém, com algumas diferenças em relação ao processo utilizado na indústria aeronáutica. Neste caso as necessita-se de punção, matriz e um prensa-chapas bem dimensionado de tal forma que a borda da chapa permaneça fixa durante o processo, não havendo fluxo de material para entre matriz e prensa-chapa. [4] Tal processo normalmente é realizado em uma prensa hidráulica, eventualmente em casos específicos e não muito críticos também podem ser realizados em prensas mecânicas. A Figura 19 apresenta um esquema simplificado do funcionamento de um processo de estiramento realizado em prensas e seus principais componentes. Figura 19 Esquema de processo de estiramento em prensas. Fonte: [4]. Partes internas onde se tem uma grande deformação longe da borda da chapa sofrem estiramento puro e, portanto o material a ser utilizado deve ser adequado. A Figura 20 apresenta um exemplo típico de peças sofrendo estiramento puro. Figura 20 Exemplo de um produto produzido por estiramento. Fonte: [37].

31 Estampagem por embutimento. É o processo utilizado para fazer com que uma chapa plana adquira a forma de uma matriz (fêmea), imposta pela ação de um punção (macho). O processo é empregado na fabricação de peças de uso diário (pára-lamas, portas de carros, banheiras, rodas, etc.). [13] O processo implica simultaneamente em tensões de tração e compressão conforme pode ser visto na Figura 21, onde Fr representa as tensões radiais, ou seja, compressão, e Ft representam as tensões tangenciais, de tração. [22] Figura 21 Estados de tensões no embutimento. Fonte: [22]. A Figura 22 apresenta uma ferramenta de embutimento de um copo. O disco ou esboço que se deseja embutir é colocado sob o prensa-chapas, o qual prende a chapa pela parte externa. O punção está fixado ao porta punção e o conjunto é fixado á parte móvel da prensa. Figura 22 Principais componentes de uma ferramenta de embutimento. Fonte: [22].

32 32 A máquina de conformação é uma prensa excêntrica para peças pouco profundas ou uma prensa hidráulica para embutimento mais profundo. Na fabricação da ferramenta, é importante a obtenção de superfícies lisas e o controle das tolerâncias dimensionais do conjunto punção-peça-matriz. Esses dois fatores, associados a uma lubrificação abundante, podem reduzir sensivelmente os esforços de conformação e o desgaste da ferramenta. [13] No projeto da ferramenta, além de considerar os esforços de conformação, deve-se determinar os esforços do prensa-chapa, caso seja aplicada uma pressão excessiva, pode ocorrer a ruptura da peça na conformação e, se a pressão for muito pequena, podem surgir rugas nas laterais. Este conjunto de fatores somando-se as características do material que está sendo trabalhado limita a relação máxima de embutimento possível de ser feito em uma etapa. A relação máxima de embutimento ( ) depende do nível de encruamento e do índice de anisotropia do material. [50] A relação máxima entre diâmetro do blank e diâmetro do punção para a primeira etapa de embutimento é dada pela equação: (3) Onde: = Relação máxima de embutimento; = Diâmetro máximo do blank; = Diâmetro do punção Se a profundidade da peça que se quer obter ultrapassa a relação máxima de embutimento é necessário que se proceda outras etapas até atingir o formato desejado. Para as etapas posteriores uma nova relação máxima de embutimento é necessária, o valor da relação de embutimento para as etapas posteriores é menor do que o da primeira etapa. [50] Assim para as etapas posteriores teremos: Onde: = Relação máxima de embutimento para etapas posteriores; (4)

33 33 = Diâmetro do punção da primeira etapa (ou etapa anterior); = Diâmetro do punção da segunda etapa (ou da etapa que se está calculando). O diâmetro máximo do punção para cada etapa subsequente depende da relação de embutimento e do diâmetro do punção da etapa anterior. [50] Estampagem de peças complexas. Para a obtenção de peças com geometrias e formas muito complexas e para reduzir o número de estágio de conformação, muitas vezes necessitam-se projetar ferramentas com combinações de processos de estampagem simultâneos. A Figura 23 apresenta um exemplo de peça relativamente complexa onde se realizam operações de estiramento e embutimento na mesma etapa de estampagem. Em seguida efetuam-se as etapas subsequentes de estampagem como corte, dobra e calibragem, com a finalidade de completar a forma final do produto. Figura 23 Exemplo de uma peça complexa. Fonte: [21]. 1.3 Propriedades mecânicas dos materiais utilizados A determinação das propriedades mecânicas de um material metálico é realizada por meio de vários ensaios. Geralmente esses ensaios são destrutivos, pois promovem a ruptura ou

34 34 a inutilização do material. Dentre os ensaios destrutivos estão classificados os ensaios de tração, dobramento, flexão, torção, fadiga, impacto, compressão e outros. A escolha do ensaio mecânico mais interessante ou mais adequado para cada produto metálico depende da finalidade do material, dos tipos de esforços, que esse material vai sofrer e das propriedades mecânicas que se deseja medir. [34] 1.4 Ensaio de tração O ensaio de tração (Figura 24) é considerado o teste mecânico que apresenta a melhor relação entre informações obtidas e custo/complexidade de ensaio. Apesar deste teste possa ser realizado em condições bem distintas daquelas na qual o material será requisitado, os parâmetros obtidos deste ensaio são o ponto de partida para a sua caracterização e especificação. [23] Figura 24 Esquema de um ensaio de tração. Fonte: [25]. O ensaio de tração consiste em aplicar uma força uniaxial no material, tendendo-o a alongá-lo até o momento de sua fratura. Os corpos de prova (Figura 26) podem ser retangulares ou circulares. O corpo de prova (sempre padronizado por normas técnicas) é fixado pelas suas extremidades nas garras de fixação da máquina de tração onde então é submetido a um esforço, aplicando uma carga gradativa e registrando cada valor de força correspondente a um diferente tipo de alongamento do material (alongamento este medido por um extensômetro). O ensaio termina quando o material se rompe.

35 35 Figura 25 Corpo de prova para um ensaio de tração. Fonte: [25]. Para efeitos de reduzir as diferenças entre as dimensões de diferentes corpos de prova, utiliza-se o conceito de tensão convencional ou tensão de engenharia definida por: [25] (5) Onde F representa a força aplicada, A0 a área da seção transversal do corpo (antes da aplicação da carga). Para os corpos de prova cilíndricos a área (A0) é determinada por: (6) Já a deformação (ε) sofrida pelo corpo de prova pode ser calculada em função do alongamento sofrido durante o ensaio ( ) (7) Onde Lf representa o comprimento final e Lo o comprimento inicial. Diversos parâmetros podem ser constatados, (Figura 26) como o limite de proporcionalidade, limite de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência e o instante de seu rompimento.

36 36 Figura 26 Curva tensão x deformação. Fonte: [24]. Onde: Ponto I Limite de proporcionalidade: As deformações são proporcionais às deformações. Ponto II Limite de elasticidade: Elasticidade é a propriedade do material de o corpo retornar ao seu tamanho inicial assim que a força deixa de agir sobre o mesmo. Ponto III Limite de escoamento: Caracteriza a perda da proporcionalidade elástica do material. Pode-se afirmar que é o principal parâmetro obtido do ensaio de tração, prestando-se para cálculos de projeto estrutural (onde é necessário que os materiais não entrem em deformação plástica) quanto para conformação plástica (quando é desejada facilidade de deformação plástica do material) Ponto IV - Limite de resistência ou tensão de máxima: maior tensão que o corpo pode suportar. Ponto V Instante que o corpo rompe. [23] A deformação real ou verdadeira no processo de carregamento pode ser estabelecida imaginando-se uma sequência de etapas de carregamento onde o corpo alonga-se de um valor Δl. Tomados intervalos Δli muito pequenos, ou seja, aumentando indefinidamente o número de etapas i, a deformação ( ) [50] pode ser definida como: (8) Onde (l) corresponde ao comprimento instantâneo do corpo de prova e (l 0 ) o comprimento inicial do corpo de prova.

37 37 O módulo de elasticidade ou módulo de Young (E) fornece uma indicação da rigidez do material sendo inversamente proporcional à temperatura e pouco dependente de pequenas variações na composição química de elementos cristalinos. O módulo de elasticidade pode ser expresso por: [23] (9) É importante salientar que a Equação 8 é válida somente para a parte elástica da deformação do material Na região do gráfico em que ocorre a deformação plástica, ou seja, não linear, a curva tensão x deformação real pode ser expressa pela equação Hollomon (Ludwig): (10) Onde (C) é uma constante, (ε) representa a deformação verdadeira expressa pela Equação 10 e (n) o coeficiente de encruamento. A medição do coeficiente de encruamento é simples, deve-se linearizar a equação de Hollomon, através da aplicação de logaritmos e, então se faz uma regressão linear de log s versus log e, a partir dos dados obtidos em ensaio de tração. Chega-se assim ao coeficiente angular da reta representativa da equação linearizado. A anisotropia é a característica de um material com diferentes propriedades em diferentes direções. Para chapas submetidas à estampagem ocorre o alongamento dos grãos na direção de maior deformação de tração, surgindo uma direção preferencial de orientação cristalina, que caracteriza a anisotropia. Em essência a anisotropia tem relação com o limite de resistência máxima (maior deformação sem que ocorra a falha). A obtenção dos coeficientes de anisotropia normal e planar são realizados através do ensaio de tração segundo a norma ASTM E Os corpos de prova definidos pela norma são deformados plasticamente abaixo da estricção, medindo-se os comprimentos e larguras iniciais e finais e aplicando as equações correspondentes. Para a sua realização são retirados corpos de prova de 0, 45 e 90 graus em relação ao sentido de laminação. [26] A representação dos parâmetros de anisotropia é representada de duas formas: anisotropia normal R e anisotropia planar AR ( ) (11)

38 38 ( ) (12) Onde: R 0 : R 45 : R 90 : índice de anisotropia a 0 graus; índice de anisotropia a 45 graus; índice de anisotropia a 90 graus. 1.5 Ensaio de compressão Não é frequente o emprego do ensaio de compressão (Figura 27) para os metais, porque a determinação das propriedades mecânicas por este ensaio é dificultada pela existência do atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina, pela possibilidade de flambagem, pela dificuldade de medida dos valores numéricos do ensaio e por alguns outros fatores que provocam incidência considerável de erros. [34] Figura 27 Esquema de um ensaio de compressão. Fonte: [25]. Conforme o material a ser ensaiado seja dúctil ou frágil, as condições de ensaio variam muito. No primeiro caso, só se pode determinar com certa precisão as propriedades referentes à zona elástica, sendo impossível medir a carga máxima atingida ou de ruptura. Um corpo de prova cilíndrico de um metal dúctil sujeito a um esforço axial de compressão tende, na zona plástica, a aumentar sua seção transversal (aumento de diâmetro e diminuição de comprimento) com o acréscimo de carga. Caso se considerar a tensão real (carga dividida pela área instantânea), com o aumento de carga, essa tensão diminui, aumentando assim a resistência do material. Por essa razão um metal dúctil não se rompe ficando cada vez mais

39 39 achatado até se transformar num disco. [34] A Figura 28(a) apresenta um corpo de prova de um metal dúctil. Por outro lado um metal frágil como o ferro fundido cinzento, não tem deformação lateral apreciável e a ruptura ocorre por cisalhamento e escorregamento ao longo de um plano inclinado de aproximadamente 45, conforme pode ser visto na Figura 28(b). Nesse caso, podem-se determinar então algumas propriedades da zona plástica, principalmente o limite de resistência ou limite de ruptura que, coincidem para esses materiais. [34] Figura 28 Ensaio de compressão, em (a) metal dúctil e (b) metal frágil. Fonte: [38]. Para o traçado do diagrama tensão-deformação, há a necessidade de uma perfeita centralização da amostra entre as placas da máquina, para que a carga de compressão atue exatamente na direção do seu eixo. No campo da pesquisa, os ensaios de compressão são feitos para comparação dos resultados com o ensaio de tração, bem como das curvas de tensão-deformação nos dois ensaios. Para evitar danos nas placas da máquina, recomenda-se inserir, em todo ensaio de compressão, entre as placas e o corpo de prova duas placas de aço finas, com uma seção transversal aproximadamente igual à do corpo de prova. O ensaio de compressão é mais utilizado em metais frágeis, onde a fase elástica é muito pequena, de modo que não há possibilidade de se determinar com precisão as propriedades relativas a essa fase. As dimensões dos corpos de prova influem no tipo de fratura. No caso de ferro fundido, usa-se geralmente corpo de prova cilíndrico, com um comprimento igual a duas ou três vezes o diâmetro. Em todo o caso, o comprimento não deve ser muito grande para evitar a flambagem, nem muito curto para que não haja muito atrito com as placas da máquina.

40 40 Para os ferros fundidos, onde a ductilidade é muito pequena, a propriedade mais importante é o limite de resistência à compressão que difere em valor do limite de resistência à tração, sendo geralmente maior que esse. Geralmente o limite de resistência à compressão é oito vezes o mesmo limite à tração para os materiais frágeis, não sendo defeitos internos existentes nos mesmo. [34] Para se determinar os valores da tensão, deformação e módulos de elasticidades utilizam-se as mesmas equações do ensaio de tração. 1.6 Ensaio de fadiga O limite de resistência determinado pelo ensaio de tração é função da carga máxima atingida durante o teste, após o qual ocorre a ruptura do material. Ficou então estabelecido que o material não se rompa com uma carga menor que aquela, quando submetido a esforços estáticos. Entretanto quando são aplicados esforços dinâmicos, repetidos ou flutuantes a um material metálico, o mesmo pode romper-se com uma carga bem inferior à carga máxima atingida na tração ou compressão. Nesse caso tem-se uma ruptura por fadiga do material. [34] A ruptura por fadiga que surge em componentes estruturais, quando submetidos à tensões dinâmicas, é provocada pela nucleação mais ou menos lenta de trincas de fadiga, por isso que o processo de fadiga é geralmente dividido em quatro fases ou estágios [42], conforme pode ser visto na Figura 29. Figura 29 Processo de fadiga dos materiais. Fonte: [42]. As duas primeiras fases constituem o período de iniciação da trinca, seguida do crescimento macroscópico que constitui o período de propagação da trinca, podendo conduzir à ruptura final. O começo e o fim de cada período não são facilmente definidos à exceção da

41 41 ruptura final. A duração de um componente estrutural à fadiga define-se assim, pelo número de ciclos de aplicação da carga até a ruptura, englobando o período de iniciação, propagação e até a sua ruptura. (Figura 30) Figura 30 Duração de um componente estrutural à fadiga. Fonte: [42]. A superfície de fratura por fadiga pode ser reconhecida geralmente a partir do aspecto da sua superfície a qual apresenta duas regiões bem distintas. Uma primeira região (a), lisa de aspecto sedoso e brilhante, resultante da ação da fricção que se verifica entre as superfícies durante a propagação da fenda através da secção do material e uma segunda região (b) de aspecto grosseiro e irregular [42] conforme pode ser visto na Figura 31. Figura 31 Aspectos da ruptura por fadiga. Fonte: [42].

42 42 Como a falha por fadiga se dá no ponto de alta tensão localizada, qualquer descontinuidade, seja ela acidental (falha de fundição) ou intencional (rasgo de chaveta, furo para pino, escalonamento de diâmetro) poderá iniciar tal tipo de exteriorização Tipos de ensaios de fadiga Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de número de ciclos. O teste é interrompido assim que o corpo de prova se rompe. O ensaio é realizado de diversas maneiras, de acordo com o tipo de solicitação que se deseja aplicar: torção, tração-compressão, flexão e flexão rotativa. [43] O ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis metálicos, é o de flexão rotativa. Este consiste em submeter um corpo de prova a solicitações de flexão, enquanto o mesmo é girado em torno de um eixo, por um sistema motriz de contagiros numa rotação determinada e constante, conforme pode ser visualizado na Figura 32. Figura 32 Exemplo de um ensaio de fadiga por torção e flexão. Fonte: [44]. Outro ensaio de fadiga muito usado em materiais frágeis como o ferro fundido é o ensaio de tração-compressão. Este consiste em submeter um corpo de prova a aplicações de cargas alternadas de tração e compressão até que ocorra a sua ruptura e o número de ciclos é registrado em um contador. A Figura 33 apresenta uma máquina eletromagnética para ensaios de fadiga de traçãocompressão.

43 43 Figura 33 Máquina para ensaio de fadiga tração-compressão. Fonte: [44] Corpos de prova Os ensaios de fadiga podem ser realizados com três espécies diferentes de corpos de prova: a própria peça, produtos acabados e corpos de prova para ensaios. A forma do corpo de prova usinado varia muito de acordo com o tipo de solicitação e com as diversas normas propostas para o ensaio de fadiga. Em geral os corpos de prova são de seção circular ou retangular dependendo do produto, tendo na parte útil uma bi conicidade ao longo de seu comprimento com uma lado grande e contínuo, ficando o centro dessa parte útil com uma dimensão mínima. O grande raio usado evita uma concentração de tensão pela ausência de mudança brusca de seção. A Figura 34 apresenta alguns modelos de corpos de prova utilizados em ensaio de fadiga Figura 34 Desenhos esquemáticos de corpos de prova, em (a) para ensaio de fadiga por flexão rotativa e (b) para ensaio de fadiga por tração-compressão. Fonte: [34].

44 Consequências da fadiga sobre os ferros fundidos O desempenho da fadiga de um ferro fundido, em particular depende da quantidade, tamanho e forma do componente da grafita livre. Os ferros fundidos podem ser classificados em dois tipos: ferro fundido nodular e ferro fundido cinzento. Cada um desses tipos possui um comportamento diferente. [41] A) Ferro fundido nodular Em um teste de fadiga sofrendo uma carga de tração pode-se observar o desprendimento de nódulos de grafita sobre a matriz circundante. Trincas de fadiga iniciam-se não só a partir dos nódulos, mas também de imperfeições de fundição, tais como, inclusões, poros, micro trincas e grupos de grafita de forma irregular. Estas irregularidades iniciam trincas em um estágio mais cedo na vida dos nódulos. Como resultado, a qualidade da peça fundida terá uma grande influência sobre a vida de fadiga das peças fundidas de ferro fundido nodular. Mesmo com uma vida longa, as trincas são observadas muito cedo na vida de ferro fundido nodular. [41] A Figura 35 apresenta a microestrutura típica de um ferro fundido nodular. Figura 35 Microestrutura de um ferro fundido nodular. Fonte: [41]. B) Ferro fundido cinzento A grafita em um ferro fundido cinzento é muito ramificada e interligada dentro de uma estrutura de células eutéticas. Estas estruturas celulares são compostas de flocos afiados que

45 45 fornecem um caminho fácil para a fratura, bem como áreas de alta concentração de tensões. Trincas se iniciam no primeiro ciclo de carregamento sobre os flocos orientados perpendicularmente a tensão de tração aplicada. Como o ferro fundido cinzento já contém trincas, ele não é muito sensível ao entalhe. [41] A Figura 36 apresenta a microestrutura típica de um ferro fundido cinzento. Figura 36 Microestrutura de um ferro fundido cinzento. Fonte: [41]. 1.7 Absorção de vibrações O ruído é uma forma de manifestação da vibração, fenômeno este que pode além de produzir poluição sonora, reduzir a vida útil dos materiais fadigando-os. Pesquisas estão sendo realizadas sobre a capacidade dos materiais em absorver vibrações e o descobrimento de meio para reduzir tal fenômeno. Existem duas formas de um material absorver vibrações. A primeira e mais simples é o atrito externo (sistema de absorção de energia por fricção) e a segunda, mais complexa, o amortecimento interno ou atrito interno (característica dependente do material) que se manifestam por uma resistência à deflexão periódica. Como exemplo deste caso pode-se citar as aplicações típicas de ferros fundidos como bases para máquinas, enquanto que um aço não consegue absorver praticamente em nada as vibrações. O amortecimento se origina do fato de a migração de átomos, de defeitos e de energia térmica serem processos dependentes do tempo. Define-se capacidade de amortecimento como habilidade de um material absorver vibrações, resultantes de tensões cíclicas, por fricção interna, transformando a energia

46 46 mecânica em calor. Este amortecimento é medido pelo método Foeppl-Pertz onde se mede a duração relativa de um impulso vibratório torcional conferido a um corpo de prova. A Figura 37 apresenta a diferença do efeito de amortecimento sobre o ferro fundido e o aço. [45] Figura 37 Efeito de amortecimento de vibração, em (a) para ferro fundido e em (b) aço. Fonte: [45]. A maior capacidade de amortecimento do ferro fundido em relação ao aço é atribuída aos veios de grafita, as quais por não apresentarem resistência mecânica, constituem espécie de vazios na estrutura do material, o que permite deformação plástica do material localizado ao redor dos veios, sob tensões nominais menores em outros casos. [45] 1.8 Máquinas para estampagem hidráulicas. A conformação de chapas pode ser feita utilizando-se prensas mecânicas ou A) Prensa Hidráulica As prensas hidráulicas utilizam fluidos para aplicar pressão a um cilindro hidráulico. Esta pressão resulta na movimentação do pistão hidráulico, sendo que a velocidade e a carga podem ser facilmente ajustadas por meio de um sistema de controle adequado. As prensas hidráulicas, em geral, operam com velocidades relativamente baixas, o que permite que a taxa de deformação da peça seja baixa.

47 47 A Figura 38 apresenta um diagrama esquemático das prensas hidráulicas, onde são apresentadas suas principais características. Na ilustração, a pressão hidráulica é fornecida à parte superior da prensa, causando a movimentação para baixo do pistão hidráulico e do cursor superior. [39] Figura 38 Visão geral de uma prensa hidráulica. Fonte: [39]. O conceito primário usado para fornecer energia a este equipamento é que o nível de pressão num sistema fechado é constante. Este tipo de prensa tem pistões e fluido dentro que é deslocado pelo movimento dos pistões internamente. O fluido força seu caminho de volta para o espaço movendo o pistão para fora. A potência adicional é criada por meio do movimento do fluido, que se limita ao sistema. [15] Para a estampagem profunda, são preferidas as prensas hidráulicas de dupla ação, pois estas conferem ao processo condições de velocidade de deformação controlada e constante, e uma maior uniformidade na aplicação da pressão de sujeição. Além disso, apresentam uma larga faixa de capacidade de conformação e podem também apresentar grandes espaços para a colocação da ferramenta de conformação e distâncias elevadas entre a mesa inferior e superior da prensa. A capacidade da prensa é determinada comumente em função do cálculo da máxima força necessária à fabricação de uma peça. [5]

48 48 B) Prensas Mecânicas ou Excêntricas As prensas excêntricas (Figura 39) possuem um sistema mecânico onde o movimento rotativo é transformado em linear através de sistemas de bielas, manivelas ou fusos. A energia elétrica alimenta o motor, quer através de uma correia gira o volante. Como o volante é pesado, uma grande quantidade de energia cinética é armazenada com o movimento rotacional do volante. Acoplado ao volante há um pinhão de engrenagens, que pode engatar movimento com a embreagem. A embreagem é acoplada com uma engrenagem com eixo excêntrico. Ao se acionar a embreagem ocorre o acoplamento entre o pinhão e a engrenagem da embreagem permitindo o movimento rotacional desta engrenagem, ou seja, a energia do motor é transferida para a engrenagem. A embreagem é acoplada a um eixo excêntrico. Quando a engrenagem da embreagem é rotacionada, o eixo também é rotacionado. O eixo excêntrico converte o movimento rotacional em linear quando acoplado a uma biela, produzindo a movimentação linear do martelo através de guias. A matriz superior está fixada ao martelo. Figura 39 Visão geral de uma prensa mecânica. Fonte: [16].

49 49 A velocidade do martelo é senoidal em função do tempo, com velocidades nulas nos extremos da distância de golpe e velocidade máxima na meia distância. Perto do limite inferior da distância de golpe, a matriz superior tem contato com a peça de trabalho. A energia linear do movimento do martelo é convertida em energia de deformação na peça de trabalho, fazendo com que haja escoamento da peça de trabalho para as cavidades das matrizes. [16] Este tipo de prensa é comumente utilizado para as mais variadas operações de corte, dobrar, calibragem e para processo de estampagem onde se permitem velocidades de trabalho maiores. 1.9 Ferramentas para estampagem de pequeno porte Ferramentas para estampagem de pequeno porte possuem características bem definidas e distintas, visto que comumente são projetadas com a utilização de placas metálicas relativamente finas. A seguir são apresentadas algumas ilustrações e imagens de ferramentas utilizadas para a conformação de chapas. A Figura 40 ilustra uma ferramenta utilizada para dobrar um perfil. Figura 40 Ferramenta para dobrar. Fonte: [17]. A Figura 41 apresenta um exemplo de ferramenta de corte nas quais as folgas de corte devem estar bem dimensionadas e para seu perfeito funcionamento a ferramenta deve estar muito bem guiada e alinhada.

50 50 Figura 41 Ferramenta para cortar. Fonte: [17]. Pode-se observar na Figura 42 um exemplo de uma ferramenta de estampagem, onde se realiza a conformação em dois estágios. Verificam-se claramente os diversos detalhes dos punções e matrizes, na qual se pode visualizar o formato do produto a ser conformado. Figura 42 Ferramenta de estampagem. Fonte: [27]. Muitas peças produzidas em ferramentas de conformação necessitam de um alto índice de produtividade, e para se conseguir atingir tal nível, é necessária a utilização de uma

51 51 ferramenta progressiva (Figura 43), ou seja, a ferramenta é alimentada por uma fita metálica e a peça é guiada de uma etapa de conformação para outra sem se desprende completamente da fita. Operações de dobra e cortes podem ser realizadas simultaneamente e o produto acabado é obtido em sua ultima etapa de conformação, onde é realizada a separação do produto da fita. Figura 43 Ferramenta progressiva Fonte: [28] Ferramentas para estampagem de grande porte Ao contrário das ferramentas de estampagem de pequeno porte que possuem comumente placas finas para a junção dos componentes construtivos, as ferramentas de grande porte normalmente são construídas com a utilização de grandes estruturas inteiras confeccionadas em ferro fundido. A seguir são apresentadas algumas ilustrações e imagens de ferramentas de grande porte utilizadas para a conformação de chapas. A Figura 44 apresenta uma ferramenta de estampagem onde se pode verificar claramente a utilização de estruturas fundidas inteiriças.

52 52 Figura 44 Ferramenta de grande porte para conformação. Fonte: [O autor]. A Figura 45 apresenta uma ferramenta de corte, onde se tem os punções e matrizes alojados diretamente nos calços fundidos inferior e superior. Tais formas construtivas agilizam e facilitam a construção das ferramentas, pois diminuem as quantidades de peças necessárias para a sua fabricação. Figura 45 Ferramenta de grande porte para corte. Fonte: [O autor] Elementos de uma ferramenta de estampagem A seguir são apresentadas algumas ilustrações das estruturas básicas de diferentes tipos de ferramentas de conformação e seus componentes mais importantes. A Figura 46 mostra

53 53 uma ferramenta de dupla ação onde o prensa-chapas atua na parte superior e deve ser acionado por um mecanismo de cilindros ou pela ação de molas. Figura 46 Ferramenta de dupla ação. Fonte: [30]. A Figura 47 apresenta uma ferramenta de conformação profunda de simples ação onde o prensa-chapas é acionado por pinos de pressão acoplados diretamente na almofada da prensa. Figura 47 Ferramenta de simples ação. Fonte: [30].

54 54 A figura 48 apresenta uma ferramenta para flangeamento de abas externas onde o extrator possui a função de prensa-chapas no avanço e de extração no retorno do movimento. Figura 48 Ferramenta para flangeamento. Fonte: [30]. As principais partes das ferramentas como, por exemplo: punções, matrizes, estrutura superior, estrutura inferior e prensa chapas são normalmente produzidas em ferro fundido devido às facilidades de projeto e por suas excelentes propriedades mecânicas. Os materiais para as ferramentas de estampagem são selecionados em função dos seguintes fatores: tamanho e tipo de ferramenta, temperatura de trabalho e natureza do material da peça. Os três componentes mais importantes da ferramenta são os punções, as matrizes e os prensa-chapas e, dependendo do tipo do processo, as solicitações mecânicas podem ser de desgaste, de choque e de fadiga. [5] Os materiais de uso mais comum para o conjunto punção e matriz são aços-liga da categoria aços ferramenta. Para os demais componentes são normalmente utilizados aços de baixo e médio carbono [5], embora atualmente os ferros fundidos estejam tendo um ótimo desempenho tanto para punções e matrizes quanto para componentes estruturais. Outro fator muito importante são os estiradores (prende rugas, quebra rugas) que geralmente são colocados, quando a pressão do prensa-chapas for insuficiente. Assim desenvolvidos conseguem evitar a criação de rugas provenientes das diferenças das forças de repuxo entre as partes retas e curvas. A distribuição dos estiradores deve ser determinada

55 55 durante as simulações de conformações e ajustadas durante os testes práticos se necessários. Na Figura 49 apresenta-se um esquema de um estirador duplo. Figura 49 Estirador duplo. Fonte: [8] Cadeia de produção de produtos estampados O desenvolvimento de peças e produtos estampados segue uma sequencia lógica e definida para que se atinjam os objetivos desejados. A Figura 50 apresenta de uma maneira simplificada todas as etapas necessárias para a confecção de um produto estampado. Figura 50 Cadeia de produção de um produto estampado. Fonte: [40].

56 56 Entre as etapas mencionadas destaca-se o processo de fundição, por ser uma das principais etapas do processo de produção industrial de ferramentas de conformação metálicas, onde os mais altos padrões são exigidos pelos fabricantes de peças. Em contraste com peças fundidas utilizadas na fabricação de máquinas em geral, em ferramentas de conformação, o uso múltiplo de um modelo de fundição não é possível, pois não existem duas ferramentas exatamente iguais. Um modelo descartável feito a partir de isopor (Figura 51) é utilizado para o processo de fundição. Figura 51 Modelo em isopor Fonte: [30]. A indústria de fundição desenvolveu um método de produção que oferece uma grande relação entre design, técnicas, melhorias econômicas e logísticas para fabricação de ferramentas. Para o fabricante, existe a possibilidade um controle e de uma medição precisa, pois o modelo é exatamente igual á forma da peça a ser fundida. O desenvolvimento de produtos é facilitado, pois o modelo pode ser modificado sem quaisquer problemas por meios de processos de usinagem ou colagem. [30] Além disso, os custos de fabricação são muito menores comparados com os modelos em madeira. A) Modelagem manual Em todos os projetos de estruturas fundidas levam-se em consideração as formas geométricas relativamente simples e posteriormente a real viabilidade e capacidade do modelador realizar a confecção do modelo. Formas complexas tornam-se praticamente

57 57 impossíveis de se dimensionar e confeccionar o modelo em isopor, levantando assim a hipótese de que as estruturas fundidas com certa complexidade estão sendo fabricadas com um excesso de peso com a finalidade de se evitar peças menores que as previstas em projeto. A Figura 52 apresenta um exemplo de modelo em isopor sendo confeccionado por métodos manuais. Figura 52 Modelagem manual Fonte: [51].. B) Modelagem com métodos automáticos A modelagem automática (Figura 53) surge como alternativa para a fabricação de moldes com geometrias e formas complexas onde a modelagem manual torna-se impossíveis. A maior vantagem da utilização desse método é a possiblidade de se obter margens mínimas de sobremetal proporcionando uma execução rápida nas posteriores etapas de usinagem. Figura 53 Modelagem robotizada Fonte: [52].

58 58 Os modelos de fundição surgem através da usinagem e colagem de placas de isopor em camadas. A Figura 54 apresenta um modelo usinado pelo método automático, com dimensões relativamente grandes e de geometrias complexas. Figura 54 Modelo final usinado. Fonte: [52] Elementos para o projeto de peças fundidas. A fase de projeto é o ponto de partida para todas as produções industriais, incluindo a produção de peças fundidas. A qualidade e precisão dos produtos fundidos é o objetivo fundamental, para o qual é necessária uma estreita colaboração técnica entre o engenheiro de projeto e o fundidor. As decisões iniciais do projetista têm de permitir a seleção dos materiais a serem especificados utilizando sempre que possíveis normas internacionais. Em primeiro lugar escolhem-se os materiais, para fabricação do componente fundido, função das suas propriedades mecânicas e da sua aptidão para suportar as condições ambientais durante o funcionamento. Em segundo lugar, a forma funcional do componente fundido deverá ser determinada de modo a que ele possa atingir os seus objetivos funcionais tendo também em atenção os aspectos relativos a uma fácil manutenção e à sua forma estética. Assim, atendendo à

59 59 necessidade de proceder a uma boa e econômica utilização dos materiais, às dificuldades de posteriores operações de acabamento e maquinagem, às características tecnológicas, físicas e mecânicas dos materiais e também à economia de execução simplificando modelos e machos, o projetista deverá considerar algumas regras que serão mostradas as seguir. [30] A) Projeto e destino da peça. O problema fundamental do engenheiro de projeto para fundição é o de traçar peças realizáveis pelos processos tecnológicos, em especial o de fundição, tão economicamente quanto possível e respondendo em boas condições ao fim a que se destinam. Deve-se ter em consideração, se a peça é unitária ou faz parte de uma série a ser produzida. Deve também verificar se a peça vai servir de elemento de suporte ou de ligação, ou se, por exemplo, vai trabalhar com atrito. Assim o projetista deverá tirar o melhor partido do material escolhido e conhecer perfeitamente as propriedades mecânicas, físicas e tecnológicas bem como o comportamento dos materiais. [30] B) Resistência aos esforços mecânicos As peças de fundição têm inúmeras propriedades mecânicas que bem justificam seu enorme campo de utilização. As propriedades mecânicas mais comuns são: - A capacidade de amortecimento, devido às forças de atrito interno, quando submetidas a esforços de intensidade variável. - O bom comportamento aos esforços de compressão; - A resistência mecânica ao efeito de entalhe; - A rigidez estrutural. Contudo a resistência ao impacto e a tenacidade das peças de fundição são, por vezes, muito limitadas, portanto as qualidades de utilização dos produtos vazados dependem da forma geométrica da peça. As Tabelas 3 e 4 apresentam as principais propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares e cinzentos. As peças fundidas podem ser projetadas como um conjunto de linhas com posições relativas condicionadas pela direção vetorial dos esforços que venham a suportar. Assim cada força segue a linha de eixo de um sólido elementar cuja seção deverá suportar uma tensão inferior à resistência limite do material. Será, pois necessário garantir uma repartição razoável dos esforços mecânicos para se conseguir a segurança de funcionamento da peça em serviço.

60 60 Tabela 3 Propriedades mecânicas de ferros fundidos nodulares. Fonte: [32]. Tabela 4 Propriedades mecânicas de ferros fundidos cinzentos. Fonte: [32]. Uma das características das peças fundidas é a sua resistência à compressão, consideravelmente superior à resistência à tração, à flexão e à torção. A regra básica a ser

61 61 seguida é de afastar, o mais possível, o material da fibra neutra (lugar geométrico dos pontos de tensão nula), no caso de peças destinadas a suportar esforços de tração. [30] A Figura 55 apresenta um suporte recebendo uma carga P com duas situações diferentes. Na situação incorreta o suporte recebe na totalidade uma carga de tração e com algumas modificações de projeto, o suporte passa a ter cargas de compressão, tornando-se melhorado. Figura 55 Melhoria de projeto. Fonte: [30]. As seções das peças que trabalham sob flexão devem ser semelhantes às formas assimétricas (Figura 56). Com estes perfis os elementos fletidos são solicitados uniformemente em toda a sua seção, o que permite uma redução de peso em relação às formas simétricas. O perfil triangular fechado de cantos arredondados oferece também, uma melhor resistência à torção, embora possa ser mais difícil de realizar por fundição, obrigando à utilização de machos. Figura 56 traçado assimétrico de peças de ferro fundido. Fonte: [30].

62 62 Entende-se por efeito de entalhe a concentração de tensões que se observa sempre que há uma variação brusca de seção. Há então a necessidade de evitar ângulos vivos nas mudanças de seção sem, contudo cair no excesso contrário de criar pontos quentes. Na Figura 57 pode-se verificar a variação de espessura da parede na vizinhança de uma furação roscada. [30] Figura 57 Espessura a deixar em torno de um furo roscado. Fonte: [30]. C) Espessura mínima em peças fundidas O problema da espessura mínima a atribuir às seções das peças está associado à vazabilidade das ligas metálicas. Quanto menor forem as espessuras atribuídas, maiores serão as dificuldades de enchimento das peças antes da fase de solidificação. Pode definir-se uma espessura crítica como sendo uma espessura abaixo da qual não é possível garantir o enchimento das cavidades da moldação com essas dimensões mínimas. [30] D) Traçado da peça e sobremetal As espessuras mínimas foram consideradas, contudo essas espessuras podem ser alteradas para mais, sendo conveniente faze-lo com cuidado e prudência e de acordo com o fundidor. Os valores máximos de sobremetal para usinagem resultam da aplicação de tolerâncias dimensionais determinadas. Além destas considerações há, sobretudo que atender a certas incertezas do traçado da peça. As cotas determinadas pelos projetistas, são obtidas na

63 63 fundição com um certo grau de aproximação, pois existem diferentes fatores suscetíveis de provocar desvios tais como: - Desgaste do modelo; - Imperfeições das ferramentas; - Deslocamento dos machos; - Irregularidade das contrações. E) Contração de volume Os metais, ao solidificarem, sofrem uma contração. A contração dá origem a uma heterogeneidade conhecida por vazio ou rechupe. Inicialmente, tem-se (a) o metal inteiramente no estado líquido; (b) a solidificação tem início na periferia, onde a temperatura é mais baixa e caminha em direção ao centro; (c) fim da solidificação e (d) contração sólida. (Figura 58). [33] Figura 58 Fenômeno da contração, em (a) metal líquido, em (b) início da solidificação, em (c) solidificação e em (d) contração. Fonte: [33]. A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido final dá como consequência o vazio ou rechupe que possam eventualmente ficar localizados na parte interna das peças, próximos da superfície, porém, invisíveis externamente. Além dessa consequência a contração verificada na solidificação pode ocasionar o aparecimento de trincas a quente e provocar tensões residuais. As tensões residuais podem ser controladas por um adequado projeto da peça (Figura 59) e podem ser eliminadas pelo tratamento térmico de "alívio de tensões". Os vazios ou rechupes que constituem a consequência direta da contração podem também ser controlados ou eliminados, mediante recursos adequados, seja no caso de lingoteiras, seja no caso de moldes para peças fundidas.

64 64 Figura 59 Defeitos de contração e modos de corrigi-los. Fonte: [33]. No caso da fundição de um lingote, o artifício adotado para controlar o vazio é colocar sobre o topo da lingoteira uma peça postiça de material refratário, denominada massalote, essa peça, por ser de material refratário, retém o calor por um tempo mais longo e corresponderá à seção que solidifica por último, nela, portanto, vai se concentrar o vazio. [33] F) Defeitos de fundição Alguns defeitos comuns das peças fundidas são: - Inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça. Isso causa problemas de usinagem: os grãos de areia são abrasivos e, por isso, estragam a ferramenta. Além disso, causam defeitos na superfície da peça usinada. - Defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material. Isso também causa desgaste da ferramenta de usinagem. - Rechupe, ou seja, falta de material devido ao processo de solidificação causado por projeto de massalote mal feito (Figura 60). - Porosidade, ou seja, a existência de "buraquinhos" dentro de peça. Eles se originam quando os gases que existem dentro do metal líquido não são eliminados durante o processo de vazamento e solidificação. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na peça usinada. [33]

65 65 Figura 60 Aspecto típico de porosidade de rechupe. Fonte: [33] Ferros fundidos. O ferro fundido é uma liga essencialmente ternária constituída pelos elementos Fé-C- Si em que o teor de carbono toma valores superiores a 2,11%. Estas percentagens do carbono são superiores à que pode ser retida em solução sólida na austenita, de modo que por solidificação do ferro fundido resulta carbono parcialmente livre na forma corrente de veios ou lamelas de grafite. O ferro fundido é um material versátil e de aplicação bastante generalizada, que pode ser produzido com uma estrutura frágil, ou com uma estrutura dúctil de menor dureza. [30] A) Ferro fundido branco Estes ferros fundidos são caracterizados por apresentarem uma superfície de fratura com uma coloração branca, e como principais elementos de liga o carbono e o silício. A estrutura que devido às condições de fabricação e o baixo teor de silício apresentam o carbono na sua maioria no estado combinado em cementita, material extremamente duro. Devido às suas propriedades mecânicas, dureza elevada, o ferro fundido branco é principalmente utilizado em situações onde se exija resistência ao desgaste por abrasão, como por exemplo: revestimentos de moinhos, bolas para moagem, maxilas de trituradores, cilindros de laminação, etc. [30]

66 66 B) Ferro fundido cinzento Estes ferros fundidos apresentam uma superfície de fratura com uma coloração acinzentada. È caracterizado, tal como a ferro fundido branco, por apresentar como principais elementos de liga o C e o Si, e uma estrutura em que uma grande parte do carbono está no estado livre (grafita lamelar) e outra no estado combinado (cementita). O ferro fundido cinzento tem como características: um preço de custo baixo em relação às outras ligas ferrosas, uma fusão e moldagem fácil, uma boa resistência mecânica, uma boa resistência ao choque térmico, uma excelente usinabilidade, e uma boa capacidade de amortecimento. Estas características permitem utilizar o ferro fundido cinzento para a produção das mais diversas peças mecânicas, como: carcaças de compressores, blocos de motores, cabeçotes, tambores de freio, engrenagens, bases de máquinas, etc. [30] C) Ferro fundido mesclado Este tipo de ferro fundido apresenta uma superfície de fratura com uma coloração mista entre branca e cinzenta, caracterizado também por uma mescla de proporções de ferro fundido branco e ferro fundido cinzento. [30] D) Ferro fundido maleável Este tipo de ferro fundido é obtido através de um tratamento térmico de maleablilização, a partir do ferro fundido branco, e resulta da transformação de praticamente toda a cementita em grafite na forma de nódulos, e, vez de veios ou lamelas. O ferro fundido maleável tem bastante interesse na obtenção de peças de formas complexas que seriam difíceis de realizar em aço por forjamento. O ferro fundido maleável é aplicado em: fabricação de pequenas peças na indústria automobilística, em componentes de máquinas, elementos de ligação, etc. [30] E) Ferro fundido nodular Este ferro fundido é caracterizado por apresentar, devido a um tratamento de inoculação realizado no estado líquido, carbono livre na forma de grafite esferoidal, o que confere ao ferro fundido nodular características de boa ductilidade, tenacidade e resistência mecânica. Os ferros fundidos nodulares são utilizados em peças mecânicas sujeitas a compressão, engrenagens, mancais, matrizes, na sua maioria para peças que exijam maior resistência mecânica. [30]

67 67 F) Ferro fundido nodular austemperado Este tipo de ferro fundido é obtido através de um tratamento térmico (austempera) por alteração da velocidade de arrefecimento do banho de ferro fundido austenítico, oué obtido por variações dos teores dos elementos residuais. As estruturas obtidas apresentam uma elevada tenacidade aliada a uma boa dureza e resistência, o que permite a sua utilização na produção de peças para mecânica fina. [30] Nomenclatura dos ferros fundidos Com o objetivo de detalhar os componentes da nomenclatura usada atualmente para ferros fundidos apresentam-se os requisitos da norma DIN EN 1560, [2] que pode ser visualizada na Figura 61. Figura 61 Nomenclatura abreviada para ferros fundidos. Fonte: [2].

68 68 Essa nomenclatura permite uma definição mais exata do material, oque pode evitar problemas de qualidade, pois permite um melhor controle dos fundidos junto aos fornecedores. Aplica-se nas especificações de ligas de ferros fundidos de estrutura lamelar ou nodular utilizados para a fabricação de máquinas e ferramentas de conformação. A nomenclatura abreviada para ferros fundidos é composta de no máximo seis partes, sendo que nem todas as posições precisam estar ocupadas, por exemplo, EN-GJS-HB230. [2] Antes da utilização da norma DIN EN 1560, utilizavam-se as normas DIN 1691 para ferros fundidos cinzentos e DIN 1693 para ferros fundidos dúcteis. A Tabela 5 apresenta uma equivalência aproximada de códigos para ferros fundidos conforme as normas mencionadas posteriormente. Tabela 5 Equivalência aproximada de códigos para ferro fundidos DIN 1691 (em desuso): GG 25 DIN EN 1561: EN-GJL-250 DIN 1691 (em desuso): GG 30 DIN EN 1561: EN-GJL-300 DIN 1693 (em desuso): GGG 40 DIN EN 1561: EN-GJS DIN 1693 (em desuso): GGG 70L DIN EN 1561: EN-GJS-HB265 Fonte: [2]. A Tabela 6 apresenta a composição química e um comparativo dos elementos de ligas em % dos ferros fundidos EN-GJL-250 (GG 25), EN-GJL-300 (GG 30), EN-GJS (GGG 40) e EN-GJS-HB265 (GGG 70L) e inclusive pode-se verificar a pequena variação entre os mesmos. Tabela 6 Elementos de liga dos ferros fundidos. Composição dos ferros fundidos (Elementos de liga em %) Material C Si Mn P S Cu Al Mg Cr Ni Mo EN-GJL-250 (GG25) EN-GJL-300 (GG30) EN-GJS (GGG40) EN-GJS-HB-265 (GGG70L) 3,10 a 3,22 1,80 a 2,00 0,80 a 1,00 0,005 a 0,08 Máx. 0,15 0,90 a 1,00 Máx. 0,025 0,001 0,30 a 0,45 Máx. 0,5 0 3,00 a 3,30 1,70 a 2,30 0,90 a 1,00 0,005 a 0,007 Máx 0,15 0,90 a 1,10 Máx 0,026 0,001 0,40 a 0,55 Máx. 0,5 0 3,40 a 3,65 2,40 a 2,75 0,10 a 0,45 Máx. 0,08 Máx. 0,025 Máx 0,155 Máx. 0,025 0,001 Máx 0,155 Máx 0,1 Máx. 0,050 3,00 a 3,80 2,00 a 2,40 0,30 a 0,50 Máx. 0,05 Máx. 0,02 0,35 a 1,00 0 0,04 a 0,06 Máx. 0,120 0,5 a 1,5 Máx 0,050 Fonte: [Metalúrgica Candeia].

69 Engenharia assistida por computador Computer Aided Engineering ou Engenharia Assistida por Computador é uma ferramenta de trabalho que utiliza o computador para dar suporte à engenharia, auxiliando no desenvolvimento de projetos, por meio de análises pré-definidas, tais como: análises estáticas, dinâmicas, térmicas, magnéticas, de fluidos, acústicas e de impactos A essência do CAE é o método de Análise por Elementos Finitos (FEA), a qual discretiza o desenho de CAD em muitas partes pequenas, resolvendo então um conjunto de equações diferenciais para obter os resultados desejados em função do carregamento e das condições de contorno. As ferramentas de CAE baseadas em análise por elementos finitos (FEA) são largamente utilizadas para o cálculo de tensões, deformações, deslocamentos, vibração, transferência de calor, escoamento de fluidos, instalações industriais e outras tantas aplicações. [46] Método de elementos finitos O método de elementos finitos fornece uma técnica geral para a resolução de problemas de equações diferenciais parciais. Sua ideia principal é que as funções de interpolação podem ser definidas de maneira independente sobre as sub-regiões do domínio e que, em cada subdomínio, podem aparecer funções simples, geralmente polinomiais de baixa ordem. De maneira geral, pode-se dizer que a ideia central do método de elementos finitos é subdividir o domínio em pequenas regiões finitas e adjacentes chamadas elementos finitos. O comportamento da grandeza física é aproximado por um polinômio, preferencialmente de baixa ordem. Em cada elemento, são identificados pontos chamados de nós ou pontos nodais. O conjunto de elementos que formam o domínio é chamado de malha de elementos finitos. São resolvidas as equações para cada elemento, para depois se conseguir uma solução geral do problema. [46] Para atender as necessidades de desenvolvimento de projetos de peças cada vez mais complexas, com baixo custo e em curto prazo, cada vez mais vem sendo utilizado métodos de simulação por elementos finitos [35]. O método de simulação por elementos finitos permite investigar os processos de deformação plástica com objetivos de: Estabelecer as relações cinemáticas (forma, razões de deformação e deformações) durante a aplicação da carga.

70 70 Estabelecer os limites estruturais, ou seja, determinar se a estrutura projetada resiste aos esforços sem exceder seus limites de tensão e deformação. Prever as tensões e os esforços gerados sobre a estrutura a fim de otimizar regiões com baixas e altas tensões e deformações, ou seja, reforçar regiões com altas tensões ou deformações e reduzir regiões onde as tensões e deformações são baixas Projeto estrutural de ferramentas de estampagem Projetos de estruturas fundidas utilizadas em ferramentas de estampagem seguem certas etapas durante seu projeto e uma determinada sequencia lógicas de modelamento em uma ferramenta computacional de CAD. Inicialmente gera-se a região principal da estrutura (Figura 65a) onde se tem as dimensões máximas do bloco. Dimensões estas que devem ser suficientemente dimensionadas para absorverem todos os componentes necessários em uma ferramenta de estampagem, como matrizes, punções, guias, prensa-chapas, etc. Em seguida (Figura 65b) geram-se as nervuras de forma aleatória não observando os padrões prismáticos. Estes são concebidos de acordo com a experiência do projetista. Logo após (Figura 62c) criam-se raios de concordância entre todas as faces com o intuito de reduzir pontos frágeis e concentradores de tensão. A quarta etapa (Figura 62d) consiste na criação de abas com a finalidade de se utiliza-las como elementos de fixação em uma prensa hidráulica ou mecânica. Figura 62 Etapas de realização de estruturas fundida, em (a) primeira etapa, em (b) segunda etapa, em (c) terceira etapa e em (d) quarta etapa. Fonte: [O autor].

71 71 As etapas descritas acima servem somente de referência, pois outros fatores ainda devem ser levados em consideração para a finalização do desenho da estrutura, como por exemplo, regiões com maiores concentração de esforços, rebaixos e encaixes para punções e matrizes, furos para fixação, etc. A distribuição da tensão aplicada sobre as estruturas se dá através das geometrias da segmentação prismática e de sua forma construtiva. Häussermann estudou a influência dessas formas das estruturas com o intuito de se obter uma melhor distribuição de pressão sobre os prensa-chapas utilizados em ferro fundido. [49] A Figura 63 apresenta um esquema de uma estrutura gerada pelas formas prismáticas em que as cavidades são geradas por extrusão de um padrão regular de contornos verticais do plano base da estrutura e com um padrão de nervuras retangulares. Figura 63 Geração de cavidades prismáticas. Fonte: [49]. As espessuras das nervuras entre as cavidades são bastante uniformes e finas. No lado do flange da peça de trabalho, uma placa fina fecha as cavidades com o objetivo de proporcionar uma melhor estabilidade da estrutura. No lado da prensa, as cavidades são abertas, possibilitando assim uma fácil fabricação do modelo em isopor, sua posterior fundição e inclusive obtendo estruturas rígidas com um ganho significativo de massa. O padrão normalmente das nervuras é de forma retangular, porém podem ser usados padrões triangulares, circulares com mesmos raios, circulares com raios diferentes ou hexagonais [49] conforme ilustrado na Figura 64.

72 72 Figura 64 Exemplos de padrões prismáticos de estruturas, em (a) sextavado, em (b) triangulares, em (c) círculos de raios idênticos e em (d) círculos de raios diferentes. Fonte: [49].

73 73 2 OBJETIVOS DO TRABALHO E ESTRATÉGIA DE SOLUÇÃO Ferramentas de estampagem são estruturas complexas que devem realizar certas funções que são predeterminadas e definidas durante o seu projeto. Para tal o projetista utiliza toda a sua experiência profissional para realizar um projeto que seja robusto o suficiente para resistir a todos os esforços aplicados e as cargas de fadiga sofridas. Portanto projetam-se praticamente todas as ferramentas baseadas unicamente nas habilidades de cada projetista. Muitas vezes tem-se a possibilidade de otimizar e racionalizar as estruturas das ferramentas de estampagem porém utilizam-se métodos baseados em um fator de segurança muito elevado, superdimensionando assim as mesmas. Um dos principais objetivos deste trabalho é desenvolver técnicas e estratégias de otimização de componentes fundidos utilizados em projetos e construção de ferramentas de conformação mecânica, como corte, dobra, estiramento e embutimento. Fornecer ao projetista de ferramentas parâmetros e características de projeto a serem seguidas sem comprometer as principais funções destes componentes, visando assim uma redução significativa de sobre metal de fundição e aplicação de diferentes ligas de ferro fundido, a fim de reduzir peso e consequentemente seu custo. A proposta deste trabalho é a otimização de estruturas fundidas utilizadas em projetos de ferramentas de estampagem e a estratégia de solução adotada será analisada em três campos de estudo: Aspectos de fabricação. Verificar as diferenças entre os pesos teóricos e práticos de peças fundidas (tecnologia atual); Analisar a possibilidade da melhoria da confecção de modelos de fundição (tecnologia nova). Caracterização dos materiais. Realizar ensaios metalográficos; Realizar ensaios de tração para medir as propriedades mecânicas dos ferros fundidos em estudo; Realizar ensaios de compressão para medir as propriedades mecânicas dos ferros fundidos em estudo;

74 74 Através dos resultados obtidos nos ensaios de tração e compressão, calcular o módulo de elasticidade dos ferros fundidos estudados. Aspectos de projeto Estudo de eficiência das geometrias; Estudo de eficiência dos materiais; Realizar ensaios de extração por compressão para verificar a classe de resistência das roscas para os ferros fundidos; Realizar ensaios de extração por compressão para verificar a classe de resistência das roscas para os ferros fundidos.

75 75 3 MATERIAIS E MÉTODOS Para realizar este trabalho foi necessário o estudo em três grandes campos: aspectos de fabricação, caracterização dos materiais e aspectos de projeto. Para o desenho e projeto das geometrias das estruturas fundidas utilizou-se a ferramenta de CAD denominada SolidEdge, onde tem-se a possibilidade de gerar um modelo em 3D de ótima qualidade. Para a análise estrutural utilizou-se a ferramenta de CAE denominada FEMAP, onde se gera malhas de elementos finitos e verifica-se a resistência estrutural das peças. Os principais dados de entrada para a simulação são o modelo em 3D da estrutura, as condições de contorno, (Figura 65), as cargas aplicadas, pontos de fixação, travamento, o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson. Após a simulação têm-se os resultados das tensões e deformações sofridas pela estrutura. Figura 65 Condições de contorno para simulação. Fonte: [O autor]. 3.1 Aspectos de fabricação Diferença entre pesos teóricos e práticos de peças fundidas (tecnologia atual). Em qualquer projeto de peças de ferro fundido, leva-se em consideração dois fatores fundamentais: o peso teórico verificado na própria ferramenta de CAD e a sua forma

76 76 geométrica relativamente simples onde seja possível de se produzir o modelo para fundição, levando em consideração que tal modelo é fabricado de forma manual e artesanal. Pela dificuldade da confecção dos modelos por métodos manuais parte-se da ideia de que possa haver muita variação do peso teórico do modelo 3D verificado na ferramenta computacional de CAD com o peso real medido na prática. Para tal verificação realizou-se um acompanhamento prático de dez estruturas fundidas, com o intuito de quantificar a variação de pesos das peças reais em comparação com seu peso teórico Possibilidade da melhoria da confecção de modelos de fundição (tecnologia nova). Baseado no fato de que o projetista possui inúmeras restrições construtivas em seus projetos, ou seja, pela necessidade de se projetar estruturas com formas geométricas relativamente simples e que sejam possíveis de se construir utilizando o método de modelagem manual para a confecção dos modelos de peças fundidas. Em virtude disso fez-se um estudo eliminando tais restrições e permitiu-se uma maior liberdade de projeto, geração de formas e perfis complexos incapazes de se dimensionar e fabricar os modelos de forma manual, com o intuito de verificar as possíveis reduções de peso aplicadas a mesma estrutura sem afetar as características de resistência na qual serão exigidas posteriormente. A Figura 66 apresenta as duas estruturas fundidas ( A e B ) já confeccionadas e em utilização onde se aplicou um novo projeto conceitual baseado na liberdade de formas e geometrias. Figura 66 Estruturas selecionadas. Estrutura A Desenho CAD em 3D Estrutura B Desenho CAD em 3D Fonte: [O autor].

77 Caracterização dos materiais Ensaios metalográficos. Com a finalidade de verificar e constatar as propriedades e características realizou-se os ensaios metalográficos para cada material: EN-GJL-250 (GG25), EN-GJL-300 (GG30), EN-GJS (GGG40) e EN-GJS-HB-265 (GGG70L). As preparações dos corpos de prova seguem o procedimento padrão de ensaio, partindo-se do corte da amostra que deve ser realizada de forma controlada em uma serra com um sistema de refrigeração adequado, pois o calor gerado altera as propriedades do material, gerando uma análise falsa; lixamento, utilizando-se oito lixas com diferentes granulações: 180, 220, 320, 400, 600, 800, 1000, 1200; polimento, utilizando um feltro com abrasivo de alumina para lubrificação e ataque químico que foi realizado com uma solução de nital 3%. Lavar em seguida a amostra com álcool e secar com um secador. A partir desse momento deve-se ter um cuidado com manuseio da amostra para não haver contaminação da superfície Finalizado o ataque químico, encaminha-se a amostra ao microscópio ótico marca BUEHLER com capacidade de ampliação de 500X-1000X e resolução de 1,8 megapixels, no qual se observa então a sua microestrutura podendo-se variar a ampliação da visualização para obter-se melhores imagens Ensaio de tração. Os resultados obtidos nos ensaios de tração oferecem informações essenciais para a realização da análise estrutural da peça, e também para a verificação das tensões máximas, tensões de escoamento e deformações máximas. Para tal realizou-se os ensaios para o ferro fundido EN-GJL-250 (GG25), EN-GJL-300 (GG30), EN-GJS (GGG40) e EN-GJS-HB-265 (GGG70L). Os formatos e dimensões dos corpos de prova, bem como todos os procedimentos dos ensaios de tração estão de acordo com as normas NBR 6673 e NBR 8164, que descrevem totalmente o ensaio. A Figura 67 apresenta um desenho com todas as dimensões necessárias para a fabricação dos corpos de prova cilíndricos.

78 78 Figura 67 Corpo de prova para ensaio de tração segundo norma NBR Fonte: [O autor]. Os corpos de prova foram usinados na ferramentaria, observando o acabamento superficial a fim de reduzir a incidência de sulcos ou rebarbas que pudessem acarretar pontos de concentração de tensão e mascarar os resultados obtidos. A máquina de ensaios de tração é da marca EMIC, com capacidade de Newtons (20 toneladas) conforme pode ser visto na Figura 68, e está alocada no Laboratório de Materiais da empresa Bruning Tecnometal. Figura 68 Máquina universal de ensaios. Fonte: [O autor]. Em seguida, tomou-se um dos corpos de prova, no qual se mediu os valores do diâmetro e do comprimento da região útil, acoplou-se o extensômetro e entrou-se com os dados pedidos pelo programa. Para determinar o limite de resistência e escoamento, alongamento e módulo de elasticidade, o corpo de prova foi tracionado até a sua ruptura.

79 Ensaio de compressão. Os resultados obtidos nos ensaios de compressão oferecem informações essenciais para a realização da análise estrutural da peça, e também para a verificação das tensões máximas, tensões de escoamento e deformações máximas. Para tal realizou-se os ensaios para o ferro fundido EN-GJL-250 (GG25), EN-GJL-300 (GG30), EN-GJS (GGG40) e EN- GJS-HB-265 (GGG70L) com o intuito de comparar os valores encontrados nos ensaios de tração e compará-los com valores encontrados nos ensaios de compressão e inclusive calcular o valor médio dos resultados pelos dois métodos, ou seja, efetuar a soma de todos os resultados e dividir pela quantidade de amostras ensaiadas. Utilizando este método pretendese obter resultados mais precisos e confiáveis para a utilização nas simulações por elementos finitos aplicados as estruturas. Os formatos e dimensões dos corpos de prova (Figura 69), bem como todos os procedimentos dos ensaios de compressão estão de acordo com as normas ASTM E 9 e ASTM E 111, que descrevem totalmente o ensaio. Figura 69 Corpo de prova para ensaio de compressão segundo norma ASTM E 9. Fonte: [O autor]. Os corpos de prova foram usinados na ferramentaria, observando o acabamento superficial a fim de reduzir a incidência de sulcos ou rebarbas que pudessem acarretar pontos de concentração de tensão e mascarar os resultados obtidos e mantendo um excelente paralelismo entre as faces. A máquina de ensaio de compressão é da marca EMIC, com capacidade de Newtons (20 toneladas), e está alocada no Laboratório de Materiais da empresa Bruning Tecnometal. Para obter um resultado preciso e confiável necessitam-se de valores exatos das variações da força e da deformação. A força pode ser medida diretamente na máquina de

80 80 ensaios, porém a deformação deve ser medida com o auxilio de um extensômetro que verifica os valores exatos do deslocamento. O extensômetro disponível é utilizado para a realização de ensaios de tração, ou seja, o sistema de leitura é específico para movimento de abertura conforme pode ser visto na Figura 70. Figura 70 Extensômetro. Fonte: [O autor]. Para utilizar o extensômetro em um ensaio de compressão necessitou-se projetar e fabricar um sistema de inversão de movimentos capaz de transformar o movimento de compressão sofrido no corpo de prova em um movimento de tração sobre o extensômetro. A Figura 71 apresenta o sistema de inversão de movimentos que consiste em fixar a extremidade superior do corpo de prova na extremidade inferior do extensômetro e fixar a extremidade inferior do corpo de prova na extremidade superior do extensômetro. Assim sendo, tornou-se possível realizar o ensaio de compressão e registar com precisão os valores das deformações sofridas diretamente sobre o corpo de prova. Figura 71 Sistema inversor de movimentos. Fonte: [O autor]. Em seguida, tomou-se um dos corpos de prova, no qual se mediu os valores do diâmetro e do comprimento, acoplou-se o extensômetro e o sistema inversor de movimentos e

81 81 entrou-se com os dados pedidos pelo programa. A Figura 72 apresenta um desenho esquemático demonstrando os principais componentes necessários para o ensaio de compressão. Em especial verifica-se o sistema inversor de movimentos acoplado ao extensômetro e fixo ao corpo de prova. Figura 72 Esquema para o ensaio de compressão. Fonte: [O autor]. Para determinar o limite de resistência e escoamento, alongamento e módulo de elasticidade, o corpo de prova foi comprimido até alcançar a força máxima da máquina de ensaios. A Figura 73 apresenta as condições para realizar-se o ensaio de compressão, onde o sistema inversor de movimentos está acoplado ao extensômetro e ao corpo de prova. Figura 73 Ensaio de compressão. Fonte: [O autor].

82 82 ensaio. A Figura 74 apresenta em detalhes o sistema inversor de movimentos no momento do Figura 74 Sistema inversor de movimentos acoplado. Fonte: [O autor] Cálculo do módulo de elasticidade por métodos manuais. O valor do módulo de elasticidade de cada corpo de prova é verificado no relatório de ensaios que a própria máquina fornece, conforme pode ser verificado na sua integra nos ANEXOS A, B, C, D, E, F, G, H. Devido à incerteza do método de cálculo e a grande variação de valores para o mesmo material ensaiado, optou-se em realizar os cálculos dos módulos de elasticidade manualmente. O computador da máquina de ensaios fornece os dados da variação da deformação com sua respectiva força em diversos pontos conforme pode ser visualizado no exemplo da Tabela 7. Tabela 7 Dados fornecidos pela máquina de ensaios. Exemplo de dados para ensaios mecânicos Sequência Deformação [mm] Força [N] 1 0, , , , Fonte: [O autor].

83 83 Com a finalidade de evitar possíveis erros e calcular o valor exato do módulo de elasticidade, optou-se em utilizar valores de força e deslocamento na qual se tem certeza que correspondem totalmente ao regime elástico, portanto adotou-se por regra geral para início do cálculo um ponto a aproximadamente 10% após o início do ensaio e a 10% antes da região de escoamento e traçou-se uma linha secante entre esses pontos onde pode-se verificar claramente a linha elástica correspondente.(figura 75). Figura 75 Gráfico demonstrativo da linha elástica. Fonte: [O autor]. Para a realização dos cálculos utilizam-se as seguintes equações: (5)

84 84 (6) ( ) (7) (9) Devido à deformação e tensão inicial não partirem do zero efetuou-se os cálculos do módulo de elasticidade (E) utilizando a variação de tensão ( ) e deformação ( ), ou seja, utilizou-se o valor final encontrado no Ponto 2 descontando-se o valor inicial encontrado no Ponto 1. = (13) O ferro fundido é um material frágil e, portanto ao ser comprimido rompe-se facilmente sem atingir uma variação significativa do diâmetro do corpo de prova. Devido a isso se considerou que a área da seção transversal manteve-se a mesma desde o início do ensaio até atingir a sua ruptura ou a carga máxima possível aplicável na máquina de ensaios da marca EMIC, com capacidade de Newtons (20 toneladas), 3.3 Aspectos de projeto Estudos de eficiência das geometrias Para qualquer projeto de ferramentas de estampagem, seguem-se regras e formas construtivas baseadas muitas vezes nas experiências dos projetistas adquiridas durante vários anos de profissão. Muitas vezes tais geometrias podem ser substituídas por outras geometrias mais eficientes, com menores pesos e que permitam uma distribuição uniforme da tensão e da

85 85 deformação no outro lado da face de aplicação da força e, portanto sofrem uma menor deformação lateral na estrutura. Inicialmente definiu-se uma dimensão padrão para as geometrias com a finalidade de se aplicar uma pressão sobre a face superior e comparar os resultados de tensão e deformação entre si. A Figura 76 apresenta uma estrutura maciça, sem quaisquer alívios ou nervuras, na qual serve como referência e caracteriza-se como um segmento de massa relativa de 100% e seu respectivo valor é de 373,7 Kg Figura 76 Estrutura maciça. Fonte: [O autor]. Tomando-se por base a geometrias maciça, determinou-se as outras cinco geometrias a serem simuladas, sempre mantendo as mesmas dimensões externas de 300 mm x 300 mm x 600 mm e enumerou-se as geometrias de um até seis. As geometrias adotadas são as seguintes: geometria 1 (maciça), geometria 2 (perfil I), geometria 3 (perfil H), geometria 4 (perfil triangular), geometria 5 (perfil sextavado) e geometria 6 (perfil circular). A Tabela 8 apresenta um desenho em duas e três dimensões das geometrias escolhidas e suas respectivas massas teóricas retiradas da ferramenta computacional de CAD denominada SolidEdge e inclusive suas massas relativas em porcentagem tomando por referência o perfil maciço de 100%.

86 86 Tabela 8 Geometrias selecionadas. Geometria Desenho CAD 2D Desenho CAD 3D Massa teórica Massa [%] 1 (Perfil Maciço) 373,7 Kg 100 % 2 (Perfil I) 135,9 Kg 26,36 % 3 (Perfil H) 149,1 Kg 29,91 % 4 (Perfil triangular) 173,3 Kg 46,37 % 5 (Perfil sextavado) 165,6 Kg 44,31 % 6 (Perfil circular) 186,9 Kg 50,03 % Fonte: [O autor].

87 87 Adotou-se uma dimensão padrão de área superficial de 300 mm x 600 mm e uma força de aplicação de N (500 toneladas). Com as dimensões superficiais e a força aplicada definida, calculou-se a pressão na qual a estrutura será submetida. Onde P corresponde à pressão, F a força aplicada e A a área superficial. Portanto a pressão aplicada é de: (14) De acordo com a Equação 13 tem-se A eficiência será avaliada utilizando os resultados de tensão e deformação sofridos por cada estrutura. Os principais dados de entrada do FEMAP são as opções de geometrias, o coeficiente de Poisson e o módulo de elasticidade. O coeficiente de Poisson e o módulo de elasticidade podem ser retirados da Figura 53 e 54, que de acordo com a norma estabelecida para os ferros fundidos é de 0,28 a 0,29 e N/mm² a N/mm² respectivamente. A verificação da geometria mais eficiente não é dependente do tipo de material utilizado, ou seja, pode-se selecionar um ferro fundido cinzento ou um ferro fundido nodular que invariavelmente a mesma geometria será a mais eficiente tanto para um material quanto para o outro, alterando somente os valores de tensão e deformação. Tomando como base tal informação, optou-se em utilizar um coeficiente de Poisson de 0,29 e um módulo de elasticidade de N/mm², visto que definiu-se tais valores intermediários contidos na faixa de aplicação dos ferros fundidos conforme podem ser verificado nas Tabelas 3 e 4. Para critérios de decisão e escolha da geometria de melhor eficiência adotou-se valores máximos admissíveis para os parâmetros de tensão e deformação. Tais valores correspondem a 220 N/mm² para a tensão máxima e 0,3 mm para máxima variação de deformação na face de aplicação da pressão Estudo de eficiência dos materiais Tendo escolhido a geometria de melhor eficiência, ou seja, a geometria de menor razão entre peso, tensão e deformação, partiu-se para uma otimização de tal estrutura pelo método

88 88 de substituição de materiais. Para isso foram utilizados os seguintes ferros fundidos: EN-GJL- 250 (GG 25), EN-GJL-300 (GG 30), EN-GJS (GGG 40) e EN-GJS-HB-265 (GGG 70L). Para a otimização das estruturas fundidas levou-se em consideração a experiência dos projetistas de ferramentas, pois se projetam ferramentas capazes de resistirem aos esforços totais da prensa a qual será utilizada e não somente aos esforços necessários para a conformação da peça. O projetista é responsável pelos cálculos dos esforços para qual a estrutura deverá resistir, ou seja, resistir aos esforços de tração, compressão e inclusive a fadiga exercida pela grande repetição de ciclos. Com os valores das cargas calculados definem-se os vários pontos de aplicação e até mesmo os locais de concentração de esforços para com isso possa criar uma estrutura fundida adequada. Atualmente projetam-se todas as estruturas em ferro fundido nodular EN-GJS (GGG40). Por esse motivo utilizou-se a estrutura de melhor eficiência geométrica, com material de ferro fundido nodular EN-GJS (GGG40) e realizou se as otimizações nos demais com a finalidade de manter as mesmas características estruturais, não afetando assim seu funcional. A otimização é avaliada utilizando os resultados de tensão e deformação sofridos por cada estrutura. A estrutura de referencia é a de ferro fundido nodular EN-GJS (GGG40) e as demais foram modificadas suas dimensões estruturais ao ponto de manterem os mesmos coeficientes de segurança da estrutura de referencia e consequentemente aumentando ou reduzindo o seu peso. O coeficiente de segurança é calculado pela seguinte equação. (15) Onde CS corresponde ao coeficiente de segurança, à tensão de escoamento e a tensão sofrida pela estrutura. Os principais dados de entrada do FEMAP são a geometria mais eficiente, o coeficiente de Poisson e o módulo de elasticidade. O coeficiente de Poisson pode ser retirado das Tabelas 3 e 4, que de acordo com a norma estabelecida para os ferros fundidos é de 0,28 a 0,29. Cada material possui um módulo de elasticidade diferente e, portanto é necessária a realização de ensaios mecânicos para a caracterização dos mesmos.

89 Ensaios para a classificação de resistência das roscas em ferros fundidos. Em projetos de ferramentas de estampagem, utilizam-se muitos componentes fixados por algum tipo de rosca. Os ferros fundidos são considerados materiais frágeis e, portanto realizaram-se ensaios de extração por compressão e torque com a finalidade de caracterizar a classe de resistência das roscas dos ferros fundidos EN-GJL-250 (GG25), EN-GJL-300 (GG30), EN-GJS (GGG40) e EN-GJS-HB-265 (GGG70L). Com a finalidade de se obter um valor médio da classe de resistência, optou-se em realizar cinco ensaios para cada dimensão de rosca. As dimensões adotadas para o ensaio são as seguintes: M8, M10, M12 e M Ensaio de extração por compressão para as roscas em ferros fundidos Os formatos e dimensões dos corpos de prova (Figura 77), bem como todos os procedimentos dos ensaios de compressão das roscas estão de acordo com as normas ISO 898-2:2012(E), que descreve totalmente o ensaio. Figura 77 Corpo de prova para ensaio de extração por compressão das roscas. Fonte: [O autor].

90 90 Os corpos de prova foram usinados na ferramentaria conforme as dimensões encontradas na Tabela 9. Confeccionaram-se cinco corpos de prova de cada dimensão: M8, M10, M12 e M16, observando o acabamento e o paralelismo das faces com a finalidade de se obter resultados confiáveis. Tabela 9 Dimensões dos corpos de prova segundo norma ISO Corpos de prova Diâmetro nominal Diâmetro externo Largura Espessura D [mm] A [mm] B [mm] C [mm] M ,5 M M M Fonte: [O autor]. Os formatos e dimensões dos apoios e dos mandris, conforme pode ser visualizado na Figura 78 estão de acordo com a norma ISO 898-2:2012(E). Figura 78 Mandril para ensaio de compressão. Fonte: [O autor].

91 91 Os apoios e os mandris foram usinados na ferramentaria, conforme as dimensões encontradas na Tabela 10. Confeccionaram-se quatro conjuntos de apoios e mandris correspondentes para a realização do ensaio para as roscas M8, M10, M12 e M16. Tabela 10 Dimensões dos apoios e mandris segundo norma ISO Diâmetro nominal Diâmetro do furo dh Diâmetro nominal Diâmetro do furo dh Diâmetro nominal Diâmetro do furo dh D min. max. D min. max. D min. max. M5 5,03 5,115 M14 14,05 14,16 M27 27,065 27,195 M6 6,03 6,115 M16 16,05 16,16 M30 30,08 30,195 M7 7,04 7,13 M18 18,05 18,16 M33 33,08 33,24 M8 8,04 8,13 M20 20,065 20,195 M36 36,08 36,24 M10 10,04 10,13 M22 22,065 22,195 M39 39,08 39,4 M12 12,05 12,16 M24 24,065 24,195 dh =D com tolerâncias classe D11 (ver ISO 286-2). Dimensões em [mm] Fonte: [ISO (E)]. A máquina de ensaio de compressão é da marca EMIC, com capacidade de Newtons, e está alocada no Laboratório de Materiais da Bruning Tecnometal. Em seguida, tomou-se um dos corpos de prova, no qual se verificou os valores da rosca, acoplou-se ao mandril e apoio respectivo (Figura 79) e entrou-se com os dados no programa. Para determinar a força de arrancamento, o corpo de prova foi comprimido até a sua ruptura. Figura 79 Mandril para ensaio de compressão, em (a) componentes do ensaio e em (b) mandril, corpo de prova e apoio posicionados na máquina de ensaios. Fonte: [O autor].

92 92 Depois de constatado o valor da força de arrancamento, comparou-se tal valor com os valores da Tabela 11 e constatou-se a classe de resistência das roscas, que podem variar de quatro até doze. Tabela 11 Classe de resistência para as porcas com roscas segundo norma ISO Rosca D Passo P Carga de prova [N] Classe de resistência M5 0, M M M8 1, M10 1, M M M M18 2, M20 2, M22 2, Fonte: [ISO (E)]. Cada dimensão de rosca possuiu uma faixa de variação de carga de arrancamento que representa a classe de resistência respectiva. Valores de classes de resistência muito baixos representam potenciais riscos para a utilização em ferramentas de estampagem, podendo ocasionar sérios acidentes como queda da ferramenta durante seu transporte, falha nos limitadores que suportam os prensa-chapas, defeitos de fixação das matrizes e punções, etc. Para critérios de definição e por segurança optou-se em classificar a rosca utilizando o menor valor encontrado no ensaio prático Repetiu-se tais procedimentos para todos os corpos de prova das roscas M8, M10, M12 e M Ensaio de torque para as roscas em ferros fundidos Os formatos e dimensões dos corpos de prova, conforme pode ser visto na Figura 80, bem como todos os procedimentos dos ensaios de torque das roscas estão de acordo com a norma ISO-898-7:1992(E), que descrevem totalmente o ensaio.

93 93 Figura 80 Corpo de prova para ensaio de torque das roscas. Fonte: [O autor]. Os corpos de prova foram usinados na ferramentaria conforme as dimensões encontradas na Tabela 12. Tabela 12 Dimensões dos corpos de prova para ensaio de torque para as roscas ISO Corpos de prova Diâmetro nominal Profundidade D [mm] H [mm] M 6 15 M 8 18 M Fonte: [O autor]. Confeccionaram-se um corpo de prova de cada dimensão: M6, M8, e M10, totalizando cinco ensaios para cada dimensão. Com a finalidade de garantir um perfeito funcionamento do ensaio de torque para as roscas, utilizaram-se parafusos de classe de resistência Em cada ensaio utilizou-se um

94 94 novo parafuso a fim de evitar falhas nos resultados ou mascarar os valores obtidos pois os mesmos sofreram torques em cada ensaio realizado. Para o ensaio de torque das roscas utilizou-se um torquímetro com o número AI com uma capacidade máxima de 160 Nm que está disponível no laboratório dimensional da empresa Bruning Tecnometal. Em seguida, tomou-se um dos corpos de prova, no qual se verificou os valores da rosca, acoplou-se o parafuso ao corpo de prova e o mandril ao torquímetro, conforme pode ser visto na Figura 81. Para determinar o torque máximo admissível, o corpo de prova e o parafuso foram forçados até a carga máxima, ou até seu rompimento. Figura 81 Ensaio de torque. Fonte: [O autor]. Depois de constatado o valor do torque máximo, comparou-se tal valor com os valores da Tabela 13 e constatou-se a classe de resistência das roscas, que podem variar entre 8.8, 9.8, 10.8 e Cada dimensão de rosca possuiu uma faixa de variação de torque máximo que representa a classe de resistência respectiva. Para critérios de definição e por segurança optou-se em classificar a rosca utilizando o menor valor encontrado no ensaio prático Repetiu-se tais procedimentos para todos os corpos de prova das roscas M6, M8, e M10.

95 95 Tabela 13 Valores de torques mínimos para ruptura segundo a norma ISO Rosca Passo [mm] MínimoTorque de Ruptura [Nm] Classe de Resistência M 1 0,25 0,033 0,036 0,04 0,045 M 1,2 0,25 0,075 0,082 0,092 0,1 M 1,4 0,3 0,12 0,13 0,14 0,16 M 1,6 0,35 0,16 0,18 0,2 0,22 M 2 0,4 0,37 0,4 0,45 0,5 M 2,5 0,45 0,82 0,9 1 1,1 M3 0,5 1,3 1,7 1,9 2,1 M 3,5 0,6 2,4 2,7 3 3,3 M 4 0,7 3,8 3,9 4,4 4,9 M 5 0,8 7,5 8,3 9,3 10 M M M 8 1, M M 10 1, M M 10 1, ) Estes mínimos torques de ruptura são válidos para parafusos com tolerância de rosca 6g, 6f e 6e Fonte: [ISO-898-7:1992(E)].

96 96 4 RESULTADOS 4.1 Aspectos de fabricação Diferença entre pesos teóricos e práticos de peças fundidas (tecnologia atual). A Tabela 14 e a Figura 82 demonstram uma comparação entre massas teóricas e massas reais para as estruturas estudadas. Imagem do Peças Tabela 14 Comparação entre peso teórico e peso real. Código da Peça Massa Teórica [Kg] Massa real [Kg] Percentual [%] OSC ord ,45 OSC ord ,24 OSC ord ,22 OSC ord ,96 OSC ord ,8 OSC ord ,38 OSC ord ,17 OSC ord ,3 OSC ord ,53 OSC ord ,28 Total ,3 Fonte: [O autor].

97 97 Durante um período de tempo acompanhou-se o recebimento de peças decorrentes da demanda de projetos da ferramentaria. Figura 82 Gráfico de comparativo de massa teórica e real. Fonte: [O autor]. Durante o tempo de acompanhamento foi solicitado à fabricação de Kg em peças fundidas, sendo que o peso recebido na empresa foi de Kg, contabilizando um total de 471 Kg a mais que o desejado, ou seja, em média as peças produzidas ficaram 4,3% mais pesadas que o solicitado. Para a emissão do pedido de compra de uma estrutura fundida leva-se em conta somente a massa teórica, ou seja, o valor de compra é baseado especificamente no peso calculado e projetado na ferramenta de CAD. A variação verificada entre as massas reais e teóricas é de total interesse e responsabilidade da própria fundição, tornando assim inviável o investimento em alguma tecnologia capaz de realizar a modelagem automatizada em peças fundidas.

98 Possibilidade da melhoria da confecção de modelos de fundição (tecnologia nova). A Tabela 15 demonstra uma comparação entre os pesos teóricos das estruturas A e B em função das características de projeto aplicadas com uma liberdade de formas. Forma Tabela 15 Comparação entre estruturas com e sem restrições de projeto. Estruturas com restrições de projeto Estruturas sem restrições de projeto Percentual de redução Estrutura A 1,68 % 1190 Kg 1170 Kg Estrutura B 1,59 % 1880 Kg 1850 Kg Total ,63 % Fonte: [O autor]. A somatória total dessas duas estruturas fundidas é de 3070 Kg e utilizando os conceitos de liberdade de projeto, constatou-se que houve uma redução de peso para 3020 Kg, contabilizando um total de 50 Kg a menos, ou seja, houve uma redução de 1,63%. A baixa redução se deve a outros vários critérios e fatores que necessariamente precisam ser mantidos nos projetos de ferramentas de conformação mecânica, como por exemplo, as dimensões dos produtos, regiões de guias, centradores, dimensões das chapas, etc. Para a fabricação de peças complexas com formas irregulares, onde se verifica a incapacidade de reprodução do modelo de isopor pelos métodos manuais, tem-se a opção de serem realizados por uma máquina automatizada especialmente projetada para tais funções, porem devido à baixa porcentagem de redução, tal investimento se torna inviável.

99 Caracterização dos materiais Ensaios metalográficos. A amostra analisada apresenta matriz ferrítico-perlitica, com grafita em formato de lamelas conforme pode ser visto na Figura 83, portanto caracteriza-se como um ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25) perlítico. Figura 83 Micrografia do ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X. Fonte: [O autor]. A amostra analisada apresenta matriz cementita-perlitica, com grafita em formato de lamelas conforme pode ser visto na Figura 84, portanto se caracteriza como um ferro fundido EN-GJL-300 (GG 30) perlítico. Figura 84 Micrografia do ferro fundido EN-GJL-300 (GG30), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X. Fonte: [O autor].

100 100 A amostra analisada apresenta matriz de cementita e perlita, com grafita em formato nodular conforme pode ser visto na Figura 85, portanto se caracteriza como um ferro fundido nodular EN-GJS (GGG 40). Figura 85 Micrografia do ferro fundido EN-GJS (GGG 40), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X. Fonte: [O autor]. A amostra analisada apresenta matriz de cementita e perlita, com grafita em formato nodular conforme pode ser visto na Figura 86, portanto se caracteriza como um ferro fundido nodular EN-GJS-HB265 (GGG 70L). Figura 86 Micrografia do ferro fundido EN-GJS-HB265 (GGG 70L), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X. Fonte: [O autor].

101 101 Com os materiais analisados e caracterizados de acordo com suas características partiu-se para a realização dos ensaios mecânicos de tração e compressão Ensaios de tração. Através desses ensaios, foram obtidas as informações relativas às propriedades mecânicas dos materiais, como o limite de resistência (L R ), a tensão de escoamento (L E ), o alongamento (Δl) e o módulo de elasticidade (E). Estas propriedades caracterizam um material quanto aos seus valores limite em termos de resistência, ou seja, a máxima tensão atingida ao longo de todo o ensaio (L R ), a tensão máxima atingida ao final da deformação elástica e o e o consequente início de deformação plástica (L E ) e finalmente o alongamento máximo (Δl) do material até o instante da fratura. Os ensaios de tração podem ser visualizados na íntegra nos ANEXOS A, B, C, D. Os resultados obtidos estão apresentados nas Figuras 87 a 90, onde se verificam as curvas resultantes, as linhas elásticas com seus respectivos valores de deformação e força encontrados nos pontos de interesses. Figura 87 Gráfico resultante para EN-GJL-250 (GG 25): Tração. Fonte: [O autor].

102 102 Figura 88 Gráfico resultante para EN-GJL-300 (GG 30): Tração. Fonte: [O autor]. Figura 89 Gráfico resultante para EN-GJL (GGG 40): Tração. Fonte: [O autor].

103 103 Figura 90 Gráfico resultante para EN-GJS-HB265 (GGG 70L): Tração. Fonte: [O autor] Ensaios de compressão Através desses ensaios, foram obtidas as informações relativas às propriedades mecânicas dos materiais, como o limite de resistência (L R ), a tensão de escoamento (L E ), o alongamento (Δl) e o módulo de elasticidade (E). Estas propriedades caracterizam um material quanto aos seus valores limite em termos de resistência, ou seja, a máxima tensão atingida ao longo de todo o ensaio (L R ), a tensão máxima atingida ao final da deformação elástica e o e o consequente início de deformação plástica (L E ) e finalmente o alongamento máximo (Δl) do material até o instante da fratura. Os ensaios de cpmpressão podem ser visualizados na íntegra nos ANEXOS E, F, G, H. Os resultados obtidos estão apresentados nas Figuras 91 a 94, onde se verificam as curvas resultantes, as linhas elásticas com seus respectivos valores de deformação e força encontrados nos pontos de interesses.

104 104 Figura 91 Gráfico resultante para EN-GJl-250 (GG 25): Compressão. Fonte: [O autor]. Figura 92 Gráfico resultante para EN-GJl-300 (GG 30): Compressão. Fonte: [O autor].

105 105 Figura 93 Gráfico resultante para EN-GJS (GGG 40): Compressão. Fonte: [O autor]. Figura 94 Gráfico resultante para EN-GJS-HB265 (GGG 70L): Compressão. Fonte: [O autor].

106 Cálculo do módulo de elasticidades por métodos manuais. Os resultados obtidos nos ensaios de tração e compressão podem ser visualizados na Tabela 16. Calcularam-se todos os valores dos módulos de elasticidade correspondentes. Tabela 16 propriedades mecânicas. Resultados dos ensaios de tração Material Parâmetros L0 [mm] A0 [mm²] σ [N/mm²] ε E [N/mm²] EN-GJL-250 CP ,72 107,04 0, ,14 (GG 25) CP ,72 95,22 0, ,90 EN-GJL-300 CP ,72 105,11 0, ,35 (GG 30) CP ,72 109,54 0, ,90 EN-GJS CP ,72 144,08 0, ,60 (GGG 40) CP ,72 152,77 0, ,68 EN-GJS-HB265 CP ,72 193,96 0, ,41 (GGG 70L) CP ,72 193,85 0, ,31 Resultados dos ensaios de compressão Material Parâmetros L0 [mm] A0 [mm²] σ [N/mm²] ε E [N/mm²] EN-GJL-250 (GG 25) EN-GJL-300 (GG 30) EN-GJS (GGG 40) EN-GJS-HB265 (GGG 70L) CP ,16 179,17 0, ,48 CP ,16 145,36 0, ,88 CP ,16 144,46 0, ,60 CP ,16 143,46 0, ,92 CP ,16 181,9 0, ,36 CP ,16 174,3 0, ,71 CP ,16 325,71 0, ,50 CP ,16 288,31 0, ,07 Fonte: [O autor]. Através dos valores dos módulos de elasticidade obtidos pelos ensaios de tração e compressão, optou-se em calcular a média dos resultados para ambos os ensaios. Os valores medianos encontram-se na Tabela 17. Tabela 17 Valores do módulo de elasticidade médios. Módulo de elasticidade médio Material E [N/mm²] EN-GJL-250 (GG 25) EN-GJL-300 (GG 30) EN-GJS (GGG 40) EN-GJS-HB265 (GGG 70L) Fonte: [O autor].

107 107 A Figura 95 apresenta um gráfico comparativo entre os módulos de elasticidade onde pode se verificar os valores médios calculados e as faixas das amplitudes máximas e mínimas. Verifica a imensa faixa entre tais valores e por esse motivo optou-se em utilizar os valores médios calculados pelos ensaios de tração e compressão. Figura 95 Gráfico comparativo dos módulos de elasticidade. Fonte: [O autor]. Os valores da de cada material podem ser retirados dos ensaios de tração, e seu valores estão situados nos ANEXOS A, B, C, D. A Tabela 18 apresenta os respectivos valores médios das tensões de escoamento, obtidos nos ensaios de tração. Tabela 18 Valores médios da tensão de escoamento para os ferros fundidos. Tensão de escoamento média Material σe [N/mm²] EN-GJL-250 (GG25) 226,5 EN-GJL-300 (GG30) 227,9 EN-GJS (GGG40) 332,8 EM-GJS-HB265 (GGG70L) 444,7 Fonte: [O autor].

108 Aspectos de projeto Estudos de eficiência das geometrias A partir das simulações das estruturas selecionadas, possibilitou-se a verificação dos resultados obtidos na ferramenta de CAE denominada FEMAP. As Figuras 96 a 101 apresentam os resultados obtidos nos critérios de tensão máxima e as mínimas e máximas deformações sofridas na face superior da estrutura. Os resultados verificados são fornecidos em [N/mm²] e [mm] respectivamente. Figura 96 Geometria 1: (Perfil maciço), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 97 Geometria 2: (Perfil I), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor].

109 109 Figura 98 Geometria 3: (Perfil H), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 99 Geometria 4: (Perfil triângular), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 100 Geometria 5: (Perfil sextavado) em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor].

110 110 Figura 101 Geometria 6: (Perfil circular), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. A Tabela 19 demonstra um resumo de todas as geometrias simuladas e avaliadas com os respectivos valores de tensão e deformação encontrados. Tabela 19 Avaliações das geometrias construtivas mais eficientes. Geometria Massa [Kg] massa [%] Tensão máxima [N/mm²] Deformação mínima [mm] Deformação máxima [mm] Variação da deformação [mm] 373, ,0789 0, ,9 26, ,163 1,919 1, ,1 29, ,1565 0,42 0, ,3 46, ,1648 0,313 0, ,6 44, ,1843 0,384 0, ,9 50, ,1124 0,221 0,1086 Fonte: [O autor].

111 111 Tomou se por critérios da escolha da geometria mais eficiente as porcentagens de massa, os valores das tensões máximas e as variações de deformações nas faces de cada geometria. Embora a geometria 6 possua o menor valor de tensão e a menor variação de deformação na face, ela possui uma alta porcentagem de massa comparada com a geometria maciça tornando a mesma inviável. As geometrias 4 e 5 possuem um valor intermediário de tensão e variação de deformação contudo ainda apresentam uma alta porcentagem de massa. A Geometria 2 apresenta uma excelente porcentagem de massa entretanto a tensão gerada e a variação de deformação são muito elevadas, devido a isso tornando as incapazes. A Geometria 3 obteve um resultado intermediário e aceitável para os valores de tensão e variação de deformação, ainda apresenta uma razão de 29,91% de massa e devido a isso torna se a geometria analisada de melhor eficiência. Tomando por base a Geometria de melhor eficiência optou-se em realizar um estudo avaliando as consequências da variação da razão das distâncias entre as nervuras e o valor da espessura da nervura. A Figura 102 apresenta o desenho da Geometria 3 com as dimensões da espessura e o afastamento entre as nervuras. Figura 102 Geometria de melhor eficiência. Fonte: [O autor]. Definiu-se em manter a abertura entre nervuras de 215 mm e variar as espessuras das nervuras para se obter os valores da razão (Ra) entre abertura (ab) e espessura (esp).

112 112 mm e 50 mm. Os valores adotados para as espessuras são de 10,5 mm, 15 mm, 20 mm, 30 mm, 35 (15) Utilizando a equação 14 e substituindo os valores das espessuras chegou-se aos valores das razões conforme pode ser visto na Tabela 20. Tabela 20 Relações entre abertura e espessura das nervuras. Espessura Abertura Massa [mm] [mm] [Kg] 10, ,48 99, ,34 115, ,75 132, ,6 149, ,1 180, ,3 223,1 Fonte: [O autor]. Os resultados das tensões máximas e a variação das deformações da face superior podem ser vistos nas Figuras 103 a 108. Figura 103 Geometria com espessura 10,5 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor].

113 113 Figura 104 Geometria com espessura 15 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 105 Geometria com espessura 20 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 106 Geometria com espessura 25 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor].

114 114 Figura 107 Geometria com espessura 35 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 108 Geometria com espessura 50 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Tomou se por critérios da escolha da melhor razão entre a abertura e a espessura das nervuras os valores da percentagem de massa, tensão máxima e variação de deformação nas faces das geometrias. As geometrias com espessuras de nervuras de 10,5 e 15 mm possuem uma baixa porcentagem de massa e uma excelente relação Ra, contudo possuem uma alta tensão e deformação nas faces as tornando inviáveis. As geometrias com espessuras de nervuras de 25, 35 e 50 mm possuem uma baixa tensão e deformação na face, entretanto possuem uma baixa

115 115 relação Ra e uma porcentagem de massa muito elevada. A geometria com espessura de 20 mm mostrou se com a melhor relação entre abertura, espessura, tensão, deformação e porcentagem de massa visto que a porcentagem de massa está em 35,75%, com uma tensão de 220 N/mm² e uma variação de deformação de 0,2885 mm. A razão (Ra) mais eficiente e com melhor aproveitamento da massa sem afetar as características de funcionamento para as estruturas utilizadas em ferramentas de estampagem é de 10,75, ou seja, para cada 1 mm de espessura da nervura tem-se uma abertura de 10,75 mm entre as mesmas. A Tabela 21 apresenta um resumo das geometrias simuladas com seus respectivos valores encontrados nas simulações. Tabela 21 Avaliação dos resultados da variação de espessuras. Geometria Esp 10,5mm 3 - Esp 15mm 3 - Esp 20mm 3 - Esp 25mm 3 - Esp 35mm 3 - Esp 50mm Massa [Kg] massa [%] Tensão máxima [N/mm²] Deformação mínima [mm] Deformação máxima [mm] Variação da deformação [mm] 373, ,0789 0, ,2 26, ,3302 0,7148 0, ,48 115,3 30, ,2403 0,5692 0, ,34 132,5 35, ,1887 0,4772 0, ,75 149,1 39, ,1565 0,4168 0,2603 8,6 180,5 48, ,1208 0,3357 0,2149 6,1 223,1 59, ,0949 0,2639 0,169 4,3 Ra ab esp Fonte: [O autor] Estudo da eficiência dos materiais Tomou-se por base os ferros fundidos EN-GJL-250 (GG 25), EN-GJL-300 (GG 30), EN-GJS (GGG 40) e EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) e utilizou se os respectivos

116 116 módulos de elasticidade contidos na Tabela 17. A partir das simulações da estrutura de melhor eficiência (Geometria 3) e pela substituição dos materiais, possibilitou-se a verificação dos resultados. As Figuras 109 a 112 apresentam os resultados obtidos nos critérios de tensão máxima e as mínimas e máximas deformações sofridas na face superior da estrutura. Os resultados verificados são fornecidos em [N/mm²] e [mm] respectivamente. Figura 109 EN-GJL-250 (GG 25), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 110 EN-GJL-300 (GG 30), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor].

117 117 Figura 111 EN-GJS (GGG 40) em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Figura 112 EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor]. Assim são conhecidos todos os dados necessários para o cálculo do coeficiente de segurança (CS) e os valores médios da tensão de escoamento para os ferros fundidos podem ser retirados da Tabela 14. É conhecido da equação (14) que: A Tabela 22 apresenta os valores de tensão máxima e a variação de deformação na face superior para os ferros fundidos EN-GJL-250 (GG 25), EN-GJL-300 (GG 30), EN-GJS (GGG 40) e EN-GJS-HB-265 (GGG 70L).

118 118 Tabela 22 Avaliação dos resultados da substituição de materiais. Geometria 3 Massa [Kg] Tensão máxima [N/mm²] Deformação mínima [mm] Deformação máxima [mm] Variação da deformação [mm] Tensão de escoamento [N/mm²] Ra ab esp EN-GJL-250 (GG 25) 149, ,2131 0,5726 0, ,5 1,07 EN-GJL-300 (GG 30) 149, ,1773 0,4766 0, ,9 1,08 EN-GJS (GGG 40) 149, ,0736 0,1979 0, ,8 1,58 EN-GJS-HB-265 (GGG 70L). 149, ,0791 0,2128 0, ,7 2,11 Fonte: [O autor]. A estrutura de ferro fundido EN-GJS (GGG 40) é considerada ideal com um coeficiente de segurança de 1,58 e uma variação de deformação na face de 0,1242 mm. As Figuras 113 a 115 representam as estruturas otimizadas de ferros fundidos EN- GJL-250 (GG 25), EN-GJL-300 (GG 30) e EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) a fim de que seja atingido o mesmo valor de coeficiente de segurança do ferro fundido EN-GJS (GGG 40) aumentando ou diminuindo a espessura das nervuras. A Geometria em questão e que serve de referência possui nervuras com 25 mm de espessuras distribuídas em sua face. Figura 113 Estrutura otimizada de ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25), em (a) tensões e em (b) deformações. Fonte: [O autor].