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ESTAMPAGEM PROFUNDA E ESTIRAMENTO Paulo Cesar Yera Siqueira Vinicius Marques de Oliveira Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas 1 RESUMO EXPANDIDO Disciplina de Fabricação Mecânica ESTAMPAGEM PROFUNDA E ESTIRAMENTO Allan S. I. da Costa – B40CDD2 Osvande Xavier Neto – B316AA5 Paulo Cesar Yera Siqueira – B3275H7 Rafael de Souza Manzano – B24JCJ1 Rodrigo Yera Siqueira – B4244F9 Victor Toledo Manfio – B4857F0 Vinicius Marques de Oliveira – B41DBC1 Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas Universidade Paulista – Campus Assis ESTAMPAGEM PROFUNDA E ESTIRAMENTO 2 Sumário 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 3 2. CORTE DE CHAPAS .............................................................................................. 4 2.1 Ferramentas de Corte ........................................................................................ 6 3. DOBRA ................................................................................................................... 7 3.1 Ferramentas de Dobra ....................................................................................... 9 4. ESTAMPAGEM ..................................................................................................... 10 4.1 Estampagem Profunda .................................................................................... 10 4.2 Desenvolvimento de um elemento para estampagem profunda ...................... 11 4.3 Operações de Reestampagem ........................................................................ 13 4.4 Máquinas/Ferramentas de estampagem .......................................................... 14 4.5 Curva CLC e Lubrificação ................................................................................ 16 4.6 Vantagens e Desvantagens ............................................................................. 21 5. ESTIRAMENTO .................................................................................................... 21 5.1 A Estricção no estiramento .............................................................................. 22 5.2 Ferramentas de estiramento ............................................................................ 25 6. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 26 7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 27 3 1. INTRODUÇÃO A conformação mecânica é uma modificação da forma de um corpo para outra, pré-definida, com geometria e dimensões controladas, pela aplicação de esforço mecânico. Na fabricação mecânica, aproximadamente 80% de todos os produtos são submetidos à conformação em um ou mais estágios do processo de fabricação. Durante esse trabalho iremos abordar dois importantes processos de conformação mecânica: a estampagem e estiramento. A estampagem se refere a um conjunto de operações (corte, dobra, estiramento, embutimento) a serem executadas num certo material (geralmente chapas de metais), a fim de dar forma e dimensões a um produto final. Dentre as operações iremos destacar o estiramento e o embutimento profundo (estampagem profunda). O processo de estiramento consiste na aplicação de forças de tração, a fim de esticar o material sobre uma ferramenta ou matriz, onde geralmente os matérias tem de ser muito dúcteis. Já o embutimento ou estampagem profunda, é um processo onde as chapas metálicas, são conformadas em forma de “copo”, um objeto oco. Os produtos finais são produzidos através de chapas planas sem modificação de espessura durante o processo de conformação. Este trabalho tem como objetivo mostrar de forma sucinta os processos de embutimento e estiramento, tais como as suas devidas aplicações, suas vantagens e desvantagens, que serão abordadas a seguir. Basicamente o processo de estampagem, compreende as seguintes operações: - Corte - Dobramento e encurvamento - Estampagem Profunda - Estiramento 4 Geralmente, as duas primeiras operações são feitas a frio, mas a estampagem profunda e estiramento, eventualmente, também podem ser realizadas a quente. Em peças simples, uma única deformação é suficiente, mas em outros casos é necessária a aplicação de duas ou mais operações de estampagem. Figura 1 – Exemplos de peças obtidas pelo processo de estampagem. 2. CORTE DE CHAPAS O processo de corte consiste na obtenção de formas geométricas, através da ação de uma ferramenta ou punção, geralmente aplicada por uma prensa de corte, onde o esforço de compressão se converte em uma tensão de cisalhamento e ocorre o corte da chapa(Figura 2). 5 Figura 2 – Punção/Matriz de Corte Em princípio, a espessura da chapa a ser cortada deve ser igual ou menor que o diâmetro do punção. As peças obtidas por corte podem , eventualmente, ser submetidas a uma operação posterior de estampagem profunda. O corte permite a produção de peças nos mais variados formatos (Figura 2.1). Estes são determinados pelos formatos do punção e da matriz. Figura 2.1 – Tipos de Corte 6 O punção deve apresentar seção conforme o contorno desejado da peça a se extrair da chapa, assim como a cavidade da matriz. É importante também o estabelecimento do valor para a folga entre o punção e a matriz. De uma forma geral, quanto menor a espessura da chapa (figura 2.2) e o diâmetro do punção, menor a folga. . Figura 2.2 – Espessura das Chapas em mm 2.1 Ferramentas de Corte Matriz para Corte O fio de corte é constituído pelos perímetros externos do punção e pelo perímetro interno do orifício da matriz (Figura 2.3). Para completar o estampo, existem as guias para o punção e para a chapa. 7 Figura 2.3 3. DOBRA No processo de dobra mais simples, procura-se não alterar nem a espessura da chapa e qualquer tipo de alteração dimensional. Geralmente para a obtenção dessas dobras simples, são utilizadas matrizes montadas em prensas de estampagem (Figura 3). 8 Figura 3 – Matriz para Dobra No dobramento, dois fatores são de grande importância o raio da curvatura e a elasticidade do material. Evita-se sempre cantos vivos, para o que devem ser fixados raios de curvatura que correspondem de uma a duas vezes a espessura da chapa para metais moles, e três a quatro vezes para metais mais duros. Materiais mais dúcteis como o alumínio, o cobre, o latão e o aço com baixo teor de carbono necessitam de raios menores do que materiais mais duros como os aços de médios e altos teores de carbono, aços ligados etc. O dobramento pode ser conseguido em uma ou mais operações, com uma ou mais peças por vez, de forma progressiva ou em operações individuais. Até atingir o formato final, o produto pode ser dobrado com o auxílio de apenas um estampo em uma única ou em mais fases ou, então, com mais de um estampo (Figura 3.1). 9 Figura 3.1 – Fase de Dobras 3.1 Ferramentas de Dobramento Durante a operação de dobramento, deve-se evitar que a chapa sofra um alongamento excessivo, que provocaria uma variação em sua espessura. Para que isso não ocorra, é necessário um controle rigoroso das ferramentas e uma regulagem exata do curso da prensa. Figura 3. 2 – Ferramentas de Dobra 10 4. ESTAMPAGEM Como já dito, a estampagem consiste num processo de conformação plástica, onde uma chapa plana(“blank”) adquire a forma de uma matriz (fêmea), imposta pela ação de um punção (macho). O processo é empregado na fabricação de peças de uso diário (pára-lamas, portas de carros; banheiras, rodas, etc.). A diferença entre a estampagem rasa e a profunda é arbitrária. A estampagem rasa geralmente se refere à conformação de um copo com profundidade menor do que a metade do seu diâmetro com pequena redução de parede. Na estampagem profunda o copo é mais profundo do que a metade do seu diâmetro. 4.1 Estampagem Profunda O repuxo ou embutimento é uma operação de estampagem onde uma chapa, inicialmente plana, é transformada em um corpo oco sem que haja aparecimento de rugas e trincas (Figura 4). Figura 4 – Exemplos estampagem profunda 11 As tensões que atuam no processo são diferentes em cada região da peça, gerando variações na sua espessura.Basicamente, existem quatro regiões com deformações distintas: •Parte plana do fundo da peça cuja espessura final é praticamente a mesma do blank, quase não apresentando deformação; •O raio do fundo da peça onde ocorre significativa deformação na espessura; •O raio da matriz onde se verifica um aumento de espessura pelas diferenças entre as tensões de tração, compressão e a componente tangencial; •As paredes laterais onde ocorre um decréscimo gradual da espessura até o fundo da peça. 4.2 Desenvolvimento de um elemento para estampagem profunda Para evitar o desperdício de material e melhorar o processo da peça a ser estampada, é necessário a partir do modelo/desenho da peça desejada, determinar as dimensões da chapa que será o ponto de partida da peça a ser estampada. O método que será exposto é resultado de experiências excessivas, e serve apenas para peças ocas com forma geométrica regular ou secção circular. Figura 4.1 O Calculo proposto para objetos ocos de forma retangular está exemplificado nas figuras 4.1 e 4.2. 12 Para Figura 4.1: D = diâmetro do disco desenvolvido S = superfície do disco desenvolvido = ���/� S = superfície externa do cilindro = � �� �⁄ + ��� Logo: ��� �⁄ = ��� �⁄ + ��� Ou �� = �� + ��� �� � = ��� + ��� Admitindo-se h = 2d � = � + � = �� Onde se pode concluir que: “O diâmetro do disco desenvolvido de um corpo oco cilíndrico reto, cuja altura seja o dobro do diâmetro, é igual ao diâmetro médio mais a altura do cilindro resultante.”. Esse cálculo serve principalmente para chapas finas, ainda que sofram uma ligeira diminuição de espessura na operação. Para a figura xx2 temos: Figura 4.2 S= superfície da coroa superior e da base do cilindro = ��� � � 13 S1 = área da superfície lateral do cilindro = ���ℎ A correspondência das áreas leva a ��� 4⁄ = ��� � 4⁄ + ���ℎ Ou ��� = ��� � + 4���ℎ Onde � = ��� � + 4��ℎ 4.3 Operações de Reestampagem A redução máxima em uma única operação de estampagem é cerca de 50%, e mesmo nas melhores condições, não ultrapassa os 60%. Assim para se obter um objeto com oco com altura muito maior do que seu diâmetro, são aplicadas operações de reestampagem (Figura 4.3). Figura 4.3 - Reestampagem 14 A reestampagem de copos, caixas ou painéis é feita a partir, respectivamente, de copos, caixas ou painéis já estampados. Essas peças têm somente sua parte central deformada em dimensões menores, causando uma forma geométrica semelhante à parte maior (Figura 5). A reestampagem reversa de copos consiste em formar um copo menor e concêntrico dentro do copo maior, tomado como peça inicial do processo; a deformação, entretanto, é realizada a partir do fundo e para dentro da peça, ao contrário da reestampagem simples, em que a deformação se realiza a partir do fundo e para fora da peça (Figura 5). Os painéis se distinguem das caixas por apresentarem forma irregular; as caixas são constituídas de figuras na forma retangular ou trapezoidal. 4.4 Máquinas/ Ferramentas de Estampagem As máquinas de estampagem para trabalhos com chapas são de diversos tipos, e algumas operações podem ser feitas em mais de um tipo de máquina e, em geral, classificam-se como segue: Máquinas de movimento retilíneo alternativo – a esse grupo pertencem as prensas excêntricas, prensas de fricção, prensas hidráulicas, prensas a ar comprimido, guilhotinas e viradeiras retas. Máquinas de movimento giratório contínuo – laminadoras, perfiladoras, curvadoras e outros tipos adaptados às operações de conformação em geral. Os tipos de máquinas mais importantes são as prensas mecânicas e hidráulicas, que podem ter, ou não, dispositivos de alimentação automática das tiras cortadas das chapas ou bobinas. A seleção do tipo de máquina depende da forma, da dimensão e da quantidade de peças a ser produzida e está também associada ao tipo de ferramenta concebida. 15 As prensas mecânicas (Figura 4.4) de efeito simples são aquelas que funcionam com único carro acionado por um eixo excêntrico, utilizando a energia mecânica acumulada em um volante. Figura 4.4 – Prensa Mecânica As prensas de duplo efeito (ou dupla ação) – Figura 4.5 - possuem dois carros, em duas mesas superiores, uma correndo dentro da outra, para permitir a combinação das operações de forma sucessiva. As prensas mecânicas de duplo efeito são utilizadas para as operações de corte, dobramento e estampagem rasa. As prensas hidráulicas, mais usadas para estampagem profunda, podem ser de duplo ou triplo efeito. São acionadas por sistemas hidráulicos constituídos de bomba, cilindros e válvulas reguladoras arranjadas de forma a ser possível o controle de deslocamento, da pressão e da velocidade de operação. Como conseqüência, essas prensas apresentam uma melhor condição de controle das variáveis mecânicas do processo do que as prensas mecânicas excêntricas, apesar de operarem a velocidades menores. 16 Figura 4.5 – Prensa Hidráulica de duplo efeito 4.5. CURVA CLC E LUBRIFICAÇÃO A curva-limite de conformação (CLC) permite durante a estampagem profunda de peças metálicas, prever o nível máximo de deformações possíveis, até que o determinado metal atinja seu ponto de rompimento. 17 Fatores como espessura, textura, atrito, entre outros, influenciam o posicionamento da CLC, podendo deslocar a curva mais para cima ou mais para baixo, isto é, aumentando ou diminuindo a estampabilidade do material. A curva-limite de conformação descreve o caminho das deformações sofridas pelo material durante a estampagem, ou seja, é uma função que representa como a deformação principal ϕ1 varia com a deformação ϕ2. Na figura 4.6 tem-se o esboço de um diagrama-limite de conformação completo, com a CLC do material e as retas (a, b, c e d) que representam os principais esforços envolvidos na estampagem. Fig. 4.6 – Curva-limite de conformação esquemática [ISO12004:1997], onde (a) é o embutimento profundo (ϕ1 = -ϕ2), (b) é a tração uniaxial (ϕ1 = -2.ϕ2), (c) é a deformação plana (ϕ2 = 0) e (d) é o estiramento biaxial (ϕ1 = ϕ2) A CLC divide o diagrama-limite de conformação em duas zonas: • Zona própria para conformação: região abaixo da curva; • Zona imprópria para conformação: região acima da curva. Alguns fatores podem influir a determinação da CLC, tais como: • Espessura: maiores espessuras geram maiores deformações, isto é, há um deslocamento da curva para cima; 18 • Atrito: quanto menor o coeficiente de atrito, maiores serão as deformações e, conseqüentemente, mais acima estarão as curvas; • Direção de laminação: corpos-de-provacor todos na direção de laminação apresentam maiores deformações e, quando cortados de forma perpendicular à direção de laminação, têm menores deformações; • Anisotropia: quando r90 > r0 > r45 o material tem sua capacidade de deformação aumentada no 2º quadrante e reduzida no 1º quadrante, isto é, sofre uma rotação no sentido horário; • Pré-deformação: corpos-de-prova que tenham sofrido pré-deformações trativas tendem a gerar uma CLC posicionada mais abaixo e, quando submetidos a pré- deformações compressivas, tendem a elevar a curva-limite; • Tamanho de grão: quanto menor o tamanho de grão, mais acima é posicionada a curva, isto é, quanto menor o tamanho de grão, maior a estampabilidade do material; • Grau de encruamento: quanto maior o grau de encruamento, mais acima é posicionada a CLC; • Velocidade do punção: quanto menor a velocidade, maior será capacidade de o material ser deformado, isto é, a CLC é posicionada mais para cima. Em um ensaio realizado em uma prensa hidráulica (figura 4.7), fabricante Dan-Presse, capacidade de até 20 toneladas, com utilização também de qubra- rugas, e um punção na forma de uma elipse rasa com 50 mm de diâmetro, foram utilizados dois tipos de lubrificantes, sendo estes: um mineral líquido e o outro, com uma almofada de poliuretano com 5 mm de espessura e diâmetro aproximado de 50 mm. O corpo-de-prova utilizado foi com tiras entalhadas, além de forçar a estricção na região central do mesmo, também aumenta a deformação no sentido da largura. 19 Fig. 4.7 - Máquina Dan-Presse para a realização do ensaio Nakazima O lubrificante é posto entre o punção e o corpo-de-prova a ser ensaiado e sua função é minimizar o atrito entre ambos, evitando a ocorrência de danos mecânicos na superfície do punção. Depois de realizadas as medições das deformações, estas são plotadas no diagrama-limite de conformação. Os pontos obtidos nos ensaios com o aço inox 304N, utilizando-se o poliuretano como lubrificantes podem ser vistos na figura 11. Para descrever a curva CLC foram utilizados os pontos abaixo da nuvem de deformações, conforme detalhes na figura 4.8. Fig. 4.8 - Distribuição das deformações medidas nos corpos-de-prova de aço inox 304N, ensaiados com lubrificante de poliuretano 20 Então, fez-se uma aproximação destes pontos por um polinômio de quarto grau. No gráfico comparativo da figura 4.9 observa-se o diagrama de deformações com a CLC obtida e as retas que descrevem os esforços envolvidos no processo de estampagem. Para a determinação da CLC utilizando óleo mineral como lubrificante, foram seguidos os mesmos passos do item anterior. Na figura 4.9.1 pode ser vista a CLC obtida para o aço inoxidável 304N. Fig. 4.9 - Curva-limite de conformação obtida para o aço inox 304N, com lubrificante mineral Fig. 4.9.1 - Diagrama comparativo das curvas obtidas utilizando o lubrificante de óleo mineral e o de poliuretano para o aço Como era esperado, a curva do material com o lubrificante de óleo mineral encontra-se mais abaixo da curva do lubrificante poliuretano, pois o último proporciona um menor coeficiente de atrito entre a chapa e o punção. 21 Esse abaixamento da CLC se deve ao fato de que, quando um lubrificante líquido que está entre duas superfícies rígidas é submetido a uma certa pressão, há um limite no qual esse consegue atuar. 4.6 Vantagens e desvantagens Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para as grandes séries de peças, Com isso, temos grandes vantagens como: •Alta produção; •Reduzido custo por peça; •Acabamento bom, não necessitando processamento posterior; •Maior resistência das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material; •Baixo custo de controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a detecção de desvios. Como principal desvantagem desse processo, podemos destacar o alto custo ferramental, que só pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada. 5. ESTIRAMENTO O processo de estiramento consiste na aplicação de forças de tração, de modo a esticar o metal sobre um bloco ou ferramenta, a fim de lhe dar formas. 22 Figura 5 – Exemplo de estiramento Neste processo, pelo fato dos gradientes de tensões serem muito pequenos e com tensões uniformes - o que garante quase total eliminação do efeito mola – a recuperação elástica também é quase inexistente. Como as tensões trativas predominam , grandes deformações por estiramento só são aplicadas em materiais com grande ductibilidade, onde o coeficiente de encruamento é alto. 5.1 A Estricção no estiramento O limite de conformação no estiramento pode ser estabelicido pelo fenômeno da estricção, que nada mais é do que a redução das dimensões da seção transversal, provocada pelas cargas de tração aplicadas durante o processo. A estricção localizada, conhecida também como “empescoçamento” (Figura 5.1). 23 Figura 5.1 Em um ensaio de tração uniaxial, a estricção localizada acontece quando (ds/s ) = de, o que significa que assumindo uma lei potencial entre tensão e deformação (Equação de Hollomon,a maior deformação verdadeira iguala-se ao coeficiente de encruamento(n)) Nas operações de estiramento uniaxial e biaxial, a estricção localizada acontece para as condições especificadas abaixo: Relação Tensão - Deformação Equação de Hollomon � = � . �� n = coeficiente de encruamento Condições para ocorrer estricção localizada (empescoçamento): Tração uniaxial Tração Biaxial �� � = � �� �� = � � 24 Dessa forma, o empescoçamento só acontecerá quando �� = 2�. Conclui-se então que a estricção localizada é muita mais difusa, provocando um “amolecimento” geométrico, com a diminuição da espessura ao longo da peça. Geralmente, assim que se tem a estricção localizada causada, segue-se a ruptura na maioria dos casos (Figura 5.2) Figura 5.2 – Ruptura por estricção localizada É comum haver gradientes de deformação em operações de estiramento. A região que deforma mais se torna mais encruada e a deformação é transferida para o elemento de volume vizinho. Se o coeficiente de encruamento for suficientemente grande, haverá a redistribuição das deformações ao longo de toda a peça e esta suportará mais deformações, antes que a estricção localizada se inicie. Então, para operações que exigem altos graus de estiramento, exigem-se materiais com altos valores de n. 25 5.2 Ferramentas de Estiramento O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico (usualmente vertical), que movimenta o punção (Figura 5.3). Duas garras prendem as extremidades da chapa. Na operação, não existe uma matriz fêmea. As garras podem ser móveis permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa. Garras fixas devem ser usadas somente para conformação de peças com grandes raios de curvatura, evitando-se com isto o risco de ruptura da chapa na região das garras. Figura 5.3 – Modelo de ferramenta para estiramento 26 6. CONCLUSÃO O presente trabalho apresenta aspectos gerais acerca das operações de estiramento e embutimento profundo que fazem parte das conformações mecânicas do processo de estampagem. Como estão intimamente ligados, outros processos de conformação mecânica (corte, dobra), grupo ao qual pertence a estampagem,também são citados brevemente. O objetivo do texto é descrever, em linhas gerais, os principais aspectos pertinentes as conformações de estampagem citadas, quais sejam: descrição e características e metalurgia do processo, equipamentos envolvidos, cálculos dos esforços básicos, principais falhas e defeitos decorrentes do processo, mecanismos de controle de qualidade. Vimos que a estampagem é um processo que abrange diversas operações, tais como corte, dobra e estiramento, assim como a própria estampagem profunda. Também podemos concluir que os processos de estampagem num geral - mesmo com um custo alto em linha de produção - apresenta uma grande vantagem para linha de produções em série, onde o custo de cada peça produzida se torna bem mais barato. A bibliografia pode trazer ao leitor bem mais informações do que as que estão colocadas no texto, especialmente no que se refere às especificações técnicas. 27 7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA CHIAVERINI, VICENTE. Tecnologia Mecânica: Estrutura e Propriedades das Ligas Metálicas. 2ª Edição. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. 266 p, Volume 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. Corte e Conformação de Metais – Abril 2008 (Estampagem – pág. 64-76). Disponível em: http://www.ufrgs.br/ldtm/publicacoes/Estampagem.pdf. Acesso em: 08 de abril de 2014. UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANÁ. Conformação Mecânica – ME-651 (Prof. Dr. Fábio Martins). Disponível em: http://www.pessoal.utfpr.edu.br/jmario/arquivos/Apostila%20%20Fabio%20Martins.p df. Acesso em: 08 de abril de 2014. GORNI, A. Antônio. Novas tendências no processo de estampagem a quente. Disponível em: http://www.gorni.eng.br/Gorni_CongCCM_2011.pdf. Acesso em: 08 de abril de 2014. BRESCIANI Filho, Ettore [et al]. Conformação Plástica dos Metais, 5ª edição, Editora da Unicamp, 1997.
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