Conformação de Chapas

Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação Conformação de Chapas Dr. Ronnie Rego Dr. Alfredo R. de Faria

Agenda 1. 2. 3. 4. 5. Introdução Processos Convencionais de Conformação de Chapas Conformabilidade Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas Fechamentos 2

[Aulas #4 e #5] Processos de Conformação Mecânica Laminação Trefilação Forjamento Extrusão 3

4 [Aulas #6 e #7] Plasticidade Equações de Levy-Mises Critério de Escoamento Anisotropia + = + = + = ) ( 2 1, ) ( 2 1, ) ( 2 1 2 1 3 3 3 1 2 2 3 2 1 1 σ σ σ σ ε ε σ σ σ σ ε ε σ σ σ σ ε ε d d d d d d

[Aula#1] Processos de Conformação Mecânica Alteração de forma com volume e massa conservados Forjamento Laminação Trefilação Calandragem Extrusão Embutimento (Estampagem profunda) Estiramento Movimento da ferramenta Movimento do material Esforço no material Dobramento Cisalhamento 5

Motivação: Indústria Aeronáutica Aplicações na Indústria Aeronáutica 6

Motivação: Indústria Aeronáutica Chapas conformadas em toda a estrutura da aeronave 7

Motivação: Indústria Aeronáutica 8

Motivação: Indústria Automotiva 9

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso Plasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó F dx 10

Objetivo da aula Conceituação dos processos de conformação de chapas Objetivos Específicos: 1. Prover definições fundamentais sobre as convencionais tecnologias para processos de conformação de chapas 2. Introduzir os conceitos de conformabilidade, para avaliação de desempenho das tecnologias discutidas 3. Apresentar novas alternativas (processos não convencionais) à conformação de chapas 11

Processos de Fabricação I (MTP-34): Literatura de Referência 1. DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy -SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988. 2. HOSFORD, W.F.; CADDELL, R.M. Metal Forming Mechanics and Metallurgy.Prentice-Hall Inc., Toronto, 1983. 3. DOEGE, E.; BEHRENS, B. Handbuch Umformtechnik Grundlagen, Technologien, Maschinen. Springer, Berlin, 2010. 4. BRESCIANI FILHO, E.; ZAVAGLIA, C.A.C.; BUTTON, S.T.; GOMES, E.; NERY, F.A.C. Conformação Plástica dos Metais. 4.ed. Editora da Unicamp, Campinas, 1991. 5. TSCHAETSCH, H. Metal Forming Practise. Springer, Berlim, 2006. 1 2 3 4 5 12

Conformação de Chapas Processo de produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas Resultado da integração de estiramento e contração localizados Em geral conduzido por indução de estados de tração Redução de seção não éo objetivo primário e deve ser monitorado para evitar falhas (estricção) 14

Conformação de Chapas Processo de produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas Alta qualidade geométrica Elevadas propriedades mecânicas e microestruturais Baixo Custo Alta Produtividade 15

Conformação de Chapas Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem A C E B D F 16

Conformação de Chapas: Estampagem Processo de conformação de uma chapa definido pela cavidade formada entre o encontro de um punção contra sua matriz Estampagem Simples: Profundidade pequena (menor que metade do Ø BLANK ) Estampagem Profunda(Embutimento): Alta relação profundidade/diâmetro BEAD PRENDEDOR ANTI-RUGAS PUNÇÃO ANEL FIXADOR MATRIZ CHAPA (BLANK) 17

Conformação de Chapas: Estampagem Processo de conformação de uma chapa definido pela cavidade formada entre o encontro de um punção contra sua matriz 1. Punção: parte dinâmica do ferramental 2. Matriz: Parte estacionária do ferramental 3. Prendedor Anti-Rugas (sujeitador): promove o atrito que garante o estado trativo no flange do blank 18

Conformação de Chapas: Estampagem Processo de conformação de uma chapa definido pela cavidade formada entre o encontro de um punção contra sua matriz Aplicações em segmentos de alta produtividade Processo rápido Ferramental de elevado custo Vantajoso face à soldagem, fundição, etc. Indústria automotiva, aeronáutica, metalomecânica, etc. 19

Conformação de Chapas: Estampagem Estampagem a Quente: promove aumento da ductilidade Menor força de laminação, Maiores deformações; Alta variação dimensional Estampagem a Frio: promove aumento do encruamento e refinamento de grão Menores deformações; Maior resistência mecânica, Baixa variação dimensional 20

Conformação de Chapas: Estampagem Mecanismo do Processo (exemplo: blank circular) Ação do punção: chapa se deforma na direção da cavidade da matriz; flange movimenta em direção à cavidade. 1. Flange: Compressão circunferencial Tendência a rugas Pressão de sujeição: permitir movimento ( ) sem aparecimento de rugas ( ) Tração: estiramento radial Atrito entre blank e ferramental 21

Conformação de Chapas: Estampagem Mecanismo do Processo (exemplo: blank circular) 2. Região de Dobramento: Estado de traçãona região externa ao dobramento Estado de compressãona região interna ao dobramento Atrito entre blank e ferramental 22

Conformação de Chapas: Estampagem Mecanismo do Processo (exemplo: blank circular) 3. Lateral: Tração ao longo da lateral (estiramento) Compressão perpendicular à superfície (afinamento) Atrito entre blank e ferramental 23

Conformação de Chapas: Estampagem Mecanismo do Processo (exemplo: blank circular) 4. Fundo do Copo: Compressão exercida pela extremidade do punção Transmitido ao copo por tração na direção radial Atrito entre blank e ferramental 24

Conformação de Chapas: Estampagem Mecanismo do Processo (exemplo: blank circular) 25

Conformação de Chapas: Estampagem Estampagem progressiva: Múltiplos estágios sequenciais de conformação e corte Ferramental com diferentes geometrias: conformação gradual 26

Estampagem: Fatores de Influência 1. Forma e dimensões da chapa 2. Taxa de Estampagem 3. Máquina de conformação (Tipo de prensa) 4. Geometria do ferramental 5. Pressão Anti-rugas (Força no anel fixador) 6. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas) 7. Lubrificação 8. Temperatura de trabalho 9. Velocidade do processo 10. Força de estampagem Quantificação por relações geométricas e de deformação 27

Estampagem: Fatores de Influência 28

Estampagem: Fatores de Influência β = D 0 D P 29

Estampagem: Fatores de Influência Equipamento: Prensa Mecânica Limitada pelo curso Conversão de movimento rotativo em alternativo Mais rápido e menor custo; Menores cargas de trabalho; menor precisão 30

Estampagem: Fatores de Influência Equipamento: Prensa Hidráulica Limitado pela carga Pressão hidráulica acumulada movimenta pistão em cilindro Controle da velocidade, maior precisão, maiores cargas; Mais lento e mais caro 31

Estampagem: Fatores de Influência Geometria do Ferramental Raios do punção e da matriz Folga entre punção e matriz 32

Estampagem: Fatores de Influência Geometria do Ferramental Geometria do bead 33

Estampagem: Fatores de Influência D P D 0 (Exemplo de chapa circular) 34

Estampagem: Fatores de Influência Microestrutura do material Anisotropia planar: formação de orelhas nas bordas da chapa 35

Estampagem: Fatores de Influência Força de Estampagem P: Carga total no punção D p : diâmetro do punção D 0 : diâmetro inicial do blank h: espessura do blank σ 0 : escoamento médio do blank H: força no anel fixador μ: coeficiente de atrito B: força para dobrar e endireitar blank 36

Conformação de Chapas: Dobramento Processo em que esforços são aplicados em duas direções para promover deformação via flexão, resultando em duas superfícies concorrentes 38

Conformação de Chapas: Dobramento Processo em que esforços são aplicados em duas direções para promover deformação via flexão, resultando em duas superfícies concorrentes 39

Conformação de Chapas: Dobramento Dobramento livre Dobramento em V Dobramento com ressalto no punção Os ângulos da curvatura são determinados pelo curso do punção. É exigido o controle exato do curso do punção para obter o ângulo desejado da curvatura. No dobramento em V (V-bending), a folga entre o punção e a matriz é constante (igual à espessura da chapa No dobramento com ressalto na ponta do punção a tensão compressiva é aplicada à região de dobra para aumentar a quantidade de deformação plástica. Isto reduz o efeito mola (springback). Dobramento em matriz de deslizamento Dobramento em U Conhecido também como flangeamento. O comprimento do flange pode facilmente ser mudado e o ângulo da curvatura pode ser controlado pelo curso do punção. O dobramento em U é feito em dois eixos paralelos de dobramento na mesma operação. Uma almofada é usada para forçar o contato da chapa com o fundo do punção. 40

Conformação de Chapas: Dobramento Equipamento: Prensas dobradeiras, dobradeiras manuais e ferramental 41

Conformação de Chapas: Dobramento Fatores de influência Capacidade elástica do material Raio interno mínimo Comprimento a ser desenvolvido Forças de operação Raio interno mínimo Definição: mínimo valor de raio para que não haja trincas no processo Varia com material e histórico de processamento (grau de encruamento) 42

Conformação de Chapas: Corte Processo de obtenção de formas geométricas específicas através da penetração de um punção ou lâmina contra a chapa Compressão se converte em tensão de cisalhamento (esforço cortante) Deformação plástica até a ruptura: separação brusca de uma porção da chapa 44

Conformação de Chapas: Corte Processo de obtenção de formas geométricas específicas através da penetração de um punção ou lâmina contra a chapa Compressão se converte em tensão de cisalhamento (esforço cortante) Deformação plástica até a ruptura: separação brusca de uma porção da chapa 45

Conformação de Chapas: Corte Tipos de processos e equipamento: 1. Por lâmina de corte (shearing, tearing): Guilhotina 46

Conformação de Chapas: Corte Tipos de processos e equipamento: 1. Por lâmina de corte (shearing, tearing): Guilhotina 2. Por punção e matriz (punching, blanking): Prensa mecânica ou hidráulica 47

Conformação de Chapas: Corte Mecanismo do Processo 1. Aproximação da lâmina ou punção 2. Penetração da lâmina ou punção 3. Conversão da compressão em tensão de cisalhamento 4. Deformação até a ruptura 48

Conformação de Chapas: Corte Efeito da deformação na superfície cisalhada REPUXO CISALHAMENTO ZONA DE RUPTURA Rebarba ALTURA DA REBARBA 49

Corte: Fatores de Influência Folga entre lâminas Influência da folga na superfície fraturada: valor percentual relativo à espessura da chapa 50

Corte: Fatores de Influência Folga entre lâminas Efeito do material Efeito sobre a deformação (microdureza) 51

Corte: Fatores de Influência Folga entre lâminas: Corte Convencional x Corte Fino (Fine Blanking) Corte fino: folga micrométrica + controle da velocidade de corte CONVENCIONAL FINO 52

Corte: Fatores de Influência Força de corte / Potência do equipamento 53

Conformação de Chapas: Estiramento Processo de aplicação de força trativapara estirar o material sobre uma ferramenta com a forma do produto final 55

Conformação de Chapas: Estiramento Processo de aplicação de força trativapara estirar o material sobre uma ferramenta com a forma do produto final 56

Conformação de Chapas: Estiramento Mecanismo do Processo Chapa é inicialmente acomodada sobre o punção (bloco modelo) Pistão hidráulico: movimenta o punção (bloco modelo) contra a chapa Não há matriz (fêmea) no ferramental Garras prendem extremidades da chapa, para garantir a deformação plástica 57

Conformação de Chapas: Estiramento Processo de aplicação de força trativa para estirar o material sobre uma ferramenta com a forma do produto final Deformação plástica sem compressão Previne a formação de rugas na parte interna da chapa DOBRAMENTO ESTIRAMENTO 58

Conformação de Chapas: Calandragem Passagem de chapa entre três rolos para produzir formatos curvados Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável 60

Conformação de Chapas: Calandragem Passagem de chapa entre três rolos para produzir formatos curvados Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável Pode ser aplicado a materiais diferentes de uma chapa (tubo e perfis) 61

Conformação de Chapas: Calandragem Passagem de chapa entre três rolos para produzir formatos curvados Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável Pode ser aplicado a materiais diferentes de uma chapa (tubo e perfis) Ajustede curvatura e espessura da chapa: aproximação dos rolos 62

Conformação de Chapas: Calandragem Passagem de chapa entre três rolos para produzir formatos curvados Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável Pode ser aplicado a materiais diferentes de uma chapa (tubo e perfis) Ajuste de curvatura e espessura da chapa: aproximação dos rolos Aeronáutica: revestimentos e cintas de emenda da fuselagem 63

Conformação de Chapas: Repuxamento Chapa éconformada contra um molde em movimento rotativo pela ação de compressão de um rolete 65

Conformação de Chapas: Repuxamento Chapa éconformada contra um molde em movimento rotativo pela ação de compressão de um rolete Ferramental: madeira, plástico ou metal: Baixo custo Equipamento: ferramental éfixado a um torno, em alta rotação: Processo lento 66

Conformação de Chapas: Repuxamento Chapa éconformada contra um molde em movimento rotativo pela ação de compressão de um rolete 67

Conformação de Chapas: Repuxamento Chapa éconformada contra um molde em movimento rotativo pela ação de compressão de um rolete Produtos repuxados Luminárias, Panelas, Fundos de Tanques, Componentes de satélites 68

Conformação de Chapas: Tipos de Falha 1. Rugas 1 1 2. Estricção 3. Springback 2 3 69

Deformação Excessiva: Deformação Plástica Instabilidade Plástica A partir de dp = 0e σ = P/A Critério de Instabilidade Do conceito de Volume constante: Do conceito de deformação Portanto: 70

Conformação de Chapas: Tipos de Falha Minimizar risco de geração de estricção: redução da força de sujeição Extremo Possibilidade de formação de rugasno flange 71

Conformação de Chapas: Tipos de Falha Além das trincas e rugas Orelhas Afinamento Localizado Excesso de Metal no Raio Casca de laranja Anisotropia planar excessiva Texturização Copo muito profundo Raio do punção pequeno Chapa muito fina Folga insuficiente entre punção e matriz 72

Conformação de Chapas: Tipos de Falha Springback (Efeito Mola) Retorno elástico da chapa após liberação da força de conformação Principalmente em Estampagem e Dobramento 73

Conformação de Chapas: Tipos de Falha Springback (Efeito Mola) Retorno elástico da chapa após liberação da força de conformação Principalmente em Estampagem e Dobramento (h) Razão de Springback 74

Conformação de Chapas: Tipos de Falha 75

Conformação de Chapas: Tipos de Falha Exemplo 76

Conformação de Chapas: Tipos de Falha Falhas em ferramental de estampagem 77

Conformabilidade Como então avaliar e predizer o limite para que não haja falhas? Ensaios de Estampabilidade: Avalia a capacidade de a chapa ser conformada sema a aparição de falhas Swift Olsen/Erichsen Fukui Nakazima Curva Limite de Conformação: Registra o limite para a aparição de falhas, em função das deformações principais no ponto 79

Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade Ensaio Swift Punção Cilíndrico Não há grande força de fixação Apenasdeformação de embutimento Resultado avaliado Maior diâmetro do copo sem que haja ruptura ou estricção localizada 80

Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade Ensaio Olsen/ Erichsen Punção Esférico Fixação forçada deformação de estiramento Resultado avaliado Erichsen: Altura na ruptura Olsen: Carga na ruptura Olsene Erichsentambém divergem quando aos valores de diâmetro da esfera Olsen: pol (America) Erichsen: mm (Europa) 81

Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade Ensaio Fukui Punção Esférico Grande abertura entre fixações Estiramento + Embutimento Desenvolvimento de copo cônico como resultado 82

Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade Ensaio Nakazima Punção semi-esférico Utilização de borracha Elimina atrito entre chapa e ferramenta Várias chapas de mesma altura e espessura, mas de larguras diferentes Resultado: profundidade atéa ruptura 83

Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade Ensaios de Estampabilidade Desafio associado à capacidade de reproduzirem condições reais de estampagem Ainda contribuem para má reprodutibilidade: Pressões diferentes de fixação Diferença de rugosidade das matrizes e dos punções Embutimento [%] 30 20 10 SWIFT FUKUI OLSEN / ERICHSEN 10 20 30 Estiramento [%] Qualidade diversificada do lubrificante 84

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação Curva Limite de Conformação (Diagrama de Keeler-Goodwin) Forma gráfica de registro da combinação de deformações que leva àfalha no processo de conformação de chapas 85

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação 86

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação Diferentes posições para os diferentes estados de deformação 88

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação Diferentes posições para os diferentes estados de deformação 89

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação Indicação do estado de deformações de diferentes pontos em chapa estampada 90

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação Pode ser explorada como registro da evolução do processo 91

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação Indicação do estado de deformações de diferentes pontos em chapa estampada 92

Processos Não Convencionais Estampagem incremental Conformação por Elastômero Hydroforming 95

Processos Não Convencionais Estampagem incremental Movimento progressivo de uma ferramenta de ponta hemisférica ou esférica sobre uma chapa, seguindo uma trajetória pré-definida 96

Processos Não Convencionais Estampagem incremental Movimento progressivo de uma ferramenta de ponta hemisférica ou esférica sobre uma chapa, seguindo uma trajetória pré-definida 97

Processos Não Convencionais Estampagem incremental Deformação superior aos típicos limites de conformabilidade Carregamento é majoritariamente na direção normal Elementos em flexão bidirecional: carregamento não-monotônico 98

Processos Não Convencionais Estampagem incremental Profundidades elevadas Formatos flexíveis 99

Processos Não Convencionais Estampagem incremental Processo lento Alto custo do equipamento (CNC ou braço robótico) 100

Processos Não Convencionais Conformação por Elastômero Pressão hidráulica expande um lençol de borracha contra as chapas metálicas, forçando-as contra as cavidades das matrizes Prensa de Borracha Elastômero Blank (peça planificada) Mesa da máquina Gabarito de conformação 102

Processos Não Convencionais Conformação por Elastômero Versatilidade: Fabricação de chapas com geometrias complexas 103

Processos Não Convencionais Conformação por Elastômero Baixo Custo: Apenas uma ferramenta de geometria dedicada é necessária Diferentes espessuras a partir do mesmo ferramental 104

Processos Não Convencionais Conformação por Elastômero Um dos principais processos da indústria aeronáutica no Brasil Prensa de Borracha da Embraer 1- Diafragma de Borracha (Membrana) 2- Mesa Superior 3- Chapa 4- Punção 105

Processos Não Convencionais Conformação por Elastômero: Fabricação de Tubos 106

Processos Não Convencionais Hydroforming (Hidroconformação) Combinação de deslocamento de pistão e pressão hidráulica para a conformação até a sua forma final (chapa encontra matriz) Conformação de corpos ocos em complexas geometrias 108

Processos Não Convencionais Hydroforming (Hidroconformação) Combinação de deslocamento de pistão e pressão hidráulica para a conformação atéa sua forma final (chapa encontra matriz) 109

Processos Não Convencionais Hydroforming (Hidroconformação) Assim como na conformação por elastômero: Processo promove maior uniformização das tensões ao longo da chapa 110

Processos Não Convencionais Hydroforming (Hidroconformação) Assim como na conformação por elastômero: Esforços de atrito são minimizados 111

Processos Não Convencionais Hydroforming (Hidroconformação) Conformação de corpos ocos em complexas geometrias: Tubos 112

Objetivos Específicos 1 BEAD PRENDEDOR ANTI- Definições Fundamentais ANEL FIXADOR PUNÇÃO MATRIZ CHAPA (BLANK) 2 Conformabilidade 3 Processos Não-Convencionais 114

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso Plasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó F dx 115