Capítulo 3

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Capítulo 3
CORTE DE CHAPAS
3.1 Considerações Preliminares
O processo de corte de chapas ou tiras metálicas é uma das mais freqüentes
operações dos processos de fabricação de componentes. O corte ocorre na preparação da
geratriz (blank) e também após a estampagem, para a retirada da rebarba. Recentemente as
operações de corte ganharam novos impulsos com o emprego de processos com
comandados com controle numérico (CNC). Neste capítulo será tratado sobre as forças,
energia e sobre os princípios das operações de corte.
A fig. 3.1 mostra o exemplo de dois componentes mecânicos, onde o processo está
presente no recorte das geratrizes, recorte das janelas para escape dos gases, dos
componentes internos e externos e das furações para a montagem /3.1/.
Fig. 3.1 Exemplo de produtos estampados em que o processo de corte é muito utilizado
Na maioria 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
acurado dos parâmetros do processo de corte. Alguns exemplos são mostrados na figura
3.2.
O fator determinante do processo de corte a ser utilizado na fabricação de um
componente é a qualidade da região cortada e processos que garantem uma melhor
qualidade de corte são mais caros por necessitar de ferramentas e prensas mais sofisticadas.
A pesquisa por métodos de otimização do processo de corte por cisalhamento pode portanto
resultar em reduções de custos dos equipamentos necessários para a fabricação. Além disso,
métodos de produção modernos exigem supervisão constante de todos os fatores que
influenciem a qualidade do produto final.
Fig. 3.2 Exemplos de peças cortadas por cisalhamento que requerem alta qualidade da
região cortada. Esquerda: chapas do rotor e estator do motor de um ventilador. Direita:
chapas de um motor elétrico.
Devido aos diversos fatores que influenciam o processo de corte, o problema da
otimização sempre foi considerado de difícil solução /3.2/. Com o desenvolvimento dos
sensores para medição de forças foi possível conhecer o comportamento da força de corte,
já na década de 70 /3.3/ e nos dias atuais /3.4, 3.5, 3.6, 3.7/, permitiram um melhor
conhecimento do processo.
O processo de corte que é objeto deste capitulo está classificado na norma alemã
DIN 8580 – Processos de Fabricação /3.8/. A norma DIN 8580 classifica os três grupos de
fabricação (fig. 3.3) No grupo 3 encontram-se classificados os processos de separação,
entre estes o processo de corte (descrito na DIN 8588 /3.9/), entre estes o corte por
cisalhamento. Adiante a norma classifica as diversas maneiras de se efetuar o corte por
cisalhamento.
Igualmente existem classificações originadas das indústrias especializadas nos
processos de corte, que podem ser descritas como /3.10/:
• Técnica de corte convencional: produz peças com valores médios de tolerância, com
média freqüência de batidas de prensa. É feita em prensas mecânicas com estrutura
tipo “C”.
• Técnica de corte de alta velocidade: produz peças com tolerâncias mais justas que o
processo de corte convencional, com velocidade de até 180 batidas por segundo.
Utiliza predominantemente ferramentas de metal duro, em prensas com estrutura
tipo “O”.;
• Técnica do corte fino: produz peças de chapas de 1 até 10 milímetros de espessura
com tolerâncias muito boas e alta qualidade da superfície cortada. A superfície do
corte possui uma função mecânica no componente, com pequenas tolerâncias de
forma e de medidas com alta qualidade da superfície cortada (por exemplo:
engrenagens).
CRIAÇÃO DA FORMA ALTERAÇÃO DA
FORMA
ALTERAÇÃO DAS
PROPRIEDADES
GRUPO 1 GRUPO 2 GRUPO 3 GRUPO
4
GRUPO 5 GRUPO 6
MOLDAGEM
Exemplos:
fundição, injeção
de pós
CONFORMAÇÃO
Exemplos:
embutimento,
forjamento
SEPARAÇÃO
Exemplos:
usinagem e corte
UNIÃO
Exemplos:
soldagem e
pressunião
DEPOSIÇÃO
Exemplos:
pintura,
eletrodeposição
ALTERAÇÃO DA
PROPRIEDADES
Exemplos: têmpera
3.1 – Corte
(DIN 8588)
3.1.1 – Corte por
Cisalhamento
3.1.1.1 – Corte
com Prensa de
Simples Efeito
3.1.1.1.1 – Corte
Fechado
Fig. .3.3 Classificação do processo de corte por cisalhamento segundo a DIN 8580.
3.2 ELEMENTOS BÁSICOS E MECANISMO DO PROCESSO
3.2.1 Ferramenta de Corte
Os componentes básicos de uma ferramenta de corte convencional ou corte por
cisalhamento é mostrado na fig. 3.4:
Fig. 3.4 Elementos básicos de uma ferramenta de corte por cisalhamento. 1 - punção, 2 -
matriz, 3 - base da ferramenta, 4 - chapa,, f – folga punção-matriz.
O corte é realizado através do movimento relativo de um punção de corte contra
uma matriz, causando a separação do material da chapa. O objetivo do corte pode ser tanto
para realizar um furo com o formato do punção na chapa quanto para separar o componente
(também com o formato do punção) da chapa. No caso de um punção circular, o diâmetro
do punção é levemente inferior ao diâmetro da matriz de forma a existir uma folga entre os
dois que permite que o punção penetre na matriz, separando a chapa em duas partes. Esta
folga é o parâmetro mais importante do processo.
Uma peça cortada com o processo de corte convencional apresenta características
próprias originadas da forma como as tensões se distribuem sobre a chapa no momento do
corte, como mostra a figura 3.5. Estas características definem qualitativamente o processo
no que diz respeito ao resultado do corte.
Fig. 3.5 Partes principais de uma peça cisalhada. a – zona de arredondamento, b – zona
cisalhada, c – zona fraturada, d – rebarba, e – empenamento.
A forma como se processa o corte pode ser bem entendido mediante a análise em
seqüência de cada uma das fases do processo como descrito abaixo e ilustrado na figura
3.6.
1. Com a atuação da força do punção sobre a chapa aparece em primeiro lugar uma
deformação elástica. A chapa arqueia-se sob o punção e tende a levantar suas
extremidades devido à folga entre punção e matriz. Desta fase passa-se rapidamente
a uma deformação plástica, caracterizada por um arredondamento permanente da
chapa, com um perfil que termina tangenciando a próxima fase, de cisalhamento,
correspondendo a uma altura de 5 a 10% da espessura da chapa.
2. A seguir ocorre a fase do cisalhamento. O material escoa devido ao esforço
realizado pelo punção sobre a matriz formando a zona cisalhada. o modo principal
de deformação é cisalhamento ao longo de um plano determinado pelo punção e
pela matriz, perpendicular ao plano da chapa. Devido ao crescente encruamento do
material durante o corte, a zona de arredondamento da chapa tende também a
crescer.
3. A crescente solicitação é aplicada até que se esgote a capacidade de deformação da
secção da chapa. Quando isso ocorre, surge na aresta de corte da matriz uma trinca
na direção da máxima tensão de cisalhamento, que conduz 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.
Fig. 3.6 Seqüência das etapas do processo de corte por cisalhamento. 1 – punção, 2 – chapa,
3 – matriz. /3.11/.
O estado de tensões durante o processo de corte é variável. A máxima tensão de
cisalhamento na trinca alcança o limite de ruptura ao cisalhamento antes de se atingir o
limite de escoamento, devido ao crescente encruamento que vai ocorrendo durante o
processo. O surgimento da trinca ocorre então na direção da máxima tensão de
cisalhamento com a separação da peça cortada ocorre o retorno elástico do material
remanescente na chapa, que se comprime em torno do punção. Finalmente, com o
movimento de retorno o punção é extraído da chapa.
A qualidade do final do corte pode variar principalmente em função do material e da
folga entre punção e matriz. Uma chapa de aço inoxidável apresenta uma zona de
arredondamento maior em comparação com uma chapa de alumínio, devido ao fato que a
resistência causada pelo encruamento na primeiraser consideravelmente maior que na
segunda. No alumínio a região fraturada é maior quando comparado com o aço inoxidável
pois resiste menos a deformações, rompendo mais cedo.
3.2.2 Folga entre Punção e Matriz
A influência da folga é também um importante parâmetro a ser definido no corte.
Uma folga maior resulta em um zona de arredondamento maior, pois as deformações são
maiores. Uma folga menor resulta em uma zona cisalhada maior dado que as tensões sobre
o material são mais elevadas, o que posterga o aparecimento da trinca /3.3, 3.4, 3.11/. A fig.
3.7 mostra esquematicamente a folga entre punção e matriz para um recorte retangular e
para um corte circular.
A folga é certamente a variável mais importante para a construção de uma
ferramenta de corte. A sua correta determinação tem relação direta com o desgaste das
partes ativas da ferramenta, pois quanto menor a folga, maior a força necessária para o
corte. Em cortes com folgas pequenas o desgaste será maior pois após o corte o material
restante da chapa tende a fechar-se sobre o punção, sendo necessária a utilização de
extratores. Existe alguma dificuldade em especificar a correta força de corte para cada liga
metálica, pois o tipo de micro-estrutura, tamanho da folga e o alinhamento da ferramenta
causam significativas variações na força de corte . Normalmente fala-se em folgas menores
(4% da espessura) para metais mais dúcteis como o latão e o alumínio até 10% para aços
mais resistentes, como o aço inoxidável. Outra maneira é calcular a folga como espessura
da chapa dividido por 20, 16 ou 14, para metais macios (aço doce, latão e similares), aço
médio e aço duro respectivamente /3. 12/.
É oportuno mencionar que não foi encontrada na literatura consultada nenhuma
alusão à influência da presença ou não de um prendedor de chapas na qualidade do corte.
Cita-se o mesmo apenas com a função de extrair a chapa do entorno do punção após o corte
ou, muito superficialmente, para evitar o empenamento da chapa. Na determinação da força
exercida pelo mesmo costuma-se utilizar como parâmetro a força necessária para a extração
da chapa, sendo calculada como um terço da força de corte para a força do prendedor /3.3,
3.12, 3.13, 3.14/.
Fig. 3.7 Folgas entre punções e matrizes.
Quantitativamente a folga (w) pode ser especificada por /3.15/ para chapas até 3mm
de espessura (s):
w=Cc.s. cτ
onde:
Cc - Constante de Corte = 0,007 Nmm /
2
s - espessura da chapa [mm]
cτ - Tensão de cisalhamento [N/mm
2]
3.3 FORÇA E ENERGIA DE CORTE
As forças envolvidas no processo de corte, mesmo para chapas finas, são altas,
especialmente se materiais com alta resistência mecânica são cortados. A abordagem mais
simples e mais utilizada para o cálculo da força de corte é multiplicar a tensão de ruptura ao
cisalhamento ( cτ ) pela área a ser cisalhada (Ac), ou seja:
 ccc AF .τ= (3.1)
onde Fc é a força de corte, cτ é a tensão de ruptura do material quando submetido a
cisalhamento e Ac é a área a ser cisalhada, calculada por:
 Ac=lc.s (3.2)
onde lc 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 por cento 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 do que 2 a seguinte relação é suficiente para um
cálculo aproximado da tensão de resistência ao cisalhamento:
 mc R.8,0=τ (3.3)
onde Rm é a tensão de resistência do material. A imprecisão entre a força de corte real e a
determinada através desta relação é de aproximadamente 20% /3.14/. A tabela 3.1 mostra
exemplos de cálculo para a máxima força de corte em um corte fechado com diâmetro do
punção de 25mm. A espessura da chapa é de 1mm.
Tabela 3.1 exemplos de cálculo da máxima força de corte para um punção de 25mm de
diâmetro e espessura da chapa 1mm.
TIPO MATERIAL (DIN) FORÇA DE
CORTE
RESISTÊNCIA DO
MATERIAL (Rm)
Aço Baixo
Carbono
Fe P O4 (St14,
1.0338)
≈ 20,0 kN 270……350N/mm2
Aço Inoxidável
304 S 15 (X5 CrNi
18 10,1.4301)
≈ 40,0kN 550 750 N/mm2
A tabela 3.2 mostra alguns valores orientativos de Tensão de Cisalhamento( cτ ) para
alguns materiais.
É importante que após o cálculo da força seja verificado o centro de aplicação da
força. Este local pode ser definido como o centro geométrico do componente recortado.
Atualmente com os recursos de programas de CAD o centro geométrico pode ser
facilmente determinado. A potência necessária para executar o corte depende da força de
corte Fc e da velocidade de deslocamento do punção (v) sendo calculada por:
P=Fc.v (3.4)
Vários fatores podem interferir 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
Tabela 3.2 – Tensões de cisalhamento para alguns materiais/3.15/.
TENSÃO DE CISALHAMENTO cτ N/mm
2MATERIAL
Recozido Encruado
St 12 240 300
St 13 240 300
St 14 250 320
St 37 310 -
St 42 400 -
C 10 280 340
C 20 320 380
C 30 400 500
C 60 550 720
400 600
Al 99,5 70 150
AlMgSi 1 200 250
AlCuMg 320 -
AlCuMg 180 -
Ms 72 220 até 300 -
Ms 63 250 até 320 350 até 400
Com o conhecimento da força de corte (Fc) e a secção da tira (A) no qual o punção
atua pode-se calcular a pressão de corte:
A
F
p cc = (3.5)
Desta forma pode-se estabelecer o máximo comprimento do punção para que não
ocorra flambagem (comprimento máximo de 8x diâmetro para punções não guiados e
comprimento máximo de 12x diâmetro do punção). A placa de choque entre o punção e o
cabeçote deve também possuir uma dureza que possa suportar essa pressão.
3.4 FORMAS DO FERRAMENTAL DE CORTE
As operações de corte podem ocorrer desde uma operação simples usando-se um
punção e uma matriz inferior (fig. 3.8a) ou empregando-se um sistema de guia para o
punção e a chapa (fig. 3.8b) ou até uma estrutura complexa formada com colunas que
servem de guia para garantir maior precisão na operação de corte (fig. 3.8c). Um sistema
com colunas superiores permite uma maior precisão no corte como parte superior (cabeçote
– fig. 3.8c item 1) é uma parte móvel do sistema é comum o uso de buchas ou rolamento
entre as colunas e o cabeçote. Entre o punção e o cabeçote é comum ainda o uso de uma
placa de choque, que evita um possível dano que o punção possa oferecer ao cabeçote.
Todo sistema guia do punção (3.8b - item 1), guia da tira (3.8b – item 2) e base da
matriz (3.8a – item 3) são fixas uma na outra por meio de parafusos. A base (fig. 3.8a –
item a) é fixa na prensa com sistemas específicos de cada prensa.
Fig. 3.8 Conjunto de ferramentas para uma operação de corte.
a) Operação simples: 1-punção; 2- matriz; 3- base da matriz
b) Corte com guias: 1-guia do punção; 2- guia da tira
c) Corte com precisão: 1- cabeçote; 2- bucha da coluna guia; 3- coluna guia; 4- guia do
punção ou extrator.
A forma de fixação do cabeçote na prensa é realizada através da espiga (fig. 3.9).
1 – punção
2 – matriz
3 – base
4 – cabeçote
5 – espiga
6 – porta-punção
7 – guia do punção
8 – placa de choque
9 – régua de guia
Fig. 3.9 Conjunto do sistema de corte /3.16/
3.5 CORTE SEQUENCIAL
A produtividade na fabricação de componentes a partir das operações de corte é
obtida quando estas peças são recortadas a partir das chapas em forma de tiras (fig. 3.10). A
fim de reduzir ao máximo a quantidade de sucata (partes da tira não aproveitáveis) deve
haver uma preocupação do projetista na forma de posicionar o recorte na tira. A fig. 3.11
mostra várias alternativas de aproveitamento de material.
peças planas
corte
peças com
corte e dobra
peças
recortadascom
estampagem
profunda
Fig. 3.10 Aproveitamento do material no recorte /3.17/.
Além do posicionamento das peças na tira deve-se observar o intervalo mínimo
entre as mesmas e a margem da tira. Para peças retangulares recomenda-se (fig. 3.11a)
/3.16/:
M=1,5a1,6.s (3.6a)
Para peças circulares:
M=1 a 1,2.s (3.6b)
A fig. 3.11 mostra a combinação de diferentes formas seqüenciais. É também muito
comum a combinação operacional do corte com o dobramento e estampagem profunda.
Fig. 3.11 Diminuição do refugo no corte de chapas /3.17/.
3.6 FACA DE AVANÇO
A faca de avanço é um recorte realizado na tira que tem a finalidade de limitar o
passo. Ao se executar uma operação, ao se introduzir a tira para executar a próxima etapa, a
tira é introduzida no ferramental até encontrar um encosto executado na guia (fig.
3.12).Após a operação do corte com a faca de avanço a tira fica mais estreita. As facas de
avanço são comumente empregadas em peças com espessura de 0,2mm até 4mm e de
preferência quando a alimentação for automática /3.16/. A fig. 3.13 mostra o
dimensionamento da faca de avanço. Uma possibilidade é a faca de avanço com dois
ressaltos. Este tipo de construção elimina saliências indesejadas que ocorrem normalmente
em facas sem os ressaltos. Enquanto no esquema da figura 3.12 não existe perdas de
material nos moldes de peças como na figura 3.13 ocorrem perdas de material.
Fig. 3.12 Faca de avanço. /3.16/
Fig. 3.13 Dimensionamento da faca de avanço. /3.16/
A faca de avanço pode ser guiada antes de tocar a chapa. Normalmente possuem a
mesma altura que os punções e são fixas no cabeçote, como os punções podem requerer
uma placa de choque quando as tensões são elevadas. Como no caso dos punções deve-se
observar a possibilidade de flambagem. O comprimento máximo para faca e punções não
guiados é dado por (figura 3.14a ) e para facas e punções guiados (fig 3.14b)
cF
EJ
l
22π
= (3.7)
cF
EJ
l
2
π
= (3.8)
Onde:
E - Módulo de Elasticidade
J - Momento de Inércia
Fc – Força de corte
a) b)
Fig 3.14 – Punções ou facas de corte. a) não guiado e b) guiado.
3.7 CORTE FINO
3.7.1 Definição
No processo de corte fino obtém-se através do corte peças planas, livres de rebarbas
e com alto nível de tolerâncias.
3.7.2 Aplicações
Um exemplo típico de peças obtidas pelo processo de corte fino são engrenagens
com módulos de 0,2 a 10mm empregando-se chapas de 1 a 10mm de espessura. Também
são obtidos componentes de acionamento ou travamento de portas para a indústria
automobilística sem necessidade de acabamentos finais após a operação de corte (fig. 3.15).
Fig. 3.15 Exemplo de componente obtido por corte fino /3.7/.
3.7.3 Processo de Corte Fino
Antes da operação de corte o material é fixado através de um prendedor de chapas
com elemento de fixação na matriz inferior. Durante o processo de corte a chapa é
submetida a um esforço inferior adicional de um contra-punção com a força GF (fig. 3.16).
Neste instante é executado a operação de corte. Após a operação de corte:
a) A retirada do restante da chapa do punção é feito pelo mesmo elemento prendedor
de chapas
b) contra-punção executa a operação de extração da peça cortada da matriz inferior.
Para o corte fino há necessidade de um equipamento especial (com três ações).
Fig. 3.16 Princípio do corte fino. cF Força de corte, GF Força do sustentador da chapa, Fpc
Força do prendedor de chapa com elemento de fixação,/3.15/.
3.7.4 Constituição do Ferramental
A constituição do ferramental para a operação de corte fino é mostrado na fig. 3.17.
A característica principal é o anel prendedor de chapas que é acionado atrás de um
movimento particular pela prensa. O punção de corte tem uma operação independente, com
acionamento da parte interna da prensa. Como terceira ação atua o contra-punção.
Fig. 3.17 Principais elementos de uma ferramenta de corte fino. 1) cabeçote do punção, 2)
fixador superior, 3) punção de corte, 4) anel prensa chapas, 5) placa de corte, 6) contra-
punção /3.15/.
3.7.5 Folga de Corte
Além do anel prendedor de chapas é especialidade do corte fino uma folga
extremamente pequena. Sua grandeza depende da espessura da chapa e da relação entre
diâmetro do punção de corte e a espessura da chapa.
Tabela 3.3 – Folga u em função da espessura da chapa s e da relação sdq /= /3.15/.
s [mm] 1 2 3 4 5 8
u [mm]
para
7,0=q
0,012 0,024 0,036 0,048 0,06 0,095
u [mm]
para
0,1=q
0,01
0,02
0,03 0,04 0,05 0,08
u [mm]
para
2,1=q
0,005
0,01
0,015 0,02 0,025 0,04
3.7.6 Forças no Corte Fino
Força de Corte:
Bs spF τ⋅⋅= (3.9)
Fc [N]
p - Perimetro [mm]
s - Espessura da Chapa [mm]
Bτ – Tensão de cisalhamento[N/mm
2]
Força do Prendedor de Chapas:
mpc RhLF ⋅⋅⋅= 4 (3.10)
L [mm] - Comprimento do mordente
h [mm] - altura do mordente (fig. 3.18)
mR [N/mm
2] - Tensão máxima
pcF [N] Força do Prensa Chapas -
Fig. 3.18 Configuração do mordente /3.15/.
Tabela 3.4 – Altura do mordente em função da espessura da chapa
h [mm] 0,3 0,5 0,7 0,8 1,0
s [mm] 1-2 2,1-3 3,1-6 6,1-9 9,1-11
Força do Contra-Punção (ou sustentador da chapa cortada):
cAFG ⋅= (3.11)
2/20 mmNc = até 2/70 mmN
20=c para peças finas e superfícies planas
GF [N] - Força de contra-punção
A [mm2] - Superfície da peça (vista superior)
c [N/mm2] - Pressão específica
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