Corte de Chapas por Cisalhamento UFMG - Final

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CORTE DE CHAPAS 
POR CISALHAMENTO 
Corte de Chapas por Cisalhamento 
• O corte por cisalhamento é um dos processos mais 
utilizados para cortar chapa, embora também seja 
utilizado no corte de barras, de perfis e na remoção da 
rebarba formada no processo de forjamento. 
• No caso de corte de chapas de aço, dependendo da 
tensão de ruptura do material e das características 
geométricas do perímetro de corte, a espessura máxima 
que geralmente é cortada por este processo varia entre 
os 6 e 8 mm. 
Corte de Chapas por Cisalhamento 
• As peças produzidas pelo processo de corte por 
cisalhamento não sofrem alterações relevantes na 
resistência mecânica, a precisão dimensional e o 
acabamento são bons com um custo de produção 
relativamente baixo. 
 
Corte de Chapas por Cisalhamento 
• Serão apresentados os seguintes processos de corte por 
cisalhamento para os produtos planos: 
1. Corte por cisalhamento convencional; 
2. Aparamento ou “shaving”; 
3. Corte fino ou de precisão. 
 
Corte de Chapas por Cisalhamento 
• Os processos de corte por cisalhamento pode ser 
divididos em: 
1. Aberto; 
2. Fechado. 
Corte de Chapas por Cisalhamento 
• Algumas operações de corte apresentam designações 
próprias: 
1. Blanking; 
2. Piercing (Puncionamento ou Perfuração). 
Corte de Chapas por Cisalhamento 
• Uma ferramenta típica de corte por cisalhamento é 
constituída por um punção, cujo o contorno tem a 
geometria da peça a cortar, e por uma matriz que 
assegura a passagem do punção e das peças cortadas. 
 
Corte de Chapas por Cisalhamento 
Corte de Chapas por Cisalhamento Escalonado 
Corte Convencional – Etapa 1 
• O momento de dobramento ocorre quando a faca 
superior move para baixo. O dobramento do material é 
impedido em um dos lados pelo uso do dispositivo. O 
material é primeiramente deformado elasticamente, e 
com o deslocamento para baixo do punção a 
deformação torna-se plástica. 
 
Corte Convencional – Etapa 2 
• O material é empurrado para dentro da área de folga, 
formando o arredondamento do material, que vai 
aumentando com o deslocamento da faca superior, 
com conseqüente aumento da força. 
Corte Convencional – Etapa 3 
• Quando a penetração alcança um valor crítico, 
normalmente entre 15% a 60 % da espessura do 
material, as tensões aplicadas excedem a resistência ao 
cisalhamento, nesse momento tem início a ruptura na 
aresta inferior e/ou superior do material. A deformação 
plástica é agora acompanhada pela propagação das 
trincas através do material. 
 
Corte Convencional – Etapa 4 
• Devido a não homogeneidade do material e das 
condições não lineares presentes no sistema o 
cisalhamento pode ocorrer não uniforme e ou até mesmo 
antes da faca superior penetrar totalmente no material. 
Além da fratura grosseira, rebarbas e lascas podem ser 
formadas na separação. 
 
Corte Convencional 
• Estas fases de cisalhamento ortogonal podem ser vistas 
observando o material no final do processo: 
 
Repuxamento 
Penetração 
Corte Convencional – Evolução da Força 
• A força para o cisalhamento ortogonal aumenta 
rapidamente à medida que o material sofre deformação 
elástica, e continua aumentando até a carga máxima . A 
gradual diminuição da área da seção reta transversal se 
opõe a esse efeito, com o aumento da elongação do 
material, análogo ao ensaio de tração. Depois a força cai 
rapidamente devido a formação e a propagação das 
trincas até a separação total do material . 
Corte Convencional – Componentes da Força de corte 
Corte Convencional – Força 
• A força máxima de corte para o cisalhamento ortogonal é 
proporcional ao comprimento de corte, e pode ser calculada 
através da equação : 
 
 
 
 
 
• Onde lc é o comprimento de corte (perímetro), e é a espessura 
do material e Ks é obtido através de tabelas ou calculado 
através da tensão máxima obtida no ensaio de tração: 
 
𝐹𝑐 = 𝑙𝑐 . 𝑒. 𝐾𝑠 
𝐾𝑆 = (0,6~0,8). 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 
e 
lc 
Corte Convencional – Propriedades mecânicas 
 
 
𝐹𝑐 = 𝑙𝑐 . 𝑒. 𝐾𝑠 𝐾𝑆 = (0,6~0,8). 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 
Corte Convencional – Força 
Em geral, a fratura ocorre sempre que a estricção aparece, ou 
seja a força máxima de corte será: 
Fmax = (0,6~0,8).σu.lc.e 
Deve-se lembrar que o limite de resistência (σu) é dado pela 
expressão: 
σu = k.εu
n
 
Sendo que εu=n logo; 
σu = k.n
n 
Corte Convencional – Força 
SOLUÇÃO: 
Temos que F = σ A, onde na tensão máxima, a inclinação é nula, ie, dF = 0, portanto 
 
 σdA + Adσ = 0. Reorganizando a equação temos: 
𝑑𝜎
𝜎
= −
𝑑𝐴
𝐴
 
 
Substituindo 𝑑𝜀 = −
𝑑𝐴
𝐴
, a máxima tensão corresponderá 
𝑑𝜎
𝑑𝜀
= 𝜎 (I) 
 
Através da lei de Potência (Curva de Hollomon) temos que 𝜎 = 𝑘. 𝜀𝑛, portanto, 
 
 
𝑑𝜎
𝑑𝜀
= 𝑛. 𝑘. 𝜀𝑛−1 (II) 
Igualando (I) e (II), temos: 
 
𝑘. 𝜀𝑛 = 𝑛. 𝑘. 𝜀𝑛−1 
 
Dessa forma, a força máxima e a estricção ocorrerá quando ε = n 
 
A tensão verdadeira máxima pode ser expressa por 𝜎𝑢 = 𝑘. 𝑛
𝑛. 
Corte Convencional – Força 
De um modo geral, o valor de n para os metais se encontra 
próximo de n = 0,2. A execessão fica por conta do aço 
inoxidável da série 300, 18Cr-8Ni e no caso do cobre, onde 
esse valor é o dobro. 
 
No caso de um aço baixo carbomo, uma relação do tipo σ(ε) = 
600.ε0,2, logo o valor do limite de resistência será σ(0,2) = 
600.0,20,2 = 434.868 MPa 
 
Se um blanque quadrado com aresta (a) = 100mm for cortado 
de uma chapa com espessura (e) = 1mm, a força máxima de 
corte seria Fmax = 0,7.(4.a.e). σ(0,2) = 122 kN 
Corte Convencional – Simulação 
• Simulação Deform 
Corte Convencional – Punção Inclinado 
• Outra técnica muito utilizada para reduzir as forças de 
corte consiste em efetuar o corte progressivamente 
através da inclinação dos punções ou das matrizes. 
Corte Convencional – Punção Inclinado 
Para determinar a força de corte deve considerar-se o ângulo de inclinação 
da aresta de corte (α), a espessura da chapa e o perímetro ativo que o 
punção atua (ls). 
𝑙𝑠 = 
𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 (𝑠)
tan ∝
 
∝ 
Onde α varia de 0,5° até 5°. 
A força de corte para o punção/matriz 
inclinada pode ser determinada: 
𝐹𝑐 = 
𝑘𝑠 . 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎
2 
2. tan ∝
 
𝐾𝑆 = (0,6~0,8). 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 
Corte Convencional – Punção Inclinado 
∝ 
Morfologia das Superfícies 
• Conforme já descrito, a superfície de uma peça cortada 
por cisalhamento tem uma morfologia características, 
constituída pelo repuxamento, por uma zona de 
penetração, relativamente perfeita e polida, pelo cone de 
ruptura, com conicidade e de aspecto rugoso e superfície 
irregular, e por uma rebarba localizada na superfície livre 
oposta ao repuxamento. 
Repuxamento 
Penetração 
Influência da espessura e dureza da chapa 
• Problema em espessuras acima de 6mm (Blow-out). 
Furo se torna maior que o esperado (Cônico); 
 
• Quanto maior a dureza da chapa pior o efeito blow-out. 
Influência da folga Punção/Matriz 
Folga Ideal 
Influência da Folga Punção/Matriz 
Folga Ideal Folga > Folga 
Ideal 
Influência da Folga Punção/Matriz 
Folga Ideal Folga < Folga 
Ideal 
Influência da Folga Punção/Matriz 
* Simulações numéricas 
Influência da Folga Punção/Matriz 
𝑓 =
𝐷𝑏 − 𝐷ℎ
2. (𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎)
. 100% 
f = c.espessura da chapa. 𝑘𝑠, 
 
onde c = 0,005 (espessura ≤ 3mm) 
 
c= 0,010~0,015 (espessura ≥ 3mm) 
f = (5~10%) espessura da chapa. 
Ângulo de fratura 
O ângulo (θ) une os pontos de início da fissura entre o punção e a matriz 
(ângulo da diagonal) e o ângulo (β) é a direção da propagação de fissuras 
devem coincidir com o ângulo (θ). 
Ângulo de fratura 
θ=Arc tan(c/ t-up) 
Onde: t (espessura); c (folga punção/matriz); Up (penetração – 
repuxamanto)Desgaste - Punção/Matriz 
Desgaste superfície frontal – corte de chapas finas (espessura < 2mm) 
Desgaste aresta de corte – Movimento horizontal do material durante o corte 
(espessura > 2mm) 
Fatores que influenciam nos desgastes das ferramentas: 
Punção e matriz: material, dureza, acabamento superficial, alinhamento e folga de 
corte. 
Material: Resistência mecânica (materiais ligados), dureza, dimensões e formato final 
da peça. 
Influência da folga na qualidade de corte, força de 
corte e desgaste das ferramentas - Punção/Matriz 
Cisalhamento Progressivo - Guilhotina 
• Embora o corte se processe de um modo contínuo, a 
resultante das forças de corte pode variar de instante 
para instante, já que o perímetro ativo de corte se 
modifica durante a progressão do punção. 
 
• Para o cisalhamento progressivo apenas uma parte do 
material é cortado de cada vez. 
 
l atuante
largura da chapa

e
Cisalhamento Progressivo - Guilhotina 
• Através da inclinação do punção/matriz pode-se obter 
reduções muito significativas da força de corte. 
Naturalmente que essa redução depende da inclinação, 
α, que se dá nas arestas de corte. Como ordem de 
grandeza, a inclinação máxima dos punções e matrizes 
não deve ultrapassar os 4°, sendo este valor função da 
geometria e da dimensão do punção/matriz. 
l atuante
largura da chapa

e
Cisalhamento Progressivo - Guilhotina 
• Simulação Deform 
Cisalhamento Progressivo - Guilhotina 
• A figura abaixo mostra a curva típica de força em função 
do deslocamento do punção para o cisalhamento 
progressivo. 
 
𝐹𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝑒𝑠𝑡 = (0,6~0,8).Ks.l.h 𝑜𝑛𝑑𝑒 l = h/tan α 
Cisalhamento Progressivo - Guilhotina 
Uma placa de aço doce de 5 mm de espessura e 2 m de largura é cortada 
na direção da largura. Estime a força de corte para realizar este proceso (a) 
com as facas de corte paralelas e (b) em uma guilhotina com um ângulo de 
corte de 6°. 
 
Para aço 1015, σu = 450 MPa. 
 
(a) Para o corte com as facas paralelas a largura de 2 m; 
 
 
 Fmax = 0,8(450)(2)(0.005) = 3600 kN. 
 
(b) Através da geometria da operação (Fig. anterior) lc= 5/0,105 = 47,6mm. 
Desse modo, temos: 
 
Fmax = 0,8(450)(47,6)(5) = 91 kN 
Fmax = (0,6~0,8).σu.lc.e 
Aparamento ou Shaving 
O aparamento pode considerar-se um processo de 
acabamento de elevada precisão, sendo usado como 
operação complementar do corte por cisalhamento, para 
remover as irregularidades superficiais características 
deste tipo de corte. 
𝐹𝑐 = 𝑘𝑠. ∆𝑒. 𝑙 𝑘𝑠 = (1,5~2,5). 𝜎𝑢 
Corte fino ou de Precisão 
Corte fino ou de Precisão 
• A qualidade das superfícies cortadas permite a sua utilização 
direta, sem haver a necessidade de se recorrer a operações de 
acabamento, pois são geradas sem que apareçam fissuras; 
• O campo de aplicação da tecnologia de corte por cisalhamento 
estende-se a aplicações mais exigentes relativamente à qualidade 
superficial da peça cortada; 
• Produzem-se peças com tolerâncias dimensionais mais restritas; 
• A confiabilidade e reprodutibilidade das grandes séries de 
fabricação são asseguradas, fundamentalmente pelos elementos 
complementares com que as ferramentas de corte fino estão 
dotadas; 
• Redução significativa do choque e consequentemente redução do 
ruído e vibrações; 
• Redução das etapas de corte nas ferramentas progressivas. 
Corte fino ≠ Cisalhamento 
Corte fino ≠ Cisalhamento 
Corte fino ou de Precisão 
Etapas do Corte fino ou de Precisão 
1. O processo inicia-se com a alimentação da tira. O punção 
e o prensa-chapa encontram-se no ponto mais alto. 
Etapas do Corte fino ou de Precisão 
2. Na segunda fase a tira é fixada. O prensa-chapa munido com 
um anel de retenção avança e indenta a tira, prendendo-a de 
encontro à matriz. A contra pressão do prensa-chapa, opõe-se 
ao movimento descendente do punção, assegurando que a tira 
fique comprimida nessa zona. 
Etapas do Corte fino ou de Precisão 
3. O punção continua o seu movimento descendente, dando 
início ao corte da peça. Durante este movimento, o 
punção, que tem que vencer adicionalmente a contra 
pressão exercida pelo prensa-chapa. O corte é efetuado. 
Etapas do Corte fino ou de Precisão 
4. O prensa-chapa liberta a tira movimentando-se 
igualmente em direção ao ponto morto superior. Inicia-se 
o movimento de alimentação da tira e o prensa-chapa 
funciona agora como extrator da peça que se encontrava 
no interior da matriz. 
Corte fino – Estado de tensões 
Corte fino – Força de corte, retenção e extração 
Corte fino – Força de corte 
A força máxima no corte fino é superior à do corte por 
cisalhamento convencional, quer pelo fato da folga ser 
menor e pelo estado de compressão induzido pelos 
freios. 
𝐹𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝑓. 𝑘𝑠. 𝑙. 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 
Onde, Cf é um coeficiente de correção da tensão de 
fratura, (0,9~1,2), Ks (0,6~0,8 σu), l é o perímetro de 
corte. 
Corte fino – Força de retenção. 
A força necessária à indentação do anel de retenção e 
dada pela equação: 
𝐹𝑟𝑒𝑡𝑚𝑎𝑥 = 4. 𝑘𝑠. 𝑙𝑟𝑙. 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 
Onde, lr é o perímetro do anel de retençãoe corte. 
 
Pode-se dizer que a Fretmax ~ 30 a 50% força máxima de 
corte. 
Corte fino – Força de extração 
A força de extração desenvolve entre a parede do 
punção e a superfície da banda cortada. Naturalmente 
que esta força depende da utilização ou não de 
lubrificante. 
𝐹𝑒𝑥𝑡 = 0,1~0,2 . 𝐹𝑚𝑎𝑥 
Corte fino – Força do encostador 
O encostador têm por finalidade manter a planicidade da 
peça durante a operação e simultaneamente contribuir 
para o desenvolvimento do estado hidrostático de 
compressão na zona de corte. 
𝐹𝑒𝑛𝑐 = 0,1~0,25 . 𝐹𝑚𝑎𝑥 
Corte fino – Geometria e dimensões dos anéis 
retenção (freios) 
Defeitos do Corte fino ou de Precisão 
Animação – Etapas do Processo 
Processo de Corte Fino 
Processo de Corte Fino 
Processo Chapa Expandida 
Processo Chapa Expandida 
Processo Chapa Expandida