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1. Introdução..................................................................................................................... 2 2. Objetivos....................................................................................................................... 2 3. Corte de chapas............................................................................................................. 3 3.1 Matriz para Corte.................................................................................................... 4 3.2 Esforço necessário para o Corte ............................................................................. 6 3.3 Força e Trabalho de Corte ...................................................................................... 6 4. Dobramento e Encurvamento ....................................................................................... 7 4.1 Determinação da linha neutra ................................................................................. 8 4.2 Esforço necessário para o dobramento ................................................................. 10 5. Encurvamento............................................................................................................. 12 6. Estampagem profunda ................................................................................................ 12 6.1. Matriz para estampagem profunda ...................................................................... 15 6.2. Desenvolvimento de um elemento para estampagem profunda .......................... 16 7. Anisotropia ................................................................................................................. 18 7.1 Coeficiente de Anisotropia ................................................................................... 18 7.2 Influência da anisotropia na qualidade e precisão do embutimento..................... 21 8. Bibliografia................................................................................................................. 22 Conformação Mecânica dos Materiais 2 1. Introdução A Estampagem é um processo de conformação mecânica realizado geralmente a frio, que compreende um conjunto de operações, por intermédio das quais uma chapa plana é submetida a transformações de modo a adquirir uma nova forma geométrica, plana ou oca. A deformação plástica é levada a efeito com o emprego de prensas de estampagem, com o auxilio de dispositivos especiais chamados de estampos ou matrizes. Basicamente, a estampagem compreende as seguintes operações: - corte - dobramento e encurvamento - estampagem profunda Enquanto as duas primeiras são normalmente realizadas a frio, a estampagem profunda pode eventualmente ser realizada a quente, de acordo com as necessidades técnicas. No caso mais simples, uma única deformação pode ser suficiente; entretanto, dependendo da profundidade de deformação desejada, pode ser necessária a aplicação de duas ou mais operações de estampagem. 2. Objetivos O ensaio de embutimento tem como objetivo avaliar a estampabilidade de chapas e/ou tiras metálicas, relacionando características mecânicas e estruturais da peça com as máximas deformações possíveis de ser realizadas sem que ocorra ruptura [ASTM E643- 84]. Existem diversos tipos de ensaio para essa forma de avaliação, descritos em seguida: • Ensaio Erichsen: consiste na deformação de uma tira metálica (blank, corpo de prova) presa em uma matriz com um punção na forma esférica. Mede-se a máxima penetração do punção para a qual não tenha ocorrido a ruptura da tira; Conformação Mecânica dos Materiais 3 • Ensaio Olsen: é semelhante ao ensaio Erichsen, com algumas alterações nas dimensões do equipamento; • Ensaio Swift: consiste na deformação de um disco metálico (blank) preso em uma matriz com um punção na forma cilíndrica. Nesse caso, o resultado é obtido por meio da relação entre o diâmetro máximo do disco e o diâmetro do punção que provoca a ruptura da peça. Desse modo, esse método de ensaio exige a utilização de diversos corpos-de-prova, sendo muito utilizado para análise de casos de estampagem profunda (deep.drawing). • Ensaio Fukui: este tipo de ensaio consiste em conformar um disco metálico como um cone com vértice esférico. Exige a utilização de diversos corpos-de-prova, e é usado também para análise de estampagem profunda. A figura 1 mostra os 3 ensaios acima relacionados Figura 1 - Representação dos ensaios de estampagem (embutimento) 3. Corte de chapas O processo compreende à obtenção de formas geométricas determinadas, a partir de chapas, submetidas a ação de uma ferramenta ou punção de corte, aplicada por intermédio de uma prensa que exerce pressão sobre a chapa apoiada numa matriz. Conformação Mecânica dos Materiais 4 Figura 2 - Operação de Corte em chapa No instante em que o punção penetra na matriz, o esforço de compressão converte-se em esforço de cisalhamento e ocorre o desprendimento brusco de um pedaço da chapa. Chamando s a espessura da chapa e d o diâmetro do punção, verificou-se experimentalmente que, para chapas de aço e punções de aço temperado, a relação s/d apresenta valor Maximo de 1,2, o que significa que, em principio, a espessura da chapa a ser cortada deve ser igual ou menos que o diâmetro do punção. O material obtido pelo corte de chapas pode, eventualmente, ser utilizado para uma operação posterior de estampagem profunda. 3.1 Matriz para Corte As etapas de uma matriz de corte relativamente simples compreendem as seguintes etapas: repuxo, penetração e fissuração. A figura 3 mostra os principais componentes desta matriz de corte. Conformação Mecânica dos Materiais 5 Figura 3 - Representação de uma matriz para corte d e chapas O punção deve apresentar seção conforme o contorno desejado da peça a extrair da chapa; do mesmo modo, a cavidade da matriz. É de vital importância o estabelecimento do valor para a folga entre o punção e a matriz. Essa folga depende da espessura da chapa a ser submetida ao corte e do tipo de material, que pode ser duro ou mole. O gráfico 1 permite a determinação da referida folga. Gráfico 1 - Gráfico para determinação da folga entr e o punção e a matriz A curva superior refere-se ao aço duro, a curva média ao aço doce e latão e a curva inferior ao alumínio e metais leves. Quanto menores a espessura da chapa e o diâmetro do punção, menor a folga e vice-versa. Conformação Mecânica dos Materiais 6 3.2 Esforço necessário para o Corte A equação que permite determinar o esforço para o corte é a seguinte: cepQ σ..= onde Q = esforço de corte ou de cisalhamento, em kgf p = perímetro da figura, mm e = espessura da chapa, mm σc = resistência ao cisalhamento do material, kgf/mm² Como σc = 3/4 a 4/5 σt, aproximadamente, onde σt = resistência a tração do material; é relativamente simples determinar-se o esforço de corte, conhecido o material. 3.3 Força e Trabalho de Corte As equações que permitem determinar, respectivamente, a força e o trabalho de corte estão representadas abaixo: hpCF RhpR .....max στ == Sendo: h = espessura da chapa p = perímetro de corte τR = tensão cisalhante de ruptura σR = tensão de ruptura no ensaio de tração (adotar o limite de resistência) C = τR/σR, constante que depende do material: C ≈ 0,60 – 0,75 p/ alumínioC ≈ 0,65 – 0,70 p/ latão e cobre C ≈ 0,70 – 0,80 p/ aços Conformação Mecânica dos Materiais 7 hphFQW Rw ...8,0.3 2 .. max σ== 4. Dobramento e Encurvamento A figura 4 mostra as fases de operação simples de dobramento, nas quais se procura manter a espessura da chapa ou evitar qualquer outra alteração dimensional. Figura 4 - Representação esquemática das várias fas es do dobramento de uma chapa Em operações mais simples de dobramento, para obtenção de elementos relativamente curtos, usam-se matrizes, montadas em prensas de estampagem. A figura 5 mostra, esquematicamente, os principais componentes de uma dessas matrizes. Figura 5 - Representação esquemática de uma matriz simples de dobramento Conformação Mecânica dos Materiais 8 No dobramento, dois fatores são importantes: o raio de curvatura e a elasticidade do material. Devem-se sempre evitar cantos vivos,para o que devem ser fixados raios de curvatura que correspondem de 1 a 2 vezes a espessura da chapa para materiais duros. No caso de materiais mais duros, devido aos característicos de elasticidade dos metais,é comum que , depois de realizado o esforço de dobramento, a chapa tenda a voltar à sua forma primitiva, de modo que se recomenda construir as matrizes com ângulos de dobramento mais acentuados,além de realizar-se a operação em várias etapas,com uma única ou com várias matrizes. 4.1 Determinação da linha neutra Toda vez que se deve obter um elemento dobrado, segundo um perfil determinado, é necessário conhecer-se, em primeiro lugar, o seu desenvolvimento linear ou dimensões exatas da chapa, a partir da qual vai ser produzido o elemento dobrado. Com este objetivo, procede-se inicialmente á determinação da linha neutra do elemento dobrado, ou seja, a linha da secção transversal cuja fibra corresponde não foi submetida a nenhum esforço, quer de tração ou de compressão e que, em conseqüência, não sofreu qualquer deformação. A determinação dessa linha neutra é feita mediante um cálculo extremamente simples, como a figura 6 mostra. Conformação Mecânica dos Materiais 9 Figura 6 - Determinação da linha neutra de uma chap a submetida a um dobramento preliminar Uma tira de chapa corresponde ao material que vai ser dobrado é submetida a um dobramento preliminar. Seu comprimento é c e a sua espessura e,dobrada a tira, mede-se os comprimentos a e b e o raio r. Admitindo-se que o valor y corresponda á distancia da linha neutra, tem –se: ).( 2 yrbac +++= π Em vista dos resultados práticos obtidos, conclui-se que a linha neutra esta geralmente situada na metade da secção quando a espessura da chapa é no máximo de um milímetro. Em espessuras superiores, admite-se que a linha neutra se situe a 1/3, aproximadamente, da curva interna. Se a chapa dobrada apresenta contracurvas, admite-se que, em cada caso, a linha neutra se localize á curva interna. Conformação Mecânica dos Materiais 10 Figura 7 - Elemento dobrado em U Localizada a posição da linha neutra, pode-se calcular facilmente o comprimento do elemento dobrado. A figura 7 representa uma chapa dobrada em U, cujo desenvolvimento, representado, por L, pode, portanto,ser facilmente obtido, visto que o desenho dá todas as dimensões necessárias a um ensaio prévio de dobramento, com uma tira do material em questão,permitindo localizar a linha neutra. 4.2 Esforço necessário para o dobramento Suponha-se que uma chapa metálica colocada sobre uma matriz de dobramento e sujeita ao esforço de dobramento, conforme mostrado na figura 8. Admitindo-se que a chapa se comporte como um sólido apoiado nas extremidades e carregado no centro. A determinação do esforço de dobramento é relativamente simples. Sejam: P = força necessária para o dobramento, kgf b = largura da chapa, mm I = distância entre os apoios, mm e = espessura da chapa, mm Mf = momento fletor, kgf.mm δt = limite de resistência á tração, kgf/mm2 δf = tensão de flexão necessária para obter a deformação permanente, kgf/mm2 Admite-se δf = 2 δt Conformação Mecânica dos Materiais 11 I = momento de inércia da secção, em relação ao eixo neutro, mm4 Z = distância máxima das fibras ao eixo neutro, mm I/Z = módulo de resistência, mm3 Figura 8 - Representação esquemática do método par a determinação do esforço necessário para dobramento O momento fletor das forças externas é dado por: 4 . 4 . 1 2/1.2/1. 2 lP l lPP M f === Ao Mf contrapõe-se o momento das reações internas do material, expresso por Z I f .σ Logo, igualando as duas fórmulas, tem-se Z IlP f .4 . σ= Para seções retangulares 6 . 2eb Z I = Conformação Mecânica dos Materiais 12 Com isso, a fórmula final para o esforço é dada por: l eb P f .3 ...2 2σ = 5. Encurvamento A operação de encurvamento segue, em linhas gerais, os mesmos princípios e conceitos explicados na operação de dobramento. Geralmente, curvatura total, como a figura 9 mostra, exige várias etapas. Figura 9 - Representação das fases de curvatura de uma chapa realizada com uma única matriz 6. Estampagem profunda Na estampagem profunda, um disco metálico (blank) é colocado sobre uma matriz e é comprimido para o seu interior através de um punção, geralmente de forma cilíndrica. O objetivo da análise da estampagem profunda é determinar as relações geométricas entre o máximo diâmetro do disco e o mínimo diâmetro do punção possível para se conformar um copo cilíndrico sem que ocorra ruptura ou falhas superficiais. Conformação Mecânica dos Materiais 13 Figura 10 - Representação esquemática do processo d e estampagem profunda Ao longo do processo de estampagem, o blank é submetido a diferentes tipos de deformação, até atingir a forma final, conforme pode ser observado na figura 10. Na conformação, à medida que o punção avança sobre o blank, o metal em contato com o punção, acomoda-se em torno do seu perfil, reduzindo a espessura da chapa. Essa região, que será o fundo do copo após a conformação, estará sujeita a um estado biaxial (radial) de tensões de tração. O metal situado ao redor da base do punção é deformado radialmente para o interior da matriz, reduzindo assim, seu diâmetro original Db até o diâmetro de conformação, que corresponde ao do punção Dp. Assim, o metal sofre esforços de compressão na direção circunferencial, e tração na direção radial. Nesta região é necessário cuidado para que não haja enrugamento na borda da peça, o que é feito por um sistema de pressão no anel de fixação. Se ocorrer enrugamento, as rugas serão transmitidas da borda para o interior da matriz, o que pode formar e propagar trincas, rompendo a lateral do copo. À medida que o material caminha em direção à matriz, ele é dobrado e depois desdobrado devido ao esforço trativo que ocorre na lateral do copo. Nesta região ocorre deformação plana; além disso, em geral, essa região é responsável pela homogeneização da espessura da parede pelo estiramento uniforme. Além de todos os esforços representados na figura 10, deve se considerar ainda o efeito do atrito que ocorre entre o blank e o punção, ou e a matriz. Na região de formação do copo nointerior da matriz, empregam-se comumente folgas da ordem de 10 a 20% da espessura do blank, além da utilização de lubrificação especificada em norma. A força total do punção para a deformação completa do copo corresponde á somatória de todos os esforços envolvidos na deformação da peça, inclusive o atrito. O esforço para Conformação Mecânica dos Materiais 14 deformação ideal aumenta continuamente devido ao efeito do encruamento na conformação plástica. A força global de atrito é basicamente composta pelo atrito entre o blank e o anel fixador, na borda do copo, que parte de um pico de esforço (atrito estático para o atrito dinâmico) e diminui continuamente devido à diminuição da área de material sob o anel de fixação. Caso não exista folga entre punção/blank/matriz, o atrito deve se estabilizar em um valor mínimo diferente de zero. A uniformização da espessura da parede ocorre ao final de processo, após toda a área do blank estar contida no interior da matriz. A figura 5 ilustra um esboço dos esforços envolvidos na estampagem e a força global do punção. Segundo estudos teóricos, a carga total do punção pode ser aproximada pela seguinte equação: B D D F D D tDF P o a P o oPP + + = 2 .exp...2ln)..1,1.(.. πµµσπ Fp = carga total no punção (N); Dp = diâmetro do punção (mm); t = espessura do blank (mm); �o = Tensão de escoamento média do blank (MPa); D0 = diâmetro inicial do blank (mm); �= coeficiente de atrito; Fa = força do anel fixador (prensa chapas) (N); B = esforço gasto para dobrar e endireitar o blank (N). A estampabilidade de um material corresponde à razão entre o diâmetro inicial do blank D0, e o diâmetro do copo estampado, ou Dp. Deve-se observar que existe um diâmetro mínimo de copo possível de ser conformado em uma etapa única, ou seja, sem nenhum processo de recozimento ou recuperação e sem que ocorra ruptura. Estudos teóricos mostram que o diâmetro mínimo possível de ser conformado, é dado aproximadamente por: )exp( η−≅ oP DD Conformação Mecânica dos Materiais 15 onde ηcorresponde à eficiência do processo, considerando as perdas por atrito, sendo 0 < η< 1. Figura 11 - Representação da espessura do blank e d o copo formado 6.1. Matriz para estampagem profunda A figura 12 mostra uma matriz simples para estampagem profunda.O disco a embutir, na posição inicial, foi introduzido sobre a peça de retenção ou fixação G.O punção A é fixada no porta punção B e o conjunto é fixado na parte móvel ou cabeçote superior da prensa.Durante a ação de deformação, o punção A, ao Figura 12 - Desenho esquemático de uma matriz simpl es para estampagem profunda Conformação Mecânica dos Materiais 16 penetrar na matriz C, molda o objeto.Durante a penetração o mancal D é comprimido, acompanhado a deformação da chapa e comprime, ao mesmo tempo, a mola E.O mancal D impede deformação irregular da chapa e o disco de retenção G garante um embutimento sem rugosidade.Ao terminar a operação, o punção A, retrocede e o mancal D livre, sob a ação da mola E,sobe e expulsa o objeto conformado. A matriz C, como se vê, vai fixada na base F, que, por sua vez, é presa na mesa da prensa. 6.2. Desenvolvimento de um elemento para estampagem profunda Como no caso do dobramento de chapas, é necessário, a partir de um determinado desenho de peça a ser estampada, conhecer-se o disco de chapa original. Em outras palavras, é preciso determinar as dimensões da chapa que será o ponto da partida para o objeto estampado, utilizando a menor quantidade possível de material. O método a ser exposto, resultado de experiências sucessivas, é relativamente simples, porém, presta-se somente para objetos ocos com forma geométrica regular com secção circular. Para objetos mais irregulares, recomenda-se um recurso prático que consiste em corta-se aproximadamente a placa e realizar-se a estampagem; examina-se, a seguir, o contorno do objeto obtido para verificar-se se falta material ou se há material em excesso; corta-se uma nova chapa,com o desenvolvimento corrigido, e procede-se a nova estampagem profunda;e assim em seguida até a obtenção do objeto sem excesso ou falta de material. O cálculo proposto para objetos ocos de forma retângula está exemplificado nas figuras 13 e 14. Figura 13 - Recipiente Cilíndrico Conformação Mecânica dos Materiais 17 Figura 14 - Recipiente Cilíndrico com flange O cálculo para o primeiro caso é o seguinte: hddD ..422 += Admitindo-se h = 2.d, ter-se-á: dhdD .3=+= , donde se pode extrair a regra aproximada seguinte: “O diâmetro do disco desenvolvido de um corpo oco c ilíndrico reto, cuja altura seja o dobro do diâmetro, é igual ao diâmetro médic o mais a altura do cilindro resultante”. Esse cálculo presta-se principalmente para chapas finas,ainda que sofram uma ligeira diminuição de espessura,na operação de estampagem profunda. O cálculo torna-se mais preciso se for tomado como base o volume do material, em lugar da superfície. Se os cilindros apresentarem os cantos da base arredondados, o diâmetro do disco desenvolvido é: rhddD −+= ..42 desde que o raio r de concordância não ultrapasse de 1/4 a altura h do cilindro. Todos os cálculos são feitos considerando-se diâmetros médios. Para a figura 14, o cálculo aproximado é o seguinte: Conformação Mecânica dos Materiais 18 S = superfície da coroa superior e da base do cilindro = 4 . 22dπ S1 = área da superfície lateral do cilindro = π.d1.h A correspondência das áreas leva a hd dD .. 4 . 4 . 1 2 2 2 πππ += donde hddD ..4 1 2 2 += 7. Anisotropia Durante os processos de conformação de chapas, grãos cristalinos individuais são alongados na direção da maior deformação de tração. O alongamento é conseqüência do processo de escorregamento do material durante a deformação. Nos materiais policristalinos os grãos tendem a girar para alguma orientação limite devido a um confinamento mútuo entre grãos. Este mecanismo faz com que os planos atômicos e direções cristalinas dos materiais com orientação aleatória (materiais isotrópicos) adquiram uma textura (orientação preferencial). Os materiais conformados se tornam anisotrópicos. A distribuição de orientações tem, portanto um ou mais máximos. Se estes máximos são bem definidos são chamados de orientações preferenciais, que irão ocasionar variações das propriedades mecânicas com a direção, ou seja, anisotropia. Um modo de avaliar o grau de anisotropia das chapas quando deformadas plasticamente é através do coeficiente de anisotropia. 7.1 Coeficiente de Anisotropia Por definição, o coeficiente de anisotropia ou coeficiente de Lankford (r) é a razão entre a deformação verdadeira na largura (εw) e na espessura (εt) de um CP de tração, após determinada deformação longitudinal pré-definida: Conformação Mecânica dos Materiais 19 Coeficiente de Anisotropia ou de Lankford Por erros na medição de εεεεt, e como ∆∆∆∆V=0, usa-se t wr ε ε = = oo ff f o wl wl w w r . .ln ln Onde: el é a deformação verdadeira ao longo do comprimento; w0 e wf são as larguras inicial e final, respectivamente e l 0 e l f são os comprimentos iniciale final, respectivamente Considerando a anisotropia no plano da chapa, geralmente são definidos dois parâmetros: a) Coeficiente de anisotropia normal ( r ) 4 2 º90º45º0 rxrrr ++ =∆ onde: r0 o, r45 o e r90 o são os valores de r medidos a 0o , 45o e 90o com a direção de laminação. Este parâmetro indica a habilidade de uma certa chapa metálica resistir ao afinamento, quando submetida a forças de tração e/ou compressão, no plano. b) Coeficiente de anisotropia planar ( ∆∆∆∆r) 2 2 º90º45º0 rxrrr +− =∆ O coeficiente de anisotropia planar indica a diferença de comportamento mecânico que o material pode apresentar no plano da chapa. Um material isotrópico tem r =1 e ∆r = 0. Nos materiais para estampagem profunda um alto valor de �r é desejado (maior resistência ao afinamento da chapa). A relação entre r e a razão limite de estampagem é mostrada na figura. Essa é definida Conformação Mecânica dos Materiais 20 como a máxima razão possível entre o diâmetro do ‘blank’ e do copo embutido, sem que ocorra falha. Os valores de r em aços efervescentes variam entre 0,8 e 1,2. Em aços acalmados ao alumínio, adequadamente produzidos, r pode variar entre 1,5 e 1,8. Em alguns aços IF (Intersticial free) r pode ser tão alto quanto 2,2. Na direção oposta, a textura cúbica do cobre ou de aços inoxidáveis austeníticos pode originar r tão baixo quanto 0,1. A tendência à formação de “orelhas” na estampagem é função da anisotropia planar. As "orelhas" se formam a 0 e 90° com a dire ção de laminação, quando o coeficiente de anisotropia planar (∆r) é maior que zero e a 45o e 135° com a direção de laminação, quando o coeficiente de anisotropia planar é menor que zero. Figura 15 - Relação entre r e a razão limite de estampagem Conformação Mecânica dos Materiais 21 7.2 Influência da anisotropia na qualidade e precis ão do embutimento Os valores de coeficientes de anisotropia normal e planar são funções da textura cristalográfica desenvolvida no material após o recozimento da tira. A textura, por sua vez, é função de vários parâmetros do processo: composição química, temperaturas de acabamento e de bobinamento após o laminador de tiras a quente, quantidade de redução a frio, taxa de aquecimento, tempo e temperatura de encharque no recozimento. A textura cristalográfica pode ser medida por técnicas especiais de difração de raios-X. A orientação cristalográfica ideal para maximizar (r) nos metais CCC seria uma tira com textura [111] na sua direção normal, e com os planos {111} orientados aleatoriamente no plano da chapa. A anisotropia cristalográfica tem menor influência sobre operações de estiramento. Inicialmente, esta propriedade foi considerada indesejável em materiais destinados a operações de estampagem, devido à chance de formação de orelhas. Contudo, é de grande importância no que se refere à estampagem profunda, uma vez que nesta operação não se deseja a diminuição significativa da espessura do material. Conformação Mecânica dos Materiais 22 8. Bibliografia 1 - Apostila TWI conformação Mecânica – Prof. Sergio Souto Maior - UFF 2 – Tecnologia Mecânica – Processos de Fabricação e Tratamento – Vicente Chiaverini – Vol. II 3 – Centro de Informações Metal Mecânica (CIMM) – www.cimm.com.br 4 – Apostila: Tópicos em Fabricação Mecânica – Prof. João Paulo P. Marciano - EPUSP
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