Técnica

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a fabricação de compo-nentes a partir de cha-

pas metálicas tem uma impor-tânc ia s igni f i cat i va no am-biente industrial. Para enten-der melhor o processo, basta pensar na quantidade de pro-dutos fabricados a partir de chapas, como carrocerias de automóve i s , fuse lagens de aviões, móveis de escritório, e letrodomésticos, computa-

Fundamentos do projeto de ferramentas para o processo de corteDurante a fabricação de um componente por estampagem diversos processos são utilizados, como corte, embutimento, flangeamento, dobramento, entre outros, de acordo com a complexidade da forma final desejada. O corte de chapas é a técnica de separação mais utilizada pela indústria, seja na preparação do blanque para embutimento, em ferramentas progressivas ou após a estampagem para a retirada da rebarba. Entre as diversas técnicas existentes, o corte por cisalhamento ou corte convencional destina-se à obtenção de formas geométricas a partir de chapas submetidas à pressão exercida por um punção, tendo como característica importante um ferramental mais simples se comparado a outras técnicas, permitindo a produção de peças com qualidade relativamente boa para a maioria das aplicações.

dores e utensí-l ios em geral. D e um m o d o g e r a l , t o d o s esses produtos são obt idos combinando o corte com ope-rações de embutimento, flan-geamento, dobramento, entre outros.

A figura 1 mostra os exem-plos de componentes mecâ-nicos em que o processo está

U. Boff e L. Shaeffer

presente no recorte das gera-trizes, dos componentes inter-nos e externos e das furações para montagem. Em grande parte dos casos, a qualidade da região cortada é definida pela aplicação da peça. Casos em que a região cortada pos-sui características funcionais requerem um controle mais acurado dos parâmetros do

Uilian Boff é mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGEM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), em Porto Alegre (RS); Lírio Schaeffer é professor e coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), da UFRGS. Reprodução autorizada pelos autores.

Fig. 1 – Exemplos de produtos estampados em que o processo de corte é utilizado(4)

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processo. A figura 2 mostra alguns exemplos de peças cor-tadas por cisalhamento, em que se requer alta qualidade da região cortada.

O fator determinante para a escolha do processo a ser utilizado na fabricação de um componente é a qualidade da região cortada. Processos que garantem uma melhor quali-dade de corte necessitam de ferramentas e prensas mais sofisticadas.

O processo de cor te está classificado segundo a norma alemã DIN 8580 – Processos de Fabr icação. Igua lmente, existem classificações origina-das na indústria especializada nos processos de corte, que podem ser descritas como (6) :• Técnica de cor te conven-

cional : produz peças com valor médio de tolerância e média frequência de golpes de prensa. O processo é realizado em prensas mecâ-nicas com estrutura de tipo “C”;

• Técnica de corte de alta ve-locidade: produz peças com tolerâncias mais justas que o processo de corte conven-cional e velocidade de até 180 golpes por segundo. Utiliza predominantemente ferramentas de metal duro em prensas com estrutura do tipo “O”;

• Técnica de cor te f ino, ou f ine blanking : produz pe-ças a partir de chapas com espessuras de 1 a 10 mm, com tolerâncias muito res-tr itas e alta qualidade da superfície de corte. Carac-teriza-se pelo emprego de folgas muito pequenas, da

ordem de micrômetros. Por meio do processo de corte f ino é pos s í ve l p roduz i r peças com superfícies lisas e polidas, eliminando ope-rações subsequentes, como rebarbação, fresamento ou mesmo retificação. Ele per-mite fabricar peças prontas para a montagem de com-ponentes, reduzindo consi-deravelmente os custos de fabricação.

Elementos básicos e mecanismos do processo

Ferramenta de corteO corte por cisalhamento é um processo que se destina à ob-tenção de formas geométricas a partir de chapas submetidas à pres são exerc ida por um punção ou uma lâmina de corte. Quando o punção ou a lâmina inicia a penetração na chapa, o esforço de compres-são conver te -se em esforço

cisalhante (cortante) , provo-cando a separação brusca de uma porção da chapa.

No processo convencional, ilustrado na figura 3, o corte é realizado por meio do movi-mento relativo de um punção de corte contra uma matriz. No caso de um punção circu-lar, o diâmetro do punção é levemente inferior ao diâme-tro da matriz, de forma a man-ter-se uma folga entre os dois que permita que o punção penetre na matriz, causando a separação da peça.

De acordo com Schaeffer(6) , uma peça cortada pelo proces-so convencional apresenta ca-racterísticas próprias, origina-das da forma como as tensões se distribuem sobre a chapa no momento do corte, como mos-tra a figura 4. Essas caracterís-ticas definem qualitativamente o processo no que diz respeito

Fig. 2 – Exemplos de peças com requisitos de alta qualidade cortadas por cisalhamento(7)

Fig. 3 – Princípio de corte: a) punção; b) matriz; c) chapa; d) peça cortada(3)

Fig. 4 – Partes principais de uma peça cisalhada: a) zona de arredondamento;b) zona cisalhada; c) zona fraturada; d) rebarba; e) empenamento(6)

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ao resultado do corte. Ainda segundo Schaef fer, a forma como se processa o corte pode ser entendida por meio da análise de cada uma das fases do processo, descritas a seguir e ilustradas na figura 5.

Na primeira fase a força do punção atua sobre a chapa, p rovo c and o n e l a uma d e -formação e lás t ica. A chapa arqueia-se e tende a ter suas extremidades levantadas de-vido à folga entre o punção e a matriz. Dessa fase, passa-se rapidamente para uma defor-mação plástica, caracterizada pelo arredondamento perma-nente da chapa.

A seguir ocorre a fase de cisalhamento, na qual o ma-terial escoa devido ao esforço realizado pelo punção sobre a matriz, resultando na zona cisalhada. Devido ao crescen-te encruamento do material durante o cor te, a zona de a r redondamento da chapa tende a aumentar.

Uma solicitação crescente é aplicada até que se esgote a capacidade de deformação da seção da chapa. Quando isso ocorre, surge na aresta de corte da matriz uma trinca na direção máxima de tensão de cisalha-mento, que leva finalmente à separação do material. A trinca resultante pode ser reconheci-da na peça cortada como uma região rugosa e de formato oblíquo, com ângulo de incli-nação dependente do tamanho da folga. A forma como ocorre a fratura também é responsável pelo tipo e tamanho da rebarba resultante na peça.

De acordo com Rodrigues e Martins(5), a dimensão da rebarba será determinada pelo desgaste das arestas de corte (quanto maior for o desgaste, maior será o boleamento das arestas de corte e, portanto, menor será a dificul-dade para o material contornar a aresta de corte), pela ductilidade do material, pelo tamanho da folga e também pelo valor da força de corte que é aplicada localmente.

Folga entrepunção e matrizU m d o s p a r â m e t r o s m a i s importantes do processo de

Fig. 5 – Sequência das etapas do processo de corte por cisalhamento: 1) punção; 2) chapa; 3) matriz(6)

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corte é a folga entre o punção e a matriz, por ter influência direta na formação de rebarba e no desgaste das partes ati-vas da ferramenta. Segundo Schaef fer, uma fo lga maior resulta em uma zona de arre-dondamento maior, tendo em vista que as deformações são maiores. Já uma folga menor resulta em uma zona cisalha-da maior, considerando que as tensões sobre o material são maiores, o que posterga o aparecimento de trincas. A correta determinação da fol-ga tem relação direta com o desgaste das partes ativas da ferramenta e com a força de cor te, pois quanto menor a folga, maior a força necessária para o corte.

Em geral, não existe uma regra para determinar o valor da folga, pois são vários os seus parâmetros de influência. A folga pode ser estabelecida com base em atributos como: aspecto superficial do corte, imprecisões, operações pos-teriores e aspectos funcionais. Normalmente, em um proces-so de cor te convencional, o valor da folga está entre 5 e 10% da espessura da chapa. No processo de corte fino este valor pode chegar a 1%, ou menos.

Para Rodrigues e Martins, a folga é um parâmetro essencial do corte, não só do ponto de vista da qualidade das superfí-cies obtidas como também das forças aplicadas. Sendo assim, o conceito de folga ideal fica es tabelecido como sendo a folga para a qual o trabalho exercido é o mínimo possível. A figura 6 ilustra a morfologia da

superfície obtida no processo de corte convencional de acor-do com a folga entre punção e matriz.

Os valores de folga por lado (em porcentagem da espes-sura do arco) a serem usados para a obtenção de superfícies com a morfologia indicada na f igura 6 estão expressos na tabela 1 (pág. 88). Os valores fornecidos na tabela são em-píricos, razão pela qual variam muitas vezes de acordo com as fontes.

Força e energia de corteAs forças envolvidas no pro-cesso de corte, mesmo para chapas f inas, são altas, es-pecialmente em materiais de alta resistência. Isso se deve ao fato de que o material vai encruando devido à deforma-ção plástica crescente, o que faz com que a força de corte aumente gradualmente, até a lcançar um va lor máx imo, iniciando a f issuração. Uma abordagem mais s imp les e

Fig. 6 – Morfologia da superfície obtida no corte convencional de acordo com o valor da folga entre o punção e a matriz(5)

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mais utilizada para o cálculo da fo rça de cor te cons i s te em mult ip l icar a tensão de ruptura ao cisalhamento (τc) pela área a ser cisalhada (Ac) , ou seja (6) :

Fc = τc . Ac

onde Fc é a força de cor te, τc é a tensão de ruptura do material quando submetido a cisalhamento e Ac é a área a ser cisalhada, calculada por:

Ac = lc . s

onde lc é o perímetro ou compri-mento da aresta de corte e s é a espessura da chapa. A tensão de ruptura ao cisalhamento está geralmente entre 50 e 80% da tensão de ruptura do material, dependendo da liga e da microestrutura. Se a razão entre o diâmetro do punção e a espessura da chapa for maior que 2, pode-se usar a seguinte relação para um cálculo aproxi-

mado da tensão de resistência ao cisalhamento:

τc = 0,8 . rm

onde rm é a tensão de resistên-cia ao material. A imprecisão entre a força de corte real e a

determinada a por esta relação é de aproximadamente, 20%.

A potência necessária para executar o corte depende da força de corte Fc e da velocida-de de deslocamento do pun-ção v, sendo calculada por:P = Fc . v

Tab. 1 – Folgas por lado de acordo com o material e o tipo de superfície a ser obtida, conforme morfologia ilustrada na figura 6(5)

MaterialFolga (porcentagem da espessura do arco)

Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V

Aço com elevado teor de carbono

23 18 15 12 –

Aço macio 21 12 9 6,5 2

Aço inoxidável 23 13 10 4 1,5

CobreDuro 25 11 4 3,5 1,25

Macio 26 8 6 3 0,75

Bronze fosforoso 25 13 11 4,5 2,5

LatãoDuro 24 10 7 4 0,8

Macio 21 9 6 2,5 1

AlumínioDuro 20 15 10 6 1

Macio 17 9 7 3 1

Magnésio 16 6 4 2 0,75

Chumbo 22 9 7 5 2,5

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Assim, podemos destacar alguns fatores que interferem na força de corte:• A folga entre o punção de

corte e a matriz;• O desgaste do ferramen-

tal;• A forma da linha de corte;• A espessura da chapa;• A qualidade da chapa;• A lubrificação.

Com o conhec imento da força de corte (Fc) e da seção da tira (A ) na qual o punção atua , é pos s í ve l ca l cu la r a pressão de corte:

Pc= Fc . A

Para um processo de corte convencional, a força de corte

Fig. 8 – Evolução da força de corte para folgas inferiores à ideal (a) e superiores à ideal (b)(5)

Fig. 7 – Corte inclinado: a) operação de corte com matriz inclinada e b) operação de corte com punção inclinado(5)

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pode ser diminuída com a in-clinação das arestas de corte do punção ou da matriz (figu-ra 7, pág. 89), porém o traba-lho continua igual. Isso ocorre porque o trabalho é realizado durante um curso maior, mas com uma força menor, sendo o trabalho total de corte igual em ambos os casos.

Com a inclinação do pun-ção ou da matriz, é possível obter reduções muito signi -f icat ivas da força de cor te, n o e n t a n t o e s s a r e d u ç ã o depende da inc l inação das arestas de corte. A inclinação máxima dos punções e matri -zes não deve ultrapassar 4º, sendo este valor função da geometria e da dimensão do conjunto punção /matriz. No caso de punções pequenos, a inclinação da aresta de cor te pode diminuir sua resistência mecânica, pois os momentos f letores que os passam a so-licitar são tanto mais intensos quanto maior for a incl ina-ção da aresta de cor te (5) . A

evolução da força de cor te em relação ao deslocamento do punção pode ser vista na figura 8 (pág. 89 ) .

Formas do ferramental de corte

Os processos de corte podem consistir desde uma operação simples, empregando um pun-ção e uma matriz, até empre-gar um sistema de guia para o punção e a chapa, ou po-dem mesmo apresentar uma estrutura complexa, formada com colunas que servem de guia para garantir maior pre-cisão na operação de cor te. A figura 9 ilustra um modelo

de ferramental utilizado para o corte.

Exemplos de cálculo para uma operação sequencial

A seguir é apresentado um exem-plo de cálculo para determinar o diâmetro da matriz para o furo interno e do punção para o corte do disco (externo) em uma tira de aço com 3 mm de espessura, recortada em uma operação se-quencial com um furo inicial de 10 mm (interno). Posteriormente, um disco de 28 mm (diâmetro externo) foi recortado da tira (figura 10).

SoluçãoCorte do furo interno (determinação do diâmetro da matriz):No cor te do furo interno, o punção pos su i a d imensão nominal do furo (d = 10 mm). O diâmetro da matriz de corte dM será:

dM = d + (0,06 . s . 2)

onde 0,06 s igni f i ca 6% da espessura da chapa, sendo d o diâmetro do punção para a execução do furo inicial :

dM = 10 + (0,06 . 3 . 2) = 10,36

Fig. 9 – Conjunto de ferramentas para uma operação de corte(2)

Fig. 10 – Dimensões do furo interno e do diâmetro externo no corte sequencial de um disco(7)

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Corte do diâmetro externo do anel: Nes te caso, o d iâmetro da matr iz (dM ) deve possuir as d imensões nomina i s ex te r-nas do anel ou do disco. O punção deve ter um diâmetro menor, a ser calculado levan-do em consideração a mesma folga para a execução do furo inicial :

d = dM – (0,06 . s . 2)d = 28 – (0,06 . 3 . 2)d = 27,64

Conclusão

O processo de corte de cha-pas tem como características principais uma elevada taxa de p rodução, ba i xo cus to, boa precisão dimensional e bom acabamento. O proces-so baseia-se em uma técnica s imples , na qua l o cor te é realizado por meio do movi-mento relativo de um punção de corte contra uma matriz.

Um dos fatores mais impor-tantes a serem considerados no processo de corte é a folga entre o punção e a matriz. Em geral, não existe uma regra para se le c ionar o va lo r da folga, pois são vários os pa-râmetros de influência. Essa folga pode ser estabelecida com base em atributos como o aspecto superficial do corte, imprecisões, operações poste-riores e aspectos funcionais. A sua correta determinação tem relação direta com o desgaste da ferramenta e com a força necessária para realizar a ope-ração de cor te, pois quanto menor a folga, maior a força necessária para o corte.

Atualmente existe um pro-c e s s o d e n o m i na d o “co r t e fino”, que se caracteriza pelo emprego de folgas muito pe-quenas, com prensas e jogos de matrizes muito rígidos. Por meio deste é possível produ-zir peças com super fícies de cor te l isas, isentas de defei-

tos, sem que haja a necessi -dade de rea l izar operações posteriores.

Referências

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