Manufatura de Chapas Metálicas Técnicas de Puncionamento Prof. Paulo Marcondes, PhD. DEMEC / UFPR
Puncionamento (Perforating) Furar por remoção de retalho O diâmetro do furo é determinado pelo diâmetro da ponta do punção O símbolo Delta é usado para indicar folga por lado. A dinâmica do processo de puncionamento é muitas vezes consideradas como uma operação em dois passos: um na condução de um punção através de um pedaço de chapa de aço e, a retirada da punção do furo.
Puncionamento Existem na verdade seis etapas para se obter um furo. Objetivos: Ilustrar as seis etapas do puncionamento Definir tipos de folga Explicar as vantagens de utilizar Folga de Engenharia
As seis etapas do processo de Puncionamento O processo pode ser definido em seis etapas contendo os elementos críticos de todo o processo. O entendimento desses passos irá ajudar na construção da ferramenta, selecionar aços ferramentas e folga entre matriz e punção.
Puncionamento Folga Existem duas maneiras para determinar folga (total e por lado). Aqui se utilizará folga por lado como padrão. Folga por lado é a distância entre as arestas cortantes do punção e da matriz. Esta distância é mantida em torno de todo o perímetro.
Puncionamento No puncionamento de chapas de aços convencionais para estampagem uma regra geral de ferramentaria é utilizar uma folga de corte entre 2 a 7% da espessura da chapa por lado como um padrão. Isto proporciona rebarbas de altura aceitável e um bom controle do retalho. Pesquisas revelam que um aumento radical na folga entre punção e matriz pode reduzir altura das rebarbas e ainda aumenta a vida útil da ferramenta por várias vezes.
Folga Regular Folga Folga de Engenharia Exemplo: Folga de Engenharia de 10% por lado. Espessura do material de 1,5 mm (1,5 x 0,10 = 0,15 mm) 10% de folga por lado x 2 = 0,30 mm Tamanho da ponta do punção = 10,0 mm Tamanho do furo da matriz = 10,3 mm
Características do furo Folga Regular Folga de Engenharia As características do furo variam com as diferentes folgas: Folga Regular tipicamente resultará em um alto percentual de zona de aspecto polido com mais amontoamento de material (bulge) proporcionando um menor deslizamento (roll-over) e menor zona de quebra. O furo tende a ficar menor do que a ponta do punção. Com a Folga de Engenharia se tem uma menor percentagem de zona de aspecto polido, com maior cilindricidade na fratura. Obs.: O tamanho do furo será maior que a ponta do punção.
Impacto (Impact) Folga Regular Folga de Engenharia Impacto é onde o punção inicialmente faz contato com o material. Existe um momento onde o punção para com um pequeno retrocesso do pistão da prensa e a pressão é retomada. Um carregamento de compressão aparece rapidamente, enviando uma onda de choque através da punção. O material começa com bojo em torno do ponta do punção.
Penetração (Penetration) Como a folga afeta o processo? Compressão & Tensões de Tração Quando a tensão de escoamento do material é ultrapassada, a ponta do punção começa a penetrar na superfície do material. Ambos punção e matriz começam a cortar seus respectivos lados.
Penetração (Penetration) Folga Regular Folga de Engenharia A alavanca criada pela folga da ferramenta permite que o punção dobre o retalho. O centro do retalho é arcado para fora do punção criando um bolsão de vácuo que se tornará um importante fator nos passos subsequentes.
Folga Regular Ruptura (Break) Folga de Engenharia Uma vez uma parte do material é deformada e estirada para seu limite de resistência o material começa a ruptura entre as arestas de corte do punção e matriz. Isto depois gerará a ruptura observada no furo final e no diâmetro externo do retalho.
Estouro (Snap Thru) Quando o limite de tensão do material for excedido, o retalho repentinamente se separa da chapa. Esta súbita descarga de pressão sobre o punção gera uma onda de choque inversa que freqüentemente leva a quebra da cabeça do punção. O choque gerado pelo estouro tem uma relação direta com a dureza do material. Quanto mais duro o material maior a onda de choque.
Estouro (Snap Thru) Folga Regular Folga de Engenharia O retorno elástico fica na chapa visto que o retalho quebrou de forma livre. Com folga regular o furo da chapa se fecha na ponta do punção. O retalho irá se expandir e irá ficar preso na matriz. Reação oposta ocorre quando folga de Engenharia é aplicada, minimizando os problemas potenciais de retenção do retalho na matriz. Um buraco no lado do punção ventila o bolsão de vácuo permitindo que o pino ejetor empurre para fora o retalho sem resistência.
Fundo (Bottom) Folga Regular Folga de Engenharia Quando o cilindro da prensa alcança seu fim de deslocamento, o punção deve entrar na matriz aproximadamente 0,5 a 0,8mm (.020" to.030"). Uma maior entrada irá criar desgaste excessivo, particularmente utilizando folga regular. Quandto mais fundo o punção penetrar, mais vácuo ele criará na saída. Esse vácuo provavelmente irá puxar e prender o retalho.
Retirada (Withdrawal) A retirada do punção pode gerar 2/3 do desgaste do punção e pode ser responsável pela retenção do retalho. Devido a folga regular produzir furos menores que a dimensão da ponta do punção, isto cria uma condição de apertar a ponta do punção a cada batida. O desgaste abrasivo na matriz e punção será excessivo. A folga de engenahria produzirá um furo que é maior que a ponta do punção levando a uma condição de escorregamento e elimina os 2/3 de desgaste obtidos quando se usa folga regular.
Retirada (Withdrawal) Folga Regular Folga de Engenharia Quando se aumenta a folga, o tamanho do retalho é reduzido. Isto levará o mesmo a ficar solto e livre para ser empurrado durante a retirada do punção. O pino ejetor solucionará isto empurrando o retalho que esta solto.
Geração de rebarba A altura da rebarba é também afetada pela folga entre matriz e punção. Folga Regular produzirá rebarbas aceitáveis em muitos casos. Porém, quando a folga e aumentanda um pouquinho mais as alturas das rebarbas aumentam. Aumentos substanciais na folga do punção para a matriz reduzirão a altura das rebarbas para valores abaixo das obtidas com folga regular.
Produtividade Um caso de estudo baseado em um aço laminado a frio de 1,5 mm (.060 ) de espessura mostrou um aumento de 3 vezes na vida do punção.
Folga muito apertada As marcas em forma de anéis na ponta do punção indicam que a chapa teve recuperação elástica durante a etapa de estouro prendendo a ponta do punção. A vida da ferramenta será reduzida devido aos danos causados pelo calor gerado. Essa folga apertada na ponta do punção gerou aquecimento, descolorindo a área junta a ponta do punção, e possivelmente prejudicando o tratamento térmico.
Comparação de tamanho de furo A comparação de furos puncionados com folga regular e folga de engenharia revela a vantagem de se utilizar um aumento da folga entre matriz e punção. Quando se aumenta a folga de punção para matriz o tamanho do furo em relação a ponta do punção aumenta reduzindo o descascamento por atrito e desgaste. O resultado é mais longa vida para o punção.
Puncionamento problemas típicos Alguns problemas típicos acontecem quando o carregamento de compressão é rapidamente aliviado quando o punção passa através da chapa. A tensão se concentra no ponto de junção da cabeça do punção. Isto poderá levar a quebrar a cabeça do punção.
Puncionamento problemas típicos Formas clássicas de se evitar a quebra na região da cabeça do punção.
Puncionamento problemas típicos Retirada de retalho O principal efeito para esta abordagem é a retirada do retalho. Um pino ejetor tipo mola agindo do centro da face do punção resolve na maioria dos casos.
Reafiação (Point Chipping) O furo de respiração lateral em punções com folga de engenharia serve para duas funções: Uma função é minimizar a sucção na retirada do punção que pode fazer com que o retalho seja puxado. A outra função é permitir o uso de uma chave para travar o punção na posição retraída. Esta função torna possível reafiar o punção sem desmontagem.
Associação entre tamanho do furo e espessura da chapa Uma prática geral em projetar e em construir uma ferramenta de puncionamento é utilizar um punção comum a uma matriz com certa folga não obstante o tamanho do furo. O furo menor resulta em um carregamento mais elevado no punção, em um polimento mais profundo no furo e rebarba excessiva. Este fenômeno começa a ocorrer quando o tamanho do furo cai abaixo de 1.5 vezes a espessura do material. Nesse ponto torna-se mais difícil dobrar-se e ter-se uma ruptura limpa do retalho solto.
Associação entre tamanho do furo e espessura da chapa Um aumento da força de alavanca, para dobrar e romper o retalho, pode ser conseguida aumentando-se a folga do punção para a matriz. 1% de folga por lado deve ser adicionado a folga existente quando o tamanho do furo se torna menor. Caso o tamanho do furo seja igual à espessura da chapa se necessitará aproximadamente 4% de folga por lado adicional.
Associação entre tamanho do furo e espessura da chapa O furo resultante de uma relação próxima a 1:1 entre o diâmetro da ponta do punção e a espessura da chapa terá características diferentes dos furos maiores.
Características do furo Os furos de pequeno diâmetro que são menores do que 1.5x a espessura da chapa terão uma profundidade polida mais longa, uma rebarba maior e o diâmetro do furo tenderá a ser ainda menor do que o diâmetro da ponta do punção. Todos esses fatores irão reduzir a vida do punção e da matriz.
O polimento e a ruptura do retalho serão afetados na mesma maneira que os vistos no furo (todos os retalhos apresentados são o resultado da utilização de folga de 6% por lado do punção para a matriz). Os retalhos de maior diâmetro mostram a região polida de aproximadamente 25%. Isto é típico para a maioria de aplicações onde o diâmetro do furo é mais do que 1.5x a espessura da chapa. O retalho torna-se mais difícil de dobrar-se e quebrar quando o tamanho do furo é menor do que 1.5x a espessura material. Note que os retalhos de diâmetros menores têm consideravelmente mais região polida e menos região de ruptura. A altura da rebarba é também aumentada sob estas circunstâncias. Seu diâmetro é igual à espessura da chapa. A força de alavanca necessita ser aumentada a fim dobrar e quebrar os retalhos menores. Isto é conseguido aumentando a folga do punção para a matriz o que reduz a quantidade de pressão requerida para puncionar o furo ou para expelir o retalho.
Altura das rebarbas com o aumento da folga Furos produzidos por um punção de 4,8 mm de diâmetro (0.1875 ). Utilizado folga por lado.
Puncionamento de chapas grossas (acima de 6 mm) Quando chapas espessas são puncionadas o efeito "blow-out" acontece, i.e. durante a extração do punção os furos ficam mais largos do que o diâmetro puncionado, o que os torna cônicos. 8,0 mm de espessura
Ferramenta combinada de puncionamento com brochamento de chapas Ferramenta combinada que torna possivel um puncionamento seguido por brochamento em somente uma operação. Essa ferramenta combinada alia as vantagens da alta produção do processo de conformação e usinagem em um processo para serviço pesado (chapas metálicas grossas).
Ferramenta combinada de puncionamento com brochamento de chapas
Ferramenta combinada de puncionamento com brochamento de chapas FERRAMENTA Ø 10mm ACABAMENTO DO FURO
Ferramenta combinada de puncionamento com brochamento de chapas Tipo III (dentes de corte progressivo na direção de puncionamento em duas seções do punção) Nos Tipos I e II os furos sao brochados duas vezes. Tipo I (com dentes progressivos na direção de puncionamento) Tipo II (dentes de corte progressivo na direção da extração) and
Ferramenta combinada de puncionamento com brochamento de chapas Detalhe dos punções: Ponta sem e com ângulo e Dentes de corte progressivo na direção do puncionamento (2X).
Ferramenta combinada de puncionamento com brochamento de chapas Rugosidade da superfície do furo: O brochamento, como a operação final desse processo combinado, define a qualidade superficial sendo a rugosidade também influenciada pelo ângulo de ponta da ferramenta de puncionar
Ferramenta combinada de puncionamento com brochamento de chapas Precisão dimensional dos furos Já a precisão dimensional do furo é dependente de uma combinação da geometria do punção, na etapa de puncionamento, e estratégia de brochamento. A variável mais importante nesse processo combinado é a superfície não paralela de corte dos punções. Conicidade Com relação à conicidade dos furos o ângulo positivo dos punções não afeta de forma significativa a geometria dos furos. Neste caso, quem determina a conicidade dos furos é o brochamento (geometria dos dentes de brochamento).
Referências bibliográficas Marcondes, P. V. P., Eto, A.M., Beltrão, P.A.C., Borges, P.C, (2008). A smart stamping tool for punching and broaching combination. Journal of materials processing technology. v. 206, 184 193. DOI http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.12.005. Mello, L. B. e Marcondes, P. V. P., (2006). Punching and broaching combos a new stamping tool. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences. v.xxviii, p.94-98. Relatório PARANÁ TECNOLOGIA (2000) Publicação do Sebrae e SINDIMETAL-PR, Curitiba/PR. Society of Manufacturing Engineers, (1990). DIE DESIGN HANBBOOK, SME - Society of Manufacturing Engineers. Tarkany, N., (2003). Improving perforating die performance - The effects of stress, clearance, material. Stamping Journal, Vol. 15, N. 2, March/April 2003.
Paulo Victor Prestes Marcondes - Possui pós-doutorado pela Universidade de Deakin, em Geelong, na Australia (2007) e Universidades da California em San Diego (1996) e Pennsylvania (1996) nos EUA. Obteve seu doutoramento em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Santa Catarina e Universidade de Birmingham na Inglaterra (1995). Obteve o mestrado em Engenharia Mecânica (1991) e a graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Santa Catarina (1989). Atualmente é professor associado I da Universidade Federal do Paraná atuando na graduação e pós-graduação (mestrado e doutorado) do Departamento de Engenharia Mecânica. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em Conformação Mecânica, atuando principalmente nas áreas de conformação de chapas, ferramentas de conformação (matrizes e moldes) e simulação computacional.