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Engenharia Mecânica - Automação e Sistemas ANDRÉIA DAIANA PEREIRA ODILON CÁSSIO CEDA WÁGNEA FRANCISCA GUIMARÃES SUBSTITUIÇÃO DE MOLAS DE COMPRESSÃO POR CILINDROS DE NITROGÊNIO NO EXTRATOR DE FERRAMENTAS DE ESTAMPAGEM Itatiba 2014 ANDRÉIA DAIANA PEREIRA - RA002200801174 ODILON CÁSSIO CEDA - RA002201000660 WÁGNEA FRANCISCA GUIMARÃES - RA002200801277 SUBSTITUIÇÃO DE MOLAS DE COMPRESSÃO POR CILINDROS DE NITROGÊNIO NO EXTRATOR DE FERRAMENTAS DE ESTAMPAGEM Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas da Universidade São Francisco como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Mário Antônio Monteiro Itatiba 2014 ANDRÉIA DAIANA PEREIRA - RA002200801174 ODILON CÁSSIO CEDA - RA002201000660 WÁGNEA FRANCISCA GUIMARÃES - RA002200801277 SUBSTITUIÇÃO DE MOLAS DE COMPRESSÃO POR CILINDROS DE NITROGÊNIO NO EXTRATOR DE FERRAMENTAS DE ESTAMPAGEM Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Mecânica Automação e Sistemas da Universidade São Francisco como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Mário Antônio Monteiro Data da aprovação: 10/12/2014 Banca Examinadora: _________________________________________________________ Prof. Mário Antônio Monteiro (Orientador) Universidade São Francisco _________________________________________________________ Prof. André Luis Pissolati Universidade São Francisco (Examinador) _________________________________________________________ Prof. Paulo Eduardo Silveira Universidade São Francisco (Examinador) AGRADECIMENTO – Andreia Daiana Pereira Agradeço primeiramente a Deus por ter fortalecido a minha fé a cada dia e em frente a todas as dificuldades me fez acreditar em mim e não desistir do meu objetivo. Agradeço ao meu pai Braz Pereira (in memorian) me incentivou a estudar desde o pré escola e que sempre foi meu exemplo de caráter , humildade , dedicação e luta que mesmo sem recursos me ensinou que desistir é para os fracos e que não é falta de recursos que impede a pessoa de conquistar seus objetivos e sim a fé em si mesmo e força de vontade. Agradeço a minha mãe e meus irmãos, que entenderam os vários finais de semana que fiquei sem visita-los para me dedicar ao curso e a elaboração do Tcc. Agradeço a minha amiga Nivia dos Santos Prado, que sempre cuidou de mim e me trouxe almoço em todos os Domingos enquanto me dedicava a elaboração deste trabalho Agradeço ao Sr. Reinaldo Luz, que nos orientou com as primeiras ideias para elaboração deste trabalho com tanta dedicação. Agradeço a empresa Work Eletro e aos seus colaboradores Marcio e Eduardo, que abriram as suas portas para nos apresentar seu processo, suas ferramentas e nos forneceu todos os dados para elaboração deste trabalho, sem a imensa ajuda de vocês este trabalho não teria acontecido. Agradeço a todos os professores do curso por dividir um pouco de seus conhecimentos conosco o qual a união de todos eles formou este trabalho. Agradeço ao nosso Orientador Mario Antônio Monteiro por nos acolher como seus orientados e nos guiado ao longo deste trabalho com tanta dedicação, respeito, conselhos que foram mais que fundamentais para a conclusão do mesmo. Agradeço aos meus colegas do grupo Cássio Ceda e Wágnea Francisca Guimarães pela cumplicidade e dedicação nesta grande aventura que foi a elaboração deste trabalho. AGRADECIMENTO – Odilon Cássio Ceda Agradeço primeiramente a Deus, pois sem Ele nada seria possível! A meus pais, Odilon Tadeu Ceda e Aparecida Fátima Brusco Ceda, sem os quais não chegaria até aqui. A meus Irmãos Juliano, Jônatas, Eduardo e Lucas que compreenderam todas as dificuldades e se propuseram a me ajudar. A minha sobrinha Eloá, que em dias de provas, me chamava para assistir a “galinha pintadinha”. A minha namorada Camila, que por toda minha caminhada me ensinou a fé o amor e a perseverança. Agradeço aos velhos e aos novos amigos, que estiveram sempre ao meu lado, mesmo quando não pude lhes dar a atenção merecida. Alguns experimentos e vários entendimentos não seriam possíveis sem a colaboração do Projetista Pedro Rodrigues da empresa CASP, que nos auxiliou com o projeto prático da ferramenta. Ao Rafael da Usinagem Foster, pela execução da ferramenta, a minha madrinha Márcia Leme pela correção ortográfica deste trabalho, ao meu coordenador Eng. Flávio Giovanini por toda compreensão e colaboração e ao Márcio e ao Eduardo da empresa Work Eletro por todo conhecimento sobre estamparia de matais. Não levarei dessa fase somente um diploma, mas levarei presentes para a vida, pessoas especiais e que tiveram papel fundamental nessa caminhada. Agradeço, finalmente, a todos os professores que me acompanharam em todos esses anos. Em especial, ao professor orientador Mário Antônio Monteiro, bem como seus orientandos, Andréia e Wágnea, que muito me auxiliou nesse trabalho. Também aos professores examinadores Paulo Eduardo Silveira e André Pizzolati. AGRADECIMENTO – Wágnea Francisca Guimarães Agradeço primeiramente a Deus por ter me dado forças para chegar até este momento do curso, a minha família mãe Helenilza Alencar, pai Manoel Guimarães e esposo William Pimentel que me acompanharam desde o começo nesta jornada. Agradeço a Educrafo e Uneafro que através de um cursinho pré-vestibular me proporcionou a oportunidade de entrar na Universidade São Francisco. Agradeço também aos colegas Andréia Pereira e Cássio Ceda que permitiram que eu fizesse parte desse trabalho. Agradeço a todos os professores que me deram tanta força por todo esse tempo, a nosso orientador Mário Monteiro, por ter permitido o meu ingresso ao grupo e nos proporcionado mais conhecimento, e aos professores examinadores Paulo Silveira e André Pizzolatti. RESUMO Este trabalho apresentará as vantagens do processo de troca de molas de compressão por cilindros de nitrogênio em ferramentas de estampagem de metais, os quais são utilizados para extração de peças de punções ou matrizes. A força de atuação dos dois componentes é a característica mais importante considerada neste estudo, tendo em vista que o cilindro de nitrogênio apresenta grande vantagem sobre a mola com maior força de atuação e pequena variação em relação ao deslocamento, ao contrário da mola que apresenta grande variação, o que influencia diretamente no processo de estampagem e na qualidade da peça produzida. O trabalho foi idealizado a partir de uma visita a uma estamparia metálica, a empresa Work Eletro, localizada em Atibaia SP, onde foram colhidos os dados para a elaboração deste trabalho, tais como: definição da ferramenta para estudo, volume de peças produzidas/mês, vida útil da ferramenta, vida útil dos componentes, custo de manutenção e custo de produção. Como o tema escolhido não possui muitas opções de literatura para consulta, foram realizadas entrevistas com os funcionários da empresa para colher dados sobre o assunto. O estudo foi desenvolvido através de cálculos de projeto com base em desenhos e normas, cálculos de custos com base nos orçamentos realizados com fornecedores e através de valores informados pela empresavisitada. Os resultados obtidos mostram que a troca de molas por cilindro é viável, visto que se podem obter grandes resultados na qualidade da peça produzida, menor custo de mão de obra, redução de tempo de manutenção e setup, variáveis que influenciam diretamente no preço final da peça. Este estudo pode ser utilizado como um guia para empresas do ramo que buscam novas tecnologias para seu processo de produção, com o objetivo de obter lucros reduzindo custos. Um processo que possa garantir produtividade e economia, tendo como principal objetivo satisfação do cliente final. PALAVRAS-CHAVE: Estamparia de metais. Extrator. Molas. Cilindros de Nitrogênio. ABSTRACT This work will present the advantages of exchange process of compression springs by nitrogen cylinder in metal stamping tools, which are used to extract pieces of punchs or die. These components of the actuation force are the most important factor considered in this study, given that the nitrogen cylinder has great advantage over the spring with compelling performance and small change from the shift, unlike the spring that is mostly variation, which directly influences the stamping process and the quality of the part produced. The work was conceived from a visit to a metal stamping, the company Work Electro, located in Atibaia SP, which were collected the data for the preparation of this work, such as: tool setting to study, volume of produced pieces / month , tool life, component life, maintenance cost and production cost. As the chosen theme doesn’t have many options for consultation literature, interviews were conducted with employees of the company to collect data on the subject. The study was developed through design calculations based on drawings and standards, cost calculations based on estimates made with suppliers and through values informed by the company visited. The results show that the exchange of springs per cylinder is viable, since it can get great results on the quality of the part produced, lower cost of labor, reduced downtime and setup, variables that directly influence the final price of piece. This study can be used as a guide for branch companies that look for new technologies to the production process, in order to make profits by reducing costs. A process that can ensure productivity and economy, having as main objective the customer satisfaction. KEYWORDS: Stamping Metal.Extractor.Springs. Nitrogen Cylinder LISTA DE TABELAS Tabela 1 Denominação de Componentes e Materiais ....................................................... 9 Tabela 2 Valor de Tensão de Cisalhamento para Aço Laminado ................................ 28 Tabela 3 Ensaio de força x deslocamento de mola e cilindro ........................................ 35 Tabela 4 Catálogo Danly para escolha de molas ............................................................. 40 Tabela 5 Catálogo Special springs para escolha do cilindro .......................................... 43 Tabela 6 Comparação de todos os aspectos mensuráveis ............................................ 46 . LISTA DE FIGURAS Figura 1 Estampos por Corte ............................................................................................... 10 Figura 2 Principais componentes de uma Matriz ............................................................. 11 Figura 3 Deformação de tira de Aço ................................................................................... 12 Figura 4 Fases de Operação de Dobramento ................................................................... 13 Figura 5 - principais elementos de um Punção................................................................. 13 Figura 6 Plano de Tensão em uma Peça Repuxada ....................................................... 15 Figura 7 Esquema de Matriz para Estampagem Profunda ............................................. 16 Figura 8 Mola Helicoidal ....................................................................................................... 18 Figura 9 Cilindro de Nitrogênio ............................................................................................ 22 Figura 10 Comparação de cilindro com molas em relação ao espaço ......................... 22 Figura 11 Comparação de cilindro com molas em relação à altura .............................. 22 Figura 12 Comparação de cilindro com molas em relação à altas forças .................... 22 Figura 13 Comparação de cilindros com molas em relação ao controle de forças .... 22 Figura14 Prensa Mecânica.........................................................................................25 Figura 15 Prensa Hidráulica ................................................................................................. 25 Figura 16 Placa de Assento ................................................................................................. 29 Figura 17 Máquina de Ensaios ............................................................................................ 36 Figura 18 Ensaio com a Mola .............................................................................................. 36 Figura 19 Ensaio com o Cilindro ......................................................................................... 36 Figura 20 Ferramenta de Estampagem ............................................................................. 37 Figura 21 Ferramanta Explodida ......................................................................................... 37 Figura 22 Ferramenta Atuando com Mola ......................................................................... 38 Figura 23 Ferramenta Atuando com Cilindro .................................................................... 42 Figura 24 Gráfico de Comparação de forças ................................................................... 44 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997527 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997528 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997530 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997531 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997536 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997537 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997538 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997539 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997542 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997543 file:///F:/TCC/tcc%20em%20trabalho%2029.11.doc-FORMATADO.doc%23_Toc404997544 LISTA DE EQUAÇÕES (1) Força de Extração .................................................................................................. 7 (2) Esforço de corte Resistência ao Cisalhamento do Material ................................. 11 (3) Esforço de Corte Resistência Tração do Material ............................................... 12 (4) Tensão de Cisalhamento de Mola Helicoidal ....................................................... 18 (5) Fator de Wahl ...................................................................................................... 18 (6) Força de Corte ..................................................................................................... 30 (7) Constante Elástica ............................................................................................... 39 (8) Pay Back .............................................................................................................. 45../../../../../User/Desktop/tcc%20em%20trabalho%2001-12%20Final.doc#_Toc405633851 ../../../../../User/Desktop/tcc%20em%20trabalho%2001-12%20Final.doc#_Toc405633852 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 1 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................................... 3 2.1 Definição de processo de estampagem ...................................................................................... 3 2.2 Materiais utilizados no processo de estampagem ...................................................................... 4 2.3 Partes componentes de uma ferramenta de estampagem (estampo) .................................... 4 2.3.1 Bases ............................................................................................................................................ 4 2.3.2 Bucha guia.................................................................................................................................... 5 2.3.3 Colunas de guia ........................................................................................................................... 5 2.3.4 Machos ou punções .................................................................................................................... 6 2.3.5 Fêmea ou matriz .......................................................................................................................... 6 2.3.6 Guias ............................................................................................................................................. 6 2.3.7 Extratores ..................................................................................................................................... 7 2.3.8 Placa porta punção ...................................................................................................................... 7 2.3.9 Parafusos e pinos de fixação ..................................................................................................... 7 2.3.10 Denominação de componentes e materiais empregados para construção de ferramentas ............................................................................................................................................ 8 2.4 Operações fundamentais de estampagem ................................................................................. 9 2.4.1 Corte ............................................................................................................................................ 10 2.4.1.1 Peças obtidas por corte ......................................................................................................... 12 2.4.2 Dobra .......................................................................................................................................... 12 2.4.2.1 Peças obtidas por dobramento ............................................................................................. 14 2.4.3 Repuxo ....................................................................................................................................... 14 2.4.3.1 Peças obtidas por repuxo ...................................................................................................... 16 2.5 Função da mola no extrator ......................................................................................................... 16 2.5.1 Tipos de molas para acionamento do extrator ....................................................................... 17 2.5.2 Molas helicoidais de compressão ............................................................................................ 17 2.5.3 Molas de Plastiprene ................................................................................................................. 19 2.6 Cilindros de Nitrogênio ................................................................................................................. 20 2.6.1 Cilindros Controlados (inteligentes) ......................................................................................... 21 2.6.2 Cilindros SPC ............................................................................................................................. 21 2.6.3 Aplicação de cilindros em ferramentas de corte..................................................................... 23 2.7 Prensas .......................................................................................................................................... 24 3 METODOLOGIA ............................................................................................................................ 26 3.1 Materiais e métodos ..................................................................................................................... 26 3.1.2 Cálculos de força de corte ........................................................................................................ 28 3.1.2.1 Cálculo da força de corte aplicada a peça ........................................................................... 29 3.1.2.2 Calculando o perímetro para os furos (punções) ................................................................ 29 3.1.2.3 Força de corte para seis furos de 8,5 mm. .......................................................................... 30 3.1.2.4 Força de corte para oito furos de 11,00 mm. ..................................................................... 30 3.1.2.5 Calculando o perímetro para o contorno da placa .............................................................. 30 3.1.2.6 Força de corte para o contorno da peça .............................................................................. 31 3.1.2.7 Força total de corte ................................................................................................................. 31 3.1.3 Força de extração ...................................................................................................................... 31 3.2 Vantagens para o processo com uso de cilindros de nitrogênio ............................................. 32 3.3 Try out de ferramentas ................................................................................................................. 32 3.4 Produção: cilindros x molas ......................................................................................................... 33 3.5 Manutenção de ferramenta ou equipamentos .......................................................................... 33 3.6 Qualidade da peça produzida ..................................................................................................... 33 3.7 Aspectos econômicos da aplicação dos cilindros ..................................................................... 34 3.8 Estudo Força X Deslocamento Comparação Mola X Cilindro ................................................ 34 3.8.1 Ensaio de compressão ............................................................................................................. 36 3.9 Ferramenta de Estampagem ...................................................................................................... 37 3.9.1 Acionamento da ferramenta ..................................................................................................... 38 3.9.2 Ferramenta atuando com molas .............................................................................................. 38 3.9.3 Custo de manutenção com uso de molas .............................................................................. 41 3.9.4 Ferramenta atuando com cilindro ............................................................................................ 42 3.9.5 Custo de manutenção com uso de Cilindros .........................................................................43 4 RESULTADOS ................................................................................................................................ 44 4.1 Resultados obtidos no ensaio de comparação de forças de molas x cilindros. .................... 44 4.2 Payback do projeto ....................................................................................................................... 45 4.3 Resultados gerais da comparação de molas x cilindros em todos os aspectos mensuráveis analisados. ........................................................................................................................................... 46 5 CONCLUSÃO ................................................................................................................................. 47 6 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................... 48 1 1 INTRODUÇÃO Estamparia de metais é um processo no qual as chapas planas de metal são precisamente moldadas em uma prensa de estampagem. Materiais mais comumente utilizados no processo de estampagem de metal incluem o aço, alumínio, zinco, níquel, titânio, latão, cobre e uma série de ligas metálicas. As ferramentas de estampagem possuem várias partes, dentre elas o extrator, que será a parte da ferramenta analisada neste estudo. O extrator pode ser acionado por molas, sejam elas metálicas ou de plastiprene, almofadas e cilindros de nitrogênio. O objeto deste estudo será a substituição de molas de compressão por cilindro de nitrogênio e verificar a viabilidade desta troca. Muitas vantagens podem ser obtidas com essa troca, tais como: redução de manutenção, redução de mão de obra, aumento da produtividade etc., trazendo para a empresa um custo-benefício atrativo. A cada dia as empresas estão mais competitivas, buscando constantemente oferecer aos seus clientes melhor qualidade nos produtos, custos menores, inovação nos processos através de novas tecnologias. As estamparias são empresas que atuam principalmente no ramo automotivo, o que exige cada vez mais e mais inovação. Com base nesta necessidade, os especialistas no ramo procuraram desenvolver um método de extração de peças que tivesse maior vida útil dos componentes, evitando trocas e manutenções e que, consequentemente, melhorasse a qualidade do item estampado. Os cilindros de nitrogênio entraram no mercado com o propósito de resolver o problema acima apresentado. Inicialmente utilizado somente por grandes estamparias com ferramentas de altas tecnologias, atualmente são utilizados em diversas empresas, sendo que em algumas delas é requisito especifico em seus cadernos de encargos que as ferramentas sejam construídas com sistema de extração por cilindro de nitrogênio. Para elaboração deste trabalho serão utilizadas bibliografias sobre conformação de metais e elementos de máquinas; os principais autores adotados como bases para este trabalho são: Soler Alvaréz (Estampos I e II Protec), Osmar de Brito (estampos de corte), Egberto Franco, Jorge da Costa Lino (Estampagem dos aços), Shall Allen, Alfred R, Holowenko, Sherman G Laughlin (elementos orgânicos de máquinas), também websites de fabricantes como Danly, Prodty, Polimold, bem como websites de pesquisas. Os ensaios foram realizados na empresa Work Eletro, localizada em Atibaia, uma estamparia que fornece componentes para bancos de caminhões, ônibus, tratores e 2 empilhadeiras. Grande parte deste trabalho será escrita com base no conhecimento dos funcionários desta empresa: ferramenteiros, operadores de prensas, gerente de produção. Os ensaios dos componentes serão realizados no laboratório mecânico da Universidade São Francisco. Este trabalho será divido em cinco partes, os quais abordam uma revisão bibliográfica, metodologia, apresentação dos resultados e uma conclusão. Os resultados serão apresentados através de cálculos, gráficos e tabelas. 3 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 DEFINIÇÃO DE PROCESSO DE ESTAMPAGEM Estampagem é o processo de fabricação de peças, através do corte ou deformação de chapas em operação de prensagem geralmente a frio. Emprega-se a estampagem de chapas para se fabricar peças com paredes finas feitas de chapa ou fita de diversos metais e ligas. As operações de estampagem podem ser resumidas em três básicas: Corte Dobramento e encurvamento Estampagem profunda ou repuxo. Enquanto as estampagens em corte e dobramento são realizadas a frio, o repuxo ou estampagem profunda pode eventualmente ser a quente, dependendo da necessidade. [ 8 ] A estampagem da chapa pode ser simples, quando se executa uma só operação, ou combinada. Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricam-se peças de aço baixo carbono, aços: inoxidáveis, alumínio cobre e de diferentes ligas não ferrosas. Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para as grandes séries de peças, obtendo-se grandes vantagens, tais como: produção em série, custo baixo das peças, bom acabamento sem necessidade de posterior processo de usinagem, peças com grande resistência e o custo baixo do controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a detecção de desvios. [ 8 ] Como principal desvantagem deste processo, podemos destacar o alto custo do ferramental, que só pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada. 4 2.2 MATERIAIS UTILIZADOS NO PROCESSO DE ESTAMPAGEM São utilizados chapas finas laminadas a frio ou a quente, em formato de bobinas, blanks ou tiras, os principais materiais utilizados são: - Aço baixo carbono - Aços inoxidáveis - Ligas de alumínio-manganês - Ligas alumínio-magnésio - E o latão 70-30 O latão 70-30, que tem um dos melhores índices de estampabilidade, que 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 entre os materiais metálicos além do material outro fator que deve se considerar é a qualidade da chapa. Deve ser verificada, a composição química que deve ser controlada no processo de fabricação do aço, pois se a mesma estiver não conforme pode causar comportamento irregular do material durante a estampagem, as propriedades mecânicas, dureza e resistência a tração são de extrema importância na estampagem, determinados por meio de ensaios mecânicos que são fornecidos nos catálogos dos fabricantes juntamente com a composição química e padronizados através de normas, as especificações dimensionais para que não haja perca de material em forma retalho durante o processo, acabamento e aparência da superfície , que afeta diretamente no caso do material passar posteriormente por algum tratamento superficial; pintura, cromatização, galvanoplastia e etc. [ 8 ]. 2.3 PARTES COMPONENTES DE UMA FERRAMENTA DE ESTAMPAGEM 2.3.1 BASES O estampo propriamente dito, vai montado sobre bases, que não só facilitam a centralização correta da ferramenta, como também proporcionam a localização justa no 5 processo de trabalho. Estas bases, em número de duas por ferramenta, são montadas paralelamente, sendo uma fixa (base inferior) e outra móvel (base superior). O deslizamento de uma sobre a outra faz-se por intermédio de guias ou colunas. [1] Tendo em conta que a função da base é a sustentação do estampo, recomendado pelo autor para a construção o ferro fundido ou aço SAE-1010/1020. Qualquer um destes materiais reúne condições suficientes de resistência para seu fim, e seu baixo custo em relação a outros materiais, contribui para o barateamento da ferramenta. O emprego do aço de liga, de custo elevado, não somente aumentariadesnecessariamente o valor da ferramenta, como também resultaria perigo. [ 1 ] A normalização dos tamanhos das bases facilita sua intercambialidade, padronização e produção em série, reduzindo consequentemente seu custo. [ 1 ]. 2.3.2 BUCHA GUIA Este componente da ferramenta é basicamente, junto com a coluna, a responsável pelo paralelismo da ferramenta assim como o seu perfeito funcionamento. Esta peça é alojada na parte superior da ferramenta, por meio dos mais variados sistemas. A bucha deve ser de um material adequado para evitar o engripamento com a coluna ao ser movimentado a ferramenta na prensa em função do trabalho; por este motivo o autor recomenda o uso de bronze, fósforo, ou para ferramentas de alta produção SAE 8620 ou equivalente, cementado, temperado e retificado para o seu perfeito funcionamento. [ 1 ]. 2.3.3 COLUNAS DE GUIA O deslocamento da parte móvel da ferramenta (base superior) sobre a parte fixa (base inferior) efetua-se por intermédio de colunas de guia as quais ao mesmo tempo sustentam o conjunto da ferramenta. [ 1 ]. Uma extremidade da coluna é embutida a pressão fixa da ferramenta e a outra está ajustada para permitir o deslocamento da base móvel. [ 1 ]. Os princípios básicos das colunas são: Segurança na guia, fixação correta e impossibilidade de inversão das bases móvel e fixa. [ 1 ]. 6 2.3.4 MACHOS OU PUNÇÕES São órgãos móveis de corte da ferramenta, que adotam formatos diversos segundo a figura da peça que deseja se obter. [ 1 ]. Vão montados na placa porta-machos, encostados contra a placa de choque, devendo trabalhar absolutamente perpendicular à matriz. [ 1 ]. Em determinados casos, o perfil da peça, permite um tipo único de punção, mas às vezes, é melhor fazer o mesmo, de uma série de peças acopladas entre si, que em caso de ruptura, facilitam a remoção e troca da parte quebrada, sem necessidade de ter que construir um punção completo. [ 1 ]. 2.3.5 FÊMEA OU MATRIZ É a parte onde se encontra, entalhada com exatidão, a figura da peça que se deseja obter, sendo o elemento da ferramenta que suporta maior esforço, de toda a estrutura é a de maior responsabilidade. Geralmente monta-se na parte inferior da ferramenta, sobre um baseamento sólido que impeça qualquer falso movimento, sendo fixada ao mesmo tempo por parafusos e pinos. Sua superfície é lisa, sem rebarbas nem asperezas, devendo ser completamente paralelas. [ 1 ]. 2.3.6 GUIAS Para se conseguir um trabalho regular e eficiente de estampagem, o material a ser estampado deve ser conduzido na matriz, colocando-se para tal fim, à direita e esquerda das mesmas, guias constituídas por tiras de aço separadas entre si pela distância equivalente à largura do material a ser estampado. [ 1 ]. As guias além de guiar o material, servem para desprender a chapa do punção. [ 1 ]. 7 2.3.7 EXTRATORES Os punções tendem a arrastar consigo a chapa na qual penetram, provocando às vezes a sua própria ruptura. [ 1 ]. Este inconveniente se elimina por meio dos extratores ou separadores que na maioria dos casos, funcionam também como prensa-chapa ou sujeitadores que servem para impedir que a chapa se desloque durante a operação, mantendo a mesma presa firmemente pressionando-a. [ 1 ]. Os extratores podem ser acionados por barras, alavancas, molas helicoidais, molas prato, molas de plastiprene e cilindros de nitrogênio e podem ser aplicados aos punções ou as matrizes. [ 1 ]. A força de extração é extremamente importante para que o processo ocorra corretamente. [ 1 ]. A força de extração F ex deve ser 10% da força de estampagem F. FFex 1,0 2.3.8 PLACA PORTA PUNÇÃO Esta peça feita de aço tem por função fixar os punções no lugar certo e retira- los da matriz, quando a ferramenta abre. [ 1 ]. 2.3.9 PARAFUSOS E PINOS DE FIXAÇÃO Os parafusos e pinos de fixação servem para unir os vários elementos entre si e às respectivas bases. [ 2 ]. Os pinos além de servirem como elementos de referência e posicionamento, suportam grande parte dos esforços proveniente dos impactos operacionais. [ 2 ]. Os parafusos absorvem apenas uma pequena parte destes esforços. (1) 8 Os pinos devem ser superdimensionados, feitos de aço 1010/1020, cementados e retificados, nos casos de grande responsabilidade devem ser feitos de aço prata; um aço que possui 1,00% de tungstênio em sua composição, com alto teor de carbono 1,2%, aço de elevada temperabilidade, alta resistência mecânica e boa usinabilidade. [ 2 ]. Em geral os pinos e os parafusos são escolhidos com os mesmos diâmetros. 2.3.10 DENOMINAÇÃO DE COMPONENTES E MATERIAIS EMPREGADOS PARA CONSTRUÇÃO DE FERRAMENTAS A eficiência de uma ferramenta depende: 1º- de um bom projeto. 2º - Da escolha criteriosa dos materiais empregados na sua confecção. 3º- Do grau de acabamento e dos tratamentos dados aos seus elementos. Abaixo uma tabela de materiais para construção de componentes de uma ferramenta conforme sugerido pelo autor. [ 2 ]. 9 Tabela 1 Denominação de Componentes e Materiais Fonte: [2] 2.4 OPERAÇÕES FUNDAMENTAIS DE ESTAMPAGEM As operações fundamentais de estampagem são corte, dobra e repuxo. As operações de corte e dobra, são geralmente feitas a frio, enquanto o repuxo é feito a frio ou a quente, conforme o caso. [ 2 ]. As operações a frio ou a quente dependem da espessura e do tipo de material da chapa assim como a complexidade e tamanho da peça desejada. [ 2 ]. 10 Recorre-se ao processo a quente quando é necessário aumentar a plasticidade do material. “Peças complexas, em chapas de aço duro ou meio duro com espessura superior a ¼ ” devem ser estampados a quente. [ 2 ]. 2.4.1 CORTE O processo de estampagem por corte é usado na obtenção de formas geométricas em chapas por meio de uma ferramenta de corte, ou punção de corte, por intermédio de uma prensa exercendo pressão na chapa apoiada numa matriz. [ 3 ]. Na figura acima vemos como funciona o sistema de estampagem por corte. No momento em que o punção penetra na matriz converte o esforço de compressão em esforço de cisalhamento ocasionando o corte [d de diâmetro do punção e s de espessura da chapa]. Em chapas de aço temperado a relação s/d tem como valor máximo 1,2 o que significa que a espessura da chapa tem que ser menor ou igual ao diâmetro do punção. [ 3 ]. As figuras geométricas obtidas pelo corte podem ser usadas posteriormente na estampagem profunda. [ 3 ]. Figura 1 Estampos por Corte 11 A (Figura 2) acima mostra os componentes principais de uma matriz. O punção deve ter a secção conforme o contorno da peça desejada, do mesmo modo, a cavidade da matriz. [ 3 ]. É de extrema importância identificar o valor da folga entre o punção e a matriz, a qual depende da espessura da chapa a ser submetida e do tipo de material, duro ou mole. Quanto menor a espessura da chapa e o diâmetro do punção, menor a folga; e vice-versa. [ 3 ]. Usando a equação abaixo σc podemos descobrir o esforço de corte. Sendo: cePQ .. Q : esforço de corte, ou cisalhamento; kg. p : perímetro da figura; mm. e : espessura da chapa; mm. σc: resistência ao cisalhamento do material; kg/mm², Sendo σc = 0,75 de σt. t : resistência a tração do material; kg/mm² Ex.: Qual o esforço de cisalhamento num aço de 2 mm de espessura, a fim de se ter uma figura com 40 mm e com resistência a tensão de 60kg/mm²? (2) Figura 2 Principais componentes de uma Matriz 12 tepQ .75,0..(3) 60.75,0.2.40Q kgQ 3600 ou tQ 6,3 2.4.1.1 PEÇAS OBTIDAS POR CORTE Peças de computador, componentes de celular, gabinetes de CPU, componentes de televisões, componentes de cd player, dobradiças, modelos de aviões, réguas milimetradas, componentes internos de videogame, painel de fotos peças para a indústria automotiva e etc. [ 3 ]. 2.4.2 DOBRA Dobramento é uma ação mecânica que tem por objetivo, mudar a forma da peça conforme (Figura 3). Quando uma tensão é aplicada a um material, provoca uma deformação plástica. [ 4 ]. As deformações elásticas desaparecem uma vez cessadas a carga, enquanto que as deformações plásticas se conservam mesmo depois de eliminada a carga. [ 4 ]. Figura 3 Deformação de tira de Aço 13 A (Figura 4) abaixo mostra as fases de operações simples de dobramento: Nessas operações simples usam-se, para obtenção de elementos relativamente curtos, são usadas matrizes montadas em prensas de estampagem. (Figura 5), abaixo mostra os principais elementos de uma matriz. [ 4 ]. No dobramento os raios de curvatura e a elasticidade do material são os fatores mais importantes. Então se deve sempre evitar cantos vivos e fixar os raios de curvatura em 1 a 2 vezes a espessura em chapas moles, e de 3 a 4 vezes em chapas duras. [ 4 ]. Figura 5 - principais elementos de uma matriz Figura 4 Fases de Operação de Dobramento 14 É comum depois do dobramento, devido à elasticidade do material, que as chapas tendem a voltar a sua forma primitiva, sendo recomendado construir as matrizes com os ângulos mais acentuados e realizar a operação várias vezes em uma ou mais matrizes. [ 4 ]. 2.4.2.1 PEÇAS OBTIDAS POR DOBRAMENTO Gabinetes de CPU, gabinete de máquinas, trilhos de bancos automotivos, cantoneiras, e etc. 2.4.3 REPUXO A operação de repuxar consiste em obter-se um sólido, de forma qualquer, partindo-se de um desenvolvimento de chapa plana. [ 5 ]. O estudo do fluxo do material nesta operação é bastante complexo, pois aparecem estados duplos e triplos de tensão. [ 5 ]. As possibilidades de repuxar começam no limite elástico e terminam um pouco antes do limite de ruptura. Portanto, quanto maior for a diferença entre o limite elástico e o de ruptura, maiores serão as possibilidades de repuxar determinado aço,[ 5 ]. A chapa de aço para operações de repuxar deve ter um limite elástico baixo (18 a 21 kgf/mm²) uma carga de ruptura a mais elevada possível (35 a 42 kgf/mm²), com coeficiente de alongamento em torno de 33 a 45 %. [ 5 ]. Nesta operação, praticamente todo o volume da peça sofre tensões e é encruado, exceto o funda da peça, que serviu de apoio à face do punção. [ 5 ]. De forma geral, o encruamento melhora a qualidade do produto acabado. Por exemplo, partes de carrocerias de automóveis, onde são feitas deformações com a finalidade especifica de encruar a chapa, aumentando à resistência a ruptura, a deformações. [ 5 ]. Por outro lado, encruamento excessivos devem ser evitados, pois isso tornará a peça frágil. [ 5 ]. 15 Figura 6 Plano de Tensão em uma Peça Repuxada A (Figura 6), acima mostra as tensões a que está sujeita uma peça repuxada. Enquanto as paredes verticais estão sendo tracionadas, a área plana do desenvolvimento está tendo sua circunferência reduzida através da atuação de forças de compressão. [ 5 ]. Como geralmente, a chapa é fina, as forças de compressão tendem a flambar a chapa na zona plana, o que origina ondulações e rugas nesta área. Na (Figura 7), abaixo, um esquema de matriz para estampagem profunda (repuxo). O disco de embutir foi introduzido sobre peça de retenção ou fixação G. O punção A é fixado no porta-punção B e o conjunto é fixado na parte móvel ou cabeçote superior da prensa. Durante a deformação, o punção A, ao penetrar na matriz C, molda o objeto. [ 5 ]. Durante a penetração o mancal D é comprimido e comprime ao mesmo tempo a mola E. O mancal D impede a deformação irregular da chapa e o disco de retenção G garante um embutimento sem rugosidade. No fim, o punção A retrocede e o mancal D, sobe a ação da mola E, sobe e expulsa o objeto conformado. [ 5]. 16 Figura 7 Esquema de Matriz para Estampagem Profunda 2.4.3.1 PEÇAS OBTIDAS POR REPUXO Copos, panelas de pressão, frigideiras, lixeiras, caixas de relógio, instrumentos musicais, tanques de radiadores, cartuchos, componentes de carburador, portas para carros, caixas de roda, assoalho, carrocerias, painéis e etc. [ 5 ]. 2.5 FUNÇÃO DA MOLA NO EXTRATOR As molas em geral são utilizadas para amortecer os choques, armazenar energia, manter contato entre elementos de máquinas, controlar vibrações e muitas outras aplicações, [ 9 ]. No extrator, a função da mola é acionar o mesmo para extrair a peça da matriz, a mola pode estar contida no interior do punção se mesmo tiver extrator embutido ou pode estar aplicados à matrizes, quando a peça encontra a mola durante a operação, a mesma comprime-se. No retrocesso do punção, a mola volta ao seu comprimento inicial, extraindo a peça da matriz. [ 9 ]. 17 Quando uma carga axial é aplicada, a mola sofre uma deformação que tende a alongá- la ou encurtá-la, dependendo do sentido. Esta deformação é denominada flecha. [ 9 ]. As molas tradicionais (helicoidais), apesar de sofrer um ajuste de fábrica, devem ser montadas sempre carregamento adicional para afastar as espiras. Mas podem também ser produzidos extratores com molas de plastiprene sob a forma de tarugos e vantagens tais como durabilidade maior capacidade de suportar cargas altas e fácil montagem. Mas com vantagem sobre as molas anteriores, estão os cilindros de nitrogênio, que serão explicados a seguir. [ 9 ]. 2.5.1 TIPOS DE MOLAS PARA ACIONAMENTO DO EXTRATOR 2.5.2 MOLAS HELICOIDAIS DE COMPRESSÃO As molas helicoidais são geralmente feitas de arame de seção transversal circular e retangular de aço cromo-vanadium, desgaseificado à vácuo, produzidas mediante especificações de cada fabricante. Estas molas estão sujeitas a tensões de cisalhamento por torção e esforço cortante. Existem ainda as tensões devidas ao efeito da curvatura. A fim de se levar em conta os efeitos do esforço cortante e da curvatura, multiplica-se a tensão de torção (cisalhamento) por um fator K , chamado fator de Wahl. [ 6 ]. A tensão cisalhante induzida em uma mola helicoidal devida a um esforço axial F é dada por: 18 Figura 8 Mola Helicoidal 23 8.8. d FCK d FDK c (4) Onde: c = Tensão Cisalhante total, psi. D = Diâmetro médio da mola; Pol. K = fator de Wahl. que representa a tensão de cisalhamento resultante da primavera curvatura).Resultante da seguinte equação. C C K .2 1.2 (5) F = Força axial, lb. d = Diâmetro do arame, pol. C = D/d - Chamado “índice de mola”; 19 Para escolher a mola ideal para o projeto é necessário calcular a constante elástica(R) da mola conforme força solicitada em projeto. [12].X L R ou XT P R 2.5.3 MOLAS DE PRASTIPRENE Estas molas, apresentadas sob forma de tarugos de poliuretano sólido, estão substituindo com vantagens, as molas de aço convencionais usadas em ferramentaria. [ 6 ]. Seu bom funcionamento deve-se à resistência aos óleos, à flexibilidade e à extraordinária capacidade de suportar cargas. As vantagens são as seguintes: Não quebram de imprevisto; Possuem longa durabilidade; Desenvolvem altas pressões, mesmo com pequeno curso; São de fácil montagem nas ferramentas; Ocupam menos espaço (alojamento mais simples); Diminuem o custo de manutenção; Reduzem paradas na produção e prolongam a vida das ferramentas devido à possibilidade de distribuição regular, além disso, são facilmente usinadas (torneadas, furadas e serradas) para as medidas desejadas, permitindo ao construtor de ferramentas ter sempre disponível a medida exata para cada caso específico. [ 6 ]. 20 2.6 CILINDROS DE NITROGÊNIO É um cilindro autônomo que é preenchido com gás que trabalha como uma mola. O gás usado é o Nitrogênio convencional (N2) inócuo e inofensivo para o meio ambiente. A pressão do gás atua dentro do cilindro como uma mola a gás e todos os componentes, proporcionando a haste e o pistão com força de resistência. A haste do embolo é introduzida com um movimento de mola para dentro do corpo do cilindro. O volume do gás dentro do corpo é reduzido proporcionalmente para promover o curso de movimentação. Ao término da pressão de acionamento, a pressão do gás, devolve a haste a sua posição original. [ 10 ]. Os Cilindros de Nitrogênio (figura 9.0) são a alternativa ideal para um projeto bem sucedido, indispensável na estampagem de peças que necessitam de qualidade e precisão. A utilização de cilindros possibilita maior durabilidade, construção mais compacta da ferramenta e seus componentes além da redução de paradas para eventuais manutenções proporcionando maior produtividade. Há ainda outros benefícios e resultados que podem ser obtidos com a utilização dos Cilindros de Nitrogênio: • Espaço Redução notável da superfície ocupada (Figura 10); • Redução da altura da ferramenta e do volume ocupado (Figura 11); • Eliminação de dispositivos de pré-carrega e guia; • Notável redução da relação altura x força x curso; • Eliminação da pré-carrega, com maiores capacidades (Figura 12); • Maior facilidade de aplicação; • Controle das forças de contato (Figura 13); • Posicionamento exato da força na ferramenta; • Possibilidades de visualização contínua da pressão; • Melhor controle dos materiais durante a fase de formação e de cunhagem; • Adaptação dos cilindros às forças realmente necessárias; • Utilização do mesmo cilindro em diferentes trabalhos. Aplicáveis a ferramentas em geral, sujeitadores, extratores, levantadores de tiras e destacadores. [ 10 ]. 21 2.6.1 CILINDROS CONTROLADOS (INTELIGENTES) Os cilindros com retardo foram desenvolvidos para utilização específica, ou seja, quando houver necessidade de manter o cilindro fechado no fim do curso, fazemos um retardo no retorno do mesmo, para evitar danificar uma dobra, flange. Caso necessite que os cilindros se abram depois da ferramenta aberta, esses cilindros receberão um sinal pneumático após a operação. [ 10 ]. São muito usados para repuxo negativo, evitando a utilização de pinos de ar, o que permite utilizar a ferramenta em prensas que não possuem pinos de ar, sendo que a abertura é regulada conforme necessidade. Podem ser abertos a qualquer momento a partir do ponto de 180º (graus) da prensa. [ 10 ]. 2.6.2 CILINDROS SPC São cilindros com controle de velocidade (SPC). Esses cilindros foram desenvolvidos para solucionar um problema que a maioria das ferramentas possuem trepidação do prensa-chapas e excesso de barulho. Como eles trabalham com uma regulagem no início e no fim do curso, a trepidação deixa de existir e os barulhos dos cilindros reduzem em um percentual de mais de 50%, comparada as peças convencionais. [ 10 ]. Outra característica fundamental é que devido os primeiros milímetros funcionarem como amortecedor o desgaste da prensa diminui muito a manutenção, pois o ponto de contato extremamente forte entre a prensa e os cilindros deixa de existir. [ 10 ]. 22 Figura 9 Cilindro de Nitrogênio Figura 11 Comparação de cilindro com molas em relação à altura Figura 10 Comparação de cilindro com molas em relação ao espaço Figura 12 Comparação de cilindro com molas em relação à altas forças Figura 13 Comparação de cilindros com molas em relação ao controle de forças 23 2.6.3 APLICAÇÃO DE CILINDROS EM FERRAMENTAS DE CORTE Nos processos de corte, a força sobre o sujeitador, associada com a folga de corte, constitui os fatores mais importantes para a boa qualidade da superfície cortada. A aplicação mais usual de cilindros dá-se nos extratores, onde as forças são altas e os espaços para instalação de molas são às vezes limitados. [ 10 ]. Uma aplicação em ferramenta de corte bastante utilizada é de cilindros instalados entre as bases da ferramenta, suportando e abrindo a parte superior da ferramenta de modo que esta não necessite ser fixada ao martelo da prensa. Esta aplicação é bastante útil quando o curso do martelo for grande, ou as condições de guia do martelo não forem muito boas, apresentando as seguintes vantagens. [ 10 ]. Melhora significativa na vida útil dos aços e outros componentes da ferramenta, uma vez que a parte superior estará sempre guiada nas colunas mesmo com a ferramenta aberta, mantendo sempre o alinhamento entre punção e matriz. [ 10 ]. Melhora na qualidade do corte da peça, mantendo-se em melhores condições a folga entre punção e matriz, pois esta aplicação elimina consequências da folga do martelo da prensa sobre a ferramenta. [ 10 ]. Melhora das condições de manutenção da prensa, pois os esforços desbalanceados da ferramenta não são transferidos para o martelo. [ 10 ]. Redução do nível de ruído, quando os cilindros estão devidamente ajustados para tal. [ 10 ]. Melhora no tempo de troca de ferramenta, uma vez que a fixação é efetuada somente pela parte inferior. [ 10 ]. 24 2.7 PRENSAS As prensas são máquinas usadas no trabalho de estampagem de metais em chapas e distinguem em prensas mecânicas e hidráulicas. Para definir uma prensa é preciso conhecer suas características: O tipo; Força máxima em toneladas e trabalho; Percursos; Distância entre mesa e cabeçote; Potência do motor; Dimensões externas; Prensas mecânicas excêntricas conforme (Figura 14) são prensas com acionamento do tipo manivela, ou seja, biela e são de simples operação. Porém as velocidades são fixas durante a subida e decida do martelo. Dependendo da aplicação a prensa poderá ser projetada para executar um processo específico ou até mesmo ser uma máquina de uso geral, sua função excêntrica é transferir uma força e movimento para uma ferramenta com intuito de conformar a peça. [ 11 ]. Prensas hidráulicas trata-se de uma máquina industrial que usa pressão hidráulica a fim de exercer força sobre um objeto, força essa que não pode ser alcançada usando prensas pneumáticas ou prensas mecânicas. Há tipos diferentes de prensas hidráulicas cada uma com seu próprio conjunto de aplicações como por exemplos as prensas em formato C e formato H, chamados de C-frame e H-frame.[ 11 ]. A C-frame são utilizadas em: formação, retificação, corte, perfuração e desenho e podem ser operadas manualmente ou automaticamente e ocupam menor espaço, já as prensas H-frame são utilizadas para fazer frisos, dobras, perfurações e cortes e o que a difere e o seu formato em H. [ 11 ]. As prensas hidráulicas (Figura 15) são acionadas por cilindros hidráulicos que fornecem força através da pressão do fluido, sua forma básica é composta por um conjunto de cilindros, pistões, também chamados de socos, hidráulicos e bigornas construídos em aço inoxidável e multitarefa. [ 11 ]. 25 Figura 14 Prensa Mecânica Figura 15 Prensa Hidráulica 26 3 METODOLOGIA 3.1 MATERIAIS E MÉTODOS Os dados para elaboração deste trabalho serão colhidos em uma Indústria Metalúrgica e com foco em estamparia tendo como principais clientes a cadeia de fornecedores da indústria automotiva. Será realizado um estudo trocando molas de compressão por cilindros de nitrogênio em uma ferramenta de estampagem, de corte que é uma das operações de fabricação de uma placa de assento. As especificações serão consultadas nos catálogos dos fabricantes de molas e cilindros e serão retiradas dos livros específicos que serão citados nas referências bibliográficas. Outros dados serão colhidos na empresa através de experimentos realizados em chão de fábrica e informações passadas pelos funcionários da empresa. Abaixo segue os recursos que serão utilizados e os estudos que serão realizados. Materiais Utilizados: Mola marca Danly de cor amarela designada para cargas extra-pesada com capacidade 840 daN; Prensa hidráulica com capacidade de 250 toneladas; Chapas de aço laminado a frio SAE 1006 com espessura 1,5 mm; Ferramenta de estampagem de único estágio; Cilindro de nitrogênio marca Special Springs com capacidade 4271 daN; Máquina de ensaio de tração/compressão da Universidade São Francisco. 27 Estudos realizados: Tempo de set up; Custo da mola x custo do cilindro; Tempo de vida útil (ciclos) da mola x vida útil do cilindro; Qualidade da peça final produzida com molas x produzidas com cilindro; Rentabilidade para a empresa obtida pela troca de molas por cilindros. Após realização dos estudos os resultados serão apresentados através de cálculos, gráficos e tabelas. No dia 01/08/14, foi realizada uma visita à empresa Work Eletro localizada na cidade de Atibaia-SP, uma estamparia voltada para produção de peças automotivas, onde a ferramenta estudada neste trabalho se encontra. A ferramenta em questão é de corte de um único estágio para produção de placa de assento que utiliza como material chapa laminada a frio SAE 1006 com espessura de 1,5 mm. Essa placa de assento também possui operação de dobra o qual não será estudado neste trabalho. Para realizar a operação de corte; 14 furos sendo 8 furos com diâmetro de 11 mm e 6 furos com diâmetro de 8,5mm e recorte lateral (conf. figura), são necessários os seguintes parâmetros conforme especificação da empresa Work Eletro; Força de corte: 72-111 Toneladas Curso do martelo 72 mm Lubrificação das partes cortantes e colunas com óleo SAE30 Conforme dados relatados pelos representantes da empresa esta ferramenta possui uma vida útil de 1000.000 ciclos, portanto produzirá 1000.000 peças antes de sofrer uma revitalização. 28 3.1.2 CALCULO DE FORÇA DE CORTE Conforme estampos ll pro-tec o cálculo de força de corte é: Fc = Perímetro do punção de corte x Espessura x Tensão de Cisalhamento O qual: Fc - kg (Força de Corte) P - mm (Perímetro) e - mm (Espessura) c - 2mm kg (Tensão de Cisalhamento) A tensão de cisalhamento utilizada nos cálculos segue conforme tabela de valores de Tc para cada material (estampos ll pro-tec pg. 12.02), retirado apenas os valores de aço laminado. [ 1 ]. Tabela 2 Valor de Tensão de Cisalhamento para Aço Laminado Fonte [1] Recozido Cru 0,1%C 25 kg/mm² 32 kg/mm² 0,2%C 32 kg/mm² 40 kg/mm² 0,3%C 36 kg/mm² 48 kg/mm² Aço Laminado 0,4%C 45 kg/mm² 56 kg/mm² 0,6%C 56 kg/mm² 72 kg/mm² 0,8%C 72 kg/mm² 90 kg/mm² 1,0% C 80 kg/mm² 105 kg/mm² Inoxidáveis 52 kg/mm² 60 kg/mm² Silício 45 kg/mm² 56 kg/mm² 29 Para o cálculo da força de corte da peça em estudo neste trabalho placa de assento (Figura 16), serão utilizados 32 kg/mm². Figura 16 Placa de Assento 3.1.2.1 CALCULO DE FORÇA DE CORTE APLICADO A PEÇA Para calcular a força de corte primeiramente será necessário encontrar os perímetros de punção e contorno da peça. 3.1.2.2 CALCULANDO O PERIMETRO PARA OS FUROS (PUNÇÕES) Punção de corte: ᶲ8,5 = π* D = π*8,5 = 25,13 mm Punção de corte: ᶲ11,0 = π* D = π*11 = 34,56 mm 30 3.1.2.3 FORÇA DE CORTE PARA SEIS FUROS DE 8,5 mm. cePFc .. (6) Fc = 25,13 x 1,5 x 32 = 1206,24kgf Será necessário 1206,24 kgf para cada furo. Portanto para seis furos serão necessários; 7.237,44 kgf. 3.1.2.4 FORÇA DE CORTE PARA OITO FUROS DE 11,00 mm. Fc = P. e. c Fc =34,56 x 1,5 x 32 = 1658,88kgf Será necessário 1658,88 kgf. Para cada furo de 11 mm. Portanto para oito furos serão necessários: 13.271,04 kgf. 3.1.2.5 CALCULANDO O PERIMETRO PARA CONTORNO DA PLACA Raio 66 mm (2X, pois, são dois raios com a mesma dimensão) = 66 x 2 x = 414,69 mm, porém é utilizado 19 % do raio para cálculo do perímetro, então: 414,69 x 0,1944 = 80,6mm x 2 = 161,2mm Raio 72 mm = 72 x 2 x = 452,39mm 452,39 x 0,1944 = 88,00mm Raio 80 mm = 80 x 2 x = 502,65mm 502,65 x 0,1944 = 97,7mm Valores lineares: 292,6 / 297,1 / 354,3 / 373,9 mm 31 Perímetro total: 1664,80mm 3.1.2.6 FORÇA DE CORTE PARA O CONTORNO DA PEÇA Fc = kgfxx 40,79910325,180,664 3.1.2.7 FORÇA TOTAL DE CORTE Fct kgf89,10041840,7991004,1327144,237.7 A força de corte total deve ser considerada a força de compressão nos sistema de extração que pode ser molas ou cilindros de nitrogênio. Desta forma acrescenta-se 10% a força de corte total: Assim a força total será: 110.460,78 kgf. 3.1.3 FORÇA DE EXTRAÇÃO Conforme (Protec estampos II) a fórmula para calcular a força de extração é: Fe=10% das forças que serão exercidas, neste caso 10% da força de corte. A força de extração é a força necessária que o extrator necessita para expulsar a peça que devido ao atrito fica presa no punção ou na matriz. O sistema de extração pode ter como elementos molas, cilindros de nitrogênio ou almofadas. Na ferramenta em estudo, seu projeto inicial é com molas o qual será substituído por cilindros com o objetivo de obter algumas vantagens para o processo. 32 3.2 VANTAGENS PARA O PROCESSO COM USO DE CILINDROS DE NITROGÊNIO. Segundo a empresa Prodty, a pressão exercida no processamento de uma peça estampada, é a variável mais importante que ocorre, seja numa operação de repuxo, dobra e corte. A aplicação dos cilindros de nitrogênio vem tendo um crescimento de aplicação, por oferecer soluções para melhorar o custo, e principalmente a qualidade de produção de peças estampadas. A principal característica dos cilindros de nitrogênio é ser um sistema compactode alta força e pressão regulável. Suas vantagens são: Sistema compacto: Mais força em menor espaço, por trabalhar a pressões de até 150 bar. Pressão ajustável: Facilmente regulável que viabiliza processos e agiliza “try-out”. Vários cursos disponíveis: Poderão ser fornecidos cursos de até 300mm. Pressão quase constante: A variação da força inicial/final do curso pode ser controlada. Redução do fator de fadiga: Reduz o grande problema de fadiga das molas de compressão. Alta velocidade de trabalho: Possibilidade de atuar em velocidades de trabalho de até 35 m/min. 3.3 TRY OUT DE FERRAMENTAS Corresponde ao ajuste das ferramentas até a obtenção de peças de boa qualidade para aprovação ou validação do processo. A principal variável do processo de estampar é o controle de força aplicada sobre a chapa, e a utilização de 33 molas dificulta condições de ajuste dessa força. O uso de cilindros facilita a possibilidade de regulagem da pressão aplicada sobre a chapa em processos, reduz substancialmente o tempo de “try-out” ou ajuste, principalmente para as peças críticas. 3.4 PRODUÇÃO: CILINDROS X MOLAS A utilização de molas apresenta o fator de fadiga que vai prejudicando a qualidade das peças ao longo das produções, até que a mesma seja inaceitável, quando então as molas são trocadas. A vida útil das molas é muito limitada, variando conforme o fator de pré-aperto, curso utilizado dentre outros, quando não ocorrem quebras. A análise do custo dessas trocas é normalmente feita pelo custo de aquisição, sendo o custo do trabalho para se trocar as molas maior e eventualmente feito durante as produções com a máquina parada. A vida útil do cilindro é de aproximadamente 2 000.000 de ciclos, evitando trocas, manutenção e máquina parada. 3.5 MANUTENÇÃO DE FERRAMENTAS OU EQUIPAMENTOS O uso de cilindros representa reduções de custos significativas na manutenção, pelos fatores descritos acima e outros. Os cilindros ao contrário das molas não requerem pré-aperto, evitando acidentes como os que podem ocorrer quando se desmonta um sujeitador, um carrinho de cunha sem os devidos cuidados. 3.6 QUALIDADE DA PEÇA PRODUZIDA Visando a qualidade, diversas empresas, compradoras de peças estampadas, exigem a utilização de cilindros nas ferramentas, pois a qualidade das peças estampadas é muito melhor quando se tem meios de controlar a força exercida sobre a peça em conformação, os cilindros de nitrogênio apresentam consistência nas forças aplicadas durante as produções. 34 3.7 ASPECTOS ECONÔMICOS DA APLICAÇÃO DOS CILINDROS. Além dos benefícios técnicos, a utilização de cilindros resulta também em vários benefícios econômicos, na maioria dos casos, eles justificam a utilização. Maior vida útil, sendo este fator econômico mais representativo; Ferramentas mais simples, pois se eliminam caixas de molas, molas sobrepostas ou placas de transferência de força; Redução no tempo de ajustes de ferramentas decorrente da possibilidade de regulagem da pressão, principalmente nos casos de ferramentas progressivas com vários repuxos; Ferramentas mais compactas, resultando em menor custo de material e mão de obra e utilização de prensas menores. Redução de paradas de prensas, decorrentes da facilidade de ajustes na pressão do sistema com nitrogênio; Maior amplitude de uso das prensas, pois com a utilização de cilindros pode-se obter repuxos complexos mesmo em prensa de simples efeito; Melhora no tempo de troca de ferramenta, uma vez que a fixação é efetuada somente pela parte inferior. 3.8 ESTUDO FORÇA X DESLOCAMENTO COMPARAÇÃO MOLA X CILINDRO Foi realizado estudo de diferença de forças de atuação pelo deslocamento, utilizando a máquina de ensaios universal da Universidade São Francisco campus de Itatiba. Conforme (Figura17) No módulo de compressão foi realizado o ensaio com a mola e em seguida com o cilindro, um deslocamento foi aplicado, e a força obtida era registrada. O objetivo deste estudo é mostrar qual dos dois componentes apresenta menor variação de força no mesmo deslocamento e o quanto o cilindro possui mais força quando acionado do que a mola. 35 Em um deslocamento de 16 mm a mola apresentou uma variação de força de 395 kgf, enquanto o cilindro com o mesmo deslocamento apresentou uma variação 131 kgf. Os valores encontrados serão apresentados graficamente nos resultados no capítulo 4. Tabela 3 Ensaio de Força x Deslocamento de Mola e Cilindro Deslocamento (mm) 0 1 3 5 8 10 12 14 16 Força Mola (Kgf) 0 18 61 113 189 242 298 354 413 Força Cilindro N2 (Kgf) 0 375 387 401 428 443 462 482 506 36 3.8.1 ENSAIO DE COMPRESSÃO Figura 19 Ensaio com o Cilindro Figura 17 Máquina de Ensaios Figura 18 Ensaio com a Mola Mola Figura 19 Ensaio da Mola 37 3.9 FERRAMENTA DE ESTAMPAGEM Figura 20 Ferramenta de Estampagem Figura 21 Ferramenta Explodida 38 A (Figura 20) é uma ferramenta de estampagem de uma placa de assento de bancos de empilhadeira. A peça precisa de dois estágios de estampo; corte e dobra, porém neste trabalho será apresentado apenas a ferramenta de corte, objeto de nosso estudo. Esta ferramenta segundo a empresa Work tem uma vida útil de 1000.000 de ciclos, depois de terminado a vida útil uma revitalização deve ser feita na ferramenta ou uma ferramenta nova deve ser construída. Para se obter uma ferramenta de estampagem são necessários processos de fundição, usinagem, tratamento térmico, pintura e montagem. 3.9.1 ACIONAMENTO DA FERRAMENTA Para a ferramenta realizar o trabalho esperado é necessário utilizar uma prensa, a empresa Work proprietária da ferramenta utiliza uma prensa de 250 ton. conforme cálculo da (Equação 6), atende ao solicitado, pois o projeto requer uma força de corte de 110 toneladas para estampar a peça. 3.9.2 FERRAMENTA ATUANDO COM MOLAS Figura 22 Ferramenta Atuando com Mola 39 A ferramenta em estudo trabalha com 10 molas de compressão para cargas extra pesadas do fabricante MDL (Danly). Com as seguintes especificações Diâmetro do furo: 40 mm Comprimento livre: 51 mm Constante elástica: 56 daN para comprimir 1 mm. Curso máximo de trabalho: Carga-714 daN; curso 13 mm Compressão total: Carga-840 daN; curso 15 mm. As especificações foram retiradas do catálogo do fabricante conforme mostrado na (Tabela 3), abaixo; As definições destas especificações foram retiradas com base nos cálculos de força de corte (Equação 6), o qual define que a mola necessita de 10 % da força de corte, 10.041,89 kgf, entretanto, a empresa Work Eletro utiliza 8% da força de corte 8.033,51 kgf devido a chapa ser fina 1,5mm e a operação de corte ser relativamente simples. Cálculo da constante elástica da mola. X L R ou XT P R (7) Como o projeto possui especificado a força ( P) , será utilizado a segunda equação: Oqual: L=Carga inicial; daN. R = Constante elástica; kgf/mm. P = carga para comprimir T+X; daN. 40 T = Curso de trabalho; mm. X = Compressão inicial (pré - carga) 20% de T . mm kgf R 88,557 315 89,041.10 Todos os cálculos até o momento foram realizados em kgf, porém tanto a mola quanto o cilindro utilizam a unidade daN (decaNewton), desta forma será necessário converter as unidades. Convertendo: mmdaNxx 728,541081,9883,557 Com base no valor de constante elástica obtida acima, conclui-se que a mola ideal será de código do catálogo do fabricante: 9-2408-36, conforme mostrado na tabela abaixo. Tabela 4 Catálogo Danly para escolha de Molas Fonte [12] 41 3.9.3 CUSTO DE MANUTENÇÃO COM USO DE MOLAS As molas são muito empregadas em projetos de ferramenta, pois são acessíveis e relativamente de baixo custo. Conforme orçamento em anexo (Apêndice B) do fornecedor Máquinas Danly LTDA, cada mola custa R$ 43,70 Porem existe desvantagens no uso das mesmas. O tempo de vida útil de uma mola para esta aplicação é aproximadamente quatro meses, 10.000 ciclos, (se não houver danos, mal uso que venha a quebrar a mola) conforme informação da empresa Work são estampadas 2.500 peças/mês. Quando chega ao fim da vida útil ou a mola sofre algum dano, a mesma precisa ser trocada e será necessário um tempo de manutenção para essa troca de 02h30min. O custo para a troca da mola será R$ 187,50, sendo o custo por hora de ferramentaria R$ 75,00. O custo de horas paradas na produção para realizar a manutenção será: R$ 150,00, sendo o custo de hora parada nesta empresa R$ 60,00. O custo das 10 molas em cada troca será R$ 473,00. Portanto o custo total da manutenção para troca das molas será R$ 810,50 a cada manutenção, por ano será gasto com manutenção de molas R$ 3.242.00. Como a vida útil da ferramenta é por volta de 1.000.000 de ciclos, portanto será gasto com manutenção com o uso de molas R$ 81.050,00. 42 3.9.4 FERRAMENTA ATUANDO COM CILINDROS Figura 23 Ferramenta Atuando com Cilindro Serão utilizados cilindros do fabricante Special Springs com as seguintes especificações: Comprimento livre ou curso Máximo de trabalho (Cu) 19mm Força inicial (F0) 2385,00 daN Força final (F1) 4271,00 daN Serão substituídas 10 molas por 4 cilindros conforme (Figura 23), posicionados de forma a evitar desbalanceamento da ferramenta. Cada mola conforme mostrado na tabela do fabricante possui uma carga de 840 daN. O cilindro por sua vez possui 4.271daN, portanto 4 molas que teriam uma força de 3.360daN, serão substituídas por 1 cilindro, gerando assim uma forma total de atuação na ferramenta de 17.084 daN, enquanto a mola geraria uma força de 8.400daN.Esse aumento de força resulta em um menor desgaste da prensa que fará menos esforço para realizar a operação de estampagem. O cilindro compatível é o código: RV 2400 - 019 – A, conforme tabela abaixo. 43 Tabela 5 Catálogo Special springs para escolha do cilindro Fonte [13] 3.9.5 CUSTO DE MANUTENÇÃO COM USO DE CILINDROS Conforme orçamento em anexo (Apêndice C) do fornecedor Polimold, cada cilindro custa R$770,00, neste caso para 4 cilindros será gasto R$ 3.080,00. A vida útil de um cilindro conforme informações do fabricante e relato de usuários chegam a ser maior que 2.000.000 de ciclos, o que se comparado com a mola, tem vida útil 200 vezes maior. Com a utilização de cilindros a empresa evita transtornos de manutenção o qual teria com a utilização de molas: horas de ferramentaria, parada de produção, compra de componentes, etc. Se a vida útil da ferramenta em questão é 1.000.000 de ciclos, conclui que o cilindro dura toda a vida útil da ferramenta sem trocas, somente se houver danos ao mesmo será necessária a troca e ainda terá vida útil para ser usado em outra ferramenta de mesma configuração, desta forma com o uso do cilindro é possível confirmar que a empresa pode economizar somente em manutenção R$ 20.000,00 por ferramenta. 44 4 RESULTADOS 4.1 RESULTADOS OBTIDOS NO ENSAIO DE COMPARAÇÃO DE FORÇAS DE MOLAS X CILINDROS. Tabela 6 Ensaio de Força x Deslocamento de Mola e Cilindro Deslocamento (mm) 0 1 3 5 8 10 12 14 16 Força Mola (Kgf) 0 18 61 113 189 242 298 354 413 Força Cilindro N2 (Kgf) 0 375 387 401 428 443 462 482 506 Os valores obtidos após o ensaios estão expressos no gráfico da (Figura 24) Figura 24 Gráfico de Comparação de Forças 45 4.2 PAYBACK DO PROJETO Com os cálculos de custo de manutenção, custo de componentes e horas de produção paradas conclui-se que o uso de molas gera para a empresa um custo anual de R$ 3.242,00. Para realizar a troca de molas por cilindro será gasto apenas o valor dos cilindros, pois o tempo de troca será o mesmo; R$ 3.080,00. Ao longo do período de vida útil da ferramenta, a empresa irá economizar R$ 77.970,00 que será o custo que a mesma teria com uso de molas R$ 81.050,00 - R$ 3.080,00 do custo do cilindro. Com essa economia a empresa poderá investir em novas tecnologias e em melhorias do processo para obter mais rentabilidade com seus produtos. Calculando o Payback tem-se o seguinte resultado. Custo do cilindro por ciclo ciclo R$002,0 00,2000000 00,3080 Custo do cilindro por mês mês R mês ciclosx $85,32500002,0 Custo do cilindro por ano ano Rmesesx $2,461285,3 (8) Payback diasdiasx R R 5365014,0 00,242.3$ 2,46$ Em cinco dias trabalhados a empresa pagará o custo dos quatro cilindros. 46 4.3 RESULTADOS GERAIS DA COMPARAÇÃO DE MOLAS X CILINDROS EM TODOS OS ASPECTOS MENSURAVEIS ANALISADOS. Tabela 7 comparação todos os aspectos mensuráveis PARÂMETROS MOLA CILINDRO Viabilidade Força de atuação 840 daN 4271 daN Variação de força em atuação 395 kgf/16 mm 131kgf/16 mm Curso de trabalho 15 mm 19 mm Vida útil 10.000 ciclos 2.000.000 ciclos Quantidade 10 por ferramenta 4 por ferramenta Custo do componente R$ 43,70 R$ 770,00 Custo de manutenção R$ 3.242,00/ano R$ 0,00 Força total de atuação na ferramenta 8.400 daN 17.084 daN 47 5 CONCLUSÃO Este trabalho teve por objetivo analisar a viabilidade do processo de troca de molas de compressão por cilindros de nitrogênio. Fisicamente conclui-se que o cilindro obtém vantagens sobre a mola nos aspectos: redução de espaço na superfície ocupada, maior força de atuação, pressão quase constante, redução do fator de fadiga, maior vida útil, eliminação de gastos com manutenção e melhor qualidade da peça produzida. É necessário um investimento por parte da empresa para implantação dos cilindros, pois o custo dos mesmos é aproximadamente 18 vezes maior que o custo de molas, porém este custo é pago em 5 dias o qual se comprovou no cálculo de payback. A empresa deixa de gastar aproximadamente R$ 3.242,00 por ano com manutenções e horas de produção paradas. Após todos os estudos realizados pode-se concluir que é viável este processo, pois o custo benefício foi comprovado através dos resultados, tendo como variável mais importante a vida útil dos componentes, foi comprovado que cilindro possui vida útil 200 vezes maior que a mola. Todos os objetivos propostos no início deste trabalho foram alcançados, os resultados apresentados podem ser utilizados como base para análise de empresas que procuram
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