Conformação ITA

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Conformação 
de Chapas
Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Divisão de Engenharia Mecânica
MT-717: Introdução a materiais e processos de 
fabricação
Dr. Ronnie Rego
Dr. Alfredo R. de Faria
2
Fechamentos5.
Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas4.
Conformabilidade3.
Processos Convencionais de Conformação de Chapas2.
Introdução1.
Agenda
3
[Aula#1] Processos de Conformação Mecânica
Esforço no material
Movimento da ferramenta
Movimento do material
Forjamento ExtrusãoLaminação Trefilação
Dobramento
Cisalhamento
 Alteração de forma com volume e massa conservados
EstiramentoEmbutimento
(Estampagem profunda)
Calandragem
4
 Aplicações na Indústria Aeronáutica
Motivação: Indústria Aeronáutica
5
 Chapas conformadas em toda a estrutura da aeronave
Motivação: Indústria Aeronáutica
6
Motivação: Indústria Aeronáutica
7
Motivação: Indústria Automotiva
8
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
9
 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
Objetivo da aula
10
Fechamentos5.
Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas4.
Conformabilidade3.
Processos Convencionais de Conformação de Chapas2.
Introdução1.
Agenda
11
 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 é o 
objetivo primário e deve ser 
monitorado para evitar falhas 
(estricção)
Conformação de Chapas
12
 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
Conformação de Chapas
13
 Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas
A. Estampagem
B. Estiramento
C. Repuxamento
D. Dobramento
E. Corte
F. Calandragem
Conformação de Chapas
A
B
C
D
E
F
14
 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 ØBLANK)
 Estampagem Profunda (Embutimento): Alta relação profundidade/diâmetro
Conformação de Chapas: Estampagem
BEAD
PUNÇÃO
MATRIZ
PRENDEDOR ANTI-RUGAS
CHAPA (BLANK)ANEL 
FIXADOR
15
 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
Conformação de Chapas: Estampagem
16
 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.
Conformação de Chapas: Estampagem
17
 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
Conformação de Chapas: Estampagem
18
 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
Conformação de Chapas: Estampagem
19
 Mecanismo do Processo 
(exemplo: blank circular)
2. Região de Dobramento: 
 Estado de tração na região 
externa ao dobramento
 Estado de compressão na região 
interna ao dobramento
 Atrito entre blank e ferramental
Conformação de Chapas: Estampagem
20
 Mecanismo do Processo 
(exemplo: blank circular)
3. Lateral: 
 Tração ao longo da lateral 
(estiramento)
 Compressão perpendicular à 
superfície (afinamento)
 Atrito entre blank e ferramental
Conformação de Chapas: Estampagem
21
 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
Conformação de Chapas: Estampagem
22
 Mecanismo do Processo 
(exemplo: blank circular)
Conformação de Chapas: Estampagem
23
 Estampagem progressiva:
 Múltiplos estágios sequenciais de conformação e corte
 Ferramental com diferentes geometrias: conformação gradual
Conformação de Chapas: Estampagem
24
MAPA DE PROCESSOS
Die 
engineering Die design
Fundição
Usinagem 2D
Setup
CONCEPÇÃO FABRICAÇÃO
Modelo de 
Isopor
Usinagem 3D
Montagem
Finalização Correção dimensional
Inspeção
Correlação de 
simulações
Primeira peça
Produção de 
lotes
Produção
Setup
TRYOUT INTERNO TRYOUT NO CLIENTE
E1 E2
E3
E4
E5
E6
E7
E9
E10
E11E8
E#
E# Eventos de 
passagem de fase
Eventos internos 
da fase
Inspeção
E12
E13
Plano de corte
Plano de 
métodos
Full process
Full cycle
(Springback)
Saída de 
retalhos
Otimização 
topológica
Primeira 
versão
Versão final
Entrega
Ajustes
Transporte de 
peças
Flexibilidade 
de ferramenta
25
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
Estampagem: Fatores de Influência
Quantificação por 
relações geométricas 
e de deformação
26

Estampagem: Fatores de Influência
27

Estampagem: Fatores de Influência
PD
D0
28
 Equipamento: Prensa Mecânica
 Limitada pelo curso
 Conversão de movimento rotativo em alternativo
 Mais rápido e menor custo; Menores cargas de trabalho; menor precisão
Estampagem: Fatores de Influência
29
 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
Estampagem: Fatores de Influência
30
 Geometria do Ferramental
 Raios do punção e da matriz
 Folga entre punção e matriz
Estampagem: Fatores de Influência
31
 Geometria do Ferramental
 Geometria do bead
Estampagem: Fatores de Influência
32

Estampagem: Fatores de Influência
DP
D0
(Exemplo de chapa circular)
33
 Microestrutura do material
 Anisotropia planar: formação de orelhas nas bordas da chapa
Estampagem: Fatores de Influência
34
 Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas
A. Estampagem
B. Estiramento
C. Repuxamento
D. Dobramento
E. Corte
F. Calandragem
Conformação de Chapas
A
B
C
D
E
F
35
 Processo em que esforçossão aplicados em duas direções para promover 
deformação via flexão, resultando em duas superfícies concorrentes
Conformação de Chapas: Dobramento
36
 Processo em que esforços são aplicados em duas direções para promover 
deformação via flexão, resultando em duas superfícies concorrentes
Conformação de Chapas: Dobramento
37
Conformação de Chapas: Dobramento
Dobramento livre Dobramento em V
Dobramento em U
Dobramento com ressalto no punção
Dobramento em matriz de deslizamento
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
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.
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).
Conhecido também como flangeamento. O 
comprimento do flange pode facilmente ser 
mudado e o ângulo da curvatura pode ser 
controlado pelo curso do punção.
38
 Equipamento: Prensas dobradeiras, dobradeiras manuais e ferramental
Conformação de Chapas: Dobramento
39
 Fatores de influência
 Capacidade elástica do material
 Raio interno mínimo 
 Comprimento a ser desenvolvido
 Forças de operação
Conformação de Chapas: Dobramento
 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)
40
 Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas
A. Estampagem
B. Estiramento
C. Repuxamento
D. Dobramento
E. Corte
F. Calandragem
Conformação de Chapas
A
B
C
D
E
F
41
 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
Conformação de Chapas: Corte
42
 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
Conformação de Chapas: Corte
43
 Tipos de processos e equipamento: 
1. Por lâmina de corte (shearing, tearing): Guilhotina
Conformação de Chapas: Corte
44
 Tipos de processos e equipamento: 
1. Por lâmina de corte (shearing, tearing): Guilhotina
2. Por punção e matriz (punching, blanking): Prensa mecânica ou hidráulica
Conformação de Chapas: Corte
45
 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
Conformação de Chapas: Corte
46
 Efeito da deformação na superfície cisalhada
Conformação de Chapas: Corte
REPUXO
ZONA DE 
RUPTURA
ALTURA DA 
REBARBA
CISALHAMENTO
Rebarba
47
 Folga entre 
lâminas
 Efeito do 
material
 Efeito sobre a 
deformação 
(microdureza)
Corte: Fatores de Influência
48
 Folga entre lâminas: Corte Convencional x Corte Fino (Fine Blanking)
 Corte fino: folga micrométrica + controle da velocidade de corte
Corte: Fatores de Influência
CONVENCIONAL FINO
49
 Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas
A. Estampagem
B. Estiramento
C. Repuxamento
D. Dobramento
E. Corte
F. Calandragem
Conformação de Chapas
A
B
C
D
E
F
50
 Processo de aplicação de força trativa para estirar o material sobre uma 
ferramenta com a forma do produto final
Conformação de Chapas: Estiramento
51
 Processo de aplicação de força trativa para estirar o material sobre uma 
ferramenta com a forma do produto final
Conformação de Chapas: Estiramento
52
 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
Conformação de Chapas: Estiramento
53
 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
Conformação de Chapas: Estiramento
DOBRAMENTO
ESTIRAMENTO
54
 Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas
A. Estampagem
B. Estiramento
C. Repuxamento
D. Dobramento
E. Corte
F. Calandragem
Conformação de Chapas
A
B
C
D
E
F
55
 Passagem de chapa entre 
três rolos para produzir 
formatos curvados
 Curvaturas cilíndricas, 
cônicas ou de raio variável
Conformação de Chapas: Calandragem
56
 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)
Conformação de Chapas: Calandragem
57
 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
Conformação de Chapas: Calandragem
58
 Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas
A. Estampagem
B. Estiramento
C. Repuxamento
D. Dobramento
E. Corte
F. Calandragem
Conformação de Chapas
A
B
C
D
E
F
59
 Chapa é conformada contra um molde em movimento rotativo pela ação 
de compressão de um rolete
Conformação de Chapas: Repuxamento
60
 Chapa é conformada contra um molde em movimento rotativo pela ação de 
compressão de um rolete
 Ferramental: madeira, plástico ou metal: Baixo custo
 Equipamento: ferramental é fixado a um torno, em alta rotação: Processo lento
Conformação de Chapas: Repuxamento
61
 Chapa é conformada contra um molde em movimento rotativo pela ação 
de compressão de um rolete
Conformação de Chapas: Repuxamento
62
 Chapa é conformada contra 
um molde em movimento 
rotativo pela ação de 
compressão de um rolete
 Produtos repuxados
– Luminárias, Panelas, 
Fundos de Tanques, 
Componentes de 
satélites
Conformação de Chapas: Repuxamento
63
1. Rugas
2. Estricção
3. Springback
Conformação de Chapas: Tipos de Falha
1 1
32
64
Deformação Excessiva: Deformação Plástica
 Instabilidade Plástica
 A partir de dP = 0 e  = P/A
 Do conceito de Volume constante:
 Do conceito de deformação
 Portanto:
Critério de Instabilidade
65
 Minimizar risco de geração de 
estricção: redução da força de sujeição
 Extremo → Possibilidade de formação 
de rugas no flange
Conformação de Chapas: Tipos de Falha
66
 Além das trincas e rugas…
Conformação de Chapas: Tipos de Falha
Excesso de 
Metal no Raio
Afinamento 
Localizado
 Copo muito profundo
 Raio do punção 
pequeno
 Chapa muito fina
 Folga insuficiente 
entre punção e matriz
Orelhas
 Anisotropia planar 
excessiva
 Texturização
“Casca de laranja”
67
 Springback (Efeito Mola)
 Retorno elástico da chapa após liberação da força de conformação
– Principalmente em Estampagem e Dobramento
Conformação de Chapas: Tipos de Falha
68
 Springback (Efeito Mola)
 Retorno elástico da chapa após liberação da força de conformação
– Principalmente em Estampagem e Dobramento
Conformação de Chapas: Tipos de Falha
(h)
Razão de Springback
69

Conformação de Chapas: Tipos de Falha
70
 Falhas em ferramental de estampagem
Conformação de Chapas: Tipos de Falha
71
Fechamentos5.
Processos Não-Convencionaisde Conformação de Chapas4.
Conformabilidade3.
Processos Convencionais de Conformação de Chapas2.
Introdução1.
Agenda
72
 Como então avaliar e predizer o limite para que não haja falhas?
 Ensaios de Estampabilidade: Avalia a capacidade de a chapa ser conformada 
sem 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
Conformabilidade
73
 Ensaio Swift
 Punção Cilíndrico
 Não há grande força de fixação
– Apenas deformação de 
embutimento
 Resultado avaliado
– Maior diâmetro do copo 
sem que haja ruptura ou 
estricção localizada
Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade
74
 Ensaio Olsen / Erichsen
 Punção Esférico
 Fixação forçada
– deformação de 
estiramento
 Resultado avaliado
– Erichsen: Altura na ruptura
– Olsen: Carga na ruptura
 Olsen e Erichsen também 
divergem quando aos valores 
de diâmetro da esfera
– Olsen: pol (America)
– Erichsen: mm (Europa)
Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade
75
 Ensaio Fukui
 Punção Esférico
 Grande abertura entre fixações
– Estiramento + 
Embutimento
 Desenvolvimento de copo 
cônico como resultado
Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade
76
 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 até a 
ruptura
Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade
77
 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
– Qualidade diversificada do 
lubrificante
Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade
Estiramento [%]
10 20 30
Em
bu
tim
en
to
 [%
]
10
20
30 SWIFT
FUKUI
OLSEN / ERICHSEN
78
 Curva Limite de Conformação (Diagrama de Keeler-Goodwin)
 Forma gráfica de registro da combinação de deformações que leva à falha no 
processo de conformação de chapas
Conformabilidade: Curva Limite de Conformação
79

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação
80

Conformabilidade: Curva Limite de Conformação
81
 Diferentes posições para os diferentes estados de deformação
Conformabilidade: Curva Limite de Conformação
82
 Indicação do estado de 
deformações de 
diferentes pontos em 
chapa estampada
Conformabilidade: Curva Limite de Conformação
83
 Pode ser explorada como registro 
da evolução do processo
Conformabilidade: Curva Limite de Conformação
84
Fechamentos5.
Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas4.
Conformabilidade3.
Processos Convencionais de Conformação de Chapas2.
Introdução1.
Agenda
85
 Estampagem incremental
 Conformação por Elastômero
 Hydroforming
Processos Não Convencionais
86
 Estampagem incremental
 Movimento progressivo de uma ferramenta de ponta hemisférica ou esférica 
sobre uma chapa, seguindo uma trajetória pré-definida
Processos Não Convencionais
87
 Estampagem incremental
 Movimento progressivo de uma ferramenta de ponta hemisférica ou esférica 
sobre uma chapa, seguindo uma trajetória pré-definida
Processos Não Convencionais
88
 Estampagem incremental
 Deformação superior aos típicos limites de conformabilidade
– Carregamento é majoritariamente na direção normal
– Elementos em flexão bidirecional: carregamento não-monotônico
Processos Não Convencionais
89
 Estampagem incremental
 Profundidades elevadas
 Formatos flexíveis
Processos Não Convencionais
90
 Estampagem incremental
 Processo lento
 Alto custo do equipamento 
(CNC ou braço robótico)
Processos Não Convencionais
91
 Estampagem incremental
 Conformação por Elastômero
 Hydroforming
Processos Não Convencionais
92
 Conformação por Elastômero
 Pressão hidráulica expande um lençol de borracha contra as chapas metálicas, 
forçando-as contra as cavidades das matrizes
– “Prensa de Borracha”
Processos Não Convencionais
Elastômero
Blank (peça 
planificada)
Mesa da máquina
Gabarito de conformação
93
 Conformação por Elastômero
 Versatilidade: Fabricação de chapas com geometrias complexas
Processos Não Convencionais
94
 Conformação por Elastômero
 Baixo Custo: 
– Apenas uma ferramenta de geometria dedicada é necessária
– Diferentes espessuras a partir do mesmo ferramental
Processos Não Convencionais
95
 Conformação por Elastômero
 Um dos principais processos da indústria aeronáutica no Brasil
Processos Não Convencionais
“Prensa de Borracha” da Embraer
1- Diafragma de Borracha (Membrana)
2- Mesa Superior
3- Chapa
4- Punção
96
 Conformação por Elastômero: Fabricação de Tubos
Processos Não Convencionais
97
 Estampagem incremental
 Conformação por Elastômero
 Hydroforming
Processos Não Convencionais
98
 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 
Processos Não Convencionais
99
 Hydroforming (Hidroconformação)
 Assim como na conformação por elastômero:
– Processo promove maior uniformização das tensões ao longo da chapa
Processos Não Convencionais
100
 Hydroforming (Hidroconformação)
 Assim como na conformação por elastômero:
– Esforços de atrito são minimizados
Processos Não Convencionais
101
 Hydroforming (Hidroconformação)
 Conformação de corpos ocos em complexas geometrias: Tubos
Processos Não Convencionais
102
Fechamentos5.
Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas4.
Conformabilidade3.
Processos Convencionais de Conformação de Chapas2.
Introdução1.
Agenda
103
Objetivos Específicos
Definições 
Fundamentais
1
Conformabilidade
2
Processos 
Não-Convencionais
3
104
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