Uma revisão dos processos de corte convencional e fineblanking

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1 24 Uma revisão dos processos de corte convencional e fineblanking Este trabalho apresenta uma revisão dos processos de corte convencional e corte fino (fineblanking), mostrando suas principais características e benefícios. Atualmente, a escolha do processo está basicamente ligada à qualidade da superfície de corte. O processo de corte fino, por empregar o uso de folgas muito pequenas, apresenta superfícies lisas que não requerem acabamentos posteriores. U. Boff, H. Mozetic, V. Martins, P. R. Böesch Júnior e L. Schaeffer a fabricação de componentes a partir de chapas metálicas tem uma importância significativa no setor industrial. Para entender melhor o processo, basta pensar na quantidade de produtos fabricados por esse princípio, como, por exemplo, carrocerias de automóveis, fuselagens de aviões, móveis de escritório, eletrodomésticos, computadores e diferentes utensílios. De um modo geral, esses produtos são obtidos por meio da combinação de operações de corte e deformação. O processo de corte caracteriza-se por ser realizado a frio, recorrendo-se ao corte a morno apenas quando a espessura da chapa é elevada ou quando o comportamento mecânico do material é frágil. No entanto, o fator determinante na escolha do processo de corte a ser utilizado é a qualidade da região cortada. Na maioria dos casos, essa qualidade é definida pela aplicação da peça. Para os casos em que a região cortada possui características funcionais, é necessário um maior controle dos parâmetros do processo. Desenvolvimentos na indústria, principalmente a automobilística, têm implicado a necessidade de melhorar o desempenho do acabamento de corte de peças utilizadas nas linhas de produção devido a geometrias cada vez mais complexas. Essas dificuldades foram suplantadas pelo surgimento do denominado corte fino (fineblanking), um processo capaz de produzir peças estampadas com bordas lisas isentas de estouro. Além de proporcionar excelente acabamento de corte, ele elimina operações subsequentes como rebarbação, fresamento ou mesmo retificação, obtendo peças prontas para a montagem de componentes e reduzindo consideravelmente os custos de fabricação. Porém, a fabricação de peças pelo processo de corte fino Uilian Boff ([email protected]) é mestrando, Halston Mozetic é doutorando ([email protected]) e Paulo Ricardo Böesch Júnior (paulo.boesch@ufrgs. br) é mestrando do programa de pós-graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGEM), do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) Departamento de Metalurgia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), em Porto Alegre, RS. Vinicius Martins ([email protected]) é professor no Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia Sul-rio-grandense (IFSul) campus Sapucaia do Sul e doutorando no PPGEM. Este artigo foi apresentado no Inovtec 2011 (1º Seminário de Inovação e Tecnologia) do IFSul (Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia Sul-rio-grandense), que ocorreu entre os dias 8 e 10 de novembro de 2011 no campus de Sapucaia do Sul, RS.

2 25 exige alguns requisitos, como prensas rígidas de triplo efeito com regulagem de pressão de forma independente e jogo de matrizes de precisão elevada com emprego de folgas muito pequenas, da ordem de micra, pelos quais é possível a produção de peças com superfícies de corte isentas de defeitos, atendendo às mais restritas exigências de qualidade. Este trabalho tem por objetivo esclarecer as diferenças entre o processo convencional e o de corte fino. Processo de corte Corte é o processo de conformação mecânica que se destina à obtenção de formas geométricas a partir de chapas submetidas à ação de pressão exercida por um punção ou uma lâmina de corte. Quando o punção ou a lâmina inicia a penetração na chapa, o esforço de compressão converte-se em esforço cortante, provocando a separação brusca de uma porção da chapa. No processo, a chapa é deformada plasticamente e levada até a ruptura nas superfícies em contato com as lâminas. O processo de corte serve tanto para realizar um furo com o formato do punção na chapa quanto para separar o componente (também com o formato do punção) (3). No caso de um punção circular, o diâmetro do punção é levemente inferior ao diâmetro da matriz, de forma a existir uma folga que permite que o punção penetre na matriz, separando a chapa em duas partes. A escolha do processo está Fig. 1 Elementos básicos de uma ferramenta de corte por cisalhamento. 1 punção, 2 matriz, 3 base da ferramenta, 4 chapa, f folga entre punção e matriz (fonte: Schaeffer, 2004). relacionada com a qualidade da região cortada, sendo que as tolerâncias dimensionais devem ser consideradas para a definição do melhor processo de corte para a fabricação do componente em questão. O processo convencional difere do corte fino pelo uso de folgas maiores. Normalmente, o valor da folga representa entre 5 e 10% da espessura da chapa. No processo de corte fino, as folgas são da ordem de 1%, ou menos. Corte convencional Neste caso, o corte é realizado pelo movimento de um punção de corte contra uma matriz, o Fig. 2 Partes principais de uma peça cisalhada. a zona de arredondamento, b zona cisalhada, c zona fraturada, d rebarba, e empenamento (fonte: Schaeffer, 2004). que causa a separação da peça da chapa. A figura 2 ilustra os componentes básicos de uma ferramenta de corte convencional. Segundo Schaeffer (3), uma peça cortada pelo processo convencional apresenta características próprias originadas da forma como as tensões se distribuem sobre a chapa no momento do corte (figura 2). Essas características definem qualitativamente o processo quanto ao resultado do corte. O autor ainda ressalta que a forma como se processa o corte pode ser entendida pela análise de cada uma das fases do processo. Na primeira fase há a atuação da força do punção sobre a chapa, ocorrendo uma deformação elástica. A chapa arqueia-se sob o punção e tende a empenar devido à folga entre o punção e a matriz. Dessa fase passa-se rapidamente a uma deformação plástica, caracterizada pelo arredondamento permanente da chapa. A seguir, ocorre a etapa do cisalhamento, na qual o material escoa devido ao esforço realizado pelo punção sobre a matriz, formando a zona cisalhada. Devido ao crescente encruamento do material durante o corte, a zona de arredondamento da chapa tende a aumentar. A crescente solicitação é aplicada até que se esgote a capacidade de deformação da secção da chapa. Quando isso ocorre, surge na aresta de corte da matriz uma trinca na direção máxima de tensão de cisalhamento, que conduz finalmente à separação do material. A trinca resultante

3 26 Fig. 3 Peças utilizadas pela indústria automotiva obtidas pelo processo de corte fino (fonte: Schuler, 1998) pode ser reconhecida na peça cortada como uma região rugosa e de formato oblíquo, com um ângulo de inclinação que depende do tamanho da folga. A forma como ocorre a fratura também é responsável pelo tipo e tamanho da rebarba resultante na peça. A dimensão da rebarba será determinada pelo desgaste das arestas de corte (quanto maior for o desgaste, maior será o boleamento das arestas de corte e, portanto, menor será a dificuldade para o material contornar a aresta de corte), pela ductilidade do material, pelo tamanho da folga e também pelo valor da força de corte que é aplicada à região (2). Corte fino Caracteriza-se pelo emprego de folgas muito pequenas (micra). Por esse processo, é possível produzir peças com superfícies lisas e polidas como as que podem ser vistas nas figuras 3 e 4, sem Fig. 4 Peças utilizadas na transmissão automática de um carro de passeio, obtidas pelo processo de corte fino (fonte: Schuler, 1998) necessidade de acabamento após a operação de corte. Ele consiste em fixar o material por meio de um prendedor de chapas, sendo que, durante o processo de corte, a chapa é submetida a um esforço inferior adicional de um contrapunção, que realiza o corte. A retirada do restante da chapa do punção é feita pelo mesmo

4 28 Fig. 5 Representação esquemática de uma ferramenta de corte fino (fonte: Rodrigues e Martins, 2005) elemento prendedor de chapas e o contrapunção executa a operação de extração da peça cortada da matriz inferior (3). A figura 5 apresenta esquematicamente uma ferramenta de corte fino. Para evitar o aparecimento de defeitos característicos do processo de corte convencional, o fineblanking exige ferramentas mais complexas, como prensas de tripla ação e jogo de matrizes rígidas, os quais asseguram a produção de peças com superfícies de corte isentas de defeitos. A figura 6 (pág. 30) mostra uma matriz de duplo estágio, sendo que o primeiro estágio realiza a perfuração central, furação de fixação e o rebaixo, e o segundo estágio equivale à furação dos rasgos e contornos externos. Também é comum a inversão de seus elementos, ficando o punção na parte inferior, montado sobre uma corrediça que se desloca de baixo para cima, e o encostador/desembainhador na parte superior (2). Com a colocação dos elementos principais e de transmissão de forças na parte inferior da estrutura da prensa, procura-se evitar as vibrações e as folgas associadas aos elementos que se movimentam. Folga entre punção e matriz Um dos parâmetros mais importantes do processo de corte é a folga entre o punção e a matriz, por ter influência direta na formação de rebarba e desgaste das partes ativas da ferramenta. Isso porque uma folga maior resulta em uma zona de arredondamento maior, visto que as deformações são maiores (3). Já uma folga menor leva a uma zona cisalhada maior, uma vez que as tensões sobre o material são mais elevadas, o que adia o aparecimento de trincas.

5 30 Fig. 6 Ferramenta de corte fino de dois estágios (fonte: Schuler 1998) Tab. 1 Folgas por lado em função do material e do tipo de superfície a obter, conforme morfologia que será ilustrada na figura 8 (fonte: Rodrigues e Martins, 2005) Material Folga porcentagem da espessura do arco Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V Aço elevado teor de carbono Aço macio Aço inoxidável ,5 Cobre Duro ,5 1,25 Macio ,75 Bronze fosforoso ,5 2,5 Latão Alumínio Duro ,8 Macio ,5 1 Duro Macio Magnésio ,75 Chumbo ,5 Fig. 7 Comparação entre superfícies de corte produzidos por corte fino e corte convencional (fonte: Feintool Technology) Sua determinação correta tem relação direta com o desgaste das partes ativas da ferramenta, pois quanto menor a folga, maior a força necessária para o corte. Não existe uma regra geral para selecionar o valor da folga, pois são vários os parâmetros de influência. A folga pode ser estabelecida com base em atributos como o aspecto superficial do corte, imprecisões, operações posteriores e aspectos funcionais. A qualidade final do corte também pode variar devido ao material e à medida da folga entre o punção e a matriz. A diferença entre a qualidade da superfície cortada com o processo convencional e de corte fino é mostrada na figura 7. Quanto mais espessa é a chapa, pior é a qualidade superficial da peça cortada. Tipos de folgas Compreende-se que a folga seja uma parâmetro essencial do corte, não só do ponto de vista da qualidade das superfícies obtidas, como também das forças aplicadas (2). Sendo assim, considera-se como folga ideal aquela na qual o trabalho consumido é o mínimo. Os valores de folga por lado (medidos em porcentagem por meio da espessura do arco) de modo a obter superfícies com a morfologia indicada na figura 5 estão expressos na tabela 1. Os valores fornecidos são empíricos, razão pela qual variam de acordo com as fontes. Para o processo de corte convencional, a folga tem influência na morfologia da superfície cortada, ou seja, o aumento desta ocasiona um maior repuxamento e um aumento de rebarba. O processo de corte fino permite contrair todos esses aspectos indesejáveis, adotando folgas muito pequenas; porém, é necessária uma ação combinada do encostador, do anel de retenção e do encostador/ desembainhador, permitindo introduzir estados hidrostáticos de compressão na zona solicitada, contraindo a formação de fissuras e originando superfícies lisas e brilhantes (2). Força de corte As forças envolvidas no processo de corte, mesmo para chapas finas, são altas, especialmente em materiais de alta resistência. Isso porque o material vai encruando devido à deformação plástica crescente, o que faz com que a força de corte aumente gradualmente até alcançar um valor máximo, iniciando, assim, fissuras.

6 32 Para o processo de corte convencional, a força de corte pode ser diminuída com a inclinação das arestas de corte do punção ou da matriz. No entanto, o trabalho continua igual, porque é realizado durante um curso maior, mas com uma força menor. Dessa forma, o trabalho total de corte é igual em ambos os casos. Já no corte fino, a força máxima é superior à do corte convencional, conforme ilustra a figura 9 (pág. 33). Isso se deve ao fato de a folga ser menor e o estado de compressão induzido pelo prendedor de chapa aumentar o valor da tensão crítica. Conclusão Um dos fatores mais importantes do processo de corte é a folga, sendo ele também essencial na escolha do processo. É ele que determina a qualidade da superfície da peça ou componente a ser obtido pelo corte. A Fig. 8 Morfologia da superfície obtida pelo corte convencional em função do valor da folga entre o punção e a matriz (fonte: Rodrigues e Martins, 2005)

7 33 Fig. 9 Evolução da força de corte com o deslocamento do punção para o corte convencional e para o corte fino (fonte: Rodrigues e Martins, 2005) qualidade das bordas cortadas normalmente está relacionada com a aplicação da peça ou componente. Em um processo convencional no qual a folga representa de 5 a 10% da espessura da chapa, a superfície de corte apresenta algumas irregularidades, as quais podem ser superadas pelo processo de corte fino, utilizando folgas de 1% ou menos. Obtêm-se, assim, superfícies lisas e polidas, sem haver a necessidade de acabamentos. Deve-se destacar ainda que o processo de corte fino exige ferramentas de trabalho mais específicas, como prensas de tripla ação, e uma força maior durante o corte do que para uma operação de corte convencional. Agradecimentos Os autores agradecem ao Laboratório de Transformação Mecânica ( LdTM), à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e às instituições de apoio financeiro, como FAPERGS e CAPES. Referências 1) Fei n tool. Feintool Technology Specialist for the fineblanking process chain. Disponível em: < Acesso em jun ) Rodrigues, J.; Mart i ns, P. Tecnologia Mecânica Tecnologia da Deformação Plástica. Vol II Aplicações Industriais. Escolar editora, Lisboa, p ) Schaeffer, L. Conformação de Chapas Metálicas. Imprensa Livre, Porto Alegre, p ) Schuler Metal Forming Handbook. Springer, Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapeste; Hong Kong; London; Milan; Paris; Santa Clara; Singapore; Tokio, 1998.