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Manufatura de Chapas Metálicas Dobramento Prof. Paulo Marcondes, PhD. DEMEC / UFPR O que é dobramento ? Dobramento é usualmente definido como “a deformação plástica de uma chapa metálica ao longo de uma linha reta". Na maioria dos casos, tem-se uma deformação plana localizada na linha da dobra. Alguns exemplos das peças manufaturadas por dobramento. Dobramento (Bending) Variáveis de dobramento Dobramento • Estiramento (alongamento trativo na superfície externa) • Compressão paralela (superfície interna) • Linha neutra (comprimento original) Símbolos e terminologia do dobramento Ri : Raio interno de dobramento Ro: Raio externo de dobramento Rm: Raio de meia superfície Rp: Raio de punção Rd: Raio de matriz C: Folga Wd: Abertura meia matriz Rn: Raio neutro de dobramento circular T: Espessura da chapa : Ângulo de dobramento s: Ângulo de ‘Springback’ H: Altura da matriz Dobramento reto Variáveis: Espessura da chapa Raio e ângulo de dobramento Módulo elástico Fratura por deformação do material Considerações de processo: ‘Springback’ Fissura ou rachamento A deformação é confinada na região de dobramento Matriz de deslizamento (Flanging): Frequentemente usado com estampagem. Comum na indústria automotiva. Dobramento reto Dobramento plano: A beirada da chapa é presa e dobrada para cima. Dobramento em prensa e matriz tipo V: A folha desliza na matriz e o atrito pode influenciar o processo. Dobramento reto DOBRAMENTO CURVO CURVATURA – CALANDRAS A curvatura cilíndrica ou cônica é obtida por meio de calandras. DOBRAMENTO CURVO Outras variedades de dobramento: • Enrolamento (curling) • Recravamento e agrafamento (hemming) • Flangeamento (flanging) •Repuxamento (spinning) Outras variedades de dobramento Dobramento por enrolamento Princípio de design de matriz para enrolamento interno Dobramento Design de matriz para enrolamento Dobramento Dobramento (recravamento / agrafamento) Matriz de agrafamento (hemming die) Dobramento Tipos de agrafamento Dobramento Dobramento por flangeamento Dobramento por repuxamento Processo de repuxo de chapas MATRIZ DISCO PRODUTO BASTÃO Dobramento em rolos (‘Roll Forming’): Processo contínuo para produzir, calhas, tubos, perfis. Pode apresentar rachadura, ondulamento e ‘springback’. Dobramento em rolos Dobramento em rolos: vários estágios Dobramento Deformação ocorre nas flanges. Superfície pode ondular Superfície pode rachar Dobramento em Canal (Channel Bending) Com excessão de casos especiais, a deformação se estende além da linha de dobramento. Encolhimento da flange: Superfície pode se curvar. Estiramento da flange: A superfície pode separar. Caso especial: superfícies de curvatura iguais ou opostas. Dobramento curvo Passo a passo da fabricação de uma peça usando 20 rolos (diagrama em flor). Dobramento Nervuramento Aumentar a rigidez de chapas finas através de nervuramento. Elementos de chapa dobrada têm amplas aplicações nas construções mecânicas, em especial, onde o fator leveza é primordial. Os perfis laminados são substituídos, quando necessário e possível, por elementos de chapa dobrada. A execução destes perfis em geral é feita nas dobradeiras, porém, quando os elementos forem relativamente curtos ou com conformação especial, são executados vantajosamente por meio de matrizes e prensas. Dobramento Dobramento em Dobradeiras Dobramento por giro Dobramento em dobradeira (por giro) DOBRAMENTO PROGRESSIVO DOBRAMENTO PROGRESSIVO Matriz de enrolamento Matriz de dobramento de caixa Matriz de selamento e entrosamento DOBRAMENTO PROGRESSIVO Dobramento Em matriz No dobramento livre (air bending), não há nenhuma necessidade mudar nenhum equipamento ou ferramenta para obter ângulos de dobra diferentes porque os ângulos da curvatura são determinados pelo curso do punção. Dobramento livre (air bending) Dobramento livre (air bending) As forças requeridas para dar forma às peças são relativamente pequenas, mas o controle exato do curso do punção é necessário para obter o ângulo desejado da curvatura. No dobramento em V( V-bending), a folga entre o punção e a matriz é constante (igual à espessura da chapa). A espessura da chapa varia de aproximadamente 0.5 a 25 milímetros. Dobramento em V (V bending) Dobramento em matriz tipo U (U-die bending) é feito em dois eixos paralelos de dobramento na mesma operação. Uma almofada é usada para forçar o contato da chapa com o fundo do punção. Para a almofada pressionar a chapa se requer aproximadamente 30% da força de dobra. Dobramento em matriz tipo U (U-die bending) Dobramento em matriz de deslizamento (Wiping die bending) é conhecido também como flangeamento (Flanging). Uma borda da chapa é dobrada a 90 graus enquanto a outra extremidade é contida pelo próprio material e pela força do prensa chapas/almofada (blankholder/pad). Dobramento em matriz de deslizamento (Wiping die bending) Dobramento em matriz de deslizamento (Wiping die bending) O comprimento da flange pode facilmente ser mudado e o ângulo da curvatura pode ser controlado pela posição do curso do punção. No dobramento com deformação plástica (Coining), a tensão compressiva é aplicada à região de dobra para aumentar a quantidade de deformação plástica. Isto reduz a quantidade de springback. Dobramento com ressalto na ponta do punção para deformação plástica (Coining) No dobramento de fundo (Bottom bending), o springback é reduzido ajustando a posição final do punção tal que a folga entre o punção e a superfície da matriz é menor do que a espessura da chapa. Em conseqüência, o escoamento do material é ligeiramente menor e se reduz o springback. Dobramento de fundo (Bottom bending) Dobramento de fundo (Bottom bending) Na dobra de fundo se requer consideravelmente uma maior força (aproximadamente 50%~60% a mais) do que no dobramento livre. A dobra em matriz dupla (Double die bending) pode ser vista como duas operações de deslizamento (wiping operation) que agem na chapa uma após a outra. A dobra em matriz dupla pode aumentar o endurecimento por deformação reduzindo o springback. Dobramento em ferramenta dupla (Double die bending) Dobramento giratório (Rotary bending) é o processo de dobramento usando um balancim ao invéz de um punção. As vantagens são: a) Não necessita de blankholder b) Há uma compensação do springback pelo sobredobramento c) Requer uma força menor d) Pode dobrar com mais de 90 graus Dobramento giratório (Rotary bending) Dobramento giratório (Rotary bending) Para aplicações industriais, as seguintes predições são cruciais durante o projeto • Controle da forma e da qualidade da parte curvada – molejo de retorno (springback), tensões residuais (residual stresses), enrugamento (wrinkling) e/ou rachamento (splitting) • Avaliação da capacidade de dobramento (Bendability) (que determina o raio mínimo de curvatura sem fratura) • A predição de forças de dobra Springback (Retorno Elástico, Molejo de Retorno) Springback é definido como a recuperação elástica do material após descarregar as ferramentas. Springback resulta em uma mudança dimensional na peça curvada. Limites elásticos no dobramento simples Dobramento Tensões residuais nachapa metálica Dobramento Bendability é o menor raio de curvatura alcançado sem falha pode ser melhorada aquecendo-se ou por aplicação da pressão hidrostática. As rachaduras podem também ser eliminadas induzindo uma tensão de compressão no sentido de dobra. A capacidade de dobramento em chapas finas é mais elevado do que em chapas grossas. As chapas finas estão sujeitas a rachar geralmente nas bordas, quando as chapas grossas tenderem a rachar no centro. Capacidade de dobramento (Bendability) Capacidade de dobramento (Bendability) Diagrama do raio mínimo Raio de dobramento mínimo (ri min) para dobramentos em ângulos menores que 120° Dobramento Raio de dobramento mínimo para aço baixo carbono e aço baixa liga (in. e mm) Dobramento Raio de dobramento mínimo para aço inóx austenítico Dobramento Raio para dobramento a frio de alumínio em 90 graus Dobramento Raio mínimo para dobramento de ligas de cobre Dobramento Raio para dobramento de ligas de magnésio em várias temperaturas Dobramento Raio mínimo de dobramento para tubos de magnésio Dobramento Efeito da espessura da chapa no raio mínimo de dobramento para ligas de alumínio tratadas termicamente Dobramento Efeito do comprimento de dobramento na ductilidade Dobramento Diminuição na espessura com o aumento na curvatura (L/T é a relação de comprimento por espessura) Dobramento Efeito da condição da superfície de corte no raio mínimo de dobramento para ligas de alumínio Dobramento Efeito da altura da rebarba na conformabilidade Dobramento Nas operações de dobra deverão ser evitados os cantos vivos, pois é imprudente executar raios de curvatura internos inferiores à espessura da chapa; as fibras externas seriam tracionadas e o material acabaria rasgando. O raio mínimo de dobra depende do material e da espessura da chapa, em que: Em geral aconselha-se fazer: Dobramento Raio mínimo de dobramento Onde t: espessura da chapa Rmin: raio mínimo de dobramento r: redução em área (%) para um dado material em teste de tração. Na zona de deformação a mecânica da deformação da chapa metálica deve ser considerada. Fatores de influência: 1. Deformação 2. Tensão 3. Momento de dobramento 4. Descarregamento e springback 5. Avaliação do springback e carregamento de conformação Propriedades mecânicas Modos de deformação em uma operação típica de dobramento livre em chapa metálica. Propriedades mecânicas Distribuição de tensão para um material elástico, perfeitamente plástico a medida que a tensão é aplicada. 1 1 1 S SS 1 Bending only Tension increases, strip elastic Elastic- plastic Fully plastic, no moment Efeito da tensão • Controle do ponto de escoamento • Endireitamento por deformação em rolos • Efeito do momento de tensão e ‘springback’ Dobramento e envelhecimento de chapas O ponto de escoamento superior e alongamento no ponto de escoamento pode ser controlada por: • Laminação de encruamento • Aplicação de tensão para endireitamento • Endireitamento em rolos Stress Strain YPE Esses processos podem diminuir a tensão de escoamento. Controle do ponto de escoamento Laminação de encruamento : • Leve laminação a frio pode causar 1% de deformação e modificar a rugosidade da superfície. • Envelhecimento natural para ocorrer subsequentemente. Tensão para endireitamento: • Cria uma estrutura heterogênea de células no material deformado e não deformado. • Torma resitente ao envelhecimento natural. • A superfície tende a se tornar mais rugosa. Controle do ponto de escoamento Endireitamento em rolos: • Causa deformações por dobramento cíclicas na chapa criando uma distribuição mais uniforme das discordâncias não barradas e algum encruamento na chapa. • A rugosidade da superfície é levemente alterada e o endireitamento da chapa é melhorado. • O material pode re-envelhecer com o tempo. • O processo é frequentemente combinado com lubrificação. Controle do ponto de escoamento Endireitador de rolos com 13 rolos Dobramento Dobramento alternado Dobramento Deformação no endireitamento em rolos: • A chapa não se conforma junto aos rolos, então que o raio de dobramento, R, é maior que o raio dos rolos. • O raio de dobramento dependerá do sistema. • A deformação de dobramento dependerá inversamente do raio de dobramento, i.e. de t/R. • A quantia de encruamento dependerá da deformação por ciclo e do número de rolos. Controle do ponto de escoamento Dobramento e o Retorno Elástico Em general, os fabricantes estão interessados nas dimensões finais dos produtos; conseqüentemente, o ângulo após descarregar é o parâmetro principal a controlar no dobramento. Os principais métodos para reduzir o springback ou controlar o ângulo descarregado da curvatura pode ser: a,b,e: Sobredobramento para compensação (Over bending) c: Ressalto na ponta do punção deformação plástica (Coining after bending) d: Dobramento de fundo (Bottoming) Dobramento Dobramento / retorno elástico Dobramento Devido a todos os materiais terem um modulo de elasticidade finito, a deformação plástica é seguida pela recuperação elástica após a remoção da carga. Retorno Elástico No dobramento, a recuperação elástica é o springback. Retorno Elástico Retorno Elástico Depois do dobramento, teremos um retorno elástico em algum grau, dependendo das propriedades da geometria e do material. A equação do springback é: Cálculo do ‘springback’ Onde Rf: Raio de dobramento após o springback RI: Raio de dobramento antes do springback Sy: Tensão de escoamento do material E: Módulo de elasticidade do material T: Espessura do material As variáveis do ângulo de Springback são: D = f(Rp, Rd, W, q, T, E, K, n, eo, Rm) Onde D : ângulo de Springback Rp: raio de punção Rd: raio de matriz W: largura da matriz : ângulo de dobramento T: espessura E: Modulo de Young's e0: coeficiente de Pre-deformação K: coeficiente de resistência n: coeficiente de encruamento Rm: raio de meia superfície Dobramento y b a 2 t 2 t Distribuição da tensão Dobramento e distribuição da tensão Tensão residual Com: a1: ângulo da matriz (ângulo de dobramento requerido) [°], a2 : ângulo desejado na peça (depois do ‘springback’) [°], s: espessura da chapa[mm], ri1 : raio interno da matriz [mm], ri2 : raio interno da peça[mm]. Fator de ‘springback’ kR Springback para dobramento reto (90 graus) para aço baixo carbono acalmado ao alumínio com folga zero de deslizamento (wiping) Dobramento Dados de springback para ligas de alumínio e aço austenítico Dobramento Dados de springback para aços austeníticos tratados termicamente Dobramento Springback em graus permitido para dobramentos em 90 graus em alumínio 2024-O e 7075-O. Dobramento Springback para dobramento de alumínio em outros ângulos que não 90 graus Dobramento Springback permitido para dobramentos de aluminio em 90 graus Dobramento Deformação da chapa metálica e springback durante o dobramento por flangeamento Dobramento Algumas das operações de dobramento e flangeamento são conduzidas em prensa mecânica ou hidráulica. Por exemplo, quando se usa matrizes progressivas ou em operações de estampagem, a ação de dobra é integrada no trabalho feito comas ferramentas que atuaram pela ação do pistão da prensa. Entretanto, no general, o dobramento livre é feito em uma prensa especial, chamada de prensa de dobramento (press brake). Equipamentos Geralmente três tipos de equipamentos são usados: • Prensa mecânica de dobramento (Mechanical Press brake ) • Prensa hidráulica de dobramento (Hydraulic press brake ) • Prensa hidráulica-mecânica de dobramento (Hydro-Mechanical press brake ) Equipamentos Cada tipo tem suas próprias características especiais e uso. As capacidades das prensas são estabelecidas pela tonelagem requerida para dobramento livre a 90 graus para aço de médio carbono (413 MPa de tensão de resistência) sobre uma ferramenta fêmea que tem uma abertura de aproximadamente oito vezes a espessura da chapa. No dobramento de materiais como alumínio e o bronze macio, as exigências de tonelagem são muito mais baixas do que aquela para o aço desde que a carga requerida da prensa é uma função da tensão de resistência do material. Equipamentos Um prensa mecânica usa um motor, um volante e excêntrico para converter o movimento giratório do motor e do volante em um movimento vertical para o punção/cilindro da prensa. Equipamentos Vantagem: A alta velocidade de rotação do volante permite um grande número ciclos por o minuto. Quando o volante se aproxima do fim de curso, tem freqüentemente força o suficiente para deslocar as ferramentas com a força além da capacidade especificada da prensa. Desvantagem: no ponto inferior exato, a potência da prensa alcança grande capacidade e é limitada somente pela capacidade da estrutura do equipamento. Operações de dobramento com deformação plástica (coining) com alta tonelagem podem causar danos na ferramenta e/ou travar a prensa no ponto morto inferior. Equipamentos A prensa hidráulica utiliza um motor e uma bomba para deslocar o óleo hidráulico no alto do cilindro para exercer a pressão e mover o punção/cilindro da prensa. A tonelagem da prensa hidráulica é diretamente proporcional à pressão de óleo e à área do pistão sobre a pressão. Equipamentos Vantagem: A velocidade do punção pode ser facilmente controlada ajustando o fluxo do óleo. Desvantagem: Comparado com a prensa mecânica, oferece poucos ciclos por o minuto, e nenhuma potencialidade de tonelagem adicional. Equipamentos Na prensa hidráulica-mecânica um único cilindro hidráulico aciona um sistema mecânico para dobrar. Este projeto fornece a tonelagem total em qualquer ponto na mesa, assegura o movimento paralelo da cilindro não obstante o carregamento descentralizado e rende +/- 0,025 mm (0.001“) de repetibilidade. Equipamentos Na prática ângulos de dobramento entre 0 e 90 graus podem ser facilmente obtidos. Para ângulos de dobramentos maiores ferramentas adicionais incluindo mecanismo de cames mecânicos podem ser necessários. Produtos Produtos Dobramento não é somente usado para produzir geometrias funcionais tais como bordas, flanges, curvas, emendas e corrugação, mas também para aumentar a rigidez das peças aumentando o momento secional transversal de inércia. Aspectos ambientais e de segurança Idealmente, os lubrificantes usados para dar forma a chapa de metal devem ser recicláveis e o processo não deve causar ruído prejudicial aos ouvidos do ser humano. Existem quatro tipos de condições da lubrificação no dobramento a) filme fluído, b) limite, c) sólida e d) atrito seco No dobramento de chapas metálicas o atrito não tem muito efeito no processo. Geralmente, o coeficiente de atrito é aproximadamente 0.06 a 0.1. Lubrificação / Interface Regras gerais de projeto de peças dobradas ou enroladas 1- O raio de dobramento ou de enrolamento deve ser apropriado. Regras gerais de projeto de peças dobradas ou enroladas 2- Os lados da parte de dobrar devem ser normais à linha de dobramento. Cuidados para reduzir as solicitações do material e das ferramentas Regras gerais de projeto de peças dobradas ou enroladas 3- A altura mínima dos rebordos não deve ser inferior a duas vezes a espessura da chapa, mais o raio de dobramento. Regras gerais de projeto de peças dobradas ou enroladas 4- Furos e entalhes puncionados no recorte devem manter uma distância apropriada da linha de dobramento. Regras gerais de projeto de peças dobradas ou enroladas 5- No enrolamento exige-se que a rebarba fique para o lado interno e que a peça se prolongue tangencialmente ao olhal. Regras gerais de projeto de peças dobradas ou enroladas 6- Aumentar a rigidez de chapas finas através de nervuramento. Posição da linha neutra em peças dobradas Desenvolvimento das peças dobradas VALORES PRÁTICOS Para cálculos menos, precisos a Uddeholm sugere: No caso de serem executadas várias dobras numa única operação, o estampo devera ser confeccionado de forma a executar primeiramente a dobra central, permitindo o livre escorregamento da chapa, e depois as dobras laterais, gradativamente. CONSELHOS E ARTIFÍCIOS Entalhe para auxiliar no dobramento CONSELHOS E ARTIFÍCIOS CONSELHOS E ARTIFÍCIOS • As chapas duras deverão ser dobradas com ferramentas de quinas (r = 0,2e) e à baixa velocidade. • Os cantos vivos somente poderão ser obtidos com materiais macios. • A resistência das peças dobradas pode ser aumentada por meio de nervuras. CONSELHOS E ARTIFÍCIOS NERVURAS DE REFORÇO CONSELHOS E ARTIFÍCIOS É aconselhável separar as partes dobradas das partes retas com pequenos entalhes. Entalhamento de alívio para dobramento em ângulo reto Dobramento CONSELHOS E ARTIFÍCIOS No caso de dobra de chapa furada, para que os furos não fiquem ovalizados, devemos respeitar o seguinte: Se a dobra for em curva, aconselha-se estampar duas peças juntas por vez e depois separa-lás por meio de corte. Assim evitam-se escorregamentos irregulares. Entalhes podem previnir a separação do material na flange estirada durante o dobramento Dobramento Efeito das condições de paralelismo da prensa e matriz para o dobramento de uma peça em forma de U Dobramento Uso de inserto de material de alta resistência ao desgaste: A) Reduzir o desgaste do prensa chapas. B) Coining a borda da flange para controlar o springback. Dobramento DOBRA E CURVA COM MATRIZES DE BORRACHA Os sistemas tradicionais de punção e matriz de aço são pesados e caros, porque requerem precisão e não permitem variação da espessura da chapa. Atualmente com a produção de Borrachas Poliuretânicas, que são muito resistentes; a abrasão, a ruptura por compressão, aos óleos, ácidos, etc. O punção A é de aço. A matriz B é de borracha. As matrizes são de borracha uretânica, colocadas na caixa C, com a folga f, que permite a expansão da borracha. No fim da operação a borracha volta ao seu estado normal e extrai a peça dobrada. DOBRA E CURVA COM MATRIZES DE BORRACHA Estampos de curva Os elementos destes estampos são iguais ao exemplo acima. Desejando-se uma curvatura exata colocam-se enxertos de aço D. Estampos de dobrar SEQUÊNCIA DAS OPERAÇÕES Matrizes utilizando poliuretano como matriz inferior DOBRA E CURVA COM MATRIZES DE BORRACHA Matriz de flangeamento com bloco de poliuretano como prensa chapas Dobramento Conformação de tubos pequenos Dobramento Conformação de cilindro em um estágio Conformação de cilindro em dois estágios 1 1 Achatamento Dobramento de tubos 1 1Initial Residual Stress After Relaxation Curvature change Dobramento de tubos / endireitamento Bend Unbend Residual Stress Dobramento de tubos / seção quadrada Aços para ferramenta Dobramento Referências bibliográficas Altan, T., (1999). Conformação de Metais: Fundamentos e Aplicações, Publicação EESC-USP, São Carlos/SP. Altan, T., (1999). OSU/IWSE 894A. Class lecture. Benson, S., (1997). Press Brake Technology, SME. Bhupatiraju,M. K., Shivpuri,R., Altan, T., (1994). An Investigation of Bending Angle and Springback Control in Straight Line Bending ERC/NSM, Report No: ERC/NSM-S-94-13. Costa, H. B. e Mira, F. M., (1987). Apostila – Processos de Conformação: Conformação Mecânica dos Metais, Florianópolis/SC. Duncan, J.L., Marciniak Z., (1991). The Mechanics of Sheet Metal Forming, Edward Amold. Kalpakjian, S., (1997). Manufacturing Processes for Engineering Materials, wesley. Lange, K., 1986, Handbook of Metal Forming, McGraw-Hill. Schuler, (1998). Metal Forming Handbook, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Society of Manufacturing Engineers, (1990). Die Design Hanbbook, SME - Society of Manufacturing Engineers. Tufekci, S. S., Wang, C. T., Kinzel, G. L., Altan, T., (1994). Experimental Determination of Strains and Forces in Stretch and Shrink Flanging Operations, ERC/NSM, Report No: ERC/NSM-S-94-07. Paulo Victor Prestes Marcondes - Possui pós-doutorado pela Universidade de Deakin, em Geelong, na Australia (2007) e Universidades da California em San Diego (1996) e Pennsylvania (1996) nos EUA. Obteve seu doutoramento em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Santa Catarina e Universidade de Birmingham na Inglaterra (1995). Obteve o mestrado em Engenharia Mecânica (1991) e a graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Santa Catarina (1989). Atualmente é professor associado I da Universidade Federal do Paraná atuando na graduação e pós-graduação (mestrado e doutorado) do Departamento de Engenharia Mecânica. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em Conformação Mecânica, atuando principalmente nas áreas de conformação de chapas, ferramentas de conformação (matrizes e moldes) e simulação computacional.
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