aula3_Máquinas Para Conformação Mecânica_Projeto_de_volantes_Mecanismo_de_prensa

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Prof. Sérgio Rabelo
Máquinas Ferramentas
Máquinas para Conformação Mecânica. Prensas mecânicas 
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Introdução
 Existem 3 classes básicas de máquinas para conformação 
mecânica:
 Martelos: utilizam a energia cinética da ferramenta para realizar 
o trabalho necessário.
 Prensas Mecânicas: O cabeçote é conduzido através de um 
mecanismo até atingir a posição final do deslocamento.
 Prensas Hidráulicas: Atuadores hidráulicos movem o cabeçote e 
realizam a força necessária para realização do trabalho de 
conformação.
2
https://youtu.be/C4jxdDaoc3U
https://youtu.be/x1tDW5kBVXE
https://youtu.be/Egg2kJ3p3mI
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Esquemas Básicos
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Martelos
 O princípio dos martelos é baseado na geração de 
energia cinética do martelo, normalmente conectado a 
parte superior da matriz.
 Este pode ser acelerado por ação da gravidade ou por um 
atuador pneumático de alto impacto.
 Características:
 Classificados por peso (500 – 18000 kgf)
 Usados preferencialmente com matriz fechada
 Posição final não definida
 Trabalho realizado em golpes repetidos
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Esquemas de 
Martelos
Ação gravitacional
Ar pressurizado
Contra-martelo
P1 = 70 MPa
P2 = 1500 MPa
Alta energia
(HERF)
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Prensas Mecânicas
 Nas prensas mecânicas, um mecanismo (parafuso de 
movimento, biela-manivela, pinhão-cremalheira, camos 
etc.) é responsável pelo movimento linear do cabeçote 
que contém a matriz.
 É comum o uso de volantes de inércia para minimizar o 
torque necessário no motor elétrico.
 São largamente utilizadas na indústria em peças de 
pequeno porte pela sua grande capacidade de produção.
 Características:
 Classificadas por força (3 – 80 MN)
 Várias capacidades de produção em golpes/min (30 – 100 gpm)
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Mecanismos para Prensas Mecânicas
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Prensas Hidráulicas
 Neste caso, a força necessária para o trabalho de 
conformação entre punção e matriz é produzida por um 
atuador hidráulico, montado na parte superior da 
máquina.
 A força é um parâmetro bem controlado no processo
 A estrutura deve ser rígida o suficiente para suportar as 
tensões derivadas do processo.
 Aplicação comum em processos de extrusão e 
embutimento.
 Características:
 Classificadas por força (2 – 500 MN)
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Esquema de uma Prensa Hidráulica
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Variação da Força com o deslocamento
 Forjamento livre: a força cresce com área da peça. 
Dependendo da relação h/D, um trabalho redudante 
(atrito) podem ter um papel relevante. O trabalho total 
pode ser calculado pela área sobre a curva F – x
 Forjamento em matriz fechada: A força cresce a medida 
que a matriz é preenchida e há um aumento súbito na 
formação da rebarba.
 Extrusão direta e indireta: A força é praticamente 
constante ao longo do deslocamento. O trabalho é feio 
por prensas hidráulicas.
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Variação da Força com o deslocamento
 Dobramento: A força cresce ao longo do curso, e 
especialmente ao final onde há forte contato.
 Corte: A força cresce repentinamente quando o 
deslocamento atinge o instante que o material cisalha, e 
então cai repentinamente, quando o material se destaca.
 Embutimento: A força cresce e decresce durante o curso.
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Forca 
x deslocamento
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Exemplo de Cálculo
 Trabalho realizado por um Martelo de Forjamento com 
Ar comprimido
 Dados: 
 Diâmetro do êmbolo = d1 = 500 mm
 Curso do êmbolo = l0 = 300 mm
 Altura inicial da massa = l1 = 1200 mm
 Diâmetro do blank = d2 = 180 mm
 Altura do blank = h = 60 mm
 Massa do martelo = m = 2500 kg
 Pressão do ar = 700 KPa
 Tensão de escoamento do material = 200 MPa
  = 0.15 e k =1,4
 Determine o valor h (redução de altura) para 1 golpe.
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Esquema
1200 mmd2
h
l1
l0
d1
p0
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Exemplo de Cálculo
 Dados adicionais
 p.Vk = cte
 Trabalho de expansão do gás:
 Energia potencial: 
 Força no forjamento livre:
=
1
0
V
V
a pdVE
mghEp =






+=
h
d
AF ..
3
1
1.. 
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Introdução ao volantes
 O volante é um elemento de máquina utilizado para 
suavizar as variações de velocidade de um eixo, causadas 
por variações de torque. Tais variações são típicas em 
máquinas de conformação.
 O volante pode então armazenar energia cinética, quando 
acelerado e retorna energia ao sistema, quando 
necessário, reduzindo sua rotação.
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Aspectos Construtivos
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Cálculo do Momento de Inércia
 Disco cilíndrico vazado
 Mas:
 Logo: r i
r o
t
)(
2
22
iom rr
m
I +=
g
trr
g
V
g
W
m i ).( 22
0 −
===

trr
g
I iom )(
2
44 −=

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Variação de Energia num Sistema
 2. lei de Newton para sistemas 
em rotação:
 Mas:
 Integrando-se:
Motor
Volante
 = mIT
TL
Tm
mmL ITT =−





 ..
d
d
dt
d
d
d
dt
d
===
)(
2
)( 2
min
2  −=− máx
m
mL
I
dTT
Im
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Determinação da Inércia do Volante
 Fator de flutuação ou grau de irregularidade (Cf)
 m = velocidade angular média
 Para uma função harmônica, podemos escrever:







 −
=
m
máx
fC

 min
2
min

+
= máx
m
Cf varia de 1 a 5 % em máquinas
de precisão e até 20% em
Máquinas de conformação
Determinação da Inércia do Volante
 Energia cinética armazenada no volante:
)(
2
2
min
2  −= máx
m
c
I
E
))((
2
minmin  +−= máxmáx
m
c
I
E
)2)((
2
mmf
m
c C
I
E =
2
mf
c
m
C
E
I

=
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Tensões em volantes
 Tensão tangencial (t):
 Tensão radial (r):












+
+
−++




 +
= 2
2
22
22
2
3
31
.
8
3
)( r
r
rr
rr
g
r oi
oit









−−+




 +
= 2
2
22
22
2
.
8
3
)( r
r
rr
rr
g
r oi
oir


oi rrr 
t
r
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Exercício
 Uma volante é utilizado numa transmissão de uma prensa 
excêntrica conforme mostrado no esquema. Dado o ciclo 
de carga, pede-se:
 Calcule o coeficiente de flutuação do equipamento. Este valor 
é adequado ? Caso fosse muito elevado, qual seria sua 
recomendação ?
 Determine a tensão tangencial que age no ponto crítico do 
volante. Qual sua opinião sobre a segurança do projeto, quanto 
as tensões inerciais ? Estas são relevantes neste caso ?
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Esquema
F(kN)
E=2520 J
300
embreagem
motor
Transmissão
por polias e
correias
volante
Di Do
z
t
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Dados
 Máquina:
 Prensa excêntrica
 nm = rotação do motor = 1200 rpm
 Diâmetro da polia menor = 180 mm
 Volante:
 Material: aço 
  = massa específica = 7,8 g/cm3
  = coeficiente de Poisson = 0,28
 Do = Diâmetro externo = 720 mm
 Di = Diâmetro interno = 480 mm
 t = espessura = 125 mm
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Arquitetura da prensa
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1 – estrutura
2 – válvula
3 e 5 - Embreagem e Freio
6 – eixo excêntrico
7 – ajuste de curso
8 – ajuste de posição
9 – dispositivo limitador de força
10 – cabeçote
11 – Fixador
Sistema de transmissão
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Mecanismo de ajuste de curso
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1 – porca
2 – anel de grampo
3 – bucha excêntrica
4 – Pino elástico
Mecanismo de barras do cabeçote 
 Sistema de oito 
barras
 Dupla ação
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Calculo do deslocamento da guia
 Esquema básico
AB
L r

x
L+r
L-r
B = ponto morto inferior
A = ponto morto superior
 = r/L = relação biela manivela
u
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Calculo do deslocamento da guia
)11()cos1(
11cos :Como
)cos1(cos
:Logo
 Então
 Mas
)(coscos
2
2
2
2
2














−−−−=






−=−=
−−−=
==
==
−−−=






sen
L
r
Lrx
sen
L
r
sen
Lrrx
sensen
L
r
sen
Lsenrsenu
rLrLx
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Cálculo da velocidade da guia
 Fazendo-se:
 Obtém-se a velocidade da guia, calculando-se sua derivada:
dt
dx
v x=
60
2 n
 = n = rotação em 
rpm
t =



2
2
2
1
cos..
sen
L
r
sen
L
r
senrv x






−
−=
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Exemplo
 Assumindo
 r = 1 m,  = 1 e r/L = 0.3
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Forças e Torques na prensa
 Relação de transmissão no mecanismo (i):
 Supondo que não há perdas:
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r
v
i x

=
x
x
v
T
FFvT
FdxdT



==
=
.
: tem se-ndoDiferencia
. Observe que no 
PMI, a força 
tende a valor 
infinito, portanto 
a força nominal 
não deve ser 
excedida 
Exemplo
 Prensa excêntrica:
 Curso = 100 mm
 Capacidade de 600 kN
  = 0.3
 Máxima força pode ser utilizada até 6 mm antes do PMI
 x = 94 mm →T = 1.612 .104 N.m
 x = 90 mm → F = 477 kN
 x = 97 mm → F = 832 kN
 Observe que a capacidade nominal da prensa é excedida
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Exercício
 Para uma prensa mecânica, cujo mecanismo biela manivela 
é dado a seguir, pede-se:
 r = 250 mm
 L = 900 mm
 n = 100 rpm
 A posição x do mecanismo quando =170
 A velocidade do punção neste instante.
 O torque necessário na manivela quando o mecanismo 
está cortando um disco de aço de 1,5 mm de espessura e 
40 mm de diâmetro. 
 Sut = 550 MPa
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