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13Maio/Junho 2008 Ferramental
Diretrizes para projeto deferramenta de estampagem Parte I
Aestampagem é um processo que permite fabricar produtos economicamente viáveis por sua
eficiência e precisão. Todavia, é necessário aplicar procedimentos criteriosos de projeto a fim
de obter o máximo de rendimento destas ferramentas.
Todos os segmentos da indústriabuscam a produção de produtos dequalidade a baixo custo. Esta metanormalmente é atingida com a pro-dução em série, usando máquinas eferramentas especiais, capazes deproduzir um elevado número depeças mantendo o padrão dese-jado.
Um processo importante na pro-dução seriada é a estampagem dechapas. As máquinas usadas na es-tampagem são as prensas dos maisvariados tipos e tamanhos e as fer-ramentas ou estampos, que depen-dendo da quantidade e da qualida-de das peças a produzir, variam dasmais simples e rudimentares às maiscomplexas e aperfeiçoadas.
O projeto de ferramental desti-nado ao processo de produção porestampagem engloba uma série deparâmetros que devem ser segui-dos para a obtenção precisa do pro-duto final e maior vida útil da ferra-menta. Objetivando reproduzir umprocedimento criterioso de projetopara matrizes deste tipo de aplica-ção, os parâmetros citados são
abordados neste trabalho de formaa orientar o projetista sobre a corre-ta maneira de elaboração de umaferramenta de corte e repuxo. A im-portância de tal procedimento po-derá ser visualizada através do casode uma ferramenta mal projetada ecom registro de falha. A matriz era
Antes
Com a força
aplicada Depois
Deformação
elástica
Deformação
plástica
utilizada na indústria de rolamen-tos, produzindo uma peça de fixa-ção de um tensor que se tornarafragilizada devido à ruptura origina-da na matriz. Um novo projeto éapresentado eliminando as falhasdo anterior e, conseqüentemente,capacitando a utilização da peça.
A ESTAMPAGEM
OPERAÇÕES DE ESTAMPAGEM
Corte de chapas:
Dobramento:
A estampagem é um processode conformação mecânica, realiza-do geralmente a frio, que com-preende um conjunto de operaçõesde corte, dobra e embutimento porintermédio das quais uma chapaplana é submetida a transforma-ções de modo a adquirir uma novaforma geométrica própria e deter-minada por projeto.
A deformação plástica () é levada a efeito com o
emprego de prensas específicas edispositivos especiais denominadosestampos ou matrizes. Em situaçõesnas quais a demanda de produção épequena, o processo de estampa-gem não é recomendado, pelo ele-vado custo das ferramentas. Quan-do se trata de grandes séries, cons-titui o processo mais econômico,pois o custo das ferramentas é dis-tribuído entre a grande quantidadede unidades produzidas.
Basicamente, a estampagemcompreende as seguintes opera-ções:
chapas planassão submetidas à ação de um pun-ção de corte, aplicada por intermé-dio de uma prensa que exerce pres-são sobre a chapa apoiada em umamatriz. No instante em que o pun-ção penetra na matriz, o esforço decompressão converte-se em esfor-ço de cisalhamento e ocorre o des-prendimento brusco de um pedaçode chapa.
faz com que umachapa forme dois ou mais planosseparados por um ângulo. Nesteprocesso, parâmetros como raio decurvatura e elasticidade do materialsão importantes. No caso de mate-
veja o
infográfico
riais com alto módulo de elastici-dade é comum que depois de rea-lizado o esforço de dobramento, achapa tenha um maior retorno elás-tico, voltando a sua forma primi-tiva. Desta forma, é recomendávelconstruir a matriz com ângulos dedobramento mais acentuados,além de realizar-se a operação emvárias etapas, com uma única oucom várias matrizes.
é o pro-cesso em que as chapas metálicas eplanas pré-cortadas são conforma-das em forma tridimensional, ouseja, um objeto oco, tendo comoaplicações mais comuns a produ-ção de pára-lamas de automóveis,estojos, cápsulas, capas de rola-mentos, etc. Se a complexidade ge-ométrica da peça produzir tensõessuperiores à de ruptura do material,costuma-se fazer o embutimentoem duas ou mais operações suces-sivas. Em geral, em certas direções achapa é estirada , em outras é com-primida e, em resumo, a espessurada mesma não sofre uma variaçãosignificativa.
As ferramentas para as prensaspodem dividir-se em alguns gru-pos, considerando primeiramente,seu efeito sobre a estrutura metálicaa qual são aplicadas.
No corte por puncionamento,primeiramente o material é com-primido, deformando suas fibras.Quando a pressão exercida é maiorque a resistência do material ao ci-salhamento, este se rompe e, aotérmino do corte, as fibras defor-madas tendem por elasticidade re-tornar a sua posição primitiva.
1
2
Embutimento ou repuxo:
CLASSIFICAÇÃO DASFERRAMENTAS
Ferramentas de corte
1
2
Módulo de elasticidade: é uma grandeza que
proporciona a medida da rigidez de um material
sólido. A unidade de medida no Sistema Interna-
cional (SI) é o Pascal (Pa).
Estiramento: consiste em afinar a espessura de
uma chapa por meio de um punção, prendendo-
se a chapa em uma matriz, de modo a impedir
que o material deslize para dentro da matriz.
Deste modo, há a necessidadeque o punção apresente precisa-mente a dimensão final do furo e ageometria externa da peça estejacontida na matriz, ainda que nãopossuam exatamente a mesma me-dida por existir folga entre os mes-mos.
Além do punção (A) e da matriz(B), uma ferramenta de corte com-pleta possui um bloco (C) que atuacomo guia do(s) punção(ões). Deveexistir ainda um mecanismo, quepodem ser duas chapas fixadas àmatriz (D), com o objetivo de guiara chapa que será cortada conti-nuamente, tal como, um sistema“batente” com a função de fixar opasso que é adotado para o avançoda chapa. O esquema de umamatriz de corte pode ser visto naFigura 1.
A
B
C
D
Figura 1 - Esquema de um estampo de corte
[1]
Ferramentas de dobraO dobramento de chapas é rea-
lizado mediante ferramentas espe-ciais chamadas .Estes são compostos de dois ele-mentos essenciais: o punção supe-rior (C) e a matriz (D) denominados
estampos de dobra
macho e fêmea respectivamente.No caso da Figura 2, completam oestampo os componentes de fixa-ção da chapa presos à matriz porparafusos e necessários para posi-cionar a chapa previamente corta-da, o elemento extrator (A) respon-sável pela retirada da peça e a mola(B) acoplada ao mesmo para exer-cer a pressão de extração. O uso decomponentes fixadores não só énecessário para evitar o deslizamen-to da peça, mas também para quenão sejam produzidas peças defor-madas incorretamente. A peça “a”é o produto resultante da ferramen-ta mostrada.
B
a
C
D
A
Figura 2 - Esquema de um estampo de dobra
[1]
Ferramentas para embutimentoA Figura 3 mostra uma matriz
para esta aplicação. O disco a serembutido é introduzido sobre amatriz. O punção é fixado no porta-punção e o conjunto é fixado nocabeçote superior da prensa.
Durante a deformação, o sujei-tador mantém a superfície da cha-pa tensa para impedir a formaçãode rugas. O punção, ao penetrar na
Sujeitador
Extrator
Peça embutida
Figura 3 - Matriz de embutimento ou repuxo
[2]
CepQ �..�
matriz, conforma o objeto. Durantea penetração, a mola é comprimidae, ao terminar a operação, o pun-ção retrocede e o extrator sob aação da mola sobe e extrai o objetoconformado.
A matriz vai fixada na base que,por sua vez, é presa na mesa daprensa.
O cálculo dos esforços envolvi-dos nos processos de estampagemé fundamental para o desenvolvi-mento de ferramentas. Partindodesta informação, é possível sele-cionar os materiais a serem utiliza-dos no estampo, bem como a capa-cidade necessária da prensa utiliza-da no processo.
O punção, no momento do con-tato com a chapa, inicia sobre amesma uma carga compressiva se-guida de corte.
Ocorre uma pressão contínuapor parte do punção e reação domaterial pressionado. Devido à a-
ESFORÇOS NA ESTAMPAGEM
Esforço necessário para corte
ção do fio cortante do punção, aárea de chapa atingida se separa dorestante. Neste processo pode-severificar a superação do esforço su-perior sobre a resistência ao cisa-lhamento do material [1].
O esforço necessário para efe-tuar um corte depende do materialque será cortado, das dimensões docorte e da espessura da chapa. Des-ta forma, esta grandeza é dada por:
(1)
onde é a força necessária paracorte, em Newton (N), é o pe-rímetro de corte, é a espessura dachapa, ambos em milímetros (mm)e é a tensão de cisalhamento, emN/mm .
Se existem vários punções en-volvidos no processo, a força total éa soma das forças exercidas por ca-da um deles. Para o cálculo pode-seutilizar a equação (1), porém subs-tituindo em a soma dos períme-tros de corte de todos os punções.
Os esforços necessários para do-brar e curvar chapas medianas oufinas, normalmente são pequenosse comparados aos necessários paracorte das mesmas.
Para o cálculo do esforço de do-bra é necessário basear-se no mo-mento fletor produzido segundo asforças externas atuantes em cadacaso. Partindo da equação (2), po-de-se obter esta grandeza.
(2)
onde é a tensão exercida sobre achapa para o dobramento, em
Q
p
e
p
�
�
C
2
Esforço necessário para dobra
I
yM .
��
N/mm , é o momento fletor emN.mm, é a distância máxima dasfibras ao eixo neutro, em mm e é omomento de inércia da secção, emmm .
Admite-se em alguns casos quea chapa se comporte como umsólido apoiado nas extremidades ecarregado no centro. Após o desen-volvimento de equações partindodo momento fletor das forças ex-ternas atuantes [3], pode-se calcu-lar o esforço de dobra pela equação(3):
(3)
onde é o esforço necessário paradobra, em N, é o limite de resis-tência à tração, em N/mm , é alargura da chapa e é a distânciaentre os apoios, ambos em mm.
Um corpo metálico que sofre aação de esforços crescentes se de-forma elasticamente e depois plas-ticamente ou permanentemente.Para haver o embutimento é pre-ciso que supere a tensão de es-coamento mas não a tensão deruptura do material da chapa,pois nesta situação, a chapa acabarasgando.
A força de embutimento émáxima no início da operação,diminui gradualmente ao longo dopercurso e se anula no final. Asequações (4) e (5) fornecem o es-forço de repuxo.
(4)
para repuxo cilíndrico e
2
4
2
M
y
I
F
b
l
�T
Esforço necessário paraembutimento
�
�
�
T
e
r
(5)
para repuxo prismático, sendo aforça necessária para embutimen-to, em N, o diâmetro do punção,
o diâmetro do disco, ambos emmm.
As prensas utilizadas na estam-pagem podem ser mecânicas, ondeum volante é fonte de energia, aqual é aplicada por manivelas, en-grenagens, excêntricos, durante aaplicação do esforço de deforma-ção, ou hidráulica, em que a pres-são hidrostática aplicada contra umou mais pistões fornece a energiapara o esforço de deformação.
As prensas excêntricas são as deuso mais geral, utilizando-se paraquase todos os trabalhos de estam-paria. Contudo, por não serem defácil regulagem e exatidão de per-curso, apresentam dificuldades nostrabalhos de embutimento (semsaída livre do punção), pois um des-
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d
D
PRENSAS DE ESTAMPAGEM
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...4
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DedF
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cuido nesta regulagem pode ter co-mo conseqüência a ruptura dasferramentas e até da prensa.
A prensa excêntrica para umadeterminada operação de corte ourepuxo não pode ser escolhida pelacapacidade nominal fornecida pe-los fabricantes, pois esta é a capa-cidade máxima que a prensa de-senvolve quase no final do curso [4,5, 6].
Para a escolha da prensa é pre-ciso estabelecer o curso que seránecessário, em função do tipo defabricação – corte, dobra, embuti-mento ou mista a força no inícioda operação e a produção diária aser desenvolvida. Estabelecida amáquina, se deve verificar todas ascaracterísticas necessárias comoavanço máximo e mínimo, dimen-sões da mesa, regulagem do pun-ção.
A capacidade da prensa não de-ve ser justamente igual aos esforçosrelacionados na seção anterior, sen-do recomendado deixar uma mar-gem levando em conta os atritos edemais resistências passivas. No
–
e
�
�
l
Volante
Biela
Guias
Martelo
Mesa
x
0º
90º
y
e
y180º
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F
Figura 4 - Mecanismo de acionamento de uma prensa excêntrica [4]
caso do estampo possuir molas ex-tratoras ou dispositivos semelhan-tes é necessário considerar a forçados mesmos e somá-las ao esforçototal que a prensa deve exercer.
A Figura 4 mostra o mecanismode acionamento de uma prensa ex-cêntrica. A força útil da prensa variacom a posição da manivela, ou seja,depende do ângulo . Quando
a prensa desenvolve a forçamínima.
O projeto consistiu na modifi-cação de uma matriz de estampa-gem progressiva utilizada na indús-tria de rolamentos que estava apre-sentando problemas para a produ-ção de determinada peça. A peçaproduzida faz parte do rolamentocodificado pela empresa que o fa-brica como RL 27074, e este é umtensor da correia dentada dos auto-móveis Kadett, Ipanema e Vectra. Apeça pode ser vista na Figura 5 apósa sucessiva operação de dobra.
O fato era que a matriz, ondehouve trincamento, estava produ-
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ESTUDO DE CASO
Figura 5 Peça RL 27074
zindo uma peça fragilizada devidoao aumento da largura do bloco e,conseqüentemente, aumento dasgeometrias de corte. Ao entrar emfuncionamento, a peça sofria rup-tura e, conseqüentemente, provo-cava a inutilização do rolamento. Oproblema mais freqüente estava re-lacionado ao lingote indicado aci-ma, que era estampado com umaespessura muito fina. Quando o ro-lamento era submetido ao torque,o lingote acabava rompendo. Estefato estava gerando inúmeros casosde reembolso aos clientes, então,foi preciso retirar o estampo deoperação. A ferramenta é mostradana Figura 6.
Foram verificados os seguinteserros de projeto:• Os passos entre os estágios de
produção das peças são diferen-tes. Isto pode provocar uma dis-tribuição de tensões não-unifor-me ao longo da matriz;Existência de cantos vivos em al-gumas geometrias de corte damatriz. Estes são pontos projeta-dos com raios relativamente pe-quenos, aumentando a concen-tração de tensão na região dosmesmos. Provavelmente este foium dos fatores que contribuírampara o trincamento da matriz vis-to na figura anterior;A matriz foi submetida a trata-mento térmico e, após um ensaiode dureza, foi constatado que suadureza ficou entre 64 e 70 HRC.Esta dureza foi considerada exces-siva diante das circunstâncias aque a matriz é submetida – cargade 85 toneladas exercida pelaprensa utilizada – e este seria umagravante para o defeito surgido;A base que suporta a matriz, po-rém, não foi submetida a um tra-tamento térmico, segundo análi-se realizada, e desta forma sua du-
•
•
•
Figura 6 - Matriz RL 27074 (cinco estágios
de produção)
reza é inferior a dos outros ele-mentos. Com o passar do tempoe as inúmeras vezes em que a ma-triz operou, a base deformou, cri-ando um empenamento, o quesubmeteria a matriz ao esforço deflexão.Na próxima edição, o tema con-
tinuará sendo abordado através doestabelecimento de uma seqüênciade etapas para o desenvolvimentode uma ferramenta de estampa-gem, demonstrando a importânciado estudo prévio e as dificuldadesencontradas para tal procedi-mento.