Estampagem ou Conformação de chapas
O que é: Processo de transformação mecânica que consiste em conformar um disco plano ("blank") à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção. Na operação ocorrem : alongamento e contração das dimensões de todos os elementos de volume, em três dimensões. A chapa, originalmente plana, adquire uma nova forma geométrica
Classificação dos processos A Estampagem de chapas metálicas finas pode ser classificada através do tipo de operação empregada. Assim pode-se ter : Estampagem profunda Corte em prensa, Estiramento Dobramento
Métodos de Conformação- Máquinas e Ferramentas Máquinas: A maior parte da produção seriada de partes conformadas a partir de chapas finas é realizada em prensas mecânicas ou hidráulicas. Ferramental Acessório As ferramentas básicas utilizadas em uma prensa de conformação de peças metálicas são o punção e a matriz. O punção, normalmente o elemento móvel, é a ferramenta convexa que se acopla com a matriz côncava. Como é necessário um alinhamento acurado entre a matriz e o punção, é comum mantê-los permanentemente montados em uma porta matriz, que pode ser rapidamente inserida na prensa.
Ferramental Acessório Geralmente, para evitar a formação de rugas na chapa a conformar usam-se elementos de fixação ou a ação de grampos para comprimir o "blank" contra a matriz. A fixação é conseguida por meio de um dispositivo denominado anti-rugas ou prensa-chapas
Ferramental para conformação progressiva Freqüentemente, matrizes e punções são projetados para permitir que os estágios sucessivos de conformação de uma peça sejam efetuados na mesma matriz, a cada golpe da prensa. Este procedimento é conhecido como conformação progressiva. Um exemplo é a matriz para recorte e perfuração de arruelas planas.
Ferramental para conformação progressiva A tira metálica é alimentada, deslizando até a primeira posição de corte. O furo da arruela é puncionado. Segue-se um segundo deslizamento, após o que a arruela é recortada. Durante o corte da arruela o punção executa o furo central da próxima peça.
Ferramental para repuxamento O repuxamento é um método empregado para a fabricação de fundos para tanques de aço e outras peças profundas de simetria circular. O "blank" é fixado contra um bloco de modelagem que gira em alta velocidade. O blank é conformado progressivamente contra o bloco por intermédio de uma ferramenta manual ou através de roletes
Etapas do corte: 1- Aparecimento de deformações plásticas em ambos os lados da chapa 2- Com o aumento da pressão, o material começa a trincar 3- As trincas se unem e separam a peça da chapa
Características Corte de Chapas Destina-se à obtenção de formas geométricas, a partir de chapas submetidas à ação de pressão exercida por um punção ou cunha de corte contra o material e a matriz. Quando o punção ou a lâmina inicia a penetração na chapa, o esforço de compressão converte-se em esforço cisalhante (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
Características Corte de Chapas A aresta de corte apresenta em geral três regiões: uma rugosa (correspondente à superfície da trinca da fratura), uma lisa (formada pelo atrito da peça com as paredes da matriz) e uma região arredondada (formada pela deformação plástica inicial).
Corte de Chapas Características 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.
Corte de Chapas Características No corte por matriz e punção ( piercing ou blanking ) 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: aspecto superficial do corte, imprecisões, operações posteriores e aspectos funcionais. Se não houver nenhum atributo específico desejado para superfície do blank, a folga é selecionada em função da força mínima de corte.
Força e Potência de Corte - Na figura podem ser identificados os parâmetros envolvidos no corte. Admite-se o cálculo simples da força pelo produto da área pela tensão de ruptura em cisalhamento. - Observe que a profundidade (s) adotada para este cálculo representa a penetração do punção na chapa no momento da ruptura. - A potência necessária para o corte é calculada pelo produto entre a força do punção e a velocidade da lâmina.
Força e Potência de Corte OBSERVAÇÃO: - A força necessária para o corte pode ser bastante reduzida construindo-se as bordas da ferramenta em plano inclinado em relação ao plano da chapa, de maneira que apenas uma pequena fração do comprimento total do corte seja feita de uma só vez.
Tipos de Corte - Dependendo do tipo de corte, são definidos diversos grupos de operações da prensa,conforme listagem abaixo: A operação de corte é usada para preparar o material para posterior estampagem ("blank"). A parte desejada é cortada (removida) da chapa original. A fabricação de furos em prensa (piercing ou punching) caracteriza uma operação de corte em que o metal removido é descartado. A fabricação de entalhes (notching) nas bordas de uma chapa pode ser feita em prensa através do puncionamento destas regiões. O corte por guilhotina é uma operação que não retira material da chapa metálica. A rebarbação (trimming) é uma operação que consiste em aparar o material em excesso (rebarbas) da borda de uma peça conformada. A remoção de rebarbas de forjamento em matriz fechada é uma operação deste tipo.
Dobramento Características Nesta operação, a tira metálica é submetida a esforços aplicados em duas direções opostas para provocar a flexão e a deformação plástica, mudando a forma de uma superfície plana para duas superfícies concorrentes, em ângulo, com raio de concordância em sua junção.
A figura mostra os esforços atuantes e a forma adquirida por uma tira submetida a dobramento A fibra neutra não é tracionada nem comprimida A determinação de sua posição e do seu raio é importante no desenvolvimento linear da peça
Comprimento do Blank r n. t... r L ri d 360 2 2 n L = L 1 + L d + L 2 r n 360 L L 1 L 2 2..
Raio de Dobramento Para a operação de dobramento existe um raio de dobramento abaixo do qual o metal trinca na superfície externa. É o raio mínimo de dobramento, expresso geralmente em múltiplos da espessura da chapa. Um raio de dobramento de 3t indica que o metal pode ser dobrado formando um raio de três vezes a espessura da chapa sem que haja o aparecimento de trincas. O raio mínimo de dobramento é portanto um limite de conformação, que varia muito para os diversos metais e sempre aumenta com a prévia deformação a frio do metal. Alguns metais muito dúcteis apresentam raio mínimo de dobramento igual a zero. Isto significa que as peças podem ser achatadas sobre si mesmas, mas geralmente não se utiliza este procedimento para evitar danos no punção ou na matriz.
Retorno elástico -Efeito mola A operação de dobramento exige que se considere a recuperação elástica do material (efeito mola), para que se tenham as dimensões exatas na peça dobrada. A recuperação elástica da peça será tanto maior quanto maior for o limite de escoamento, menor o módulo de elasticidade e maior a deformação plástica. Estabelecidos estes parâmetros, a deformação aumenta com a razão entre as dimensões laterais da chapa e sua espessura.
O efeito mola ocorre em todos os processos de conformação, mas no dobramento é mais facilmente detectado e estudado. O raio de curvatura antes da liberação da carga ( Ro) é menor do que após a liberação ( Rf ). O efeito mola é representado pelo símbolo K.
Estiramento Características É a operação que consiste na aplicação de forças de tração, de modo a esticar o material sobre uma ferramenta ou bloco (matriz). Neste processo, o gradiente de tensões é pequeno, o que garante a quase total eliminação do efeito mola. Como predominam tensões de tração, grandes deformações de estiramento podem ser aplicadas apenas para materiais muito dúcteis.
Ferramental: O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico (usualmente vertical), que movimenta o punção. Duas garras prendem as extremidades da chapa. Na operação, não existe uma matriz fêmea. As garras podem ser móveis permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa (figura). 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 na região das garras
Estampagem Profunda ou Embutimento Características É o processo utilizado para fazer com que uma chapa plana ( blank ) 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.). A operação de embutimento consiste em transformar uma chapa plana de espessura t num corpo côncavo. A Estampagem é o processo de conformação que imprime sobre uma chapa plana formas diversas através de deformações plásticas.
Catalisador - Aço Inox 409 Tanque combustível - Aço inox 304
Os aços inox austeníticos se deformam basicamente por estiramento e os ferríticos por embutimento. Estiramento Redução generalizada da espessura
Embutimento Objetiva-se a menor variação possível de espessura
No embutimento a espessura da chapa varia: - No centro do fundo é igual a espessura - próximos aos bordos do fundo, a espessura é menor do que a do blank - a espessura da paredes laterais aumentam a partir do bordo do fundo e pode chegar a 1,25 da espessura do disco.
Características Estampagem Profunda ou Embutimento A distinção entre estampagem rasa (shallow) e profunda é arbitrária. A estampagem rasa geralmente se refere à conformação de um copo com profundidade menor do que a metade do seu diâmetro com pequena redução de parede. Na estampagem profunda o copo é mais profundo do que a metade do seu diâmetro.
Características Para melhorar o rendimento do processo, é importante que se tenha boa lubrificação. Com isto reduzem-se os esforços de conformação e o desgaste do ferramental. Os óleos indicados normalmente são para extrema pressão, devendo garantir boa proteção contra a corrosão da chapa, ser de fácil desengraxe e não levar à oxidação do material (devido às reações de subprodutos dos gases formados no aquecimento do metal). Geralmente, são óleos minerais com uma série de aditivos (Cl, Pb, P, gorduras orgânicas, etc.).
Estampos de Repuxo Prensa-chapas: - função de manter a chapa sob pressão para fazer com que esta deslize apenas para o interior da cavidade da matriz
Extrator que possibilita a saída da peça pela parte inferior do estampo Extrator que possibilita a saída da peça pela parte superior do estampo
Materiais para estampos Aço Cr-W com altos teores de carbono e de cromo Aço Mn-Cr-V com altos teores de carbono e manganês Aço Cr-Mo-V com altos teores de carbono e de cromo
Variáveis importantes Força de sujeição Deve-se ainda estudar a pressão a ser aplicada no prensa-chapas: - se esta for muito pequena, surgem rugas nas laterais da peça; - se, por outro lado, for muito elevada, pode ocorrer a ruptura da peça na prensa. F s P. S S 2 2 2 d r D ( d M 2 r m ) P ( max 1). 0 4 200. t 400
Força de sujeição A força de sujeição é regulada segundo o aspecto da peça embutida: - Peça sem rugas e com aspecto brilhante: força correta - Superfície lisa e brilhante mas com traços/marcas no bordo da peça: força pequena - Estiramento do fundo antes de se completar o embutimento: força excessiva - Formação de rugas em um só lado do disco: força distribuída irregularmente sendo menor na região das rugas
Variáveis importantes Folga entre punção e matriz Na fabricação de peças por embutimento, tem que se levar em conta uma folga suficiente entre a matriz e o punção que permita o escoamento do material para o interior da matriz, sem que surjam tensões cisalhantes ocasionadas pelo atrito e que levem à ruptura do metal em prensa. A folga corresponde ao valor da espessura do material mais um coeficiente determinado empiricamente.
Folgas pequenas: o material repuxado tende a estirar-se Folgas grandes Folga mal distribuída
Variáveis importantes Velocidade de embutimento Aço inoxidável: Aço doce: Alumínio e ligas: 200 mm/s 280 mm/s 500 mm/s
Variáveis importantes Lubrificação Aço inoxidável: Água grafitada Aço doce: Mistura com 25% grafite, 25% de sebo de boi derretido e 50% de óleo de toucinho Alumínio e ligas: Óleo grafitado ou vaselina
Diâmetro do blank - cálculo Para calcular o diâmetro do blank de peças cilíndricas simples, sem aba, utilizamos a fórmula: 2 D d 4. d. h Para raio interno (ri) menor do que 10 mm Para ri 10 mm Teorema de Guldin
Estágios de repuxo Às vezes, o diâmetro do "blank é muito superior ao diâmetro da peça a estampar, sendo que esta deve atingir uma profundidade de copo muito elevada. Nestes casos, a fabricação poderá exigir uma sequência de operações de estampagem, utilizando uma série de ferramentas, com diâmetros decrescentes (da matriz e do punção). O número de operações depende do material da chapa e das relações entre o disco inicial (D) e os diâmetros das peças estampadas (d)
Estágios de repuxo Às A relação entre o diâmetro do blank (D) e o diâmetro do punção (d) é denominada Severidade do repuxo ou Grau Máximo de Embutimento (β 0 ) 0 D d A severidade máxima (β 0 máx.) é a condição limite para determinar se o repuxo pode ser feito numa única operação. Se β 0 β 0 máx. - Uma operação de repuxo Se β 0 > β 0 máx. - Mais de uma operação de repuxo
Para se determinar o número de estágios, deve-se considerar uma redução de 40% do diâmetro do blank no primeiro estágio Nos demais, a redução deve ser de 20% até que se obtenha o diâmetro desejado
Diâmetro do blank - cálculo Para calcular o diâmetro do blank de peças cilíndricas simples, sem aba, utilizamos a fórmula: 2 D d 4. d. h Para raio interno (ri) menor do que 10 mm Para ri 10 mm Teorema de Guldin
Diâmetro do blank - cálculo Para ri 10 mm Teorema de Guldin s s ' 1 ' 2 2.28.23 2.18,84 1288 7,68. 11 704. s S ' 3 t D.22 4 S 4. S ' t 2 1 / 2 121 2113. 92. mm
Posição do centro de gravidade de algumas curvas
Estampabilidade dos Metais Estampabilidade é a capacidade que a chapa metálica tem de adquirir à forma de uma matriz, pelo processo de estampagem sem se romper ou apresentar qualquer outro tipo de defeito de superfície ou de forma. A capacidade de embutir está ligada diretamente à textura cristalina do material e esta à composição química, à estrutura da placa e às condições de processamento termomecânico (laminação a quente e a frio). A avaliação da estampabilidade de uma chapa metálica depende de muitos testes, tais como: ensaios simulativos (tipo Erichsen, Olsen, Fukui, etc.), ensaios de tração (obtendo-se o limite de escoamento e de resistência, o alongamento total até a fratura, o coeficiente de encruamento, os coeficientes de anisotropia normal e planar), ensaios de dureza, medida da rugosidade do material, metalografia, etc.
TÉCNICAS DE AVALIAÇÃO DA ESTAMPAGEM Há diferentes formas de se avaliar a capacidade de embutimento, sendo a mais usual e fácil via coeficiente de anisotropia normal médio, R Coeficiente de Anisotropia Por definição, o coeficiente de anisotropia ou coeficiente de Lankford ( R ) é a razão entre a deformação verdadeira na largura ( w ) e na espessura ( t ) de um CP de tração, após determinada deformação longitudinal pré-definida R = w / t
Anisotropia normal R : onde: r 0o, r 45 o e r 90 o são os valores de r medidos a 0 o, 45 o e 90 o com a direção de laminação. Este parâmetro indica a habilidade de uma certa chapa metálica resistir ao afinamento, quando submetida a forças de tração e/ou compressão, no plano. Maior R, melhor embutimento
Uma forma mais representativa de avaliação é o método chamado LDR (Limit Drawing Ratio - Razão de Estampagem Crítica). LDRc = Dmax/dp > LDR - > profundidade
Um material isotrópico tem r =1 Nos materiais para estampagem profunda um alto valor de r é desejado (maior resistência ao afinamento da chapa). A relação entre R e o LDR é mostrada no gráfico. Essa é definida como a máxima razão possível entre o diâmetro do blank e do copo embutido, sem que ocorra falha.
Estampos de corte
Partes do estampo Conjunto superior Parte móvel do estampo (movimentos de sobe e desce) Fixada na prensa pela espiga
Espiga - Geralmente cilíndrica de aço 1020 a 1040 - É presa no alojamento do cabeçote da prensa e sustenta o conjunto superior - Sua posição deve coincidir com o centro de todas as solicitações a que está sujeito os punções, evitando o empuxo lateral
Placa superior - Feita de aço 1020 a1030 - Fixa a espiga e une, por meio de parafusos, a placa de choque e a placa porta punção
Placa de choque - Feita de aço 1060, temperado e revenido - Tem a função de receber os choques produzidos pelas cabeças dos punções no momento da operação, evitando a penetração dos mesmos na placa superior - espessura varia conforme o material a ser cortado
Placa porta-punções - Feita de aço 1020 a 1030 - É fixada por parafusos e tem a função de sustentar punções, cortadores e cunhas
Punção - Peça de aço com elevado teor de carbono - Executa o corte quando introduzido nas cavidades da matriz, dando forma ao produto - Pode ser simples ou com peças postiças Faca de avanço - Punção cuja largura equivale ao passo da matriz - Usados em estampos progressivos para obter maior rapidez no trabalho
Partes do estampo Conjunto inferior Parte imóvel do estampo Fixada na base da prensa
Placa- guia -Função de guiar os punções e pilotos centradores nas cavidades cortantes da matriz - Aço 1020 ou 1030
Guias laterais - Função de guiar a tira de material a ser cortado
Placa matriz ou matriz - Possui cavidades que tem a mesma seção dos punções - Tem a função de reproduzir peças pela ação dos punções - Possui uma parte cônica nas arestas internas de corte para facilitar a passagem da peça - Podem ser inteiriças ou seccionadas
Placa matriz ou matriz - Serve de apoio à placa matriz e é fixada a ela por meio de parafusos e pinos guias - Possui cavidades com dimensão maior para facilitar a saída da peça já cortada pela parte inferior
Estampo misto
Prensa dobradeira Dobramento de perfis
Dobramento em prensas dobradeiras em várias operações
Dobramento em L - Estampo
Estampo para dobramento em U com ângulo
ESTAMPO MISTO
Anéis ou discos Punção Pré-forma
Exemplo: