Fundamentos do projeto de ferramentas para o processo de corte

82 Fundamentos do projeto de ferramentas para o processo de corte Durante a fabricação de um componente por estampagem diversos processos são utilizados, como corte, embutimento, flangeamento, dobramento, entre outros, de acordo com a complexidade da forma final desejada. O corte de chapas é a técnica de separação mais utilizada pela indústria, seja na preparação do blanque para embutimento, em ferramentas progressivas ou após a estampagem para a retirada da rebarba. Entre as diversas técnicas existentes, o corte por cisalhamento ou corte convencional destina-se à obtenção de formas geométricas a partir de chapas submetidas à pressão exercida por um punção, tendo como característica importante um ferramental mais simples se comparado a outras técnicas, permitindo a produção de peças com qualidade relativamente boa para a maioria das aplicações. U. Boff e L. Shaeffer a fabricação de componentes a partir de chapas metálicas tem uma importância significativa no am - biente industrial. Para entender melhor o processo, basta pensar na quantidade de produtos fabricados a partir de chapas, como carrocerias de automóveis, fus elagens d e aviões, móveis de escritório, eletro domés ticos, comput a- dores e utensílios em geral. D e u m m o d o g e r a l, t o d o s esses produtos são obtidos combinando o corte com operações de embutimento, flangeamento, dobramento, entre outros. A figura 1 mostra os exemplos de componentes me cânicos em que o processo está Uilian Boff é mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGEM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), em Porto Alegre (RS); Lírio Schaeffer é professor e coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), da UFRGS. Reprodução autorizada pelos autores. Fig. 1 Exemplos de produtos estampados em que o processo de corte é utilizado (4) presente no recorte das geratrizes, dos componentes internos e externos e das furações para montagem. Em grande parte dos casos, a qualidade da região cortada é definida pela aplicação da peça. Casos em que a região cortada possui características funcionais requerem um controle mais acurado dos parâmetros do

83 processo. A figura 2 mostra alguns exemplos de peças cortadas por cisalhamento, em que se requer alta qualidade da região cor tada. O fator determinante para a escolha do processo a ser utilizado na fabricação de um componente é a qualidade da região cortada. Processos que garantem uma melhor qualidade de corte necessitam de ferramentas e prensas mais sofisticadas. O processo de corte está classificado segundo a norma alemã DIN 8580 Processos de Fabricação. Igualmente, existem classificações originadas na indústria especializada nos processos de corte, que podem ser descritas como (6) : de corte convencional: produz peças com valor médio de tolerância e média frequência de golpes de prensa. O processo é realizado em prensas mecânicas com estrutura de tipo C ; de corte de alta velocidade: produz peças com tolerâncias mais justas que o processo de corte convencional e velocidade de até 180 golpes por segundo. Utiliza predominantemente ferramentas de metal duro em prensas com estrutura do tipo O ; de corte fino, ou fine blanking: produz peças a partir de chapas com espessuras de 1 a 10 mm, com tolerâncias muito restritas e alta qualidade da superfície de corte. Caracteriza-se pelo emprego de folgas muito pequenas, da Fig. 2 Exemplos de peças com requisitos de alta qualidade cortadas por cisalhamento (7) ordem de micrômetros. Por meio do processo de corte f ino é p o s sível p ro duzir peças com superfícies lisas e polidas, eliminando operações subsequentes, como rebarbação, fresamento ou mesmo retificação. Ele permite fabricar peças prontas para a montagem de componentes, reduzindo consideravelmente os custos de fabricação. Elementos básicos e mecanismos do processo Ferramenta de cor te O corte por cisalhamento é um processo que se destina à obtenção de formas geométricas a partir de chapas submetidas à pressão exercida por um punção o u uma lâmina d e corte. Quando o punção ou a lâmina inicia a penetração na chapa, o esforço de compressão converte -se em esforço Fig. 3 Princípio de corte: a) punção; b) matriz; c) chapa; d) peça cortada (3) cisalhante ( cor tante), provocando a separação brusca de uma porção da chapa. No processo convencional, ilustrado na figura 3, o corte é realizado por meio do movimento relativo de um punção de corte contra uma matriz. No caso de um punção circular, o diâmetro do punção é levemente inferior ao diâmetro da matriz, de forma a manter-se uma folga entre os dois que permita que o punção penetre na matriz, causando a separação da peça. De acordo com Schaeffer (6), uma peça cortada pelo processo convencional apresenta características próprias, originadas da forma como as tensões se distribuem sobre a chapa no momento do corte, como mostra a figura 4. Essas características definem qualitativamente o processo no que diz respeito Fig. 4 Partes principais de uma peça cisalhada: a) zona de arredondamento; b) zona cisalhada; c) zona fraturada; d) rebarba; e) empenamento (6)

84 ao resultado do corte. Ainda segundo Schaeffer, a forma como se processa o corte pode ser entendida por meio da análise de cada uma das fases do processo, descritas a seguir e ilustradas na figura 5. Na primeira fase a força do punção atua sobre a chapa, p r o v o c a n d o n e l a u m a d e - formação elástica. A chapa arqueia-se e tende a ter suas ex tremidades levantadas devido à folga entre o punção e a matriz. Dessa fase, passa-se rapidamente para uma deformação plástica, caracterizada pelo arredondamento permanente da chapa. A seguir ocorre a fase de cisalhamento, na qual o material escoa devido ao esforço realizado pelo punção sobre a matriz, resultando na zona cisalhada. Devido ao crescente encruamento do material durante o cor te, a zona de a r redondamento d a c hapa tende a aumentar. Fig. 5 Sequência das etapas do processo de corte por cisalhamento: 1) punção; 2) chapa; 3) matriz (6) Uma solicitação crescente é aplicada até que se esgote a capacidade de deformação da seção da chapa. Quando isso ocorre, surge na aresta de corte da matriz uma trinca na direção máxima de tensão de cisalhamento, que leva finalmente à separação do material. A trinca resultante pode ser reconhecida na peça cortada como uma região rugosa e de formato oblíquo, com ângulo de inclinação dependente do tamanho da folga. A forma como ocorre a fratura também é responsável pelo tipo e tamanho da rebarba resultante na peça. De acordo com Rodrigues e Martins (5), 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 localmente. Folga entre punção e matriz U m d o s p a r â m e t r o s m a i s importantes do processo de

86 corte é a folga entre o punção e a matriz, por ter influência direta na formação de rebarba e no desgaste das partes ativas da ferramenta. Segundo Schaeffer, uma folga maior resulta em uma zona de arredondamento maior, tendo em vista que as deformações são maiores. Já uma folga menor resulta em uma zona cisalhada maior, considerando que as tensões sobre o material são maiores, o que posterga o aparecimento de trincas. A correta determinação da folga tem relação direta com o desgaste das partes ativas da ferramenta e com a força de corte, pois quanto menor a folga, maior a força necessária para o corte. Em geral, não existe uma regra para determinar o valor da folga, pois são vários os seus parâmetros de influência. A folga pode ser estabelecida com base em atributos como: aspecto superficial do corte, imprecisões, operações posteriores e aspectos funcionais. Normalmente, em um processo de corte convencional, o valor da folga está entre 5 e 10% da espessura da chapa. No processo de corte fino este valor pode chegar a 1%, ou menos. Para Rodrigues e Martins, a folga é um parâmetro essencial do corte, não só do ponto de vista da qualidade das superfícies obtidas como também das forças aplicadas. Sendo assim, o conceito de folga ideal fica estabelecido como sendo a folga para a qual o trabalho exercido é o mínimo possível. A figura 6 ilustra a morfologia da Fig. 6 Morfologia da superfície obtida no corte convencional de acordo com o valor da folga entre o punção e a matriz (5) superfície obtida no processo de corte convencional de acordo com a folga entre punção e matriz. Os valores de folga por lado ( em porcent agem da espessura do arco) a serem usados para a obtenção de superfícies com a morfologia indicada na figura 6 estão expressos na tabela 1 (pág. 88). Os valores fornecidos na tabela são empíricos, razão pela qual variam muitas vezes de acordo com as fontes. Força e energia de corte A s forças envolvidas no processo de corte, mesmo para chapas finas, são altas, especialmente em materiais de alta resistência. Isso se deve ao fato de que 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 a fissuração. Uma abordagem mais simples e

88 mais utilizada para o cálculo da forç a de cor te consis te em multiplicar a tensão de ruptura ao cisalhamento (τ c ) pela área a ser cisalhada (A c ), ou seja (6) : F c = τ c. A c onde F c é a força de corte, τ c é a tensão de ruptura do material quando submetido a cisalhamento e A c é a área a ser cisalhada, calculada por: A c = l c. s onde l c é o perímetro ou comprimento da aresta de corte e s é a espessura da chapa. A tensão de ruptura ao cisalhamento está geralmente entre 50 e 80% da tensão de ruptura do material, dependendo da liga e da microestrutura. Se a razão entre o diâmetro do punção e a espessura da chapa for maior que 2, pode-se usar a seguinte relação para um cálculo aproximado da tensão de resistência ao cisalhamento: τ c = 0,8. r m Tab. 1 Folgas por lado de acordo com o material e o tipo de superfície a ser obtida, conforme morfologia ilustrada na figura 6 (5) Material Aço com elevado teor de carbono onde r m é a tensão de resistência ao material. A imprecisão entre a força de corte real e a Folga (porcentagem da espessura do arco) Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V 23 18 15 12 Aço macio 21 12 9 6,5 2 Aço inoxidável 23 13 10 4 1,5 Cobre Duro 25 11 4 3,5 1,25 Macio 26 8 6 3 0,75 Bronze fosforoso 25 13 11 4,5 2,5 Latão Alumínio Duro 24 10 7 4 0,8 Macio 21 9 6 2,5 1 Duro 20 15 10 6 1 Macio 17 9 7 3 1 Magnésio 16 6 4 2 0,75 Chumbo 22 9 7 5 2,5 determinada a por esta relação é de aproximadamente, 20%. A potência necessária para executar o corte depende da força de corte F c e da velocidade de deslocamento do punção v, sendo calculada por: P = F c. v

89 Fig. 7 Corte inclinado: a) operação de corte com matriz inclinada e b) operação de corte com punção inclinado (5) A ssim, podemos destacar alguns fatores que interferem na força de corte: A folga entre o punção de corte e a matriz; O desgaste do ferramental; A forma da linha de corte; A espessura da chapa; A qualidade da chapa; A lubrificação. Com o conhecimento da força de corte (F c ) e da seção da tira (A) na qual o punção atua, é p ossível c alcular a pressão de corte: P c = F c. A Fig. 8 Evolução da força de corte para folgas inferiores à ideal (a) e superiores à ideal (b) (5) Para um processo de corte convencional, a força de corte

90 Fig. 9 Conjunto de ferramentas para uma operação de corte (2) pode ser diminuída com a inclinação das arestas de corte do punção ou da matriz (figura 7, pág. 89), porém o trabalho continua igual. Isso ocorre porque o trabalho é realizado durante um curso maior, mas com uma força menor, sendo o trabalho total de corte igual em ambos os casos. Com a inclinação do punção ou da matriz, é possível obter reduçõ es muito significativas da força de cor te, n o e n t a n t o e s s a r e d u ç ã o depende da inclinação das arestas de corte. A inclinação máxima dos punções e matrizes não deve ultrapassar 4º, sendo este valor função da geometria e da dimensão do conjunto punção /matriz. No caso de punções pequenos, a inclinação da aresta de corte pode diminuir sua resistência mecânica, pois os momentos fletores que os passam a solicitar são tanto mais intensos quanto maio r for a inclinação da aresta de corte (5). A evolução da força de cor te em relação ao deslocamento do punção pode ser vista na figura 8 (pág. 89). Formas do ferramental de corte Os processos de corte podem consistir desde uma operação simples, empregando um punção e uma matriz, até empregar um sistema de guia para o punção e a chapa, ou podem mesmo apresentar uma estrutura complexa, formada com colunas que servem de guia para garantir maior precisão na operação de corte. A figura 9 ilustra um modelo de ferramental utilizado para o corte. Exemplos de cálculo para uma operação sequencial A seguir é apresentado um exemplo de cálculo para determinar o diâmetro da matriz para o furo interno e do punção para o corte do disco (externo) em uma tira de aço com 3 mm de espessura, recortada em uma operação sequencial com um furo inicial de 10 mm (interno). Posteriormente, um disco de 28 mm (diâmetro externo) foi recortado da tira (figura 10). Solução Corte do furo interno (determinação do diâmetro da matriz): No corte do furo interno, o punção p ossui a dimens ão nominal do furo (d = 10 mm). O diâmetro da matriz de corte d M será: d M = d + (0,06. s. 2) onde 0,0 6 significa 6% da espessura da chapa, sendo d o diâmetro do punção para a execução do furo inicial: d M = 10 + (0,06. 3. 2) = 10,36 Fig. 10 Dimensões do furo interno e do diâmetro externo no corte sequencial de um disco (7)

92 Corte do diâmetro externo do anel: N este caso, o diâmetro da matriz (d M ) deve possuir as dimens õ es nominais ex ternas do anel ou do disco. O punção deve ter um diâmetro menor, a ser calculado levando em consideração a mesma folga para a execução do furo inicial: d = d M (0,06. s. 2) d = 28 (0,06. 3. 2) d = 27,64 Conclusão O processo de cor te de chapas tem como características principais uma elevada taxa d e pro dução, b aixo cus to, boa precisão dimensional e bom acabamento. O processo baseia-se em uma técnica simples, na qual o cor te é realizado por meio do movimento relativo de um punção de corte contra uma matriz. Um dos fatores mais importantes a serem considerados no processo de corte é a folga entre o punção e a matriz. Em geral, não existe uma regra para s elecionar o valor da folga, pois são vários os parâmetros de influência. Essa folga pode ser estabelecida com base em atributos como o aspecto superficial do corte, imprecisões, operações posteriores e aspectos funcionais. A sua correta determinação tem relação direta com o desgaste da ferramenta e com a força necessária para realizar a operação de corte, pois quanto menor a folga, maior a força necessária para o cor te. Atualmente existe um proc e s s o d e n o m i n a d o c o r t e fino, que se caracteriza pelo emprego de folgas muito pequenas, com prensas e jogos de matrizes muito rígidos. Por meio deste é possível produzir peças com superfícies de cor te lisas, isentas de defeitos, sem que haja a necessidade de realizar operações posteriores. Referências 1) DIN 8580. Fer tigungsver fahren, Beuth Verlag, Berlin, 1985. 2) D o e g e, E.; B e h r e n s, B e r n d -Arno. Handbuch Umformtechnik Grundlagen, Technologien, Maschien. 2º edição, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2010, p.375. 3 ) D u a r t e, J. F.; Ro ch a, A. B.; S a n t o s, A. D. Tecnologia Mecânica Cor te em Ferramenta. Vol I. Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial, Por tugal, 2003. 4 ) Meta l ú r g i c a THF. In: w w w.mthf. com.br. 5) R o d r i g u e s, J.; M a r t i n s, P. Tecnologia Mecânica: Tecnologia da Deformação Plástica. Vol II - Aplicações Industriais. Escolar editora, Lisboa, 20 05. p.187-240. 6) S ch a e f f er, L. Conformação de Chapas Metálicas. Imprensa Livre, Porto Alegre, 2004. p. 61-80. 7) S ch u l e r. Metal Forming Handbook. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1998.