ESCOLA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL DE FARROUPILHA ETFAR/UCS CURSO TÉCNICO DE FERRAMENTARIA DISCIPLINA: MATRIZES DE CORTE PROFESSOR: EDUARDO THOMAZI
Matrizes de corte, dobra e embutimento
Farroupilha, março de 2009.
Matrizes de corte, dobra e embutimento
Prof. Eduardo Thomazi
Índice Capítulo 1 – Introdução a Conformação Mecânica Mecânica .............................................. .............................................. 6 Conceitos básicos....................................................... básicos............................................................................... ....................................... ............... 6 Processos de conformação a quente, quente, a morno e a frio...................... frio ...................................... ................ 6 Principais processos processos de conformação conformação ............................................. ............................................................... .................. 7 Principais propriedades propriedades em conformação conformação mecânica....................................... mecânica....................................... 12 Capítulo 2 – Análise e caracterização de chapas.................... chapas ............................................ ............................ .... 20 Propriedades mecânicas das chapas chapas metálicas metálicas ............................................... ............................................... 21 Índice de anisotropia..................................................... anisotropia............................................................................ .................................. ........... 23 Curvas Limites Limites de Conformação – CLC ............................................... ........................................................ ......... 25 Testes tecnológicos tecnológicos....................... ............................................... ................................................ .......................................... .................. 26 Ensaio Swift........................................................... Swift.................................................................................. ..................................... .............. 27 Ensaio Erichsen ............................................. .................................................................... ............................................. ...................... 27 Ensaio “Bulge-Test” .............................................. ..................................................................... ..................................... .............. 28 Ensaio dos cinco punções punções ............................................. .................................................................... .............................. ....... 28 Capítulo 3 – Máquinas para para conformação mecânica a frio ................................ ................................ 30 Prensas .............................................. ..................................................................... .............................................. ....................................... ................ 30 Prensas Hidráulicas................................................ Hidráulicas........................................................................ ..................................... ............. 30 Prensas Excêntricas ............................................... ....................................................................... ..................................... ............. 32 Prensa de joelho ou rótula................................................. rótula........................................................................ .......................... ... 33 Prensas Pneumáticas Pneumáticas........................ ................................................ ................................................ ................................... ........... 34 Prensas de Fricção ............................................ .................................................................... .......................................... .................. 35 Prensa Dobradeira..................................................... Dobradeira............................................................................ .................................. ........... 36 Prensas de corte ou Guilhotinas..................................... Guilhotinas............................................................. ............................. ..... 37 Capítulo 4 – Generalidades Generalidades nas matrizes matrizes de corte....................... corte .............................................. ....................... 38 Generalidades ............................................ ................................................................... .............................................. .............................. ....... 38 Estampos de de corte..................... corte ............................................. ............................................... .............................................. ....................... 40 Processo de corte ............................................. ..................................................................... ........................................... ................... 40 Capítulo 5 – Componentes Componentes das matrizes matrizes de corte............................................... corte............................................... 42 Montagem da matriz matriz na prensa........................................................ prensa....................................................................... ............... 42 Matriz........................................................ Matriz............................................................................... .............................................. ............................... ........ 46 Punção.................................... Punção........................................................... .............................................. .............................................. ........................... .... 47 Dureza de punções e matrizes........................................ matrizes................................................................. ................................. ........ 49
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Índice Capítulo 1 – Introdução a Conformação Mecânica Mecânica .............................................. .............................................. 6 Conceitos básicos....................................................... básicos............................................................................... ....................................... ............... 6 Processos de conformação a quente, quente, a morno e a frio...................... frio ...................................... ................ 6 Principais processos processos de conformação conformação ............................................. ............................................................... .................. 7 Principais propriedades propriedades em conformação conformação mecânica....................................... mecânica....................................... 12 Capítulo 2 – Análise e caracterização de chapas.................... chapas ............................................ ............................ .... 20 Propriedades mecânicas das chapas chapas metálicas metálicas ............................................... ............................................... 21 Índice de anisotropia..................................................... anisotropia............................................................................ .................................. ........... 23 Curvas Limites Limites de Conformação – CLC ............................................... ........................................................ ......... 25 Testes tecnológicos tecnológicos....................... ............................................... ................................................ .......................................... .................. 26 Ensaio Swift........................................................... Swift.................................................................................. ..................................... .............. 27 Ensaio Erichsen ............................................. .................................................................... ............................................. ...................... 27 Ensaio “Bulge-Test” .............................................. ..................................................................... ..................................... .............. 28 Ensaio dos cinco punções punções ............................................. .................................................................... .............................. ....... 28 Capítulo 3 – Máquinas para para conformação mecânica a frio ................................ ................................ 30 Prensas .............................................. ..................................................................... .............................................. ....................................... ................ 30 Prensas Hidráulicas................................................ Hidráulicas........................................................................ ..................................... ............. 30 Prensas Excêntricas ............................................... ....................................................................... ..................................... ............. 32 Prensa de joelho ou rótula................................................. rótula........................................................................ .......................... ... 33 Prensas Pneumáticas Pneumáticas........................ ................................................ ................................................ ................................... ........... 34 Prensas de Fricção ............................................ .................................................................... .......................................... .................. 35 Prensa Dobradeira..................................................... Dobradeira............................................................................ .................................. ........... 36 Prensas de corte ou Guilhotinas..................................... Guilhotinas............................................................. ............................. ..... 37 Capítulo 4 – Generalidades Generalidades nas matrizes matrizes de corte....................... corte .............................................. ....................... 38 Generalidades ............................................ ................................................................... .............................................. .............................. ....... 38 Estampos de de corte..................... corte ............................................. ............................................... .............................................. ....................... 40 Processo de corte ............................................. ..................................................................... ........................................... ................... 40 Capítulo 5 – Componentes Componentes das matrizes matrizes de corte............................................... corte............................................... 42 Montagem da matriz matriz na prensa........................................................ prensa....................................................................... ............... 42 Matriz........................................................ Matriz............................................................................... .............................................. ............................... ........ 46 Punção.................................... Punção........................................................... .............................................. .............................................. ........................... .... 47 Dureza de punções e matrizes........................................ matrizes................................................................. ................................. ........ 49
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Espigas................................................................. Espigas.......................................... .............................................. ........................................... .................... 49 Bases Normalizadas...................................................... Normalizadas............................................................................. .................................. ........... 50 Molas ............................................ ................................................................... .............................................. ........................................... .................... 51 Mola Helicoidal ............................................. .................................................................... ............................................. ...................... 52 Mola Prato ............................................ ................................................................... .............................................. ............................... ........ 52 Mola Polimérica.................................................... Polimérica............................................................................ ...................................... .............. 53 Capítulo 6 - Folga de corte .............................................. ...................................................................... ................................... ........... 56 Dimensionamento:............................................................. Dimensionamento:...................................... .............................................. ............................. ...... 56 Cálculos: ............................................ ................................................................... ............................................... ...................................... .............. 56 Exemplo:........................................................... Exemplo:.................................... .............................................. .......................................... ................... 57 Aspectos da peça......................................................... peça................................................................................ .................................... ............. 57 Capítulo 7 – Disposição Disposição de peças peças na tira........................ tira ................................................. .................................... ........... 60 Utilização do material.................................................... material........................................................................... ................................. .......... 60 Separação entre as peças............................................ peças..................................................................... ..................................... ............ 61 Quantidade de peças por tira............................................. tira..................................................................... .............................. ...... 62 Sistemas de avanço avanço da tira.................................................................... tira.............................................................................. .......... 63 Sistema de avanço por tope: ................................................ ....................................................................... ....................... 63 Sistema com faca de avanço:................................................................ avanço:...................................................................... ...... 64 Capítulo 8 – Esforço de corte ............................................. .................................................................... ................................ ......... 66 Cálculo do esforço de corte .............................................. ..................................................................... .............................. ....... 66 Exemplo de cálculo........................................................ cálculo................................................................................ ................................. ......... 67 Dimensionamento da prensa........................................ prensa............................................................... ................................... ............ 68 Minimização do esforço de corte....................................... corte.............................................................. ............................. ...... 68 Exercícios: ............................................ ................................................................... .............................................. ................................... ............ 69 Capítulo 9 – Generalidades das dobras............................. dobras.................................................... .................................. ........... 70 Dobra com com aresta viva .............................................. ...................................................................... ...................................... .............. 71 Dobra com com aresta arredondada ............................................ ................................................................... ........................... .... 71 Dobra em dobradeiras.................................................. dobradeiras.......................................................................... ................................... ........... 72 Dobra em ferramentas ferramentas com utilização de prensa....................... prensa ............................................ ..................... 73 Métodos de dobra ............................................... ...................................................................... ........................................ ................. 73 Tensões no processo processo de dobramento ............................................... .............................................................. ............... 75 Efeito elástico da dobra .............................................. ...................................................................... .................................... ............ 76 Capítulo 10 – Desenvolvimento de peças dobradas ........................................... ........................................... 77 Linha Neutra .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................. ....... 77 ETFAR / UCS
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Exercícios: ...................................................................................................... 79 Capítulo 11 – Esforço de dobra .......................................................................... 81 Dobra em “V” ................................................................................................. 81 Dobra em “L” ................................................................................................. 82 Dobra em “U” ................................................................................................. 82 Força do Prensa-chapa e dos extratores.......................................................... 83 Capítulo 12 – Embutimento................................................................................ 84 Generalidades ................................................................................................. 84 Princípio de embutimento............................................................................... 85 Embutidor Simples ..................................................................................... 85 Embutidor com prensa-chapa ..................................................................... 86 Raio de embutimento...................................................................................... 87 Folga para embutimento ................................................................................. 88 Lubrificação para embutimento...................................................................... 89 Defeitos em peças embutidas.......................................................................... 89 Capítulo 13 – Desenvolvimento de peças embutidas ......................................... 92 Desenvolvimento de peças cilíndricas............................................................ 92 Cálculo do diâmetro do disco de partida .................................................... 92 Cálculo do número de passagens.................................................................... 93 Desenvolvimento de peças não cilíndricas..................................................... 94 Bibliografia ......................................................................................................... 95
Anexo A ............................................................................................... 96 Anexo B.............................................................................................. 100 Anexo C.............................................................................................. 102 Anexo D ............................................................................................. 107 Anexo E .............................................................................................. 111 Anexo F............................................................................................... 112 ETFAR / UCS
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Anexo G ............................................................................................. 124 Anexo H ............................................................................................. 129
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Capítulo 1 – Introdução a Conformação Mecânica
Conceitos básicos Os processos de conformação mecânica são os elos finais de uma corrente que se inicia na extração do minério da crosta terrestre. São através destes processos que se obtém muitos produtos prontos empregados no dia-a-dia em equipamentos e máquinas de um modo geral. [1] Mais recentemente, devido ao desenvolvimento de novos equipamentos, a produção de componentes por conformação mecânica possibilitou uma enorme diminuição dos custos de produção este fato contribui para a alta competitividade de muitos produtos de origem metálica. [1] Os processos de fabricação por conformação são importantes para atingir determinadas propriedades mecânicas, muitas delas somente alcançáveis através destes processos.
Processos de conformação a quente, a morno e a frio Os processos de conformação são comumente classificados em operações de trabalho a quente, trabalho a morno e trabalho a frio. O trabalho a quente é definido como a deformação sob condições de temperatura e a taxa de deformação tais que processos de recuperação e recristalização ocorrem simultaneamente com a deformação. De outra forma, o trabalho a frio é a deformação realizada sob condições em que os processos de recuperação e recristalização não são efetivos. No trabalho a morno ocorre recuperação, mas não se formam novos grãos (não há recristalização). No trabalho a quente, devido à intensa vibração térmica, o encruamento e a estrutura distorcida dos grãos produzida pela deformação são rapidamente eliminados pela formação de novos grãos livres de deformação, como resultado da recristalização. No trabalho a frio, como o encruamento não é aliviado, a tensão aumenta com a deformação. Assim a deformação total que é possível de se obter sem causar fratura é menor no trabalho a frio do que no trabalho a quente e a morno. Exceto quando se realizam tratamentos térmicos de recozimento para aliviar os efeitos do encruamento. No trabalho a morno ocorre uma recuperação parcial da ductilidade do material e a tensão de conformação situa-se numa faixa intermediária entre o trabalho a frio e a quente. ETFAR / UCS
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Costuma-se definir, para fins práticos, as faixas de temperaturas do trabalho a quente, a morno e a frio baseadas na temperatura homóloga, que permite a normalização do comportamento do metal, como mostrado na figura 1.1. Em um metal puro, que não sofre transformação de fase no estado sólido, os pontos de referência em termos de temperatura são: o zero absoluto e o ponto de fusão (Tf). Estes pontos, traduzidos em graus Kelvin, estabelecem os extremos da escala homóloga de temperaturas.[2]
Figura 1.1 – Representação das faixas de temperaturas para trabalho a frio (TF), a morno (TM) e a quente (TQ). [2] É importante compreender que a distinção básica entre TQ e TF é portanto, função da temperatura em que se dá a recristalização efetiva do material. Assim, embora para muitas ligas comerciais a temperatura do TQ seja realmente elevada em relação à ambiente, para metais como chumbo (Pb) e estanho(Sn), que se recristalizam rapidamente à temperatura ambiente após grandes deformações, a conformação à temperatura ambiente é TQ. Por outro lado, a conformação a 1100ºC é TF para o tungstênio, cuja temperatura de recristalização é superior a esta, embora seja TQ para o aço.[2] Como exemplo pode-se citar o aço que tem ponto de fusão aproximadamente em 1530ºC. Fazendo as devidas conversões encontra-se a temperatura para trabalho a frio até 349,74ºC, a temperatura para trabalho a morno de 349,74 até 765ºC e para trabalho a quente acima de 765ºC.
Principais processos de conformação Os processos de conformação mecânica alteram a geometria do material através de forças aplicadas por ferramentas adequadas que podem variar desde pequenas
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matrizes até grandes cilindros, como os empregados na laminação. Em função da temperatura e do material utilizado para a conformação mecânica pode ser classificada como trabalho a frio, a morno e a quente. Cada um destes trabalhos fornecerá características especiais ao material e à peça obtida. Estas características serão função da matéria prima utilizada como composição química e estrutura metalúrgica (natureza, tamanho, forma e distribuição das fases presentes) e das condições impostas pelo processo tais como o tipo e o grau de deformação, a velocidade de deformação e a temperatura em que o material é deformado.[2] O número dos diferentes processos de conformação mecânica, desenvolvidos para aplicações específicas, atinge atualmente algumas centenas. É possível classificálos num pequeno número de categorias, com base em critérios tais como: o tipo de esforço que provoca a deformação do material, a variação relativa da espessura da peça, o regime da operação de conformação, o propósito da deformação.[2] Basicamente, os processos de conformação mecânica podem ser classificados em: Forjamento: Conformação por esforços compressivos tendendo a fazer o material assumir o contorno da ferramenta conformadora, chamada matriz ou estampo.[2] A figura 1.2 mostra uma peça que foi forjada seqüencialmente e após rebarbada.
Figura 1.2 – Exemplo de uma peça forjada [4] Laminação: Conjunto de processos em que se faz o material passar através da abertura entre cilindros que giram, modificando-lhe (em geral reduzindo) a seção transversal; os produtos podem ser placas, chapas, barras de diferentes seções, trilhos, perfis diversos, anéis e tubos.[2]
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A figura 1.3 demonstra vários tipo de laminadores conforme os arranjos dos cilindros: ( a) - laminador duo; ( b) - laminador duo reversível; (c) - laminador trio; (d) laminador quádruo, (e) - laminador Sendzimir e ( f ) - laminador universal.
Figura 1.3 – Tipos de laminadores [2] Trefilação: Redução da seção transversal de uma barra, fio ou tubo, “puxando-se” a peça através de uma ferramenta (fieira, ou trefila) com forma de canal convergente. Na figura 1.4 é possível ver exemplos de laminadores de tubos.
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Figura 1.4 – Laminadores de tubos [2] A fieira é o dispositivo básico da trefilação e componente de todos os equipamentos trefiladores. A geometria da fieira é dividida em quatro zonas: entrada, redução, calibração e saída. A figura 1.5 mostra um exemplo de fieira.
Figura 1.5 – Geometria de uma fieira indicando as zonas de conformação.[2] Os materiais utilizados nas fieiras dependem das exigências do processo (dimensões, esforços) e do material a ser trefilado. Os mais utilizados são: •
Carbonetos sinterizados (sobretudo WC) – widia,
•
Metal duro,etc. (figura abaixo)
•
Aços de alto C revestidos de Cr (cromagem dura)
•
Aços especiais (Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-W, etc.)
•
Ferro fundido branco
•
Cerâmicos (pós de óxidos metálicos sinterizados)
•
Diamante (p/ fios finos ou de ligas duras) A figura 1.6 apresenta os detalhes construtivos de uma fieira. ETFAR / UCS
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Figura 1.6 – Detalhe construtivo de uma fieira [2] Extrusão: É um processo de deformação de materiais metálicos no estado plástico. O bloco de metal é levado em um recipiente onde ele é forçado a sair através de uma abertura, chamada matriz, pela pressão de um êmbolo. Os primeiros experimentos baseados neste princípio deformavam chumbo. Atualmente, conforma-se, através de extrusão, tubos e perfis complexos, tanto em aço como em metais leves. A figura 1.7 mostra um exemplo de uma extrusão direta.
Figura 1.7 – Extrusão direta [2]
Conformação de chapas: Compreende as operações de embutimento, estiramento, corte e dobramento.[2] A figura 1.8 apresenta alguns processos de conformação com chapas metálicas.
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Figura 1.8 – Exemplos de conformação de chapas [2]
Principais propriedades em conformação mecânica Tensão: Um corpo qualquer em repouso ou não, quando submetido a um carregamento externo (várias forças atuando), tem sua forma modificada. Estas forças, como mostradas na figura 1.9a, podem provocar deformações elásticas ou plásticas (permanentes). Independente da quantidade de forças atuando, sempre é possível decompô-las em um sistema cartesiano, como mostra a figura 1.9b.[1]
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Figura 1.9 – demonstração das forças em conformação mecânica [1] Deformação: Na atuação de forças ou momentos ocorre deformação em um corpo metálico. Estas deformações podem ser puramente elásticas ou elástico-plásticas. A deformação elástica é reversível e praticamente proporcional à tensão aplicada. A figura 1.10 mostra o estado de deformação para vários estados de tensões. Um carregamento externo provoca tensões internas localizadas. Estas tensões localizadas provocam por sua vez deformações localizadas. Na figura 1.10a corresponde ao estado uniaxial das tensões, 1.10b corresponde ao estado biaxial das tensões (plano) e estado triaxial das deformações (caso particular: estado plano de deformação) e 1.10c corresponde ao estado triaxial das tensões e triaxial de deformação (caso particular: estado plano de deformação).[1]
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Figura 1.10 – Tensões aplicadas em conformação mecânica [1] Deformação plástica: Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste apenas até deformações de aproximadamente 0,005. À medida que o material é deformado além deste ponto, a tensão não é mais proporcional a deformação, ocorrendo uma deformação permanete e não recuperável, ou deformação plástica. A figura 1.11a mostra um gráfico esquemático do comportamento tensão-deformação em tração até a região plástica para um metal típico. A transição do comportamento elástico para o plástico é uma transição gradual para a maioria dos metais.
Figura 1.11 – Deformação plástica [3] Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento tensão-deformação em tração semelhante ao mostrado na figura 1.11b. A transição elastoplástica é muito bem definida, e ocorre de uma forma abrupta, no que é por fenômeno do pico de ETFAR / UCS
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escoamento descontínuo. Na tensão limite de escoamento superior, a deformação plástica tem seu início, com uma diminuição real na tensão.[3] Limite de Resistência à Tração: Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica em metais aumenta até um valor máximo, ponto M na Figura 1.12 e então diminui até a fratura eventual, ponto F. O limite de resistência à tração (LRT) é a tensão no ponto máximo na curva de tensão-deformação de engenharia (Figura 1.12). [3]
Figura 1.12 – Estágios de um ensaio de tração [3] Ductibilidade: A ductilidade é uma outra importante propriedade mecânica. Ela representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado na fratura. Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma deformação plástica quando da sua fratura é denominado frágil ("brittle"). Os comportamentos de tensão de tração-deformação para materiais tanto dúcteis quanto frágeis são esquematicamente ilustrados na figura 1.13.
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Figura 1.13 – Gráfico comparando um material dúctil com um material frágil [3] A figura 1.14 a e b mostram uma alteração na estrutura do grão de um material policristalino como resultado de uma deformação plástica. A figura 1.14a mostra que antes da deformação os grãos são axiais e que na figura 1.14b a deformação produziu grãos alongados.[3]
Figura 1.14 – Material antes e depois de sofrer deformação plástica [3]
Lei da constância de volume: Como na conformação plástica de metais as deformações impostas nos processos são grandes, pode-se considerar que o volume permanece constante durante a conformação. Quando um corpo (conforme figura 1.15) que tem volume inicial A0.B0.C0 sofre deformações através, por exemplo, de um processo de forjamento e considerando que seu volume não altera, pode-se dizer que: A 0.B0.C0 = A1.B1.C1. [1] ETFAR / UCS
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Figura 1.15 – Constância do volume [1] A soma algébrica das três dimensões principais é igual a zero. Esta afirmação caracteriza a Lei da Constância de Volume, o que é muito importante em considerações nos processos de conformação de corpos maciços.
Limite máximo de deformação: Uma conformação somente é possível até uma determinada grandeza de deformação. Quando, por exemplo, em um ensaio de tração é ultrapassada uma determinada deformação ocorrendo a ruptura, então se diz que a deformação atingiu seu limite máximo. Teorias de ruptura, que podem predizer a grandeza máxima de deformação, ainda que possibilitam determinar com exatidão um estado de tensão crítico, não foram desenvolvidas ainda a tal ponto de mostrar resultados quantitativos. Desta forma costuma-se utilizar valores qualitativos obtidos de trabalhos práticos. O limite máximo de deformação para um determinado material é influenciado principalmente por três grandezas: -
pelo estado das tensões;
-
pela temperatura;
-
pela velocidade de deformação; Tensões de tração provocam mais rupturas do que tensões de compressão.
Assim, o limite máximo de deformação aumenta quando ocorre compressão, como mostra a figura 1.16. ETFAR / UCS
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Figura 1.16 – Limite máximo de deformação [1] Com o aumento da temperatura aumenta o limite de deformação máxima, principalmente devido ao fato de ocorrer recristalização. Com o aumento da velocidade de deformação aumenta a tendência do material à ruptura frágil, ou seja, diminui o limite máximo máximo de deformação. A figura 1.17 mostra vários tipos de ruptura, caracterizando a influência de material no limite de deformação. A ruptura dúctil apresenta grande deformação plástica, o que não ocorre com a ruptura frágil. Na figura 1.17a tem-se uma ruptura frágil, na figura 1.17b uma ruptura por cisalhamento puro e na figura 1.17c uma ruptura mista. [1]
Figura 1.17 – Rupturas em ensaios de tração[1] Tensão de escoamento: A conformabilidade de um metal depende dos cristais, que ao serem solicitados indicam um escorregamento após o carregamento ter atingido um determinado valor ETFAR / UCS
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limite. Esse valor limite pode, por exemplo, ser o limite de escoamento quando se realiza um ensaio de tração. Num diagrama convencional de tensão ( ) x deformação relativa ( ) se observa duas zonas características (figura 1.18): a zona elástica (de 0 até S) e a zona plástica (de S até B). Para a conformação mecânica, a zona mais importante é aquela que vai do limite de escoamento( E) até o limite máximo ( B). Nesta zona o material encontra-se no estado plástico. No limite de escoamento inicia a deformação plástica e no limite máximo o escorregamento dos cristais chegou a tal ponto que não há mais união entre eles e o material se aproxima da ruptura (neste ponto inicia o estrangulamento no ensaio de tração). [1]
Figura 1.18 – Diagrama convencional de um ensaio tensão x deformação [1]
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Capítulo 2 – Análise e caracterização de chapas Muitos testes e formas de análise são realizadas atualmente para caracterizar propriedades que possam auxiliar o projetista ou operador de prensa para que a produção ocorra com o mínimo possível de defeitos e de forma otimizada. Não existe um único tipo de ensaio que forneça todas as informações necessárias, de um modo geral, empregam-se vários tipos de ensaios. Os principais tipos de ensaios para a caracterização da estampabilidade de chapas são: -
O ensaio de tração que resulta na curva tensão ( ) versus deformação ( ) e indica as propriedades mecânicas (tensão de escoamento, tensão máxima, tensão de ruptura, módulo de elasticidade, ductibilidade, etc...).
-
A curva de escoamento que fornece a informação sobre o modo de encruamento do material. A curva de escoamento também pode ser construída a partir de um ensaio simples de uma chapa.
-
O índice de anisotropia que caracteriza a influência das propriedades relacionadas com os efeitos das direções de conformação do processo de laminação de chapas.
-
As curvas limites de conformação (CLC) que demonstram os limites máximos de deformações relacionadas com as três principais direções de deformação.
-
Os testes tecnológicos que procuram explicar os efeitos da combinação dos testes acima citados. [5] A figura 2.1 mostra alguns exemplos de gráficos utilizados para chapas
metálicas.
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Figura 2.1 – Exemplos de gráficos utilizados na conformação de chapas
Propriedades mecânicas das chapas metálicas O mais comum e tradicional dos testes para definir algumas propriedades mecânicas é o ensaio de tração, através do ensaio de um corpo de prova em forma de chapas é possível obter: -
Módulo de elasticidade (E);
-
Limite de escoamento ( 0,2 ou e);
-
Limite de ruptura (Lrupt);
-
Alongamento (); Conforme as normas ABNT 6152 (ou DIN EM 10002), o ensaio de tração
consiste em fixar um corpo de prova nas garras de uma máquina de ensaios mecânicos, garantindo um estado uniaxial de tensão. O corpo de prova é tracionado com velocidade constante até a ruptura registrando-se a Força F(N) e o comprimento instantâneo l 1 (mm). A figura 2.3 mostra dimensões típicas de corpos de prova de chapa para ensaio de tração. ETFAR / UCS
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Figura 2.2 – Ensaio de tração em chapas metálicas
Figura 2.3 – Corpo de prova para ensaio de tração em chapas metálicas A figura 2.4 mostra resultados do diagrama convencional tensão x deformação relativa (x) para duas ligas de aço. As curvas apresentadas mostram os parâmetros mais significativos para a área de conformação de chapas: a tensão de escoamento, a tensão máxima e o alongamento total no momento da força máxima.
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Figura 2.4 – Comparação do gráfico tensão x deformação em dois tipos de aços
Índice de 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.[2]
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Figura 2.5 – Consequência da laminação na estrutura de grãos (Adaptada de CIMM) Uma das conseqüências é o fenômeno no processo de orelhamento nos processos de estampagem profunda.[5]
Figura 2.6 – Efeito causado pela anisotropia de chapas[5] A figura 2.7 mostra a direção dos corpos de prova para o ensaio de tração em chapas metálicas.
Figura 2.7 – Direção de retirada dos corpos de prova para o ensaio de tração[5] ETFAR / UCS
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Vários fatores de influência podem levar a diferentes valores de índice de anisotropia. A figura 2.8 mostra os principais parâmetros de influência para o aço laminado a frio DIN St 14, que devem ser controlados na fase de fabricação da chapa.
Figura 2.8 – Fatores de influência da anisotropia em um aço laminado a frio[5]
Curvas Limites de Conformação – CLC No processo de estampagem, vários parâmetros são necessários para otimizar o processo. As curvas limites de conformação (CLC) fornecem informações de como a combinação das principais deformações que ocorrerão no processo de fabricação e poderão dar origem a uma peça com defeito ou não. Examinar a CLC é uma das análises importantes a serem executadas para se ter mais certeza do sucesso do projeto e execução de um determinado componente.[5] A figura 2.9 mostra como é feita a obtenção de uma curva limite de conformação como a mostrada na figura 2.10.
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Figura 2.9 – Peça com gravação para medição dos pontos de deformação[6]
Figura 2.10 – Exemplo de curva limite de conformação (CLC)[6]
Testes tecnológicos Os ensaios tecnológicos servem para avaliar ou estimar a capacidade de conformação de materiais metálicos na etapa de produção. Tanto podem ser utilizados para determinar uma CLC como para validá-la. Através de ensaios tecnológicos descritos a seguir simulam-se experimentalmente as deformações de embutimento profundo, tração, deformação plana e estiramento.[5]
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Ensaio Swift Este ensaio mecânico simula embutimento profundo, pois há tensão trativa no sentido radial e compressiva no sentido circunferencial do corpo de prova, ambas iguais em módulo. Basicamente o conjunto de ferramenta utilizado para o ensaio Swift é composto por punção cilíndrico, prensa-chapas e matriz.[5]
Figura 2.11 – Demonstração de um ensaio Swift[5]
Ensaio Erichsen É um ensaio que serve para determinar a ductibilidade de chapas. Neste ensaio ocorrem deformações trativas bidimensionais e se houver condições de lubrificação controladas ocorre deformação biaxial.[5]
Figura 2.12 – Demonstração de um ensaio Erichsen[5]
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Ensaio “Bulge-Test” O ensaio sob pressão hidráulica ou “Bulge-Test” é largamente utilizado para fins de pesquisa permitindo realizar grandes deformações de estiramento antes do material romper, isto se dá principalmente por ser este ensaio exclusivamente sem atrito.[5]
Figura 2.13 – Demonstração de um ensaio “Bulge-Test”[6] Os ensaios Swift, Erichsen e Bulge-teste provocam deformações que atingem a zona plástica do material, mas não são utilizados individualmente para avaliar seu comportamento mecânico. Eles seguem um modo único de deformação, enquanto se sabe que os materiais durante um processo real de conformação estão sujeitos a combinações diversas de deformação.[5] Ensaio dos cinco punções Um ensaio que é utilizado para simular experimentalmente as deformações num processo de estampagem é o dito com múltiplos punções (figura 2.14). Da esquerda para a direita: punção cilíndrico, elíptico, hemisférico, elipse profunda e elipse extra profunda. Utilizam-se estes punções para determinar a capacidade do material de suportar deformações de embutimento profundo (cilíndrico) até estiramento (hemisférico) variando o formato do punção. As deformações medidas em corpos de prova ensaiados com este método podem ser utilizadas para determinar a curva limite de conformação e/ou valida-la.[5]
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Figura 2.14 – Demonstração dos punções utilizados no ensaio dos cinco punções[5]
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Capítulo 3 – Máquinas para conformação mecânica a frio Na indústria de estamparia são utilizados diversos tipos de máquinas, entre elas aparecem máquinas como: prensas, guilhotinas, calandras, dobradeiras. As prensas podem ser divididas em hidráulicas, excêntricas, prensa de joelho ou rótula, pneumática, fricção e ainda existem dobradeiras, Prensas rápidas de corte e guilhotinas mecânicas.
Prensas Prensa é um equipamento utilizado para conformar, dobrar, moldar, furar, cunhar e vazar peças. As operações variam pelos tipos de operações necessárias para formar o modelo (produto). Dependem também da capacidade de aplicação de força e velocidade da máquina. No mercado, encontram-se prensas com capacidade de carga de poucos quilos até prensas de mais de 50.000 toneladas de força. A seguir serão apresentados os principais tipos de prensas e outros equipamentos para conformação mecânica a frio, citando as características e aplicações de cada um. Prensas Hidráulicas Estas prensas se diferenciam das demais pelo comando do cabeçote, que pode ser de uma ou várias colunas e a armação destas prensas é de ferro fundido ou de chapas de aço soldadas. O cabeçote recebe o movimento de um pistão que se desloca pela ação de um fluído, dentro de um cilindro, ou seja, o acionamento se faz através de uma pistão ou cilindro hidráulico. Estas prensas possuem uma bomba de óleo que transmitem o óleo através de canalizações e o se faz através acionamento das válvulas de comando. As vantagens das prensas hidráulicas são: a força e pressão uniforme, independente da posição e do curso, devido à facilidade existente para se regular a pressão do óleo, o que permite utilizar somente a força necessária e que esta seja controlada. A figura 3.1 apresenta uma prensa hidráulica.
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Figura 3.1 – Prensa Hidráulica Funcionamento As prensas hidráulicas têm seu funcionamento baseado no princípio de Pascal. Onde a pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a mesma em todas as direções exercendo forças iguais em áreas iguais. Quando se aplica uma força de 10 Kgf em uma área de 1cm², obtemos como resultado uma pressão interna de 10 Kgf/cm² agindo em toda a parede do recipiente com a mesma intensidade. Este princípio, descoberto e enunciado por Pascal, levou a construção da primeira prensa hidráulica no início da Revolução Industrial. Aplicações A prensa hidráulica tem como característica realizar operações onde há a necessidade do emprego de grande força. Não tem grande velocidade na operação, por isso é muito precisa em seu movimento e largamente utilizada em operações de embutimento grande e profundo. É uma prensa com força ajustável e constante em qualquer ponto do curso. Dentre suas aplicações pode-se citar serviços gerais de reparo e manutenção, compactar, estampar, repuxar (embutir), cortar, rebarbar, forjar, testes de resistência mecânica, colocação e extração de rolamentos, eixos, engrenagens, buchas, dobrar, etc. A prensa hidráulica tem um sistema de almofada, com regulagem de força, que faz o repuxo ter mais qualidade do que em outras, a almofada também tem a função de extrair a peça da matriz. Este tipo de prensa é projetado para a operação com chapas aplanadas ou em bobinas, possibilitam nesse caso, operação em automático.
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Prensas Excêntricas São máquinas utilizadas na conformação e corte de materiais diversos, onde o movimento do martelo (punção) é proveniente de um sistema mecânico (o movimento rotativo é transformado em linear através de bielas ou manivelas). As prensas excêntricas são classificadas em: mecânicas de engate por chaveta ou acoplamento e mecânica com freio e embreagem. Os dois modelos apresentam máquinas com o corpo em forma de “C” ou corpo em forma de “H”. A figura 3.2 apresenta estes tipos de prensas excêntricas.
Figura 3.2 – Prensa excêntrica tipo “C” (esq.) e tipo “H” (dir.) Funcionamento Existem três tipos de operação para as prensas excêntricas: Manual ou Ajuste: utilizado para regular a prensa durante uma troca de ferramenta. Intermitente (bimanual ou pedal): neste modo de operação a máquina trabalha apenas um golpe por acionamento que pode ser operado através de bimanual (apenas comprimindo os botões do comando simultaneamente) ou através de pedal (pneumático ou elétrico). Como forma de garantir a segurança do operador em nenhum dos casos, se os acionadores ficarem pressionados, a máquina executará mais do que um golpe. Contínuo: A máquina parte pelo bimanual ou pedal, (o que estiver conectado) e interrompe o golpeamento apenas com a emergência o pressionando novamente o acionador.
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Aplicações: São utilizadas nas estamparias em operações de corte e conformação e, em alguns casos, repuxos moderados. Prensa de joelho ou rótula É uma prensa pouco conhecida e pouco utilizada. Tem sua estrutura e alguns componentes semelhantes as demais apresentadas, o que a diferencia é a forma do acionamento do martelo. Sua principal utilização é para realizar corte por impacto em uma matriz. Funcionamento Seu funcionamento é semelhante ao de uma prensa excêntrica, o que a diferencia é o modo de acionamento do martelo que está acoplado a um eixo, semelhante ao movimento de um pistão em um veículo. Este eixo é fixo em um volante que entra em movimento quando acionada a máquina, realizando o movimento de descida do martelo igual ao de um joelho. A rótula é formada por duas bielas articuladas entre si. A extremidade da biela superior se apóia na armação. A extremidade da biela inferior transmite o movimento ao cabeçote. Esta rótula é acionada por uma terceira biela de comando montada horizontalmente. Esta última recebe o movimento da árvore de comando, situada atrás da prensa. Ao girar a árvore, a biela de comando empurra a rótula. A biela superior, fixada à armação somente pode girar sobre o ponto de união com a armação; a biela inferior somente pode se deslocar no eixo do cabeçote. Empurrando o seu ponto de articulação (rótula), a biela de comando se obriga a se endireitar e, no fim do percurso, se encontram no prolongamento uma da outra. A figura 3.3 ilustra o acionamento do martelo de uma prensa de joelho e a figura 3.4 ilustra uma prensa de Joelho.
Figura 3.3 – Esquema de acionamento do martelo de uma prensa do tipo Joelho ETFAR / UCS
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Figura 3.4 – Prensa Joelho ou Rótula Prensas Pneumáticas As prensas pneumáticas também têm seu funcionamento baseado no princípio de Pascal (vasos comunicantes), tal como as prensas hidráulicas. Mas com características diferentes. A prensa pneumática trabalha com ar comprimido para impulsionar o cilindro, e em um circuito pneumático aberto, diferente da hidráulica. As prensas pneumáticas são prensas que podem trabalhar em velocidade rápida ou lenta; porém não desenvolvem bastante força devido ao fato de que com o ar comprimido não se consegue alta pressão e baixas velocidades estáveis. Para desenvolver grande força, os pistões teriam que ter seu diâmetro exageradamente grande. É utilizada para gravação, dispositivos, ferramenta de corte, dobra etc. Funcionamento Após a compressão do ar pelo sistema de compressores e distribuição pela rede, um conjunto de componentes faz com que o ar comprimido chegue até a válvula direcional da máquina. Quando essa válvula é acionada libera a passagem de ar comprimido para o cilindro fazendo assim a movimentação do pistão. Aplicações Nas prensas pneumáticas pelo fato de trabalhar com ar comprimido, não se tem um controle preciso sobre o movimento do cilindro ganhando alta velocidade na ETFAR / UCS
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operação, por isso é utilizada para realizar operações onde não há necessidade de empregar grande força, e precisão no movimento. São prensas de bancada comandadas por pedal pneumático ou bimanuais, destinadas a aplicação de botões, ilhoses e rebites, gravação, dispositivos, ferramenta de corte, dobra, e para prensar pequenos objetos e atividades onde não requer grande força. A figura 3.5 ilustra este tipo de prensas.
Figura 3.5 – Prensa pneumática Prensas de Fricção Prensa com curso e energia variável. Também são conhecidas como prensas do tipo parafuso. Sua energia máxima é obtida no final do curso descente. São utilizadas, de modo geral, em operações de cunhagem e forjamento as quentes. A figura 3.6 ilustra uma prensa a fricção com seus componentes.
Figura 3.6 – Componentes de uma prensa a Fricção ETFAR / UCS
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Funcionamento Ao acionar a prensa, pressiona-se um dos discos de encontro ao volante e este transmite o movimento de descida do cabeçote, para efetuar a operação. Logo o primeiro disco se afasta e pressiona o outro para dar-lhe o movimento de subida. Esses movimentos são controlados por topes reguláveis, porem, o curso máximo é determinado pela resistência do material a trabalhar, que freia o movimento. A figura 3.7 apresenta uma prensa a fricção.
Figura 3.7 – Prensa a Fricção Prensa Dobradeira Os tipos mais comuns de prensa dobradeira possuem acionamento hidráulico através de cilindros e acionamento mecânico através de freio / embreagem ou engate por chaveta. Seu princípio de funcionamento é o mesmo das prensas mecânicas ou hidráulicas. São utilizadas para dobrar chapas de acordo com a matriz que está sendo empregada que normalmente são estreitas e longas. A figura 3.8 apresenta uma dobradeira com seus componentes.
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Figura 3.8 – Dobradeira Prensas de corte ou Guilhotinas Funcionamento Seu princípio de funcionamento é semelhante ao da prensa excêntrica diferenciando-se apenas pelo movimento vertical que é feito pelo suporte das lâminas de corte na parte superior contra uma mesa fixa onde são apoiadas as chapas. A figura 3.9 ilustra uma guilhotina utilizada para o corte de chapas.
Figura 3.9 – Guilhotina
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Capítulo 4 – Generalidades nas matrizes de corte Generalidades A finalidade fundamental de toda e qualquer industria é produzir artigos bons e baratos. Este problema se resolve com a produção em série, utilizando máquinas e ferramentas especiais capazes de produzir um elevado número de peças mantendo o padrão desejado. Um setor importante na produção seriada é a estampagem de chapas. Este processo consiste em um conjunto de operações mecânicas que transformam chapas metálicas planas em objetos com forma geométrica própria e determinada, ou seja, no produto, como por exemplo: talheres, canecas, arruela, calotas, ilhoses, carrocerias de automóveis e caminhões, botões, carenagens de máquinas, caixas de comando, etc...
Fig. 4.1 – Exemplos de peças feitas por matrizes de corte, dobra e embutimento
As máquinas utilizadas na estampagem são prensas de vários tamanhos e tipos. As peças a produzir, variam das mais simples e rudimentares às mais complexas e aperfeiçoadas. As operações fundamentais de estampagem são: corte, dobra, repuxo. As operações de corte e dobra são geralmente feitas a frio, enquanto a de repuxo é feita a frio ou a quente, conforme o caso. As operações a frio ou a quente dependem da espessura e do tipo do material da chapa assim como da complexidade e tamanho da peça desejada. Recorre-se ao processo a quente quando é necessário aumentar a plasticidade do material.
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Peças complexas, em chapa de aço duro ou meio duro com espessura superior a 6,35mm (1/4”) devem ser estampadas a quente. Poucos são os casos em que o ciclo de estampagem reduz a uma operação fundamental de corte, dobra ou repuxo. Em geral temos estas operações associadas, como por exemplo: •
Corte e dobra
•
Corte, dobra e repuxo
•
Corte e repuxo Em muitos casos, as operações fundamentais são complementadas por outros
processos como: •
Pré-formar
•
Formar
•
Recalcar
•
Repassar
•
Calibrar A determinação do ciclo de operações para a estampagem de uma determinada
peça depende de vários fatores: •
Formato, tamanho, qualidade e quantidade de peças.
•
Qualidade, espessura e estado do material da chapa.
•
Prensas, equipamento e recursos da oficina. O número de operações necessárias para o ciclo de trabalho, está diretamente
ligado à complexidade da peça e suas dimensões. Uma arruela se obtém com uma simples operação de corte, mas uma caneca, muito profunda, somente pode ser obtida por corte do disco e várias fases de repuxo. A qualidade do material da chapa influi na determinação do ciclo de operações. Um material macio, plástico, se deformará mais facilmente que um material duro que é elástico. Enquanto um disco de material mole permite um repuxo bastante profundo em cada operação, um outro igual ao primeiro, mas de material duro permite apenas um repuxo leve.
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Estampos de corte É uma ferramenta de corte, de grande precisão, acionada por prensas destinandose a produzir, a partir de chapas, peças dos mais variados formatos. O estampo de corte é constituído basicamente de duas partes, superior e inferior. Na parte superior situa-se o punção e na inferior a matriz, conforme mostrado na figura 4.2.
Figura 4.2 – Componentes de um sistema para corte [7] O punção pressiona a chapa contra a matriz produzindo o corte de uma peça (produto). Para melhorar o funcionamento do estampo de corte, outras parte são adicionadas ao conjunto para melhorar a precisão e fazer um melhor aproveitamento de material (chapa). Processo de corte Entende-se por corte, em ferramentaria, a separação total ou parcial de um material sem formação de cavacos. Alguns exemplos são mostrados na 4.3.
Figura 4.3 – Exemplo de corte total e parcial [7] ETFAR / UCS
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O processo de corte ocorre conforme os passos abaixo: a. O punção, ao descer, pressiona a tira contra a matriz e empurra a parte a cortar dentro da cavidade da mesma, produzindo deformação na superfície da tira a cortar, iniciando-se as linhas de ruptura como é mostrado na figura 4.4. b. Para que o produto obtido não apresente rebarbas, é necessário que a folga entre o punção e a matriz seja adequada como é mostrado na figura 4.5. c. A pressão que o punção continua exercendo, provoca a separação das peças como é mostrado na figura 4.6. PUNÇÃO
TIRA
GRETAS
MATRIZ
Figura 4.4 – Processo de corte – 1ª fase PUNÇÃO
TIRA
MATRIZ
Figura 4.5 – Processo de corte – 2ª fase
PUNÇÃO TIRA RUGOSO BRILHANTE
MATRIZ
Figura 4.6 – Processo de corte – 3ª fase – Separação total
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Capítulo 5 – Componentes das matrizes de corte Montagem da matriz na prensa A parte superior da matriz de corte é montada e fixada no cabeçote móvel da prensa através da espiga [7]. A parte inferior da matriz é montada e fixada sobre a mesa da prensa com auxilio de grampos de fixação, como pode ser observado na figura 5.1.
Fig. 5.1 – Montagem de uma matriz de corte em prensa excêntrica
A tabela 5.1 apresenta todos os componentes existentes na matriz de corte das figuras 5.1 e 5.2. Esta matriz de corte faz um corte simples e único sem outras operações. Tabela 5.1 – Montagem de uma matriz de corte em prensa excêntrica
ITEM DENOMINAÇÃO
MATERIAL
1
ETFAR / UCS
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FUNÇÃO
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2
3
4
5
6
7
ETFAR / UCS
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8
9
10
11
12
13
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Figura 5.2 – Matriz para o corte de um perfil único
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Matriz A matriz é um dos elementos fundamentais em matrizes de corte. Na matriz está usinado o formato negativo da peça a ser produzida. A matriz, normalmente, é fixada rigidamente sobre a base inferior com parafusos ou alojada na placa porta-matriz, sempre de modo a formar um conjunto bem sólido. A qualidade do produto está diretamente ligada a matriz ser confeccionada em material de ótima qualidade e com acabamento finíssimo. As características das matrizes são: 1) Ter ângulo de saída para facilitar a saída do material cortado; 2) Determinar a folga entre punção punção e matriz que é responsável pelo perfeito perfeito corte da peça desejada; Na figura 5.3 é mostrado um exemplo de saída de cavaco utilizado em matrizes de corte [8].
Figura 5.3 – Ângulo de saída para matriz de corte
Nas figuras 5.4, 5.5 e 5.6 são mostrados exemplos de matrizes com corte inclinado, postiçadas e compostas.
Fig. 5.4 – Exemplo de matriz com corte inclinado. ETFAR / UCS
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Quando a matriz de corte tem dimensões muito grandes é interessante para fins de economia de material postiçar apenas as regiões que se necessita cortar ou furar, como é mostrado na figura 5.5. Da mesma forma, em matrizes que cortam detalhes grandes é muitissímo interessante dividir a matriz ou os punções em vários segmentos, evitando peças de comprimento grande que possam sofrer alterações ou deformações em função do tratamento térmico, como é mostrado na figura 5.6.
Fig. 5.5 – Exemplo de matriz postiçadas
Fig. 5.6 – Exemplo de matriz compostas
Punção O punção é um dos elementos fundamentais em matrizes de corte, eles transformam a chapa plana no produto desejado, conformando-os de uma vez ou em várias etapas. Em geral, os punções são confeccionados em aço ferramenta, aço rápido ou metalduro. Os tipos de punções mais utilizados são os mostrados na figura 5.7.
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Figura 5.7 – Tipos mais utilizados de punções de corte
Os punções são fixados na placa porta-punções e apoiados na parte de trás da cabeça pela placa de choque ou por segmentos de material endurecido para evitar que o punção deforme a placa base superior diminuindo a altura efetiva do punção. A figura 5.8 mostra vários exemplos de fixação de punções.
Figura 5.8 – Exemplo de fixações utilizadas em punções de corte ETFAR / UCS
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Dureza de punções e matrizes A tabela 5.2 apresenta uma tabela com componentes de matrizes de corte com durezas sugeridas de acordo com sua função. Tabela 5.2 – Tabela de durezas para componentes de matrizes de corte
DUREZA
PEÇAS
ROCKWELL C
CORTE S E Õ Ç N U P
60 – 62
FACA DE AVANÇO DOBRA REPUXO OU EMBUTIMENTO CORTE E DOBRA
56 – 58 58 - 60
CORTE E REPUXO PLACAS-MATRIZES
60 – 62
PLACAS-MATRIZES COM PARTES FRÁGEIS
58 – 60
CENTRADORES E PILOTOS
58 - 60
PINOS-GUIA
56 - 58
TOPES COLUNAS
52 - 54
BUCHAS
54 - 56
PLACAS DE CHOQUE
54 - 56
LEVANTADORES DE TIRA
56 - 58
EXTRATORES
Espigas A espiga é responsável por fixar a parte superior da ferramenta no martelo ou cabeçote móvel da prensa. Normalmente é confeccionada em aço com baixo teor de carbono, como por exemplo, ABNT 1020 ou ABNT 1045. A figura 5.9 mostra alguns exemplos de formatos de espiga.
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Figura 5.9 – Exemplo de formatos de espigas utilizadas em matrizes de corte
Bases Normalizadas Existem diversos fabricantes de bases para estampo pré-fabricadas, ou seja, pode-se comprar um conjunto com a placa base inferior e a placa base superior guiadas por colunas e buchas normais ou utilizando colar de esferas. A figura 5.10 mostra exemplos de base e componentes padronizados que podem ser adquiridos prontos e que são amplamente utilizados no projeto e desenvolvimento de matrizes de corte, dobra e embutimento.
Fig. 5.10 – Bases e componentes para estampos
As bases podem ser compradas com dimensões contidas nos catálogos dos fabricantes ou solicitadas sob medida para aplicações de grande porte. Outro detalhe interessante é que pode ser escolhido entre o acabamento lateral das bases fresado ou oxicortado. Na figura 5.11 são mostrados exemplos de bases para estampo.
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Figura 5.11 – Bases para estampos (fonte: MDL –DANLY em www.mdl-danly.com.br )
Catálogos com componentes para estampo, bases de estampo e punções e matrizes padrão podem ser encontrados nos websites dos fabricantes: Polimold – www.polimold.com.br Danly – www.mdl-danly.com.br Tres-s – www.tres-s.com.br Tecnoserv – www.tecnoserv-moldes.ind.br DME – www.dme.net HASCO – www.hasco.com No anexo E existem alguns exemplos de normalizados para matrizes de estampo.
Molas As molas utilizadas em matrizes podem ser helicoidais, de polímero (plastiprene) ou de arruelas elásticas. Na figura 5.12 são mostrados alguns tipos de molas utilizados em matrizes.
Figura 5.12 – Exemplo de molas utilizadas em matrizes ETFAR / UCS
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Mola Helicoidal Este tipo de mola é o mais empregado em matrizes por ter uma grande variedade de comprimentos e diâmetros oferecidos no mercado e também por possibilitar trablhar com compressões que variam de 1 até 100mm ou mais. Para determinação da mola são utilizados os valores de compressão e as dimensões de diâmetro e comprimento determinados nos catalogos dos fabricantes. A figura
5.13
mostra
uma
parte
do
catalogo
do
fabricante
Polimold
(www.polimold.com.br ). O catalogo completo é apresentado no anexo D.
Figura 5.13 – Exemplo do catalogo de molas da Polimold
Mola Prato Estas molas são formadas por pilhas de arruelas montadas com concavidade alternadamente opostas. A grande vantagem deste tipo de molas é poder variar a rigidez, a flexibilidade e a capacidade de carga, bastando para isso variar o número de arruelas ou mudar sua disposição. A figura 5.14 mostra um exemplo de associação que pode ser feitos por molas prato.
Figura 5.14 – Exemplo de molas prato ETFAR / UCS
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Mola Polimérica As molas poliméricas da marca Plastiprene ( www.plastiprene.com.br ) são classificadas por cor, onde os tarugos com cor vermelha são da classe F que destina-se a serviços de repuxo com utilização como prensa-chapa e com necessidade de um curso maior e com ciclo de operação mais lento, já os tarugos da cor verde são da classe EF e destinam-se para uso em curso menor e com ciclos de operação mais rápidos. As tabelas 5.3 e 5.4 apresentam os valores de curso e força de repulsão para as duas classes de molas poliméricas e as figuras 5.15 e 5.16 suas respectivas montagens.
Figura 5.15 – Montagem da mola tipo F Tabela 5.3 – Tabela de valores para molas poliméricas da classe F
MOLAS PLASTIPRENE – TIPO F Diâmetro
Força
da mola
máxima
Altura da mola em mm
30
35
40
em kg
45
50
60
80
100
110
130
Força em kg para 1 mm de compressão
20
200
22
19
25
315
35
30
26
23
30
450
50
43
37
33
30
35
615
68
58
51
45
41
34
40
800
89
77
67
59
53
44
45
1020
113
97
85
75
68
56
42
50
1260
140
120
105
93
84
70
52
55
1525
145
127
113
101
84
63
50
60
1815
151
134
121
101
75
60
65
2130
177
158
142
118
88
71
64
70
2475
183
165
137
103
82
75
63
75
2835
189
157
118
94
86
72
80
3225
215
179
134
107
97
82
90
4085
227
170
136
123
104
100
5040
210
168
152
129
110
6090
254
203
184
156
120
7270
303
242
220
186
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Matrizes de corte, dobra e embutimento
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130
8540
284
258
219
140
9900
330
300
254
150
11370
379
344
291
31
35
39
110
130
Curso Máximo em
9
mm
10,5
12
13,6
16
18
24
Figura 5.16 – Montagem da mola tipo F Tabela 5.4 – Tabela de valores para molas poliméricas da classe EF
MOLAS PLASTIPRENE – TIPO EF Diâmetro
Força
da mola
máxima
Altura da mola em mm
30
35
40
em kg
45
50
60
80
100
Força em kg para 1 mm de compressão
20
214
35
30
25
335
55
47
41
37
30
483
80
69
60
53
48
35
657
109
93
82
73
65
54
40
859
143
122
107
95
85
71
45
1087
181
155
135
120
108
90
67
50
1342
223
191
167
149
134
111
83
55
1624
232
203
180
162
135
101
81
60
1932
241
214
193
161
120
86
87
65
2268
283
252
226
189
141
113
103
70
2631
292
263
219
164
131
119
101
75
3020
335
302
251
188
151
137
116
80
3436
343
286
214
171
156
132
90
4349
362
271
217
197
167
100
5369
335
268
244
206
110
6496
406
324
295
249
120
7731
483
386
351
297
130
9074
567
453
412
349
140
10524
526
478
404
150
12081
604
549
464
20
22
26
Curso Máximo em mm
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6
7
8
9
10
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12
16
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A figura 5.17 mostra exemplos de montagens utilizando molas plastiprene e as deflexões que acontecem no momento da compressão.
Figura 5.17 – Montagens utilizando molas da marca Plastiprene (fonte: www.plastiprene.com.br )
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Capítulo 6 - Folga de corte A folga que deve existir entre o punção e a matriz, para que a ação do corte ela correta, traz como conseqüência à conservação do corte da matriz e a qualidade da peça, como é mostrado na figura 6.1.
Figura 6.1 – Componentes de uma matriz de corte
Dimensionamento: Necessitando obter contornos externos, a matriz leva a medida nominal da peça e a folga fica no punção. No caso de contorno interno, o punção leva a medida e a folga se acrescenta à matriz.
Cálculos: Para determinar as medidas correspondentes ao punção e a matriz, pode-se aplicar as formulas seguintes: Para aço macio e latão: F Para aço semi-duro: F Para aço duro: F
e =
14
“F” é a folga de corte
e =
20
e =
16
, onde: em mm.
“e” é a espessura da chapa a cortar em mm.
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Exemplo: Determinar as medidas do punção e da matriz para constituir peças de aço semiduro.
Para aço semi-duro temos: F =
1 = 0,06 mm 16 16 e
=
Então temos: Para o contorno externo: 16 − 2( F ) = 16 − 2(0,06) = 16 − 0,12 = 15,88 Para o contorno interno: 6 + 2( F ) = 6 + 2(0,06) = 6 + 0,12 = 6,12 Perceba que no caso do contorno externo a folga é dada no punção e a matriz fica com a dimensão nominal. No caso do contorno interno, a folga é dada na matriz e o punção fica com a medida nominal.
Aspectos da peça As bordas do produto cortado em estampos, apresentam duas partes distintas uma lisa (brilhante) e outra rugosa. Este fenômeno ocorre em função da folga entre punção e matriz, sendo que a parte lisa é cortada e a parte rugosa é rompida. Suas medidas veriam de acordo com a espessura e o tipo de material a ser cortado. Baseado neste princípio pode-se controlar a folga entre punção e matriz examinando a borda dos produtos estampados durante os ensaios. Para materiais não ferrosos, dúcteis e com pouca resistência à tração a parte rugosa tem 1/3 da espessura da chapa, como é mostrado na figura 6.2. RUGOSO BRILHANTE
Figura 6.2 – Aspecto da peça cortada em materiais macios
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Em materiais ferrosos que não oferecem grande resistência à tração a parte rugosa tem a metade da espessura da chapa, como é mostrado na figura 6.3. RUGOSO BRILHANTE
Figura 6.3 – Aspecto da peça cortada em materiais de média dureza
Para materiais ferrosos que oferecem maior resistência à tração, a parte rugosa tem 2/3 da espessura da chapa, como é mostrado na figura 6.4. RUGOSO BRILHANTE
Figura 6.4 – Aspecto da peça cortada em materiais duros
Existem outros materiais que se adaptam a qualquer dos três casos citados, como sejam: folha de flanges, aço silicioso, aço inoxidável, matérias isolantes e plásticos. Para se obter um bom corte através de um estampo, o punção e a matriz devem ter entre si uma folga adequada. Esta folga obedece a uma determina porcentagem relacionada com a espessura e natureza do material. Como regra geral, ela será tanto quanto menor quanto mais fina for a espessura da chapa a ser cortada. Dessa folga depende o tempo de vida do estampo e a qualidade do produto. O desgaste da matriz e do punção será muito menor, quando a folga for bem determinada e bem dividida, como mostra a figura 6.5.
Figura 6.5 – Aplicação correta da folga entre punção e matriz
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A folga insuficiente pode ocasionar: 1. Maior esforço sobre a matriz, trincamento da mesma, quebra do punção e rebarbas nos contornos do produto e do retalho. 2. Maior desgaste do punção e da matriz, resultando pequena durabilidade do estampo.
Figura 6.6 – Problemas causados no punção e matriz por aplicação de folga insuficiente
A folga excessiva pode ocasionar: 1. Deformação e conicidade no bordo do produto. 2. Rebarbas nos contornos do produto e do retalho.
Figura 6.7 – Problemas causados no punção e matriz por aplicação de folga excessiva
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Capítulo 7 – Disposição de peças na tira Utilização do material Na fase inicial do projeto de uma matriz de corte decide-se como as peças serão cortadas, como será à disposição das peças nas tiras ou como será a seqüência de operações, no caso de peças com mais de uma operação. A partir dessa distribuição pode-se obter uma grande economia quando trabalhamos com grandes séries de peças. Devido a este fator quanto melhor for o estudo da tira, melhor serão os aspectos financeiros, pois demandará menos material consumido. Um fator de grande importância a ser levado em conta é o sentido de laminação da chapa, principalmente quando esta sofrerá posteriormente uma operação de dobra ou embutimento. De uma forma simples podemos dizer que para uma boa disposição das peças é necessário avaliar os seguintes itens: -
Economia de material;
-
Forma e dimensões da peça;
-
Sentido do laminado em peças que serão posteriormente dobradas ou embutidas.
A figura 7.1 apresenta exemplos de disposições com diversos produtos.
Figura 7.1 – Exemplos de disposição de peças ETFAR / UCS
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Separação entre as peças Na figura 7.2 observamos os elementos comuns a qualquer disposição de peças na tira.
Figura 7.2 – Variáveis na disposição de peças
Onde: A = Espaçamento entre as peças; B = Espaçamento do final da peça até a lateral da tira; P = Passo entre as operações. A partir destas informações pode-se utilizar como regra para os valores de espaçamento na tira as seguintes expressões: A
=
B
=
e
, onde:
1,5.e
“e” é a espessura da chapa a cortar
Observe estas variáveis dispostas na figura 7.3 com seus respectivos valores:
Figura 7.3 – Exemplo de dimensionamento de uma tira de material ETFAR / UCS
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Quantidade de peças por tira As chapas laminadas a frio de baixo teor de carbono são disponibilizadas em bobinas, chapas, blanks ou slitters, tendo como principais classes de fornecimento (fonte: www.metalcorte.com.br ): Qualidade Comercial: para aplicações que requerem operações simples de dobra, estampagem ou cortes. Qualidade Estampagem: •
EM - peças não expostas de estampagem média.
•
EP - Peças de estampagem profunda não exposta.
•
EEP - Peças de difícil estampagem e/ou expostas.
Qualidade Vítrea: •
EEV - Estampagem extra profunda, para esmaltagem vítrea.
•
QCV - Qualidade comum para esmaltagem vítrea.
Como o abastecimento da matriz pode ser por material cortado em tiras ou bobinas, pode-se calcular a quantidade de peças produzidas a partir de uma disposição realizada. Quando se divide, através do corte em guilhotina uma chapa de 2 metros x 1 metro em tiras de 19mm x 1m, obtêm-se 105 tiras.
Considerando o passo de 17mm como a quantidade de material necessária para cortar uma única peça, tem-se uma produção de 58 peças por tira e 6090 peças por chapa. Se o abastecimento é feito através de uma bobina com largura de 19mm e comprimento de 500m obtêm-se 24910 peças. Veja na figura 7.4 os dois tipos de alimentação para matrizes de corte. Na imagem da esquerda com chapas e na imagem da direita com bobinas.
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Figura 7.4 – Exemplo de chapas e bobinas
Sistemas de avanço da tira Existe a necessidade de desenvolver mecanismos no molde para que a tira ou bobina avance exatamente o passo da tira. A precisão deste sistema determina a precisão entre as operações seqüenciais da matriz. Os sistemas mais comuns são os seguintes: Sistema de avanço por tope: Os topes têm a função de posicionar a tira no sentido de seu avanço, promovendo entre uma prensagem e outra o avanço relativo ao passo da tira. A sua posição no estampo depende do formato do produto e do sistema de corte. Este é o tipo mais utilizado nas matrizes de corte. São construídos de aço temperado com formato e dimensões de acordo com a necessidade do trabalho. Os topes são fixados na parte inferior da matriz, podendo muitas vezes, no caso de peças longas estar posicionado fora da matriz. Na figura 7.5 observa-se o funcionamento de um modelo de tope, onde inicialmente a chapa apóia frontalmente no tope e após o movimento de corte da prensa a chapa é deslocada para cima e somado com o esforço de mover a chapa para frente, está será avançada até para a próxima etapa.
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Figura 7.5 – Funcionamento do sistema de avanço por tope
A aplicação deste tipo de avanço em matrizes com duas ou mais operações tem a desvantagem da perda da primeira peça. Para que isso não aconteça existe a necessidade de se utilizar um tope auxiliar para a primeira peça, como é mostrado na figura 7.6.
Figura 7.6 – Tope auxiliar para primeira peça
Sistema com faca de avanço: Este tipo de avanço é empregado em peças que tenham diversas operações (estágios) e é composto com a inclusão de um punção auxiliar que tem a largura de corte igual ao passo da tira. Desta forma a cada golpe da prensa o extremo indicado por “m” da guia avançará exatamente um passo e, além disso, a largura da chapa ficará perfeitamente ajustada com a dimensão “B” como é mostrado na figura 7.7. ETFAR / UCS
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Figura 7.7 – Sistema com faca de avanço
Com o passar do tempo pode acontecer o desgaste das quinas da faca de avanço, causando um efeito que é apresentado na figura 7.8. Este tipo de desgaste acaba prejudicando o avanço da tira, impedindo que a mesma avance.
Figura 7.8 – Tira cortada com desgaste na faca de avanço
Para evitar este tipo de problema existe a possibilidade de alterar o formato da faca de avanço para que o encosto se dê numa face que não corre o risco de ficar com rebarabas. Um bom exemplo é o mostrado na figura 7.9.
Figura 7.9 – Sugestão de formato da faca de avanço para evitar os problemas com o desgaste
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Capítulo 8 – Esforço de corte O esforço de corte é diretamente proporcional ao perímetro ao cortar e a espessura da chapa e também é mais elevado quanto maior é a resistência ao cizalhamento do material, já que a operação de corte nada mais é do que uma operação de cizalha.
Cálculo do esforço de corte Fórmula para cálculo do esforço de corte: E C RC . p. e =
, onde:
E C = Esforço de corte em kg; RC = Resistência ao Cizalhamento em kg/mm 2; p = Perímetro em mm; e = Espessura da chapa em mm.
A tabela 8.1 mostra os valores de resistência ao cizalhamento para materiais diversos materiais em kg/mm 2. Tabela 8.1 – Tabela com valores de resistência ao cizalhamento Recozido
Normal
0,1% C
25
32
0,2% C
32
40
0,3% C
36
48
0,4% C
45
56
0,6% C
56
72
0,8% C
72
90
1,0% C
80
105
Inoxidável
52
60
Silício
45
56
Aluminio
7a9
13 a 16
Alpaca (Cu – Ni – Zn)
28 a 36
45 a 46
S O D A N I M A L
Amianto em folha
3,15
Prata
23,5
Bronze fosforoso L E P A P
32 a 40
40 a 60
1 Folha de 0,25mm de espessura
16
5 Folhas de 0,25mm de espessura
4,5
10 Folhas de 0,25mm de espessura
2,3
20 Folhas de 0,25mm de espessura
1,4
Papelão de espessura variável
2 a 3,5
Cartão duro
7
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Cartão baquelitizado (Resinado)
10 a 13
Celulóide
4a6
Couro
0,6 a 0,8
Duralumínio
22
38
Fibra dura
19
Borracha
0,6 a 0,8
Compensado de madeira
1a2
Mica de 0,5mm de espessura
8
Mica de 2mm de espessura
5
Latão
22 a 30
Chumbo
35 a 40 2a3
Cobre
18 a 22
25 a 30
Resina artificial pura
2,5 a 3
Estanho
3a4
Zinco
12
20
Baquelite
2,5 a 3
Tecido baquelitizado
9 a 12
Baquelite com entretela
9
Exemplo de cálculo Veja o produto abaixo:
Perímetro do perfil externo: 16 + 16 + 16 + 16 pexterno = 64mm pexterno
=
Perímetro do perfil interno: pint erno pint erno
2.π .r = 2 . 3,14159 . 3 = 18,85mm =
Perímetro total: p = p externo + pint erno
=
64 + 18,85
p = 82,85mm
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Resistência ao cizalhamento Na tabela 8.1 encontramos o valor da resistência ao cizalhamento para o ABNT1020 de 40kg/mm2. Então temos: E C = RC . p. e = 40
. 82,85 . 1 = 3314kg
E C = 3,314 ton
Dimensionamento da prensa Para dimensionar a prensa adequada a utilizar uma matriz de corte é sempre interessante acrescentar um fator de segurança de 10 a 20% do esforço de corte. No caso do exemplo acima onde o esforço de corte é de 3,3 toneladas, acrescenta-se uma margem entre 10 e 20% do esforço de corte para o coeficiente de segurança. Então: E C = 3,3 ton + 10% E C = 3,63 ton
Neste caso uma prensa acima de quatro toneladas seria suficiente.
Minimização do esforço de corte Se o valor do esforço de corte ultrapassar a carga permitida para as prensas existentes no parque fabril da empresa, existem alternativas para minimizar o esforço de corte, porém o valor a reduzir no esforço talvez não seja tão grande. Exemplos de alívios para minimizar o esforço de corte são mostrados na figura 8.1
Figura 8.1 – Exemplos de como minimizar o esforço de corte
Esta forma de construção não é recomendada para chapas de pouca espessura, pois as peças a obter sofrem deformações.
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Exercícios: Calcular o esforço de corte para os produtos abaixo: a)
b)
c)
d)
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Capítulo 9 – Generalidades das dobras O dobrado e o curvado são operações que consistem em conformar uma peça sem alterar a espessura da chapa evitando todo e qualquer alongamento e estiramento. Às vezes a conformação é obtida por etapas para que não aconteça o estiramento da espessura da chapa [12]. O processo de dobra tem por objetivo dobrar uma chapa previamente cortada por ferramenta ou guilhotina, sendo que a dobra pode ser executada de diversas maneiras e também em várias posições e ângulos. Neste processo três fatores são importantes para um produto de boa qualidade: a)
Espessura da chapa: quanto mais espessa for a espessura da chapa,
maior deverá ser a tolerância dimensional do produto; b)
Raio de curvatura da dobra: quanto menor for o raio interno, maior
vai ser o estiramento da chapa. Para O obter uma dobra de boa qualidade o indicado é que o raio interno tenha de 1 a 2 vezes a espessura para materiais macios e 3 a 4 vezes para materiais duros; c)
Material utilizado: quanto mais duro for o material a ser dobrado
maior será o retorno elástico (springback), ou seja, materiais macios como ABNT 1008, ABNT 1010 e ABNT 1020 têm maior facilidade de dobramento e melhor estabilidade dimensional [17]. O processo de dobramento é um processo relativamente simples e há muitos anos aplicados na indústria. Os esclarecimentos tecnológicos com fundamentação científica deste processo são relativamente recentes. Durante o processo de dobramento ocorrem muitas vezes fenômenos indesejados como a variação da secção ou a alteração da espessura do componente em questão. A conformação por dobramento é semelhante a outros processos de conformação e considera que o material apresenta propriedades de deformabilidade [5]. Os elementos dobrados ou curvados têm amplas aplicações nas construções mecânicas. Em alguns casos perfis laminados são substituídos por chapas dobradas. Alguns exemplos de peças dobradas e curvadas são apresentadas na figura 9.1 [14].
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Figura 9.1 – Peças dobradas e curvadas [14]
Dobra com aresta viva Quando se obtêm uma peça dobrada a partir de uma ferramenta com a aresta de dobra com canto vivo ocorre um estiramento na chapa que pode alcançar valores de até 50% da espessura, como pode ser observado na figura 9.2 [12].
Figura 9.2 – Dobra com aresta de canto vivo [12]
Dobra com aresta arredondada Quando a peça é dobrada com um raio interno a diminuição da espessura nuca ultrapassa 20% da espessura e se o raio interno for maior que cinco vezes a espessura a diminuição da espessura não ultrapassa 5% da espessura. Isto indica um deslocamento molecular muito menor que no caso da dobra com aresta de canto vivo, como pode ser observado na figura 9.3 [12].
Figura 9.3 – Dobra com aresta de canto arredondado [12]
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Dobra em dobradeiras As dobras podem ser feitas em prensas ou dobradeiras, com aplicações e ferramentas distintas. Em dobradeiras existe a grande vantagem de poder manter uma ferramenta comum para vários tipos de peças que tenham o mesmo perfil de dobra. Inclusive, a engenharia de produto deve por obrigação padronizar os raios de dobra para existir o menor número possível de ferramentas, com isso diminuísse o tempo de preparação e o custo para confeccionar uma nova ferramenta. A figura 9.4 mostra a montagem de uma ferramenta de dobra em uma dobradeira. A figura 9.5a mostra uma peça dobrada em três etapas e a figura 9.5b mostra três etapas de um outro produto sendo executadas seqüencialmente na mesma dobradeira. Em dobradeiras também podemos executar as operações que se chamam de enrolar, como é mostrado na figura 9.6.
Figura 9.4 – Montagem de ferramenta de dobra em uma dobradeira [14]
Figura 9.5 – Funcionamento das ferramentas em dobradeiras [14] ETFAR / UCS
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Figura 9.6 – Ferramentas para enrolar [14]
Dobra em ferramentas com utilização de prensa Alguns tipos de dobra podem ser confeccionados em ferramentas utilizadas em prensa excêntrica ou até mesmo prensa hidráulica. A principal vantagem para esta utilização está nos casos em que a peça é cortada, furada e dobrada na mesma ferramenta, ou seja, em casos que a dobra está combinada com as operações de corte na mesma matriz. Métodos de dobra Existem três formas básicas de dobra utilizados em ferramentas de dobra, cada um com características e aplicações diferentes. Dobrador de ação central ou dobrador em “V” é empregado em casos de perfis largos ou quanto à confecção da peça exige uma segunda operação. Na figura 9.7 é mostrado um exemplo deste tipo de dobrador.
Figura 9.7 – Dobrador em “V” [12]
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Dobrador de ação lateral ou dobrador em “L” é utilizado em casos que se necessite de uma dobra perfeita, devido ao pequeno braço de alavanca em que o punção atua. Este é o sistema mais empregado em matrizes combinadas, podendo ser dobradas peças nos dois lados formando desta forma um dobrador “U”. A figura 9.8 mostra um exemplo deste tipo de dobrador.
Figura 9.8 – Dobrador em “L” [12]
Dobrador de ação frontal é utilizado preferentemente na dobra de perfis dobrados e curvos, mas na operação de enrolar que este tipo de punção tem função especial. A figura 9.9 mostra de forma esquemática o funcionamento deste tipo de dobrador e a figura 9.10 o sistema de ferramenta para enrolar que segue o mesmo princípio.
Figura 9.9 – Dobrador de ação frontal [12] ETFAR / UCS
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Figura 9.10 – Ferramenta para enrolar [12]
Tensões no processo de dobramento Num dobramento simples (como mostrado na figura 9.11a), observa-se, na região onde ocorre a deformação plástica, uma zona onde atuam tensões de tração, uma linha de transição e uma outra zona onde as tensões são de compressão. Dividindo-se as regiões de dobramento em camadas pode-se observar que as externas afinam-se devido às tensões de tração. Na região central, as camadas são comprimidas e suas dimensões aumentam na largura (figura 9.11b).
Figura 9.11 – Dobramento simples [5]
A distribuição de deformações e tensões no dobramento com cantos lisos não é simétrica em relação ao centro da peça. As tensões de tração na periferia (região externa) são maiores que as tensões de compressão na parte interna (figura 9.12). Nos cálculos, de um modo geral, considera-se uma simetria em relação à linha neutra (linha de transição entre as tensões de tração e as tensões de compressão) [5].
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Figura 9.12 – Tensões de dobramento [5]
Efeito elástico da dobra Devido à elasticidade do material, depois da operação de dobra, a peça obtida tende a readquirir a sua forma primitiva, como é mostrado na figura 9.13. Isto acontece por causa da deformação elástica remanescente que precede a deformação plástica permanente.
Figura 9.13 – Retorno elástico em peças dobradas e curvadas [12]
Na execução da ferramenta leva-se em conta este fenômeno a aplica-se ângulos diferentes na matriz para que exista uma compensação, de maneira que após a dobra executada, a peça tenha o ângulo desejado. Não existe cálculo para determinar a diminuição dos raios e ângulos, isto é feito por tentativa, provas e experiências [9].
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Capítulo 10 – Desenvolvimento de peças dobradas Quando projetamos uma matriz com corte e dobra combinada existem operações de corte que podem ficar posicionadas em áreas dobradas, então, necessitamos calcular o desenvolvimento da peça para que seja possível posicionar estes detalhes em uma vista planificada do produto. Outra necessidade deste tipo de cálculo está relacionado com a determinação da largura da tira da chapa.
Linha Neutra A determinação do desenvolvimento efetua-se somando os comprimentos planos com as partes curvadas desenvolvidas através do cálculo da linha neutra destes elementos. A figura 10.1 mostra uma peça dobrada que foi separada em elementos para facilitar o cálculo do comprimento do produto desenvolvido ou planificado.
Figura 10.1 – Produto dobrado separado em elementos
Para os elementos retos o cálculo é uma simples soma de todas as partes, pois a linha neutra localiza-se exatamente no centro da espessura. Para os elementos curvos a linha neutra posiciona-se entre a face interna e o centro da espessura da tira de acordo com a dimensão do raio interno. Este efeito ocorre devido ao estiramento do material na região da dobra. A figura 10.2 mostra de forma esquemática a linha neutra.
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Figura 10.2 – Linha Neutra
O coeficiente da linha neutra é calculado através da seguinte fórmula: LN
r =
e
, onde:
“LN” é o coeficiente da linha neutra; “r” é o raio interno da dobra; “e” é a espessura da chapa.
Para cada valor do coeficiente encontrado no cálculo acima existe uma porcentagem da espessura da chapa equivalente. A tabela 10.1 apresenta esta conversão. Tabela 10.1 – Tabela com valores de equivalência da linha neutra
LN
0,5
0,8
1,0
1,2
1,5
2
3
4
5
Espessura da chapa
30%
34%
37%
40%
41%
42%
44%
46%
50%
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Exercícios: Calcular o desenvolvimento das dobras e desenhar a peça planificada para os produtos abaixo: a)
b)
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Matrizes de corte, dobra e embutimento
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c)
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Capítulo 11 – Esforço de dobra Para se dobrar uma determinada chapa metálica é obrigatório que se tenha uma força superior à pressão que a mesma resiste, por isso torna-se inevitável os cálculos, mesmo que seja para obter um valor aproximado. Para desenvolvermos a pressão de dobra se deve conhecer os seguintes itens: •
Espessura da chapa;
•
Resistência à compressão do material;
•
Sistema de dobramento.
A espessura da chapa normalmente é especificada pela engenharia de produto, pois é baseada no objetivo e função da peça, assim como o material que em tabelas é possível verificar a resistência do material. Para cada tipo de sistema de dobra existe um formulário adequado conforme será mostrado nas figuras a seguir:
Dobra em “V” Sendo que a abertura do “V” e o seu arredondamento seguem as proporções da figura 11.1, então se tem a seguinte equação: F d
=
K c
.b.e , onde: 8
Fd= Força de dobra; K c= Resistência ao cizalhamento do material em kg/mm 2; b= Comprimento da dobra em mm; e= Espessura da chapa em mm.
Figura 11.1 – Força de dobra para sistema em “V” [12] ETFAR / UCS
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Dobra em “L” Para a dobra em “L” sendo que o raio de dobra é igual a duas vezes a espessura, temos: F d
K c =
.b.e , onde: 2
Fd= Força de dobra; K c= Resistência ao cizalhamento do material em kg/mm 2; b= Comprimento da dobra em mm; e= Espessura da chapa em mm.
Figura 11.2 – Força de dobra para sistema em “L” [12][14]
Dobra em “U” Para a dobra em “U” sendo que o raio de dobra é igual a duas vezes a espessura, temos: F d K c =
. b . e , onde:
Fd= Força de dobra; K c= Resistência ao cizalhamento do material em kg/mm 2; b= Comprimento da dobra em mm; e= Espessura da chapa em mm. ETFAR / UCS
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Figura 11.3 – Força de dobra para sistema em “U” [12][14]
As fórmulas acima são válidas supondo-se que o raio interno será no minimo igual à espessura, para raios maiores a força de dobra diminui [12].
Força do Prensa-chapa e dos extratores A força do prensa-chapa para dobrar é de 20% da força de dobra [14]. A força para extração da peça é de 10% da força de dobra [14].
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Capítulo 12 – Embutimento Os estampos de embutir são aqueles que tem por finalidade transformar chapas planas de metal laminado em peças ocas de formas: cilíndricas, elípticas, cônicas, quadradas, retangulares, etc... O embutimento é empregado na fabricação de peças das linhas de automóveis, eletrodomésticos, eletrônica, cutelaria, botões, entre outros.
Generalidades O termo embutimento ou repuxo é indicado quanto se transforma uma chapa plana previamente cortada, em uma peça oca, procedendo gradualmente com um ou mais estágios. Na figura 12.1 mostra-se um estampo de repuxo simples, capaz de realizar a operação de embutir. Como se observa na figura, trata-se de obter um recipiente cilíndrico a partir de um disco plano, que deverá ser previamente cortado em uma matriz de corte. Existem casos, como nas matrizes progressivas, onde o disco é cortado em um passo anterior ao embutimento.
Figura 12.1 – Estampo de embutir para uma peça cilíndrica
No processo de embutimento existe um grande deslocamento molecular do material. Quando se analisa o embutimento percebe-se que o fundo permanece sem sofrer alterações, porém a altura denominada por H foi deformada de uma forma trapezoidal para uma forma retangular indicada em A, conforme é mostrado na figura 12.2. Entende-se, portanto, que um embutimento de forma cilíndrica sofre forças radiais de tração e tangenciais de compressão.
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Figura 12.2 – Deslocamento molecular em peças embutidas
Princípio de embutimento Os elementos que indicam a forma e o procedimento para o projeto de estampos de embutimento são chamados de embutidores. Existem muitos tipos de construção para embutidores, porém a grande parte varia de dois tipos: o embutidor simples e o embutidor com prensa-chapa. Embutidor Simples Este tipo consta basicamente de um punção e uma matriz, onde é deduzida a espessura da chapa e utilizada em embutimentos pouco profundos.
Figura 12.3 – Embutidor simples
O princípio de operação obriga o disco de uma chapa metálica a penetrar na matriz, mediante pressão do punção, obtendo assim a peça desejada. Este tipo de
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embutimento, normalmente, é realizado em prensas hidraúlicas, porém em alguns casos se pode utilizar em prensas excêntricas e mecânicas. Como desvantagem, este tipo de embutidor apresenta um enrugamento na borda superior da peça devido à deformação mecânica ocorrer de forma livre, como é mostrado na figura 12.3. Embutidor com prensa-chapa Para eliminar o inconveniente do processo com embutidor simples, utiliza-se uma placa pressionada através de mola contra o disco, para que a deformação ocorra de forma mais controlada. Este tipo de embutir tem a característica de embutir de forma mais gradual, gerando uma borda mais homogênea e plana. Como desvantagem, observa-se que o excesso de pressão no prensa-chapa causa o rompimento na borda superior ou do fundo da peça embutida e a falta de pressão faz com que ocorra o enrugamento na borda da peça.
Figura 12.4 – Embutidor com prensa-chapa
A figura 12.5 apresenta os dois tipos de embutidores e as peças geradas em cada um. Algumas literaturas tratam o prensa-chapa por sujeitador.
Figura 12.5 – Embutidor simples (A) e com prensa-chapa (B)
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Raio de embutimento Raio de embutimento é o arredondamento que se faz nas arestas da parte ativa do punção e da matriz, para evitar trincas e rupturas no material no momento do embutimento. Raio da matriz (r m): O raio da matriz (r m) pode ser dimensionado para uma primeira operação de embutimento pode ser obtido pela fórmula abaixo: r m1
=
0,6 ( D0 d 1 ) s , onde: −
r m1: Raio da matriz da 1ª operação; D0: Diâmetro do disco de partida; d1: Diâmetro da primeira operação; s: espessura da chapa. Para as operações subseqüentes utiliza-se a equação abaixo: r m 2
=
0,8 (d 1 d 2 ) s , onde: −
r m2: Raio da matriz para operações subseqüentes a 1ª operação; d1: Diâmetro da operação anterior; d2: Diâmetro da operação seguinte; s: espessura da chapa.
Figura 12.6 – Raio de embutimento
Raio do punção (r p): O raio do punção (r p1), preferivelmente, deve ter entre 5 e 6 vezes a espessura da chapa do produto. Esta função pode ser descrita conforme a fórmula abaixo:
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Matrizes de corte, dobra e embutimento r p1
=
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5...6 s , onde:
r p1: Raio do punção; s: espessura da chapa. Para as demais operações o raio do punção pode ser mantido o mesmo. É importante considerar alguns fatores quando aplicar estes valores de raios: •
•
Os valores podem ser diminuídos para embutimentos pouco profundos; Não convém aumentar o raio, porque se sobrecarregam os valores indicados e poderiam gerar deformações no material;
•
Arredondar as bordas dos punções para evitar esforços desnecessários na chapa. O raio a utilizar é derivado do projeto do produto, mas não deve ser menor do que duas vezes a espessura da chapa.
Folga para embutimento A folga entre punção e matriz para embutimento é sempre a espessura da chapa mais um percentual correspondente à folga de corte. Em algumas literaturas é comum encontrar a folga com a espessura mais 10%, mas como o excesso de folga pode causar defeitos sérios no embutimento, é aconselhável começar com uma folga menor e aumentar caso a peça esteja sendo muito laminada ou apresente defeitos por folga insuficiente. A figura 12.7 mostra de forma esquemática a folga entre punção e matriz para embutimento.
Figura 12.7 – Folga para embutimento
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Lubrificação para embutimento A aplicação de substâncias oleosas na operação de embutir serve para diminuir a resistência ao deslizamento, reduzir os esforços desnecessários e evitar o desgaste prematuro do estampo. Existem vários tipos de lubrificantes, mas nos dias atuais como a questão ambiental deve ser levada muita a sério, sugere-se sempre utilizar lubrificantes que não agridam, de forma alguma, o meio ambiente. O lubrificante a empregar depende do material a embutir e do tipo de embutimento, no entanto pode-se utilizar como regra: •
Utilizar produtos preparados para este fim e com qualidade comprovada.
•
Deve-se utilizar o lubrificante conforme especificado pelo fabricante, embora em alguns casos, a experiência possa sugerir pequenas variações.
Recomenda-se a utilização dos lubrificantes conforme descrito na tabela 12.1. Tabela 12.1 – Lubrificantes para embutimento
Material a embutir
Lubrificante recomendado
Aço
Gordura (vegetal ou animal) Óleo de rícino (em casos especiais) Querosene Óleo de coco Vaselina Óleo mineral denso Óleo solúvel Óleo mineral denso
Alumínio e suas ligas Zinco, chumbo, estanho. Bronze, latão, cobre
Os óleos já utilizados não devem ser descartados em esgoto comum. Deve-se consultar o fabricante ou fornecedor para que seja adotado o procedimento correto de descarte.
Defeitos em peças embutidas Na tabela 12.2 são apresentadas falhas que ocorrem comumente em peças embutidas, suas causas e possíveís soluções. Tabela 12.2 – Defeitos em peças embutidas
Defeito
Causa
O fundo da peça rompe sem A ferramenta trabalha cortando qualquer parte embutida. devido: Pequeno raio de embutimento; Folga insuficiente entre punção e matriz; Excessiva velocidade de embutimento; Elevada pressão do prensachapa.
•
•
•
•
•
•
•
•
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Solução
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Aumentar o raio de embutimento; Aumentar a folga entre punção e matriz; Reduzir a velocidade de embutimento; Reduzir a pressão do prensachapa.
Matrizes de corte, dobra e embutimento O processo de embutimento se inicia, mas o fundo rompe.
•
• •
•
•
Ocorrência de um rasgo ou fissura transversal.
•
• •
O canto da peça embutida está com fissuras em toda a sua extensão.
•
•
•
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Chapa mal centrada (fora de centro); Chapa de espessura irregular; Velocidade de embutimento alta; Chapa com qualidade não adequada ao trabalho; Punção fora de centro.
Engrossamento do grão da chapa, existindo uma parte fraca devido à falta de homogeneidade; Corpo estranho na chapa; Desgaste exagerado do arredondamento da matriz;
Folga excessiva entre punção e matriz; Raio de embutimento exagerado; Prensa-chapa com pressão insuficiente;
•
•
•
• •
•
•
•
•
•
•
A borda da peça embutida é irregular com grandes pontas ou diversas pontas irregulares.
•
•
•
Formação de bolhas e abaulamento no fundo da peça.
• •
•
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Tipo de lubrificante inadequado; Chapas com recozimento defeituoso na laminação final; Espessura irregular da chapa;
Evacuação de ar defeituosa; Desgaste excessivo do arredondamento de embutimento; Qualidade inadequada do lubricante;
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• •
• •
•
Corrigir a centragem da chapa; Utilizar chapa com tolerância mais justa; Reduzir a velocidade de embutimento; Substituir o tipo de chapa; Centralizar o punção (Se a chapa é de espessura fina, aconselha-se a utilizar um estampo com colunas). Escolher cuidadosamente as chapas; Corrigir o arredondamento.
Reduzir a folga entre punção e matriz; Reduzir o raio de embutimento; Aumentar a pressão do prensa-chapa; Verificar se o lubrificante está de acordo com o trabalho;
Utilizar outro lubrificante; Substituir a chapa;
Melhorar saída de ar; Corrigir raio embutimento; Substituir lubrificante;
de
Matrizes de corte, dobra e embutimento A peça embutida tem a borda ondulada apresentando rasgo horizontal embaixo da borda.
•
•
•
Peça de forma não cilíndrica apresentando rasgo no centro da face, rasgo vertical no canto ou princípio de rasgo perto de um canto.
• • •
•
•
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Prensa-chapa com pressão insuficiente; Folga insuficiente entre punção e matriz; Raio de embutimento exagerado;
Chapa mal posicionada; Chapa de espessura irregular; Qualidade do lubrificante inadequado; Desgaste do punção edos arredondamentos dos cantos; Folga insuficiente entre punção e matriz;
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•
•
•
• •
•
•
•
Aumentar a pressão do prensa-chapa; Aumentar a folga entre punção e matriz; Reduzir o raio de embutimento;
Centrar a chapa; Substituir a chapa por tipo de espessura mais regular; Utilizar outra qualidade de lubrificante; Corrigir desgastes do punção; Corrigir folgas entre punção e matriz;
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Capítulo 13 – Desenvolvimento de peças embutidas Após a escolha do tipo de embutir torna-se necessário determinado o diâmetro do disco de partida (para o embutimento de peças cilíndricas) ou o perfil e dimensões do blank (para o embutimento de peças não cilíndricas).
Esta tarefa é a mais importante no momento de iniciar o projeto de uma matriz de embutimento, pois depende dela a máxima economia de material. Às vezes torna-se necessário realizar ensaios com ferramentas protótipo para determinar o perfil inicial da chapa.
Desenvolvimento de peças cilíndricas Existem diversas formas para calcular o diâmetro do disco de partida, mas serão utilizadas as equações existentes no Anexo G que já apresentam cálculos práticos e diretos para obtenção do valor do diâmetro do disco. Cálculo do diâmetro do disco de partida A figura 13.1 mostra a peça que se deseja obter:
Figura 13.1 – Produto que se deseja obter
Para este tipo de perfil utiliza-se a fórmula abaixo retirada do anexo F: D = d 2
+
4d (h + 0,57r ) , onde:
D = Diâmetro do disco de partida; d = Diâmetro interno do produto; h = Altura máxima do produto; r = Raio interno do produto. Aplicando a fórmula ao produto tem-se:
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Matrizes de corte, dobra e embutimento D = d 2
+
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4d (h + 0,57r ) =
D =
312 + 4.31(7,5 + 0,57.2) =
D =
961 + 124(8,64) =
2032,36 = D = 45,081 D =
Cálculo do número de passagens Para obter um embutido de boa qualidade, a altura h, não deve ultrapassar a metade do diâmetro d da peça. Quando h superar a metade de d , então se deve calcular o número de passagens para obter o número de operações necessárias para realizar este embutimento. A figura 13.2 mostra o equacionamento utilizado para calcular o número de passagens.
Figura 13.2 – Fórmulas para calcular o número de passagens ETFAR / UCS
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O cálculo do número de passagens evita: alongamento excessivo que causa encruamento no material reduzindo a resistência mecânica da peça. Dependendo da ductibilidade da chapa e do lubrificante consegue-se obter peças que o diâmetro d é igual à altura h, mas para evitar riscos de errar todo o projeto de uma matriz deve-se fazer ensaios para confirmar se é possível.
Desenvolvimento de peças não cilíndricas A determinação do desenvolvimento da peça embutida através de cálculos nem sempre é possível. Quando isto acontece, recorre-se ao método experimental utilizando uma chapa quadriculada de 5 em 5mm. Depois de embutidas algumas peças, se fazem uma análise e corrigi-se o que for necessário. A figura 13.3 mostra um exemplo de desenvolvimento feito através deste método experimental.
Figura 13.3 – Método experimental para determinação do desenvolvimento
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Bibliografia [1] SCHAEFFER, Lirio. Conformação Mecânica. Imprensa Livre Editora: Porto Alegre, 2004 – 167pgs. [2] Centro de Informação Metal-mecânica – www.cimm.com.br - Acesso em out/2008. [3] CALLISTER, William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, c2002. 589 p. ISBN 8521612885
[4] BILLIGMANN, J., FELDMANN, H.D., Estampado y prensado a máquina. 2. Ed. Barcelona: Editora Reverté, 1979. 545p. [5] SCHAEFFER, Lirio – Conformação de chapas metálicas. Porto Alegre: Imprensa Livre, 2004, 200p. [6] RITCHER, Arno – Palestra sobre matrizes de corte, dobra e repuxo . Porto Alegre, UFRGS, 2008 [7] PROVENZA, F. Estampos vol. 1. Edição 1993, São Paulo: Pro-Tec, 1993. [8] PROVENZA, F. Estampos vol. 2. Edição 1993, São Paulo: Pro-Tec, 1993. [9] PROVENZA, F. Estampos vol. 3. Edição 1993, São Paulo: Pro-Tec, 1993. [10] MECÂNICA GERAL, Matriz de corte. 1a. Ed., Porto Alegre: CFP SENAI Henrique d’Ávila Bertaso, 1980. [11] MECÂNICA GERAL, Matriz de dobrar e embutir. 1a. Ed., Porto Alegre: CFP SENAI Henrique d’Ávila Bertaso, 1980. [12] YOSHIDA, A. Ferramenteiro (corte-dobra-repuxo). 1a. Ed., São Paulo: L. Oren, 1979. 223 p. [13] BRITO, Osmar de. Técnicas e aplicações dos estampos de corte. São Paulo: Hemus, 1981. 201p. [14] BRITO, Osmar de. Estampos de Formar. 2a. Ed., São Paulo: Hemus, 2005. 220 p. [15] POLACK, A. V. Manual prático da estampagem. 1a. Ed., São Paulo: Hemus, 2005. 215 p. [16] ROSSI, Mario. Estampado en frío de la chapa . Barcelona: Editora Cientifico Médica, 1971. 712 p. [17] CRUZ, Sergio. Ferramentas de corte, dobra e repuxo. São Paulo: Editora Hemus, 2008. 227p.
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Anexo A Exemplos de matrizes com guia fixo
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Anexo B Exemplos de matrizes com prensa-chapa
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Anexo C Tabelas de parafusos, roscas e fixações
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Introdução ao Projeto de Ferramentaria TÉCNICO EM FERRAMENTARIA
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Denominação:
Data
Escala: PROFESSOR:
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Anexo D Catálogo de molas padronizadas
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Anexo E Componentes e bases de estampo padronizados
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Anexo F Exemplos de distribuição de peças na tira
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EXEMPLOS DE DESENVOLVIMENTOS DE TIRAS PARA PRODUTOS PRODUZIDOS ATRAVÉS DE CHAPAS METÁLICAS (Fonte: CRUZ, Sergio da. Ferramentas de corte, dobra e repuxo. São Paulo: Ed. Hemus, 237pags.)
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Anexo G Diâmetro dos discos para embutimento em peças cilíndricas
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