ferramentas_de_estampagem

8/14/2019 ferramentas_de_estampagem

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Escola Politcnica da USP

PMR-Dept. Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos

PMR 2202 Introduo a Manufatura Mecnica

Projeto 2 Conformao Mecnica Ensaio de Swift

Texto 3 - Ferramental

Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha

Outubro - 2003

Engenharia Mecnica - Marcos Cassian oPage 1/25
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Ferramental para Conformao de ChapasPrincpio

A conformao de chapas uma operao que consiste em transformar uma chapaplana em um copo de forma cncava sem mudar a espessura da chapa.Constitui umtrabalho de deformao plstica.

Escoamento de material

Na operao de estampagem profunda, sofre deformao plstica somente o trechoda chapa plana que ocupa a rea compreendida entre o dimetro final do copo d, e oinicial da chapa D, conforme se observa na figura 1.

Figura 1: Esquema da rea submetida deformao na operao de estampagem profunda.

De acordo com a figura 1, a rea correspondente a pequenos tringulos (indicadospor ABC) que sofrem deslocamento da regio plana em direo ao topo da peaestampada.

Em um experimento, foram retirados da chapa plana vrios setores circulares,representados por BC na ilustrao da figura 2(A). Em seguida, com a chapa recortada aoperao de estampagem foi realizada, resultando em um copo de altura h como se observana figura 2(B), onde por causa da ausncia de material nas reas triangulares citadas, ocorrenesta pea apenas dobramento da chapa.



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Figura 2: (A) Chapa plana recortada; (B) chapa plana recortada dobrada.

Continuando o experimento, a chapa de rea circular sem recortes foi submetida operao de estampagem profunda, durante a qual, sofre diversas fases de deformao,como se v na figura 3 (A), e ao final da operao o copo conformado tem altura h+hdevido ao escoamento de material, como est desenhado na figura 3(B).

Figura 3: (A) chapa estampada visualizada em vrias etapas, (B) Copo final de uma chapaestampada sem recortes.

A chapa sempre redonda para embutir um copo redondo, mas o contorno da chapapode variar de acordo com a geometria da pea estampada. possvel calcular a forma daschapas antes de realizar a conformao, mas para isso ensaios prticos so necessrios paraevitar erros decorrentes da diferena de comportamento de materiais, geometria do puno,e da matriz, bem como da folga entre eles. Um exemplo destes erros ilustrado na figura 4,onde duas chapas retangulares so estampadas, a primeira (A) por no ter sidoconvenientemente calculada, apresentou reas no expandidas de material, e a segunda (B)de geometria adequada ao processo em questo, proporcionou uma pea final melhor.



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Figura 4: (A) Chapa retangular sem pr-clculo de geometria, (B) Chapa retangular com

pr-clculo de geometria .

O erro demonstrado na figura 4 ocorre porque somente em chapas de permetroarredondado possvel obter um copo com arestas perfeitas (onde indica a aresta B, nafigura).

Estampagem de peas circulares: Clculo dos dimetros das chapas

Regra Geral

Basicamente pode se calcular o dimetro do blank para a estampagem de qualquerpea de geometria circular baseando-se na lei da conservao da massa, o que implica que ovolume de material constante durante o processo. E uma segunda simplificao pode serconsiderada: a operao de estampagem profunda tambm feita de modo a manter a

espessura da chapa constante.Sabendo que o volume de uma chapa pode ser calculado multiplicando-se a rea (A)

da chapa, pela espessura (e) da mesma, tem-se:Ablank.eblank=Apea.epea.Assim, com espessura constante: Ablank= Apea.



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Resumidamente, a rea do copo, a soma das reas do fundo e das paredes domesmo. Ento, considerando um copo de dimetro final d, e altura h, pode se obter, a partir

da regra acima explicitada a seguinte relao, para um blank de dimetro D:

dhd D

+=44

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Simplificando esta relao, o dimetro do Blank pode ser expresso em funo dodimetro e altura do copo. Adiante seguem diversos exemplos de geometrias que podem serconformadas, e a expresso simplificada do calculo do dimetro da chapa para cada caso.Entretanto, para metais recozidos, pode haver um ligeiro erro no calculo do dimetro do

blank, pois h uma tendncia maior reduo da espessura da chapa durante o processo.

Exerccio Exemplo:Determinar o dmetro da chapa para embutir um copo de 30 mm de dimetro, 20 mm dealtura, e 1 mm de espessura, em lato.



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Estampagem de peas retangulares: determinao do Blank.

A determinao do recorte inicial do blank pode at ser feita atravs de algumas

frmulas. Contudo, para assegurar que a operao seja vlida, ensaios prticos, comprottipos so indispensveis.

Procedimento experimental: metodologia

Em princpio a idia que surge, a de realizao primeiramente do corte do blank,depois da estampagem de embutimento do mesmo. Mas na realidade, para o prottipo sefaz o contrrio. Em uma chapa qualquer, faz-se a operao de embutimento, em seguida, as

sobras irregulares da pea so eliminadas na altura da linha indicada na figura 5 (no caso17 mm), a fim de se obter a geometria da pea final. Ento partir da pea estampada,procura-se a forma adequada ao blank. A figura 6 permite ter uma noo de como isto podeser realizado.

Figura 5: pea embutida sem recorte inicial da chapa.



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Figura 6: esquema de estudo do recorte inicial de uma pea estampada retangular.



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A formao de rugas durante o processo de estampagem profunda pode ser evitadacom o emprego de um prensa-chapas.

Exemplo:

Estampagem profunda sem Prensa-chapas

Usa-se dispensar o prensa-chapas para a estampagem de chapas cujas espessuras 1,2mm. Nos casos de chapas mais finas, o prensa-chapas no pode ser dispensado, ou ento h

formao de rugas no embutimento, fatalmente.Para chapas de espessura acima de 1,2 mm, a estampagem profunda pode ser realizada

com o uso de um guia-peas. Na figura 7 dois tipos de esquemas de matriz sem prensa-chapas podem ser observados.

Figura 7: (A) Aresta da matriz arredondada para conduzir a deformao do blank; (B) umcone de ngulo 60 faz o papel de conduzir a deformao do blank.



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Estampagem profunda com Prensa-chapas

O prensa-chapas um dispositivo ajustado em torno do puno, sendo que seu dimetrodeve corresponder ao da chapa a ser estampada, cuja funo permitir escoamento dematerial durante o processo de forma mais controlada (como um freio) para no permitir aformao de rugas.

Existem diversos meios de acionamento e montagem de dispositivos prensa=chapas.Entre eles tem-se:

1. Colcho Pneumtico (excelente)

2. Arruelas em borracha empilhadas umas sobre as outras (bastante bom)3. Por um meio puramente cinemtico, como nas prensas de dupla ao4. Simplesmente por molasO uso de prensa-chapas obrigatrio na conformao de chapas finas (e< 1,2 mm).Vale ressaltar que nos casos de estampagem de chapas finas deve ser respeitada a

relao limite de dimetros entre blank (D), e da pea estampada (d). Esta relao :

95,0= D

d para metais em geral, 0,6 para metais de baixa resistncia mecnica, ou

eventualmente ata 0,50.Alguns exemplos esquemticos de tipos de prensa-chapas podem ser vistos na

figura 8.

Figura 8: (A) Fixao por colcho pneumtico, onde a guia da chapa centsimos demilmetro mais fina do que a chapa; (B) Fixao por molas, onde o guia-chapas ligeiramente mais espessa que a chapa (da ordem de 0,01 mm; (C) Prensa chapas fixo, usa-



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se fixado diretamente sobre a matriz, e deve haver um folga entre ele e a pea, da ordem de0,02 mm. o mais simples dispositivo).

Chapas metlicas para estampagem:

Os metais em chapas mais empregados em embutimento so cobre (Cu) e suas ligascomo lato (Cu-Zn), alumnio (Al), Nquel (Ni), ao de baixo carbono, e ao inoxidvel(Fe, Cr, Ni).

Limite de embutimento

Dependendo do material, e da espessura da chapa, existe um limite de reduo dedimetros de uma pea. Por isso, muitas vezes necessrio realizar vrias operaes deestampagem profunda seguidas em uma srie a fim de obter uma reduo maior dedimetro.

A primeira matriz de embutimento pode ser determinada a partir de uma relaoentre os dimetros da chapa e da matriz, considerando um fator, que tem seu valor varivelde acordo com as caractersticas acima mencionadas.

Generalizando, um valor mdio deste fator de 1,75. Assim, a relao se expressapor:

75,1.CHAPA

MATRIZ PRIM

=

Toma-se o exemplo, ento:

Para uma chapa de 100mm de dimetro, qual ser o dimetro da primeira matriz deembutimento? (Deve se considerar adequado o fator convencionado, pois o material emquesto no est sendo mencionado.)

Ento: mm MATRIZ PRIM 5775,1100

. == . O que implica que a pea embutida deve ter no

mximo 57 mm de dimetro.



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Estiramento

Para que o copo embutido tenha uma parede mais alta, ou seja mais fundo, eleprecisa passar por vrias operaes conhecidas como estiramento. Ao projetar uma peaque necessite destas operaes, deve-se procurar reduzir ao mnimo nmero de operaesintermedirias, visto que muitas operaes intermedirias aumentam o tempo deprocessamento, e o custo ferramental, que precisar de muitas ferramentas intermedirias.

O nmero de operaes de estiramento, varia de acordo com alguns fatores, dentre

eles o uso do prensa-chapas, ou no, espessura do material e a ductilidade do mesmo. Asredues de dimetro das operaes de estiramento, dependentes ento dos fatores agoracitados, variam de 10 a 20%, para a maioria dos materiais.

Assim, usam-se coeficientes baseados nesta percentagem de reduo para chegar aonmero final de operaes.

Um exemplo interessante seria estudar o caso de uma chapa circular de dimetro de100mm, que resultou em um copo embutido de 57 mm de dimetro. Supondo que odimetro final desejado de se alcanar seja de 30 mm, com uma reduo mdia de 15%(isso significa: usar coeficiente de 0,85 (1 - 0,15)). Assim, o dimetro da primeira matriz deestiramento calculado: 57mm x 0,85 = 48,5 mm.Sucessivamente, o segundo ser: 48,5 x 0,85 = 41 mm,O terceiro dimetro vem a ser: 41 x 0,85 = 35 mm,E o quarto dimetro pode ser: 35 x 0,85 = 29,7mm, mas como 30 mm a medida desejada,usa-se 30 mm de dimetro final, aps 4 operaes. Isso implica que so necessrias quatromatrizes de estiramento e uma matriz de embutimento para conformar esta pea.

Um segundo Exemplo necessrio:Na prtica, deve-se fazer um copo em cobre, espessura 1 mm,35mm, altura

40mm. Para resolver este problema necessrio seguir o procedimento abaixo:

1. Calcular o do blank.

2. Calcular o do primeiro embutimento (com o coeficiente de 1,75)

3. Calcular o ou oss das matrizes de estiramento (com coeficiente 0,8)



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Soluo do Exemplo:

1. Clculo do do Blank.

mmdhd D 60.8240354354 22 =+=+=

2. Primeira matriz de embutimento

mm MATRIZ PRIM 20,4775,1

6,82. ==

3. Matrizes de estiramento

M1= 47,20 .0,8 = 37,76 mm

O objetivo final da operao alcanar um copo de = 35 mm. No caso desta

pequena diferena qual a deciso mais favorvel a ser tomada?Duas solues se apresentam:

Diminuir levemente os dimetros das matrizes a fim de conseguir em duasoperaes apenas o produto final. possvel pensar nesta soluo, pois oscoeficientes usados nos clculos anteriores sempre levam em consideraouma margem de segurana.

Manter o dimetro da matriz de embutimento, e usar duas matrizes de

estiramento, mesmo que apresentem coeficiente maior. Esta soluo umpouco mais cara, mas est a favor da segurana da operao.

Ferramental de Estampagem de Estiramento

Sem prensa-chapas

A Ferramenta de estampagem de estiramento composta por uma matriz de geometriacnica, seguida de geometria cilndrica, ambas concordando-se por um raio, que varia entre6 e 10 vezes a espessura do blank.

Para que o blank esteja centrado corretamente, necessrio aparafusar sobre a matrizuma guia.

importante informar que a regio do raio de concordncia deve ser polida, e noapresentar nenhum risco. Ela responsvel pela operao poder se realizar sem o uso deum prensa-chapas. Na figura 9 se observa esquematicamente este tipo de ferramenta.



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Figura 9: Esquema de Ferramenta de estiramento sem prensa-chapas.

Com prensa-chapas

O prensa-chapas de uma ferramenta de estiramento um dispositivo um poucodiferente do prensa-chapas no embutimento, embora sua funo seja a mesma: controlar ofluxo de material de modo a evitar rugas.

Ao contrrio do prensa-chapas em uma matriz de embutimento, sua atuao no perpendicular ao eixo central do copo, mas sim axial, e possui extremidade cnica, dengulo 45 ou outro adequado geometria da matriz. A figura 10 ilustra esquematicamentea ferramenta descrita.



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Figura 10: esquema de ferramenta de estiramento com prensa-chapas.

A pea centrada automaticamente quando posicionada sobre a matriz neste caso,sem precisar utilizar o guia peas, devido geometria da matriz.

Particularidades da Matriz

Tanto nas matrizes de embutimento (figura 11(A)) ou estiramento (Figura 11(B)) oraio de concordncia (indicado por r) de grande importncia. Os efeitos dos raios em cadatipo de matriz so variados:

Figura 11: (A) trecho de matriz de embutimento, (B) Trecho de matriz de estiramento.



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No caso de raio grande:Na ferramenta de estiramento um raio muito grande impede um funcionamento

eficaz do prensa-chapas, arriscando dobrar o blank antes de penetra-lo completamente namatriz.

J na ferramenta de embutimento, o efeito no to significativo neste aspecto.

No caso de raio pequeno:Na ferramenta de embutimento, um raio muito pequeno aumenta o esforo de

embutimento, e com ele a tendncia de engripar (travar) o puno, e/ou destacar o fundo do

copo.J na ferramenta de estiramento raios pequenos no provocam tanta diferena de

comportamento como na outra.

Algumas frmulas para estimar um valor de raio de matriz adequado a qualquerprocesso de estampagem, embutimento ou estiramento, so expressas por:

ed Dr = 8,0 onde D = chapa, d = copo, e = espessura da chapa, para o ao.

E d Dr = 9,0 para o alumnio e suas ligas.

Extrator

Para garantir que a pea embutida, ao passar pela matriz, no retorne aderindo-seem torno do puno, necessrio o uso de um extrator.

Assim que a pea passa pela parte cilndrica da matriz, aumenta ligeiramente seudimetro, devido deformao elstica que a tambm est presente no processo. Essepequeno aumento cerca de 0,01mm, e suficiente para que um canto vivo inferior amatriz sirva como elemento de reteno do copo (observe esquema da figura 12).



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Figura 12: Canto vivo que retm a pea em uma matriz de embutimento.

Um exemplo interessante de extrator pode ser observado na figura 13 e consiste emum anel dividido em 2 ou mais partes, apoiadas na base da matriz, fixadas por uma molacircular. Durante o processo, a prpria pea embutida responsvel pelo seu afastamento.Assim que a pea passa pelo anel extrator, a mola o faz contrair-se, impedindo o retrocessoda pea.

Figura 13: esquema de extrator de anis em uma matriz de embutimento.



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Puno

O puno o componente responsvel pela formao da geometria da pea estampada,por isso sua forma de grande importncia. As formas mais comuns em processos deembutimento esto ilustradas na figura 14, e so:

Forma A: a forma mais simples que se observa, mas deve-se atentar para que oraio, indicado por r na figura 14, nunca seja inferior ao raio de concordncia damatriz (que de 6 a 10 vezes a espessura das chapas).

Forma B: tambm de geometria bem simples. Mas tem 2 particularidades: o

dimetro indicado pord corresponde ao dimetro da prxima estampagem; e ochanfro de 45 concordado por maio de 2 raios diferentes com a pea. Observa-sena figura 15 um exemplo de utilizao desta a geometria em uma seqncia de 5operaes de estampagem.

Forma C: esta geometria j mais difcil de ser usada, devido a sua complexidadede realizao. mais conhecida como asa de cesta.

Forma D: uma forma semi-esfrica, e de conveniente uso tratando-se de peascuja geometria final tambm semi-esfrica.

Figura 14: formas mais comuns de punes em processos de embutimento.



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Figura 15: exemplo de uma utilizao da forma B.

Folga entre Puno e Matriz

A folga entre o puno e a matriz pode ser determinada de acordo com o material e aespessura da chapa estampada.

Este detalhe da ferramenta fundamental para o processo, pois folgas grandes demais provocam enrugamento da pea, problemas de rebarbas entre outros; e folgaspequenas demais podem causar travamento do sistema e at danos a maquina.

Algumas frmulas para esta determinao so expressas abaixo:

ee E += 1007,0 (para ao)

ee E += 1004,0 (para metais no ferrosos)

ee E += 1002,0 (para alumnio e suas ligas)

onde E a diferena entre raio do puno e da matriz, ee a espessura da chapa.



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Estudo de caso: Estampagem de um chapa de ao.Exemplifica-se neste tpico a fabricao de uma pea em ao, com uma chapa de

espessura e=2,5mm e =76mm, em 4 etapas.Convm observar que para este material de blank, as ferramentas devem ser bastante

fortes.1. Passo 1: Estampagem profunda.A primeira ferramenta, de embutimento, simples. A matriz colocada em umabase e montada com uma guia fixa. A guia bem posicionada, de modo a passar

apenas a espessura e o da chapa.

Figura 16 Primeiro embutimento

=

7 6

=

7 6



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2. Passo 2: Ferramenta de estiramento

Esta ferramenta tem o objetivo de reduzir a pea estampada de 45 para 40 mm de.

O copo centralizado por uma guia fixada sobre a matriz. O puno montado semprensa-chapas, pois a reduo pequena, perto da espessura da chapa.

Figura 17 segundo embutimento



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3. Passo 3: Estampagem de forma

Nesta operao, imprime-se uma geometria na pea. Nota-se que o puno est nolado inferior da matriz e possui extrator a fim de evitar que a pea fique aderida aopuno. Na matriz superior tambm h presena de um extrator cuja funo evitarque a pea permanea dentro da cavidade.

Figura 18 terceira operao de embutimento



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4. Passo 4: Ferramenta de acabamento

Nesta ltima etapa, a impresso de uma forma final mais complexa realizada. Assemelhanas desta ferramenta com a anterior dispensam maiores comentrios.

Figura 19 quarta operao de embutimento



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Exemplos de aplicao de estampagem profunda.

1) LubrificadorNeste exemplo, 6 operaes de estampagem com 2 recozimentos entre as operaes2 e 3, depois 4 e 5.

Figura 20 - lubrificador

2) Dedal de costuraA partir do corte da chapa, 7 operaes so realizadas. A quinta operao maisconhecida pro cunhagem.

Figura 21 dedal de costura

3) Cubo de engrenagemAs primeiras 8 operaes so realizadas ainda na chapa inteira. O corte do formatofinal da pea realizado em seguida.

Figura 22 - Cubo de engrenagem



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4) Cartucho (Figura 23).Para fabricao deste componente, 11 operaes contendo embutimentos, estiramentos e

redues so necessrias. As operaes de 1 a 5 so de embutimento-estiramentos. As de 6a 9 procuram formar a base do cartucho. Da dcima operao em diante, a reduo dafrente do cartucho realizada. Uma observao interessante que a bala que ir sermontada no cartucho tambm necessita de 8 operaes de estampagem para serconformada.

Figura 23 cartucho

A figura 24 representa uma composio de 2 matrizes em uma ferramenta, para realizar 2operaes ao mesmo tempo. A pea passa da primeira para a segunda matriz e da segundapara o final da ferramenta com um s golpe do puno.

Figura 16: Matriz para realizao de duas operaes ao mesmo tempo.



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Ferramenta de corte e estampagem profunda

Na figura 25 abaixo ilustrada esquematicamente uma ferramenta que permite em

um s golpe do um puno, o corte e o embutimento de uma caixa de forma retangular, apartir de uma tira de metal.


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