PROJETO DE FERRAMENTAS PARA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE CHAPA

Diogo Raposo de Sousa Cabral

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Orientadores: Prof.a Maria Beatriz Cipriano de Jesus Silva Prof. Paulo António Firme Martins

Júri

Presidente: Prof. Rui Manuel dos Santos Oliveira Baptista Orientador: Prof.a Maria Beatriz Cipriano de Jesus Silva

Vogal: Prof. Luís Manuel Mendonça Alves

Junho 2015

i

Resumo

Os processos tecnológicos de deformação plástica de chapa são muito importantes na indústria pois

têm um vasto campo de aplicação que vai desde a indústria dos transportes, a dos produtos

alimentares, domésticos e decorativos até à indústria farmacêutica. A crescente competição do

mercado promove maiores exigências, tendo a necessidade de reduzir os custos, reduzir os tempos de

produção, aumentar a qualidade do produto, tendo em atenção às preocupações ambientais. Para dar

resposta a essas necessidades torna-se essencial o estudo da enformabilidade, nomeadamente os

seus limites que fornecem informação sobre a deformação máxima que um material pode sofrer, sendo

limitado pela ocorrência de estricção ou rotura.

O objetivo deste trabalho é a conceção e o projeto de duas ferramentas que irão funcionar em conjunto

com uma máquina universal de ensaios de chapa que se encontra no Laboratório de ensaios mecânicos

da Área Cientifica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial (ACTMGI) do Instituto Superior Técnico

(IST), auxiliando desta forma a determinação e validação dos limites de enformabilidade à estricção e

à rotura. Foi projetada uma ferramenta para realização do ensaio Nakazima que permite determinar a

Curva Limite de Estampagem (CLE) e a Curva Limite de Fratura (CLF) e uma segunda ferramenta para

realização do ensaio de estampagem quadrada que permitirá validar a CLFC, determinada através de

vários ensaios de caracterização.

A metodologia adotada baseou-se na comparação das representações esquemáticas das ferramentas

fornecidas pelo fabricante da máquina universal de ensaios de chapa para os ensaios Bulge e Erichsen,

existentes no laboratório de ensaios mecânicos, com as das ferramentas que se pretende projetar.

Posteriormente, procedeu-se à montagem/desmontagem dos vários componentes das ferramentas

existentes, por forma a perceber e projetar os mecanismos de montagem e as adaptações necessárias

para cada componente. Por fim procedeu-se à medição dos vários componentes obtendo-se assim a

escala das representações esquemáticas.

Este trabalho permitirá o posterior fabrico das ferramentas para os ensaios Nakazima e de estampagem

quadrada. A ferramenta do ensaio Nakazima irá permitir a realização do ensaio controlando as diversas

forças envolvidas, permitindo a realização do mesmo com maior precisão. A ferramenta do ensaio de

estampagem quadrada vem colmatar a ausência do mesmo no laboratório de ensaios mecânicos do

IST.

Palavras-chave: Enformabilidade, Nakazima, Estampagem Quadrada, Projeto, Conceção.

ii

Abstract

The present work aims to design two tools of formability tests needed for the determination and

validation of the formability limits by necking and by fracture. The first tool regards to the Nakazima test

that allows the determination of the Forming Limit Curve (FLC) and the Fracture Forming Limit (FFL),

the second tool relates to the square stamping cup test, which will enable the validation of the Shear

Fracture Forming Limit (SFFL), which can be attained through other characterization tests. These tools

will be used in a universal sheet testing machine found in the mechanical tests laboratory of the Área

Científica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial (ACTMGI) of Instituto Superior Técnico (IST).

The performed methodology for the design consisted in the measurement of the Bulge test tool parts

available at the laboratory and by the analysis of the tools schematic provided by ERICHSEN. These

tools will allow to determine and validate more effectively the formability limits, since Nakazima test

provide the FLC and FFL with a single tool, and the square stamping cup test enables the SFFL

validation.

Keywords: Formability, Nakazima, Square Stamping Cup, Design Tools.

iii

Agradecimentos

Desejo apresentar os meus agradecimentos a todos os que de alguma forma contribuíram para a

realização da presente dissertação.

À Professora Beatriz Silva, um agradecimento especial pela investigação, oportunidades, constante

motivação e conhecimentos transmitidos, bem como pela inesgotável, permanente e preciosa ajuda

e orientação que tornaram possível a realização desta dissertação.

Ao Professor Paulo Martins, por todo o conhecimento, apoio, disponibilidade e colaboração no

decurso desta tese.

À Área Científica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial do Instituto Superior Técnico pelas

facilidades e meios concedidos que tornaram possível a realização desta tese.

Aos meus amigos e colegas, por toda a sua amizade, companheirismo.

Aos meus pais, por tudo o que fizeram e fazem por mim, em particular pelo apoio e amor

incondicional em todos os momentos.

iv

Resumo ................................................................................................................................. i

Abstract ............................................................................................................................... ii

Agradecimentos ..................................................................................................................iii

Lista de Figuras ...................................................................................................................vi

Lista de Tabelas ..................................................................................................................ix

Abreviaturas ........................................................................................................................ x

Nomenclatura ......................................................................................................................xi

1. Introdução..................................................................................................................... 1

2. Estado da Arte .............................................................................................................. 3

2.1. Enformabilidade ...................................................................................................................... 3

2.1.1. Curva Limite de Estampagem (CLE) ................................................................................. 4

2.1.2. Curva Limite de Fratura (CLF) e de Fratura ao Corte (CLFC) ............................................ 7

2.2. Ensaios de Enformabilidade .................................................................................................. 12

2.2.1. Ensaio Nakazima ............................................................................................................ 13

2.2.1.1. Norma ISO 12004-2 ............................................................................................... 13

2.2.1.2. Mecanismo de deformação no ensaio Nakazima ................................................. 16

2.2.1.3. Parâmetros que influenciam o ensaio Nakazima .................................................. 17

2.2.2. Ensaio de Estampagem Quadrada ................................................................................. 19

2.2.2.1. Mecanismo de deformação no ensaio de estampagem quadrada ....................... 22

2.2.2.2. Objetivo do ensaio de Estampagem Quadrada ..................................................... 24

3. Equipamento e Metodologias .....................................................................................26

3.1. Equipamento utilizado .......................................................................................................... 26

3.2. Metodologia adotada ............................................................................................................ 29

4. Conceção da Ferramenta de Ensaios Nakazima .......................................................33

4.1. Anel Roscado ......................................................................................................................... 34

4.2. Punção ................................................................................................................................... 35

4.3. Matriz .................................................................................................................................... 36

v

4.4. Encostador ............................................................................................................................. 38

4.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta ......................................................................... 39

4.5.1. Procedimento de Montagem ........................................................................................ 40

4.5.2. Procedimento de Desmontagem .................................................................................. 43

5. Conceção da Ferramenta de Ensaios de Estampagem Quadrada ...........................44

5.1. Punção ................................................................................................................................... 45

5.2. Matriz .................................................................................................................................... 46

5.3. Encostador ............................................................................................................................. 47

5.4. Anel de Fixação ...................................................................................................................... 49

5.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta ......................................................................... 50

5.5.1. Procedimento de Montagem ........................................................................................ 51

5.5.2. Procedimento de Desmontagem .................................................................................. 54

6. Conclusões e Perspetivas de Trabalho Futuro .........................................................55

7. Referências ..................................................................................................................56

Anexo A ..............................................................................................................................59

Anexo B ..............................................................................................................................63

vi

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Representação das trajetórias de deformação no plano das extensões principais

(Rodrigues e Martins, 2005). ................................................................................................................... 4

Figura 2.2 – Exemplo de uma CLE e a divisão imposta por esta, em zona de segurança e zona de falha,

no plano das extensões principais. (adaptado de http://www.cimm.com.br) ....................................... 5

Figura 2.3 – Previsão teórica da CLE resultante dos estudos de Hill e Swift, baseados nos mecanismos

teóricos de formação por estricção localizada e difusa, respetivamente (Rodrigues e Martins, 2005). 5

Figura 2.4 – Representação da CLE e os inúmeros defeitos associados ao processo de estampagem no

plano das extensões principais (Holmberg et al, 2003). ......................................................................... 7

Figura 2.5 – Representação da CLE e a CLF inicialmente proposta (curva cinza), em contraponto com a

CLF proposta atualmente (Isik et al., 2014)............................................................................................. 8

Figura 2.6 – Representação da iteração entre a CLE e a CLF e trajetória de deformação obtida no

ensaio de tração biaxial (Martins et al., 2014) ........................................................................................ 8

Figura 2.7 – Representação da CLF (FFL em inglês) no plano das extensões principais, mostrando a

sua relação com a mecânica do dano, ou seja, que o acumular de dano provoca a redução da

espessura até valores críticos (Isik et al., 2014). ..................................................................................... 9

Figura 2.8 - Representação dos limites sugeridos por (Isik et al., 2014). .............................................. 10

Figura 2.9 – Representação da CLFC no plano das extensões principais proposta por Isik et al. (2014)

(Martins et al., 2014). ............................................................................................................................ 11

Figura 2.10 – Determinação da CLFC através de estampagem incremental SPIF, com as trajetórias de

deformação associadas às secções AA’ e BB’ (Soeiro et al., 2014). ...................................................... 12

Figura 2.11 – Geometria recomendada para o provete do ensaio Nakazima (ISO 12004-2, 2008) ..... 14

Figura 2.12 – Geometria do provete sugerido por Hasek (lado esquerdo) em comparação com o

recomendado pela norma (Banadic, 2000) ........................................................................................... 15

Figura 2.13 – Esquema da ferramenta do ensaio Nakazima e respetivas tolerâncias (ISO 12004-2,

2008)...................................................................................................................................................... 15

Figura 2.14 – Provete deformado e referência das diferentes zonas de deformação (Djavanroodi e

Janbakhsh, 2013). .................................................................................................................................. 16

Figura 2.15 – Representação esquemática da CLE construída a partir dos provetes de diferentes

tamanhos (Rodrigues e Martins, 2005). ................................................................................................ 17

Figura 2.16 – Esquema da divisão dos provetes consoante o modo de deformação (Baptista, 1993). 18

Figura 2.17 – Peça quadrada estampada por estampagem retangular (Rodrigues e Martins, 2005). . 20

Figura 2.18 - Pormenor de ¼ da estampa final da peça (Rodrigues e Martins, 2005). ......................... 21

Figura 2.19 – Esquema da ferramenta para o ensaio de estampagem quadrada (Rodrigues e Martins,

2005)...................................................................................................................................................... 21

Figura 2.20 – Representação no plano das extensões principais das trajetórias de deformação

características da zona do canto (AB) e zona lateral (AC) (Rodrigues e Martins, 2005). ...................... 22

Figura 2..21 – (a) Representação esquemática do aparato do ensaio de estampagem quadrada; (b)

Perfil da estampa final e diferentes zonas (Daxin, 2008). ..................................................................... 23

Figura 2.22 – Estudo realizado por Embury e Duncan (1981) onde se observa a rotura na zona do

canto ...................................................................................................................................................... 24

Figura 2.23 – Previsão da do diagrama de enformabilidade através do método de elementos finitos

para estampa plana quadrada de 190 mm para uma penetração máxima de 49 mm antes da falha

(Firat, 2012). .......................................................................................................................................... 25

Figura 3.1 - Máquina universal de ensaios de chapa ERICHSEN, modelo 145-60 (Manual da máquina

ERICHSEN).............................................................................................................................................. 27

vii

Figura 3.2 – Esquema com os diversos constituintes da máquina de ensaios de chapa e respetiva

legenda (Manual da máquina ERICHSEN). ............................................................................................ 28

Figura 3.3 - Esquema do painel de controlo e respetiva legenda (Manual da máquina ERICHSEN). ... 28

Figura 3.4 - Ferramentas de auxílio na montagem/desmontagem dos componentes do ensaio

(Manual da máquina ERICHSEN). .......................................................................................................... 29

Figura 3.5 – Representação esquemática da ferramenta do ensaio Bulge (Operating Instructions

145/E) .................................................................................................................................................... 30

Figura 3.6 - Comparação dos componentes reais (a) e modelados em 3D (b) da ferramenta para o

ensaio Bulge .......................................................................................................................................... 31

Figura 4.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (Operating Instructions

145/E) .................................................................................................................................................... 33

Figura 4.2 - Desenhos 2D e 3D do anel roscado - (a) Vista de topo; (b) Vista em corte; (c) Vista de

perfil. ..................................................................................................................................................... 34

Figura 4.3 – (a) Punção da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009) e (b) representação esquemática da

base de montagem do punção no interior do cilindro de ensaios da máquina (Operating Instructions

145/E). ................................................................................................................................................... 35

Figura 4.4 - Desenhos 2D e 3D do punção - (a) Vista de corte; (b) Vista de perfil. ............................... 36

Figura 4.5 - Desenhos 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de corte B-B (Ver anexo A); (c)

Vista de perfil. ....................................................................................................................................... 37

Figura 4.6 - Desenhos 2D e 3D do encostador - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (Ver anexo A);

(c) Vista de perfil. .................................................................................................................................. 39

Figura 4.7 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio Nakazima – (a) Componentes da parte

superior; (b) Componentes da parte inferior. ....................................................................................... 40

Figura 4.8 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina

ERICHSEN).............................................................................................................................................. 41

Figura 4.9 – Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do

componente 107; (c) Montagem do componente 111-A; (d) Montagem do componente 111-B; (e)

Montagem do componente 114 (Manual da máquina ERICHSEN). ...................................................... 41

Figura 4.10 – Montagem do punção (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina

ERICHSEN).............................................................................................................................................. 42

Figura 4.11 – Montagem do encostador (a) início do curso; (b) fim de curso (Manual da máquina

ERICHSEN).............................................................................................................................................. 42

Figura 5.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada

(Operating Instructions 145/E). ............................................................................................................. 45

Figura 5.2 - Modelação 2D e 3D do punção - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo A); (c)

Vista de perfil. ....................................................................................................................................... 46

Figura 5.3 - Modelação 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do corte A-A

(ver anexo A). ........................................................................................................................................ 47

Figura 5.4 - Modelação 3D do componente 183 - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo

A); (c) Vista de perfil. ............................................................................................................................. 48

Figura 5.5 - Modelação 2D e 3D do anel de fixação - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do

corte A-A (ver anexo A). ........................................................................................................................ 49

Figura 5.6 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada – (a)

Componentes da parte superior; (b) Componentes da parte inferior. ................................................. 50

Figura 5.7 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina

ERICHSEN).............................................................................................................................................. 51

Figura 5.8 - Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do anel

107; (c) Montagem do anel 111-A; (d) Montagem do anel 111-B (Manual da máquina ERICHSEN). .. 51

viii

Figura 5.9 - Montagem do anel de fixação (Manual da máquina ERICHSEN). ...................................... 52

Figura 5.10 - Montagem do punção – (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina

ERICHSEN).............................................................................................................................................. 52

Figura 5.11 - Montagem do anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios – (a) início do curso; (b)

final do curso (Manual da máquina ERICHSEN). ................................................................................... 53

Figura 5.12 - Montagem do encostador (Manual da máquina ERICHSEN). .......................................... 53

ix

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Principais características da máquina universal de ensaios de chapa (Manual da máquina

ERICHSEN) .............................................................................................................................................. 27

x

Abreviaturas

ACTMGI Área Científica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial

CAD Computer-aided Design

CLE Curva Limite de Estampagem

CLF Curva Limite de Fractura

CLFC Curva Limite de Fractura ao Corte

FLC Forming Limit Curve

FFL Fracture Forming Limit

IST Instituto Superior Técnico

SFFL Shear Fracture Forming Limit

SPIF Single Point Incremental Forming

xi

Nomenclatura

Símbolos latinos Definição a Comprimento do semieixo maior da elipse b Comprimento do semieixo menor da elipse d Diâmetro inicial do círculo da rede de referência D Dano acumulado R Redução da espessura critica rcm Raio de canto da matriz rcp Raio de canto do punção W Largura do provete

Símbolos gregos Definição 𝜀1 Extensão principal máxima no plano da chapa

𝜀2 Extensão principal mínima no plano da chapa

𝜀3 Extensão principal na direção da espessura

𝜓 Ângulo de estampagem

γ Distorção crítica no plano

1

1. Introdução

Os processos tecnológicos de deformação plástica de chapa são muito importantes na indústria pois

abrangem grande parte do universo global das tecnologias de fabrico. Um desses processos

tecnológicos é a estampagem que consiste na transformação de chapa metálica plana a frio, que devido

ao elevado custo das ferramentas, adequa-se ao fabrico de grandes séries de peças, sendo aplicado

a um vasto número de indústrias, das quais se destacam a automóvel, a aeroespacial, a aeronáutica,

a dos produtos alimentares, domésticos e decorativos e possui grandes vantagens, tais como a elevada

produtividade, redução de custo por peça, bom acabamento, entre outras.

O aumento das exigências de mercado, tais como a necessidade de reduzir os tempos de produção,

aumentar a qualidade do produto, a redução de custos e as preocupações ambientais, obriga a uma

implementação de métodos de otimização no projeto de ferramentas de estampagem. Assim o estudo

da enformabilidade do material, nomeadamente, dos seus limites é fundamental nas fases de projeto e

conceção das ferramentas de qualquer processo de estampagem, pois fornecem informações sobre o

nível máximo de deformação plástica que o material pode sofrer durante um processo de enformação,

estando limitado pela ocorrência de estricção ou rotura.

A limitação devido à ocorrência de estricção localizada nas peças é fornecida pela curva limite de

estampagem (CLE), baseadas nas extensões limite admissíveis que o material pode sofrer, sendo

amplamente utilizadas para prever os limites de enformabilidade mas apenas para operações onde as

trajetórias de deformação são praticamente lineares, tornando-se inviáveis para operações com

trajetórias de deformação complexas.

O ensaio Nakazima é o ensaio de caracterização mais utilizado para construir a CLE, pois permite com

a mesma ferramenta determinar toda a CLE, ao contrário de outros ensaios que apenas determinam

parte da CLE. No entanto este ensaio devido ao atrito apresenta trajetórias de deformação que não são

completamente lineares, podendo deste modo influenciar a localização final da CLE.

Dependendo do tipo de material e do processo de fabrico a rotura pode surgir antes que a estricção se

desenvolva. Embury e Duncan (1981) através de um ensaio de tração biaxial mostraram o primeiro

caso em que para um determinado material a rotura pode preceder à estricção. Silva et al. (2008)

mostraram que através do processo de estampagem incremental ocorria rotura sem que se verifica-se

estricção, fazendo com que este processo especifico seja limitado pela rotura e não pela estricção,

quando o raio da ferramenta é muito pequeno relativamente ao diâmetro da peça (Silva et al., 2011 e

Madeira et al., 2015).

Na estampagem incremental como não se verifica estricção antes da rotura o nível de deformação

possível é superior, sendo limitado pela CLF para tensões de tração no plano da chapa e pela CLFC

para tensões de corte no plano. Estas curvas definem a deformação plástica admissível a partir da qual

surge a rotura (Isik et al., 2014)

2

A CLFC é caracterizada através de diversos ensaios de caracterização, nomeadamente o ensaio de

torção no plano e o ensaio de corte no plano. A CLFC por ser um conceito recente é necessário a sua

validação, sendo o ensaio de Estampagem Quadrada um bom exemplo uma vez que na região do

canto da taça produzida verificam-se trajetórias de deformação que permitem validar a CLFC.

O objetivo do presente trabalho prende-se com o desenvolvimento da conceção e projeto de duas

ferramenta que permitem caracterizar e validar a enformabilidade do material, uma para o ensaio

Nakazima que permite determinar a CLE e CLF e outra para a realização do ensaio de estampagem

quadrada que permitirá validar a CLFC, suprimindo a ausência destas ferramentas para a máquina

universal de ensaios de chapa, que se encontra no laboratório de ensaios mecânicos da Área Cientifica

de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial (ACTMGI) do Instituto superior técnico (IST) e permitindo

a realização dos respetivos ensaios de forma criteriosa e eficaz, uma vez que a máquina de ensaios

de chapa permite controlar os diversos parâmetros dos ensaios.

A presente dissertação encontra-se dividida em seis capítulos sendo a presente introdução o primeiro

capítulo.

No segundo capítulo apresenta-se uma descrição da enformabilidade dos materiais, descrevendo os

vários limites de enformação e como estes são determinados e validados através de diversos ensaios

dos quais destacam-se o ensaio Nakazima e o de Estampagem Quadrada.

No terceiro capítulo inicialmente apresenta-se a máquina de ensaios de chapa existente no laboratório

de Tecnologia Mecânica da ACTMGI do IST, onde as ferramentas serão utilizadas, descrevendo-se

posteriormente a metodologia utilizada na realização do projeto das ferramentas, desde o início onde

se observou os vários componentes das ferramentas dos ensaios existentes, por forma a perceber o

mecanismo de montagem/desmontagem na máquina de ensaios de chapa, assim como, quais os

componentes que já existiam e podiam ser utilizados nas novas ferramentas.

No quarto e quinto capítulo apresenta-se a modelação dos diferentes componentes projetados para as

ferramentas do ensaio Nakazima e de Estampagem Quadrada, respetivamente, No final dos capítulos

apresenta-se uma explicação da montagem/desmontagem das ferramentas criadas que deve ser

adicionada ao manual da máquina de ensaios de chapa.

Finalmente, no sexto e último capítulo, identificam-se as principais conclusões do trabalho efetuado,

apontando as recomendações de trabalho que deve ser realizado no futuro, nomeadamente na fase de

fabrico das ferramentas.

3

2. Estado da Arte

Este capítulo inicia-se com uma abordagem sobre a teoria da enformabilidade, aprofundando os limites

de enformabilidade e como estes são determinados, mais concretamente as curvas limite de

estampagem, curva limite de fratura e curva limite de fratura ao corte. De seguida apresenta-se o ensaio

Nakazima e por fim o ensaio de Estampagem Quadrada, nomeadamente a sua utilidade e como são

realizados.

2.1. Enformabilidade

A enformabilidade é uma característica mecânica do material, presente nos processos tecnológicos de

deformação plástica de chapa, que consiste no nível de deformação máximo que determinado material

pode sofrer sem que ocorra estricção ou fratura do mesmo (Rodrigues e Martins, 2005).

Um dos processos tecnológicos de deformação plástica é a estampagem, um processo de

transformação de chapa metálica plana, dos mais importantes e utilizados na indústria, uma vez que o

seu campo de aplicação é muito amplo, passando pela indústria dos transportes, dos produtos

alimentares, domésticos e decorativos, dos eletrodomésticos e dos produtos hospitalares (Rodrigues e

Martins, 2005). No fabrico de uma peça torna-se imperativo constatar se esta pode ser estampada sem

que se verifiquem falhas, como tal é relevante estudar a sua enformabilidade, definida pelos limites de

enformabilidade à estricção e à fratura.

Os limites de enformabilidade são curvas definidas no plano das extensões principais (ε1 e ε2),

baseados na representação dos estados e trajetórias de deformação que se localizam no 2º e 3º

octantes do plano de extensões principais, como pode-se visualizar na figura 2.1. Em relação aos

limites de enformabilidade à estricção, temos a curva limite de estampagem (CLE) que define a

deformação limite admissível a partir da qual sobrevém a estricção. No que se refere aos limites de

enformabilidade à fratura, temos a curva limite de fratura (CLF) e a curva limite de fratura ao corte

(CLFC) que nos permite obter a deformação plástica a partir da qual surge a fratura.

O plano das extensões principais está dividido em dois modos principais de deformação, a expansão e

a retração, como se pode observar na figura 2.1. Geralmente os modos de deformação são

caracterizados consoante o sinal da menor extensão principal (ε2), ou seja, para ε2 > 0 estamos perante

o modo de deformação por expansão, caracterizado pelo material da chapa localizado entre o

encostador e a matriz estar obstruído, não deslizando para o interior da matriz. Em sentido inverso se

for permitido ao material deslizar para o interior da matriz diz-se que o modo de deformação é de

retração, localizando-se à esquerda do eixo da maior extensão principal (ε1), ou seja para ε2 < 0

(Rodrigues e Martins, 2005).

4

Figura 2.1 – Representação das trajetórias de deformação no plano das extensões principais (Rodrigues e Martins, 2005).

Após a definição do plano das extensões principais, nos seguintes subcapítulos irão ser abordados os

diversos limites de enformabilidade que compõem o diagrama limite de enformabilidade,

nomeadamente, a CLE define a deformação limite admissível a partir da qual sobrevém a estricção e

as curvas CLF e CLFC as que permitem obter a deformação plástica a partir da qual surge a rotura.

2.1.1. Curva Limite de Estampagem (CLE)

A CLE é um diagrama contruído de forma empírica, largamente utilizado para descrever o lugar

geométrico das deformações principais que ocorrem no plano da chapa. Esta curva é utilizada para

prever os limites de enformabilidade de um material quando este é sujeito aos diferentes modos de

deformação inerentes à enformação de chapa. Esta divide o plano das extensões principais em duas

zonas, a zona inferior onde se encontram as peças bem-sucedidas e a zona superior onde se

encontram as peças com estricção e/ou rotura, como pode-se visualizar na figura 2.2. Cada material

pode ser deformado até um nível máximo em que este perde resistência mecânica, este nível é destinto

para os diferentes materiais, logo vamos ter uma CLE diferente para cada material, que será definida

pelas várias trajetórias de deformação, obtidas experimentalmente através de ensaios, específicos ou

não, ao material da chapa (Rodrigues e Martins, 2005).

5

Figura 2.2 – Exemplo de uma CLE e a divisão imposta por esta, em zona de segurança e zona de falha, no plano das extensões principais. (adaptado de http://www.cimm.com.br)

Os primeiros estudos relacionados com a CLE, baseavam-se no conceito de instabilidade plástica de

uma chapa homogénea sem defeitos. Estes estudos foram realizados por Hill (1952) e por Swift (1952),

e tratavam-se de previsões teóricas dos mecanismos de formação de estricção que forneceram as

bases para a compreensão dos limites de enformabilidade. O modelo de Hill (1952), estabelecia as

condições de início da estricção localizada, mas apenas para o domínio das deformações por retração,

sendo que o modelo de Swift (1952), estabelecia as condições de início da estricção difusa para

deformações por expansão e retração. Estes estudos permitiram representar graficamente o limite de

enformabilidade de chapas metálicas, como pode-se observar na figura 2.3, sendo que na altura ainda

não se referia ao conceito de CLE.

Figura 2.3 – Previsão teórica da CLE resultante dos estudos de Hill e Swift, baseados nos mecanismos teóricos de formação por estricção localizada e difusa, respetivamente (Rodrigues e Martins, 2005).

6

Ao nível teórico, faltava explicar a ocorrência de estricções localizadas em deformações por expansão,

esta lacuna do modelo de Hill foi colmatada com o modelo de Marciniak e Kuczynski (1967),

denominado por modelo M-K, no qual o material considerado heterogéneo, e era capaz de prever o

surgimento de estricções localizadas em deformação por expansão.

Apesar do desenvolvimento de inúmeros modelos teóricos, a determinação experimental dos limites de

enformabilidade é fundamental para a representação da CLE. É assim que surge o primeiro conceito

de CLE, introduzido por Keeler (1965) quando este publicou a sua investigação que consistia em

constatar qual o grau de segurança na realização de estampagens industriais. A investigação baseava-

se na análise da distribuição de extensões, prevendo a ocorrência de rotura sem sinais exteriores que

o evidenciassem. Contudo esta investigação foi apenas realizada para o domínio das deformações por

expansão, ou seja, para valores positivos da menor extensão principal (ε2 > 0).

Mais tarde Goodwin (1968) estendeu este conceito, aplicando-o à análise das deformações por

retração, obtendo deste modo pontos para valores negativos da menor extensão principal (ε2 < 0).

Reunindo os dois domínios, expansão e retração, aparece aquela que é considerada a primeira CLE

completa.

Normalmente, a CLE apresenta o seu ponto mínimo para a maior extensão principal, quando a menor

extensão principal é nula ou perto de zero, sendo o estado de deformação plana o mais crítico. Isto

prende-se com o fato de que quando uma das deformações principais do plano da chapa se aproxima

de zero, a estricção é mais localizada, desenvolvendo-se maiores tensões, que poderão provocar a

rotura da chapa devido à sua conservação do volume.

Na conceção e projeto de peças estampadas, a fim de evitar a ocorrência de falhas durante o processo,

deve-se comparar a distribuição da deformação na peça a produzir com a CLE do material, permitindo

deste modo averiguar qual o melhor material e geometria da ferramenta que asseguram o fabrico com

sucesso da peça com formas e dimensões bem definidas (Rodrigues e Martins, 2005). Assim para

determinar a CLE, é necessário realizar ensaios ao material, com o intuito de verificar qual a quantidade

de deformação que este sofre, posto isto marca-se sobre os provetes uma grelha de referência, que

deve ser parte integrante do material, sofrendo as mesmas deformações que este. Estas grelhas podem

ser de círculos ou retângulos. As grelhas de círculos deformam-se quando o material é solicitado,

transformando-se em elipses a partir das quais se podem calcular a maior e menor extensão principal

(ε1 e ε2, respetivamente), permitindo a sua representação no plano das extensões principais. O cálculo

das extensões principais é obtido através das equações 2.1.

𝜀1 = ln (𝑎

𝑑) ; 𝜀2 = ln(

𝑏

𝑑) (2.1)

Onde “a” e “b” representam o maior e menor diâmetro da elipse, respetivamente, e “d” o diâmetro dos

círculos não deformados da rede de referência.

7

Ao definir um processo de estampagem existem inúmeros defeitos associados, tais como, a excessiva

redução da espessura, o engelhamento ou o alongamento insuficiente, reduzindo a zona segura de

enformação a uma pequena área como pode-se visualizar na figura 2.4 (Holmberg et al, 2003).

Figura 2.4 – Representação da CLE e os inúmeros defeitos associados ao processo de estampagem no plano das extensões principais (Holmberg et al, 2003).

A grande limitação da CLE é que a sua construção é baseada na hipótese de que as trajetórias de

deformação são lineares, ou seja, o estado de deformação não se altera ao longo do processo, mas na

realidade isso não se observa na maioria dos processos industriais de deformação plástica de chapa,

em que as trajetórias de deformação são mais complexas, levando a que se tenham dificuldades em

prever o comportamento à estricção e/ou à rotura nesses processos.

2.1.2. Curva Limite de Fratura (CLF) e de Fratura ao Corte

(CLFC)

Os diagramas limite de enformabilidade são utilizados pelos projetistas de ferramentas e matrizes de

operações de deformação plástica de chapa pois este fornece informação sobre as trajetórias de

deformação que se desenvolvem nas peças produzidas, permitindo assim garantir o seu fabrico sem a

ocorrência de estricções e/ou roturas. No entanto para que o diagrama limite de enformabilidade esteja

completo, faltam representar os limites à fratura, assim surgem a curva limite de fratura (CLF) e a curva

limite de fratura ao corte (CLFC).

Inicialmente muitos investigadores representavam a CLF como uma curva paralela à CLE, apenas

deslocando-se no sentido da maior extensão principal, sendo a região entre as duas, a instabilidade

plástica, como se pode constatar na figura 2.5. Este prossuposto era incorreto uma vez que previa a

mesma interpolação utilizada para determinar a CLE mas aplicada a uma falha por rotura ao invés de

estricção (Isik et al. 2014).

8

Figura 2.5 – Representação da CLE e a CLF inicialmente proposta (curva cinza), em contraponto com a CLF proposta atualmente (Isik et al., 2014).

É no final dos anos 70 que inúmeras investigações, mostram a interação entre os limites da

enformabilidade à fratura e à estricção na enformação de chapa metálica convencional, levando a

concluir que pode existir rotura sem que antes surjam estricções relevantes. Embury e Duncan (1981)

através de um ensaio de tração biaxial mostraram que em determinados materiais a rotura pode

preceder à estricção, como se observa na figura 2.6. Neste caso deve ser a CLF a definir os limites de

enformabilidade, sendo a trajetória de deformação linear até à rotura (reta OF da figura 2.6).

Figura 2.6 – Representação da iteração entre a CLE e a CLF e trajetória de deformação obtida no ensaio de tração biaxial (Martins et al., 2014)

Marciniak (1984) propôs que a na enformação de chapa metálica, as falhas ocorriam devido a tensões

de corte, sugerindo um diagrama de enformabilidade composto por vários limites, um limite devido ao

engelhamento, um novo limite no 2º quadrante e outro no 1º quadrante semelhante à CLF anteriormente

proposta.

9

O primeiro conceito de CLF foi introduzido por Atkins (1996), baseando-se na mecânica do dano mais

propriamente no critério de fratura dúctil de McClintock (1968) que permitiu representar a CLF como

uma reta de declive -1, pois este mostrou que a CLF estava associada a uma rotura provocada pela

sucessiva redução da espessura até valores críticos, ou seja, a ocorrência de rotura era independente

das trajetórias de deformação, sendo provocada pela acumulação de dano. A CLF pode-se observar

na figura 2.7, assim como a redução da espessura (R) com o acumular do dano (D) até valores críticos.

Figura 2.7 – Representação da CLF (FFL em inglês) no plano das extensões principais, mostrando a sua relação com a mecânica do dano, ou seja, que o acumular de dano provoca a redução da espessura até

valores críticos (Isik et al., 2014).

Muscat-Fenech et al. (1996) relacionou a CLF com a tenacidade à fratura e em conjunto com os estudos

produzidos por Atkins (1996), permitiu perceber que a CLF é uma propriedade do material e que esta

resulta de tensões de tração (tipo I da tenacidade à fratura) e não de corte ao nível da espessura (tipo

III da tenacidade à fratura) como inicialmente proposto por Marciniak (1984).

Após os primeiros estudos o conceito de CLF foi desprezado, voltando com os desenvolvimentos

protagonizados, nomeadamente, através das investigações de Jeswiet et al. (2005) em operações de

estampagem incremental em chapa e à evolução da mecânica do dano que possibilitou a Wierzbicki et

al. (2005) a comparação de vários critérios de fratura comercializados em programas computorizados

de elementos finitos de enformação de chapa metálica.

Estes desenvolvimentos permitiram uma investigação produzida por Silva et al. (2008) em que se

mostrou que no processo de estampagem incremental a estricção é suprimida devido ao raio da

ferramenta ser pequeno em relação ao diâmetro da peça (Silva et al., 2011 e Madeira et al., 2015),

fazendo com que nas peças produzidas por esse processo a deformação que se pode aplicar é superior

à aplicada nos processos convencionais de enformação de chapa, sendo os limites estabelecidos pelo

início da rotura e não pela estricção.

Recentemente a investigação efetuada por Isik et al. (2014) estipulou a representação dos limites de

enformabilidade à rotura (consultar figura 2.8) confirmando que a CLF era devido a tensões de tração

no plano da chapa e estava associada a uma redução da espessura da chapa até valores críticos onde

10

se iniciava a rotura, identificando também a um novo limite de enformabilidade à rotura, devido a

tensões de corte no plano da chapa (tipo II da tenacidade à fratura), associado a uma distorção no

plano da chapa (γ12) até valores críticos no início da rotura, originando a CLFC.

Figura 2.8 - Representação dos limites sugeridos por (Isik et al., 2014).

A investigação realizada por Isik et al. (2014), comparando ensaios convencionais de enformação de

chapa com ensaios de estampagem incremental em geometrias cónicas truncadas e pirâmides,

variando o angulo de estampagem (ψ), mostrou que na estampagem incremental as trajetórias de

deformação são lineares desde o início até à rotura, não sofrendo desvios como se verifica nos ensaios

convencionais de enformação de chapa, em que as trajetórias de deformação sofrem uma brusca

mudança de direção no sentido da deformação plana após cruzar a CLE do material, devido à

ocorrência de estricção antes da rotura. No entanto verifica-se que as CLF para os dois tipos de ensaios

realizados, encontram-se no mesmo local do plano das extensões principais (Consultar figura 2.8).

A CLFC foi determinada por Isik et al. (2014) através de ensaios de caracterização de torção no plano

e de corte no plano, que apresentam trajetórias de deformação quase lineares, como se pode observar

na figura 2.8 (ensaio de torção no plano – triângulo e ensaio de corte no plano - losango). Analiticamente

Isik et al. (2014) mostraram que a CLFC tem declive “+1”, sendo perpendicular à CLF, isto porque a os

valores do dano crítico, devido às tensões de corte no plano da chapa, encontram-se sobre uma linha

reta com declive “+1”, de acordo com as condições de distorção crítica (γ) no início da rotura (figura 2.9).

Em termos teóricos a CLFC pode ser determinada apenas por um ensaio experimental devido à sua

perpendicularidade com a CLF, no entanto é aconselhado efetuarem-se dois ensaios experimentais

por forma a reduzir o erro.

11

Figura 2.9 – Representação da CLFC no plano das extensões principais proposta por Isik et al. (2014) (Martins et al., 2014).

Recentemente Soeiro et al. (2014) realizaram uma investigação que permitiu a determinação da CLFC

através de ensaios de estampagem incremental SPIF, produzidos em peças de geometria cónica

truncada com quatro lóbulos elípticos variando o ângulo de estampagem, na qual se verificou que a

rotura na região do raio de canto do lóbulo (Secção BB’ da figura 2.10), era devido a tensões de corte

no plano, obtendo assim extensões próximas da CLFC (figura 2.10).

A CLF pode ser obtida através de processos convencionais de enformação de chapa ou através de

ensaios de estampagem incremental como ficou comprovado na investigação de Isik et al. (2014).

Para determinar a CLF assim como a CLFC, através de ensaios convencionais de enformação de

chapa, é necessário medir-se a espessura do provete antes e após a deformação, em vários locais ao

longo da fissura, por forma a obter a extensão na direção da espessura (ε3) e medir-se a largura inicial

e final na região da rotura, obtendo-se a extensão na direção da largura (ε2), sendo a extensão na

direção do comprimento (ε1), calculada através da equação de incompressibilidade, pois não se

consegue determinar diretamente porque a rotura atravessa a elipse, o que torna este processo mais

complexo e do qual advêm erros experimentais.

12

Figura 2.10 – Determinação da CLFC através de estampagem incremental SPIF, com as trajetórias de deformação associadas às secções AA’ e BB’ (Soeiro et al., 2014).

Para determinar a CLF e CLFC através de ensaios de estampagem incremental, como as trajetórias

de deformação são lineares desde o início até à rotura, pode-se obter as extensões principais (ε1 e ε2),

através de medições experimentais efetuadas diretamente na superfície da peça, com base na rede de

círculos deformada. Este processo permite obter a CLF e a CLFC de forma simples e com os mesmos

procedimentos e equipamentos utilizados na obtenção da CLE.

2.2. Ensaios de Enformabilidade

Os limites de enformabilidade tanto à estricção como à rotura são determinados através de pontos que

permitem traçar no plano das extensões principais os diversos estados de deformação. Por forma a

obter estes pontos foram concebidos inúmeros ensaios de enformabilidade que vão desde os ensaios

elementares até aos simulativos.

Os ensaios elementares recorrem a um sistema de solicitação simples, dedicando-se quase em

exclusivo à análise de um dos estados de deformação como é o caso dos ensaios de tração uniaxial

(provete liso ou entalhado) ou de expansão biaxial (“Bulge”), utilizados para caracterizar o

comportamento do material.

Os ensaios simulativos dedicam-se à análise de todo o processo de enformação, simulando em

laboratório a enformação que a chapa irá sofrer à escala industrial, isto porque tem em conta os vários

parâmetros processuais como a interação entre o material e a ferramenta e as condições de atrito.

13

Dentro dos ensaios simulativos os mais populares são o Erichsen que caracteriza a enformabilidade

do material por expansão, o Swift que caracteriza a enformabilidade do material por retração e o

Nakazima que caracteriza a enformabilidade do material por expansão e retração.

2.2.1. Ensaio Nakazima

A construção da CLE é um processo complicado, devido à elevada dispersão dos resultados

experimentais e o longo tempo para a sua determinação, face ao curto prazo para o desenvolvimento

de um processo de estampagem na indústria. A fim de minimizar estas dificuldades, desenvolveram-

se inúmeros métodos experimentais e teóricos para previsão da CLE, sendo que a maioria dos ensaios

apenas determina um estado de deformação, como tal seriam necessários diferentes ensaios para

determinar a CLE completa.

Este problema foi resolvido por Nakazima (1968) que através de um único método propôs determinar

as deformações no domínio da expansão e da retração, comparando os resultados obtidos com os

ensaios de Bulge.

Assim nasceu o ensaio Nakazima muito utilizado atualmente na indústria pois permite obter os

diferentes estados de deformação variando a largura do provete e as condições de lubrificação,

determinando assim toda a CLE, no entanto é necessário ter em conta que devido ao atrito, as

trajetórias de deformação desde o início até a rotura não são lineares, influenciando a posição da CLE,

sendo assim necessário fazer-se acompanhar o ensaio Nakazima por um ou mais ensaios elementares,

de modo a obterem-se parâmetros de caracterização do material.

Mais tarde Gronostjski e Dolny (1980) com o intuito de otimizar o método proposto por Nakazima (1968),

descreveram uma variação ao ensaio, utilizando a ferramenta Marciniak, com o intuito de minimizar o

atrito entre a chapa e a ferramenta. O ensaio Marciniak é semelhante ao Nakazima, sendo que entre o

punção e o provete coloca-se uma chapa furada na parte central eliminando o atrito entre o punção e

o provete.

Atualmente o processo para determinar a CLE segue a norma ISO 12004-2 (2008) que descreve os

métodos a seguir no ensaio Nakazima e Marciniak.

2.2.1.1. Norma ISO 12004-2

A norma encontra-se dividida em duas partes, numa primeira parte descreve a medição e aplicação

dos diagramas limite de enformação na indústria e numa segunda parte descreve a determinação da

CLE em laboratório.

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A segunda parte da norma específica as condições do ensaio para a construção da CLE à temperatura

ambiente e com trajetórias de deformações lineares, sendo que o material deve ser uma chapa metálica

com uma espessura compreendida entre os 0,3 mm e os 4 mm (ISO 12004-2, 2008).

Dentro das várias recomendações da norma destacam-se as relativas à geometria do provete, as

condições de lubrificação, o equipamento para realização do ensaio, a utilização de equipamentos de

medição e o método para avaliação das deformações.

Os provetes utilizados no ensaio Nakazima devem ter a geometria como apresenta a figura 2.11, sendo

que estes podem variar segundo certas circunstâncias como por exemplo no caso do aço em que se

pode utilizar geometrias retangulares com diferentes larguras, desde que não se verifique a rotura junto

ao raio da matriz.

Figura 2.11 – Geometria recomendada para o provete do ensaio Nakazima (ISO 12004-2, 2008)

Segundo a norma para um punção de 100 mm de diâmetro o comprimento do provete (dimensão 1 da

figura 2.11) deve ser entre 25 mm e 50 mm e o raio de curvatura (dimensão 3 da figura 2.11) entre

20 mm e 30 mm, variando as dimensões da largura (dimensão 2 da figura 2.11), obtêm-se os diferentes

estados de deformação (ISO 12004-2, 2008).

Outro tipo de geometria de provete foi proposto por Hasek (1978) por forma a contornar o problema do

engelhamento causado pela curvatura do punção. A figura 2.12 mostra a geometria dos provetes

proposta por Hasek (lado esquerdo da figura 2.12) em comparação com os recomendados pela norma

(Quaak, 2008).

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Figura 2.12 – Geometria do provete sugerido por Hasek (lado esquerdo) em comparação com o recomendado pela norma (Banadic, 2000)

Ainda no que se refere aos provetes a norma recomenda ensaiar pelo menos cinco geometrias com

larguras diferentes e pelo menos três ensaios válidos para cada (ISO 12004-2, 2008).

Outro ponto importante da Norma para o ensaio Nakazima é o equipamento de ensaio, este é composto

por um punção, um encostador e uma matriz (Figura 2.13). O punção é hemisférico com um diâmetro

de 100 mm com ± 2 mm de tolerância, e a matriz deve ter um raio de canto entre os 5 mm e os 10 mm,

com diâmetro interior, preferencialmente de 105 mm, sendo no máximo superior ao diâmetro do punção

em 2.5 vezes a espessura do material (ISO 12004-2, 2008).

Figura 2.13 – Esquema da ferramenta do ensaio Nakazima e respetivas tolerâncias (ISO 12004-2, 2008).

O material da extremidade do provete deve ser impedido de escoar para a zona central que é

deformada durante o ensaio, garantindo desta forma trajetórias de deformação mais lineares, como tal

é aconselhado a utilização de caneluras na matriz, pois segundo Baptista (1993) um bloqueio ineficiente

da aba do provete e com as larguras usuais dos provetes Nakazima, dificilmente se consegue

deformações no domínio da expansão (Baptista, 1993).

16

Ainda segundo a norma o critério de paragem do ensaio é a ocorrência de uma rotura no provete, sendo

que esta deve ser detetada visualmente ou através de uma queda na carga, isto porque antes da rotura

a carga estabiliza devido à estricção, caindo aquando da rotura do provete (ISO 12004-2, 2008).

Outro fator que influencia a construção da CLE através do ensaio Nakazima são as condições de

lubrificação. Os diferentes tipos de lubrificante vão atuar variando o coeficiente de atrito entre o punção

e a chapa. A norma refere que as condições de lubrificação devem permitir que a fratura ocorra a uma

distância inferior a 15 mm, para um punção de 100 mm diâmetro (15% diâmetro do punção) do seu

topo. Também é referido que o tipo de lubrificação não deve ser alterado durante a construção da CLE

(ISO 12004-2, 2008).

2.2.1.2. Mecanismo de deformação no ensaio Nakazima

O mecanismo de deformação é muito importante para perceber a deformação que os provetes sofrem

ao longo da sua enformação. O mecanismo de deformação está dividido em três fases, a inicial, a

intermédia e a final. Por forma a compreender melhor a deformação o provete na figura 2.14 está

dividido em três zonas identificando os diferentes modos de deformação consoante a largura do

mesmo.

1 – Zona de contato entre a chapa e o punção

2 – Zona cónica

3 – Zona da aba

Figura 2.14 – Provete deformado e referência das diferentes zonas de deformação (Djavanroodi e Janbakhsh, 2013).

A fase inicial da deformação é caracterizada por uma expansão axial do material que se encontra na

zona de contacto entre a chapa e o punção (zona 1 da figura 2.14), esta deformação não está

dependente da largura do provete, ao contrário da zona cónica em que a deformação depende da

largura do provete, sendo de retração para provetes pequenos (ε2 <0) e de expansão para provetes

grandes.

Na fase intermédia verificam-se os mesmos fenómenos que na fase inicial, a zona de contacto entre a

chapa e o punção (zona 1 da figura 2.14) continua a expandir, tendendo para o estado de expansão

biaxial simétrica com o aumento da largura do provete e a zona cónica (zona 2 da figura 2.14) com

diferentes deformações, a zona mais perto da zona de contacto o material tende a expandir devido à

expansão desta zona adjacente e na zona mais perto da aba (zona 3 da figura 2.14) o material tende

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a retrair, formando-se duas zonas de deformação separadas por uma zona em deformação plana (ε2

≈0) ao longo da qual deverá aparecer a rotura.

Na fase final da deformação, a zona de contacto (zona 1 da figura 2.14) mantém-se em expansão, a

zona cónica (zona 2 da figura 2.14) em contacto com a anterior vai depender da largura do provete,

para larguras pequenas a deformação final que se verifica depende do compromisso entre a retração

a que a zona cónica (zona 2 da figura 2.14) esteve sujeita e a expansão que sofreu pela ação do

punção. Nos provetes com larguras grandes como durante toda a deformação se verificou uma

expansão espera-se que no final esta se mantenha em expansão. Na zona cónica (zona 2 da figura

2.14) mais perto da aba (zona 3 da figura 2.14), para larguras pequenas verifica-se uma retração e para

larguras grandes verifica-se que a retração tende a diminuir devido ao bloqueamento total da chapa,

podendo-se verificar uma expansão.

2.2.1.3. Parâmetros que influenciam o ensaio Nakazima

Os principais parâmetros que influenciam na construção da CLE pelo método de Nakazima são a

geometria do provete e as condições de lubrificação, variando estes dois parâmetros é possível obter

as diferentes trajetórias de deformação que permitem a construção da totalidade da CLE como descrito

anteriormente (Figura 2.15).

Figura 2.15 – Representação esquemática da CLE construída a partir dos provetes de diferentes tamanhos (Rodrigues e Martins, 2005).

O ensaio Nakazima está dividido em dois modos de deformação consoante a largura dos provetes, um

característico dos provetes pequenos e outro característico dos provetes grandes.

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Os provetes pequenos são todos aqueles cuja largura é inferior ao diâmetro interior da matriz, neste

caso o provete não é totalmente bloqueado, permitindo que os bordos laterais façam parte da zona em

deformação, originando uma deformação por retração (Ver figura 2.16).

Os provetes grandes são aqueles cuja largura é superior ao diâmetro interior da matriz, ficando a chapa

totalmente bloqueada pela matriz e consequentemente apenas o material da zona central da chapa é

deformado pela penetração do punção, originando uma deformação por expansão (Ver figura 2.16).

Existem também os provetes em que a sua largura permite que este fique ligeiramente preso entre o

encostador e a matriz, permitindo que o material das bordas escoe para o interior da matriz. Estes

provetes correspondem a um modo de deformação de transição, mas inserem-se no grupo dos

provetes pequenos.

Figura 2.16 – Esquema da divisão dos provetes consoante o modo de deformação (Baptista, 1993).

Influência da largura do provete

A grande influência da largura é no modo de deformação verificando-se na região em volta da rotura

deformação por retração para provetes pequenos e deformação por expansão para provetes grandes.

Provetes com largura grande a rotura surge em secções mais próximas do centro do punção que como

vimos anteriormente é dominada pela expansão, isto é devido a uma menor penetração máxima

suportada quando comparada com os provetes com pequena largura, em idênticas condições de

lubrificação.

19

Nos provetes de grande largura a rotura surge para uma menor penetração pois a trajetória de

deformação é próxima da deformação plana que como se constatou anteriormente é o estado mais

crítico da CLE, onde se verifica a rotura para menores valores da maior extensão principal.

Os provetes com largura grande devido ao bloqueamento total da chapa por toda a matriz não sofrem

grande influência da força máxima, uma vez que o aumento da sua largura não traduz um aumento da

secção solicitada mantendo assim a força máxima constante.

Em sentido contrário nos provetes de largura pequena o aumento da largura, traduz um aumento da

secção solicitada e consequente aumento da força máxima, sendo que no entanto a ordem de grandeza

da força máxima é igual pois nos provetes de grande largura a maior solicitação é compensada pela

menor penetração máxima.

Influência das condições de lubrificação

O atrito na interface entre o punção e a chapa vai influenciar a distribuição das extensões principais na

chapa e consequentemente a localização da rotura final e a penetração máxima, não tendo grande

influência no valor da força máxima obtida no instante da rotura

Uma melhor lubrificação vai fazer aumentar a área em estrição em redor da zona de rotura que para

pequenas larguras do provete se desloca para uma zona mais exterior, devido à diminuição do atrito

com o aumento da lubrificação provocando maior expansão da zona de contacto entre a chapa e o

punção (zona 1 da figura 2.14) e diminuição da deformação por retração da zona cónica (zona 2 da

figura 2.14).

2.2.2. Ensaio de Estampagem Quadrada

A deformação plástica por estampagem é um processo tecnológico que permite fabricar peças com

superfície não planificável a partir de chapa metálica plana, caracterizado pela sua elevada

produtividade, dependente da complexidade e dimensões da peça que se pretende produzir.

Na deformação plástica de chapa por estampagem podem-se produzir peças com diferentes

geometrias, classificando-as em três grupos principais consoante a sua geometria básica:

Peças cilíndricas;

Peças retangulares;

Peças complexas.

20

No âmbito do presente trabalho pretende-se desenvolver uma ferramenta para realizar estampagem

quadrada, classificando-se no grupo da estampagem retangular que apresenta um nível de dificuldade

de estampagem intermédio localizado entre a estampagem cilíndrica e a complexa.

A estampagem quadrada deve ser abordada dividindo-a em duas operações atuando em simultâneo,

a estampagem dos quatro cantos que unidos formam uma estampa cilíndrica imaginária e a dobragem

das quatro paredes laterais que agrupadas duas a duas formam duas dobragens em “U” imaginárias

(Ver figura 2.17).

Figura 2.17 – Peça quadrada estampada por estampagem retangular (Rodrigues e Martins, 2005).

A figura 2.18 mostra em pormenor 1/4 da estampa final, onde se pode visualizar a região do canto da

peça (ABCDEFG) e a sua região lateral (DEFGHIJK).

A região do canto da peça que forma uma estampa final de uma peça cilíndrica imaginária observam-

se três zonas características da estampagem cilíndrica a zona cilíndrica (AB), a zona do canto do

punção (BC) e a zona do fundo (CD), pelo que a analise desta região é abordada como uma

estampagem cilíndrica (figura 2.18 (a)).

A região lateral é composta por três zonas, a zona do fundo (DE), a zona do canto do punção (EF) e a

zona da aba (FG), a estampagem desta região é característica de uma quinagem em forma de U,

constituída pelas duas paredes laterais paralelas em conjunto com o fundo da taça (figura 2.18 (a)).

21

Figura 2.18 - Pormenor de ¼ da estampa final da peça (Rodrigues e Martins, 2005).

O equipamento utilizado no ensaio de estampagem quadrada é composto por um punção, uma matriz

e um encostador (Figura 2.19).

O punção no seu topo deve conter um raio de canto que será responsável pela deformação da zona

de canto do punção na região do canto e na região lateral (BC e EF, respetivamente). O raio de canto

do punção deve manter sempre a mesma dimensão ao longo de todo o contorno do mesmo.

A matriz também apresenta um raio de canto constante ao longo de todo o contorno do orifício central

por onde atravessa o punção, este será responsável pela deformação na zona do canto da matriz na

interface entre a região lateral e a região da flange.

Figura 2.19 – Esquema da ferramenta para o ensaio de estampagem quadrada (Rodrigues e Martins, 2005).

22

2.2.2.1. Mecanismo de deformação no ensaio de estampagem

quadrada

Analisando as trajetórias de deformação do material da chapa verificam-se dois caminhos principais de

deformação consoante as duas operações características que atuam na estampagem retangular. Como

se pode observar na figura 2.20, vamos ter um caminho de deformação na região do canto (AB)

característico da estampagem cilíndrica e outro caminho de deformação na região lateral (AC)

característico da quinagem em “U”.

Visualizando a figura 2.20, verifica-se que a zona do fundo da taça (A) se encontra em expansão, a

zona lateral (C) em deformação plana e a zona do canto (B) em corte puro.

Figura 2.20 – Representação no plano das extensões principais das trajetórias de deformação características da zona do canto (AB) e zona lateral (AC) (Rodrigues e Martins, 2005).

Na figura 2.21 apresenta-se a representação esquemática do ensaio de estampagem quadrada onde

se encontram representados os pontos A e B correspondentes ao início e fim, respetivamente do

contacto entre a chapa e o raio de canto da matriz (rcm) e os pontos D e E que correspondem ao início

e fim, respetivamente do contacto entre a chapa e o raio do canto do punção (rcp).

Durante o processo de estampagem retangular o material da flange lateral escoa para o interior da

matriz e ao deslizar entre o encostador e o raio de canto da matriz (ponto A da figura 2.21 (a)) flete

tornando-se parte da parede lateral (ponto B da figura 2.21 (a)). Nesta zona a velocidade de

escoamento do material é superior para os lados de maior comprimento do que para os lados de menor

comprimento, isto não acontece na estampagem quadrada, pois ambos os lados apresentam o mesmo

comprimento (Daxin, 2008).

A zona do canto da flange (figura 2.21 (b)) é chamada de zona morta pois esta não sofre deformação,

devido a elevada velocidade de escoamento do material da zona lateral da flange adjacente, assim o

material do canto da flange tende a extrudir-se para a zona lateral da flange. Nesta zona de interação

entre o canto da flange e as duas laterais da flange criam-se trações radiais e compressões tangenciais.

23

Comparando o canto da taça retangular com ¼ do círculo da taça cilíndrica, verificamos que a estampa

plana para a estampagem retangular tem um excedente de material (Daxin, 2008).

Na última fase da estampagem o material situado no limite da flange irá escoar para o interior da matriz

sendo que a diferença de velocidade do escoamento resulta numa deformação ao corte entre a flange

lateral e o canto da flange.

(a) (b)

Figura 2..21 – (a) Representação esquemática do aparato do ensaio de estampagem quadrada; (b) Perfil da estampa final e diferentes zonas (Daxin, 2008).

A região do canto da peça é dividida em quatro consoante os diferentes tipos de deformação que se

encontram, a zona do fundo, a zona do canto do punção, a zona do canto da matriz e a zona da parede

lateral.

Na zona do fundo verifica-se que esta não tem contacto com o punção e é caracterizada por uma

deformação por expansão em que as tensões tangencial e radial são positivas e verifica-se um redução

da espessura (Rodrigues e Martins, 2005).

A zona do canto do punção é formada pelo material que flui da zona do fundo, contornando o canto do

punção. Nesta zona verificam-se os fenómenos de expansão, idêntico ao verificado na zona do fundo,

atrito provocado pelo material ao escorregar sobre a superfície do canto do punção e o dobramento

instantâneo no ponto D da figura 2.21 (a). As tensões radial e tangencial são positivas e a tensão

segundo a espessura é de compressão (Rodrigues e Martins, 2005).

24

A zona do canto da matriz a deformação é semelhante a existente na zona do canto do punção, sendo

que o material que chega ao canto da matriz é proveniente da flange. Nesta zona verificam-se os

fenómenos de retração, a dobragem (ponto A da figura 2.21 (a)) e a desdobragem (ponto B da

figura 2.21 (a)) instantâneas, já identificada na zona da flange, e o atrito entre o material que escoa da

flange sobre a superfície do canto da matriz (Rodrigues e Martins, 2005).

A zona das paredes laterais é formada pelo material que escoa da flange e do canto da matriz, esta é

caracterizada por um estado de tração uniaxial devido a tensão radial do ponto B da figura 2.21 (a) e a

sua espessura é constante (Rodrigues e Martins, 2005).

2.2.2.2. Objetivo do ensaio de Estampagem Quadrada

Um dos objetivos do ensaio de estampagem quadrada é a obtenção de trajetórias de deformação que

permitam validar a CLFC. Inicialmente já Embury e Duncan (1981) estudaram as trajetórias de

deformação para a estampagem quadrada (figura 2.22).

Figura 2.22 – Estudo realizado por Embury e Duncan (1981) onde se observa a rotura na zona do canto

Através de vários ensaios de estampagem quadrada dos quais se destacam os de Halil et al. (2008) e

de Firat (2012) verifica-se que a rotura irá acontecer por ação do raio de canto do punção na região do

canto da peça, onde se identificam trajetórias de deformação no estado de corte puro e compressão

biaxial que permitem validar a CLFC.

25

Observando a figura 2.23 verificam-se trajetórias de deformação para os estados de compressão

uniaxial e de corte puro e a sua correspondência na peça, obtendo também informação de que a zona

do canto da peça é onde surgirá a rotura.

Figura 2.23 – Previsão da do diagrama de enformabilidade através do método de elementos finitos para estampa plana quadrada de 190 mm para uma penetração máxima de 49 mm antes da falha (Firat, 2012).

26

3. Equipamento e Metodologias

Neste capítulo será apresentado toda a metodologia efetuada para o projeto das ferramentas que serão

utilizadas na realização de Ensaios Nakazima e de Estampagem Retangular. O Capítulo inicia-se com

uma apresentação do equipamento existente, onde serão utilizadas as ferramentas projetadas para

realização dos referidos ensaios. Em seguida serão abordadas as metodologias utilizadas no projeto

da ferramenta.

3.1. Equipamento utilizado

Nesta secção apresenta-se o equipamento onde serão utilizadas as ferramentas projetadas, assim

como os múltiplos ensaios que nele podem ser efetuados, os que o Laboratório de Tecnologia Mecânica

possui e os que não possui, também serão apresentadas as principais características da máquina.

O Laboratório de Tecnologia Mecânica do Instituto Superior Técnico possui uma máquina universal de

ensaios de chapa ERICHSEN, modelo 145-60, que pode ser visualizada na figura 3.1. A tabela 3.1

apresenta as principais características da máquina que está equipada com sistema de medida MGC,

transdutor de posição, modelo WSF da HBM e software de aquisição de dados catman da HBM. Esta

é uma máquina hidráulica utilizada na realização de inúmeros ensaios de enformação de chapa, tais

como:

Erichsen;

Bulge;

Swift;

Fukui;

Nakazima;

Estampagem quadrada;

Entre outros.

Através destes ensaios é possível adquirir diversas informações sobre as propriedades mecânicas dos

materiais ensaiados, mais propriamente a sua enformabilidade. Atualmente, dos ensaios anteriormente

enumerados, o Laboratório de Tecnologia Mecânica possui apenas ferramentas para a realização dos

ensaios Erichsen e Bulge (Manual da máquina ERICHSEN).

27

Figura 3.1 - Máquina universal de ensaios de chapa ERICHSEN, modelo 145-60 (Manual da máquina ERICHSEN).

Tabela 3.1 - Principais características da máquina universal de ensaios de chapa (Manual da máquina ERICHSEN)

Principais Características

Dados Técnicos

Dimensões da máquina Largura 1650 mm

Altura 1050 mm

Profundidade 1400 mm

Potência 10.5 kN

Força de Enformação

Gama baixa 37 kN a 10 bar

Gama média

225 kN a 60 bar

Gama alta 600 kN a 160 bar

Área do punção 377 cm2

Curso do punção 150 mm

Velocidade máx. do punção 600 mm / min

Força do Encostador

Gama baixa 23 kN a 6 bar

Gama alta 300 kN a 72.5 bar

Área do pistão 421 cm2

Velocidade máx. do pistão 220 mm / min

Curso 38 mm

Força máx. estampagem 680 kN a 162 bar

A máquina de ensaios de chapa é constituída por diversos elementos como pode-se observar na

figura 3.2, entre eles destaca-se, o cilindro (nº 1 da figura 3.2), onde são realizados os múltiplos ensaios

e o painel de controlo (nº 2 da figura 3.2), onde encontram-se os principais seletores e interruptores da

máquina (Ver figura 3.3).

28

1 – Cilindro de ensaio 8 – Mostrador analógico da gama baixa de enformação

2 – Painel de controlo 9 - Mostrador analógico da gama média/alta de

enformação 3 – Seletor de velocidade do ensaio 10 - Mostrador analógico da gama média/alta de

enformação 4 – Seletor de velocidade do encostador 11 - Mostrador analógico da gama baixa do encostador

5 – Seletor de pressão da gama baixa do encostador 12 - Mostrador analógico da gama alta do encostador

6 - Seletor de pressão da gama alta do encostador 13 – Painel digital

7 – Interruptor de fecho da tampa do cilindro 14 – Saída de sinal

Figura 3.2 – Esquema com os diversos constituintes da máquina de ensaios de chapa e respetiva legenda (Manual da máquina ERICHSEN).

1 – Lâmpada de aviso: Ligado/desligado 8 – Interrutor de paragem do ensaio

2 - Lâmpada de aviso: Posição inicial do cilindro de ensaio 9 – Seletor de rotura

3 – Lâmpada de aviso: Cilindro trancado 10 – Seletor da gama de força do encostador

4 – Botão de retorno à posição inicial 11 – Seletor do tipo de ensaio

5 – Botão de abertura do cilindro 12 – Interrutor de início do ensaio

6 – Seletor da gama de força de enformação 13 – Interrutor principal

7 – Seletor de opção

Figura 3.3 - Esquema do painel de controlo e respetiva legenda (Manual da máquina ERICHSEN).

29

Existem inúmeros instrumentos, que auxiliam na montagem e desmontagem dos diversos

componentes das ferramentas, estes instrumentos podem ser visualizados na figura 3.4.

1 – Parafusador sextavado 4 – Hastes grandes sem rosca

2 – Haste pequena com rosca 5 – Hastes pequenas sem rosca

3 – Hastes grandes com rosca 6 - Chave

Figura 3.4 - Ferramentas de auxílio na montagem/desmontagem dos componentes do ensaio (Manual da máquina ERICHSEN).

3.2. Metodologia adotada

Nesta secção apresenta-se a metodologia que foi utilizada no projeto da ferramenta Nakazima e da

ferramenta de Estampagem Quadrada, a metodologia utilizada foi muito semelhante para os dois

casos.

Inicialmente começou-se por observar as representações esquemáticas, fornecidas pela ERICHSEN

(Operating Instructions 145/E) referentes às ferramentas Nakazima e de Estampagem Quadrada

(Consultar Anexo A) comparando-as com as das ferramentas já existentes (Bulge e Erichsen) por forma

a identificar quais os componentes já existentes e quais os que seria necessário projetar. Em seguida

procedeu-se a várias montagens e desmontagens de todo o equipamento referente tanto ao ensaio de

Bulge como o Erichsen, a fim de se perceber como se processa o mecanismo de encaixe e desencaixe

dos diversos componentes. Finalmente realizou-se a medição dos vários componentes referentes ao

ensaio de Bulge, com o auxílio de vários instrumentos como, paquímetro digital, réguas graduadas,

compasso e outras técnicas, por forma a obter a correspondência com a escala das representações

esquemáticas do referido ensaio, concluindo-se que esta é aproximadamente de 1/1. No projeto da

ferramenta, optou-se por utilizar as medidas obtidas a partir das representações esquemáticas em

detrimento da efetuada nos diferentes componentes, isto porque deparou-se com algumas dificuldades

nas medições do componente devido a sua geometria, fazendo com que estas possam ser imprecisas,

o outro inconivente prende-se com o possível desgaste dos componentes que advém da sua utilização.

30

Como pode-se observar na representação esquemática da ferramenta do ensaio Bulge da figura 3.5,

todos os componentes encontram-se numerados. Sendo assim e após a visualização dos desenhos

técnicos, dos vários ensaios, concluiu-se que seria necessário projetar o anel roscado (componente

104), equivalente ao da ferramenta do ensaio Bulge (Componente 280) e comum aos dois ensaios.

Para o ensaio Nakazima (consultar anexo A) foi necessário projetar o punção (componente 555), a

matriz (componente 567) e o encostador (componente 568) sendo que os restantes componentes ou

já existiam (componentes 107, 108, 111 e 114) para a ferramenta do ensaio de Bulge ou foram

descartados do projeto (componentes 273 e 274) por não serem relevantes. Para o ensaio de

Estampagem Quadrada (consultar anexo A) foi necessário projetar, o punção (componente 156), a

matriz (componente 157), o encostador (componente 183) e o anel de fixação (componente 198),

equivalente ao da ferramenta do ensaio de Bulge (Componente 114). Os restantes componentes

(componentes 107, 108, 111 e 572), como mencionado anteriormente, já existem para a ferramenta do

ensaio de Bulge, sendo que os outros (componentes 181 e 182) não foram projetados pois não

constituem relevância para o projeto e o anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios (Componente

180), foi substituído pelo mesmo anel referente ao da ferramenta do ensaio de Bulge (componente

382), adaptando o encostador.

Figura 3.5 – Representação esquemática da ferramenta do ensaio Bulge (Operating Instructions 145/E)

31

Todas os componentes necessários para o projeto foram modelados em 3D no software de CAD

SolidWork, a fim de visualizar todo o mecanismo de interação e posteriormente convertidos em 2D no

mesmo software, com o propósito de executar a sua cotagem, facilitando o seu fabrico.

Como contatou-se anteriormente, alguns dos componentes relevantes tanto para a ferramenta do

ensaio Nakazima como para a ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada, ou já existiam para a

ferramenta do ensaio de Bulge, ou foram projetados com base na mesma. Assim por forma a visualizar

e compreender os detalhes a projetar para os componentes da ferramenta dos ensaios Nakazima e de

Estampagem Quadrada, modelaram-se em 3D os vários componentes da ferramenta do ensaio de

Bulge, fazendo assim o paralelo entre os componentes reais e os componentes modelados em 3D,

como pode ser visualizado na figura 3.6

107 – Anel 107

111-A – Anel 111-A

111-B – Anel 111-B

114 – Anel de fixação

280 – Anel roscado

382 – Anel de encaixe no interior do

cilindro

572 – Chaveta

209 – Punção

561/208 - Encostador

(a)

(b)

Figura 3.6 - Comparação dos componentes reais (a) e modelados em 3D (b) da ferramenta para o ensaio Bulge

32

Como podemos ver na figura 3.6, modelaram-se apenas os componentes do ensaio Bulge relevantes

para o projeto das ferramentas a produzir, quer por serem utilizados nestas, como é o caso dos anéis

que são aplicados na tampa do cilindro (componentes 107, 111-A, 111-B, 114 e 280), do anel de

encaixe no interior do cilindro de ensaios (componente 382) e da chaveta (componente 572) ou por

conterem pormenores essências para o mecanismo de encaixe / desencaixe na maquina de ensaios,

como é o caso do punção (componente 209) e do encostador (componente 561/208).

33

4. Conceção da Ferramenta de Ensaios Nakazima

Nesta secção apresenta-se toda a metodologia utilizada na conceção da ferramenta Nakazima.

Inicialmente mostra-se como foi feita a modelação 3D de cada componente a produzir, tendo em

atenção os pormenores do projeto. Esta secção termina com uma explicação de como montar e

desmontar os diversos componentes da ferramenta do ensaio Nakazima.

Os vários componentes foram convertidos em 2D e cotados, por forma a conceder ao operário os

detalhes necessários à produção de cada componente a fabricar. Assim elaborou-se para cada

componente uma folha em formato ISO A3, fornecida pelo SolidWorks, e com a respetiva cotação à

escala de 1/2 como pode ser visualizado no anexo B.

Como pode-se visualizar na representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (figura 4.1)

e foi referido anteriormente, para a ferramenta do ensaio Nakazima projetou-se o anel roscado

(componente 104 da figura 4.1), comum às duas ferramentas, o punção (componente 555 da figura 4.1),

a matriz (componente 567 da figura 4.1) e o encostador (Componente 568 da figura 4.1), que serão

descritos em seguida.

Figura 4.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (Operating Instructions 145/E)

34

4.1. Anel Roscado

O anel roscado (componente 104 da figura 4.1), é montado através de um sistema roscado no

componente 108 que se encontra no interior da tampa do cilindro de ensaio da máquina. O projeto

deste componente teve como base o anel roscado da ferramenta do ensaio de Bulge (componente 280

da figura 3.5), pois a sua geometria e função é semelhante, isto porque também o anel roscado da

ferramenta do ensaio de Bulge enrosca na componente 108. A diferença entre os dois, prende-se com

as suas dimensões nomeadamente com o seu diâmetro interior que é superior no caso do anel roscado

da ferramenta do ensaio Nakazima.

As principais dimensões do anel roscado podem-se visualizar na figura 4.2. Como este componente

será enroscado na tampa do cilindro de ensaios, a sua parede exterior é roscada (observar figura 4.2).

Com o objetivo de fazer de batente, a quando do fim de curso da rosca, foi criada uma aba semelhante

à existente no anel roscado da ferramenta do ensaio de Bulge (observar figura 4.2). Finalmente por

forma a facilitar a montagem do componente, criaram-se dois orifícios na parte superior do componente,

desfasados um do outro em 180 graus, que servem para introduzir as duas hastes pequenas (nº 5 da

figura 3.4) que auxiliam a enroscar e desenroscar o componente (observar figura 4.2). A modelação 2D

do componente pode ser consultada com maior pormenor no anexo A.

(a) (b)

(c)

Figura 4.2 - Desenhos 2D e 3D do anel roscado - (a) Vista de topo; (b) Vista em corte; (c) Vista de perfil.

35

4.2. Punção

O punção (componente 555 da figura 3.7) da ferramenta do ensaio Nakazima tem de obedecer a certas

especificações que se encontram na Norma ISO 12004-2 (2008). A norma diz que o punção utilizado

no ensaio Nakazima deve ser hemisférico, com um diâmetro de 100 mm e ±2 mm de tolerância.

O projeto deste componente foi baseado no punção da ferramenta do ensaio Bulge (componente 209

da figura 3.5) e na representação esquemática da figura 4.3 (b), nomeadamente ao nível do mecanismo

de montagem do mesmo no interior do cilindro de ensaios da máquina, mas também na figura 4.3 (a),

disponibilizada pela Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009) que auxiliou no projeto da estrutura do

punção.

(a) (b)

Figura 4.3 – (a) Punção da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009) e (b) representação esquemática da base de montagem do punção no interior do cilindro de ensaios da máquina (Operating Instructions

145/E).

As principais dimensões do punção são apresenta na figura 4.4. O punção de acordo com a norma é

hemisférico com um diâmetro de 100 mm (consultar figura 4.4). Por forma a montar o punção no interior

do cilindro de ensaios, criaram-se dois pinos cilíndricos (consultar figura 4.4), modelados de acordo

com a representação esquemática da figura 4.3 (b) e as dimensões dos pinos existentes na base do

punção da ferramenta do ensaio de Bulge. Na base também se encontra um orifício, modelado de

36

acordo com a representação esquemática da figura 4.3 (b), tendo por base o punção da ferramenta do

ensaio de Bulge (consultar figura 4.4 (a)). A restante modelação prende-se com uma redução, de forma

suave, do corpo do punção, desde o diâmetro no topo do punção até a sua base de montagem, por

forma a reduzir o peso, mantendo-o robusto (consultar figura 4.4). A modelação 2D do componente

pode ser consultada com maior pormenor no anexo A.

(a)

(b)

Figura 4.4 - Desenhos 2D e 3D do punção - (a) Vista de corte; (b) Vista de perfil.

4.3. Matriz

A matriz (componente 567 da figura 4.1) da ferramenta do ensaio Nakazima também tem de obedecer

às especificações da norma ISO 12004-2 (2008), que indica que o raio de canto da matriz deve ser

entre os 5 e os 10 mm, sendo o diâmetro interior no mínimo de 105 ± 5 mm e no máximo superior ao

diâmetro do punção mais 2.5 vezes a espessura do material a ser enformado.

37

O projeto da matriz teve como base a matriz da dissertação da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009),

nomeadamente ao nível do raio de canto e da canelura. A canelura serve para bloquear o material da

chapa de forma mais eficaz, limitando o seu escoamento para o interior da matriz, o que se torna crucial

na realização do ensaio Nakazima (Baptista, 1993). O restante dimensionamento teve como base a

representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (Figura 4.1).

A matriz apresenta um diâmetro interior de 110 mm (consultar figura 4.5 (a)), por forma a tornar a

ferramenta universal, ou seja apta a trabalhar com chapas de diversas espessuras, o raio de canto da

matriz é de 10 mm e a canelura desenvolve-se em todo o contorno da base da matriz como pode-se

observar na figura 4.5 (b). As restantes dimensões podem ser consultadas mais ao pormenor nos

desenhos 2D do anexo A. Após a realização do ensaio, por forma a extrair a matriz com o auxílio de

duas hastes (nº 4 da figura 3.4), esta apresenta um entalhe de 1mm de profundidade em todo o

contorno exterior da base da matriz (consultar figura 4.5 (b)). A necessidade de coincidir o eixo de

rotação da matriz com o do encostador, levou à criação de duas laterais da matriz retas, que em

conjunto com os batentes do encostador vão restringir a rotação da matriz. Para que esta seja alinhada

corretamente, colocou-se uma marca no topo da matriz e do respetivo batente do encostador (consultar

figura 4.5 (a)).

(a) (b)

(c)

Figura 4.5 - Desenhos 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de corte B-B (Ver anexo A); (c) Vista de perfil.

38

Finalmente foram criados, por razões de segurança, chanfros arredondados com raio de curvatura de

0.25 mm nas arestas vivas do diâmetro exterior da matriz, nas superfícies do topo e base.

4.4. Encostador

O encostador (componente 568 da figura 4.1) não vem especificado na norma ISO 12004-2 (2008)

qualquer restrição, mas por razões de compatibilidade com os restantes componentes este tem de ter

um diâmetro interior superior ao diâmetro do punção, assim optou-se por deixar uma folga de 2.5 mm

entre o punção e o diâmetro interior do encostador. A modelação deste componente foi feita de acordo

com o encostador apresentado na dissertação da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009), sobretudo

no que toca ao negativo da canelura da matriz. A restante modelação teve em conta a representação

esquemática da ferramenta para o ensaio Nakazima (Figura 4.1) e o anel de encaixe no interior do

cilindro de ensaios (componente 382 da figura 3.5) da ferramenta de ensaios de Bulge.

As dimensões do encostador podem ser consultadas ao pormenor no desenho 2D do anexo A. O

mecanismo de encaixe do encostador foi baseado no anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios

(componente 382 da figura 3.5) da ferramenta de ensaios de Bulge, este é constituído por quatro

entalhes na sua base como pode-se visualizar na figura 4.6 (c). Como referido anteriormente por forma

a alinhar a matriz com o encostador criaram-se dois batentes no topo do encostador que encaixam com

as duas faces retas da matriz, alinhando-a através da marca cravada no topo de cada batente (consultar

figura 4.6 (a) e (b)). Por forma a permitir colocar chapas de formato retangular com largura máxima até

212 mm o batente não foi criado em todo o diâmetro do topo do encostador. Para a colocação em

segurança do encostador no interior do cilindro de ensaios da máquina, criaram-se dois orifícios

roscados, desfasados de um ângulo de 180 graus entre si (consultar figura 4.6 (a)), que servem para

enroscar as duas hastes roscadas (nº 3 da figura 3.4).

39

(a) (b)

(c)

Figura 4.6 - Desenhos 2D e 3D do encostador - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (Ver anexo A); (c) Vista de perfil.

4.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta

Nesta subsecção descreve-se o procedimento de montagem e desmontagem da ferramenta do ensaio

Nakazima. O procedimento deve ser seguido com muita atenção para um correto funcionamento do

ensaio e segurança do mesmo.

As figuras apresentadas em conjunto com o procedimento de montagem e desmontagem são apenas

provisórias, uma vez que os componentes à data da entrega do presente trabalho ainda não se

encontravam fabricados. Assim sendo as figuras são uma conjugação da figura real com a figura do

componente modelado em 3D.

Os componentes necessários para a realização do ensaio Nakazima podem ser visualizados na

figura 4.7.

40

(a)

(b)

Figura 4.7 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio Nakazima – (a) Componentes da parte superior; (b) Componentes da parte inferior.

4.5.1. Procedimento de Montagem

O procedimento de montagem da parte superior inicia-se com a ligação da máquina de ensaios de

chapa e de seguida, com o cilindro fechado, coloca-se o anel roscado (componente 104) na parte

superior do mesmo enroscando-o no sentido horário, com o auxílio das duas hastes pequenas sem

rosca (nº 5 da figura 3.4), até que o batente do componente toque a superfície da tampa do cilindro

(consultar figura 4.8).

41

(a) (b)

Figura 4.8 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).

Em seguida abre-se a tampa do cilindro, coloca-se o anel número 107 no interior da tampa do mesmo

(consultar figura 4.9 (b)), de seguida coloca-se o anel número 111-A, com a parte concava para o

interior do cilindro (consultar figura 4.9 (c)), sobre o anel número 107, posteriormente coloca-se o anel

número 111-B, com a parte plana para o exterior do cilindro (consultar figura 4.9 (d)), sobre o anel

número 111-A, por último coloca-se o anel de fixação numero 114 sobre o anel 111-B com a base de

maior diâmetro para o interior do cilindro rodando os seis parafusos em meia-lua (consultar

figura 4.9 (e)), fixando assim os diversos anéis colocados no interior da tampa do cilindro.

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 4.9 – Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do componente 107; (c) Montagem do componente 111-A; (d) Montagem do componente 111-B; (e)

Montagem do componente 114 (Manual da máquina ERICHSEN).

42

O procedimento de montagem da parte inferior, inicia-se após a montagem da parte superior e

mantendo a tampa do cilindro aberta, coloca-se o punção passando os dois pinos pelas ranhuras

existentes no encaixe do interior do cilindro de ensaios, fazendo-o rodar no sentido horário até ao fim

do curso (consultar figura 4.10).

(a) (b)

Figura 4.10 – Montagem do punção (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).

Posteriormente coloca-se o encostador, com o auxílio das duas hastes grandes com rosca (nº 3 da

figura 3.4), com a marca existente no batente alinhada com a seta verde (consultar figura 4.11 (a)).

Depois de estar bem assente roda-se o componente alinhado a marca do batente com a ranhura

existente no interior do cilindro de ensaios (consultar figura 4.11 (b)).

(a) (b)

Figura 4.11 – Montagem do encostador (a) início do curso; (b) fim de curso (Manual da máquina ERICHSEN).

Finalmente antes de iniciar o ensaio, coloca-se o provete de ensaio sobre o encostador, colocando-se

de seguida a matriz com a face lateral plana contra o batente e alinhando a marcação da superfície

exterior da matriz com a marcação do batente. O ensaio agora encontra-se pronto a iniciar.

43

4.5.2. Procedimento de Desmontagem

O procedimento de desmontagem da parte superior inicia-se com a tampa do cilindro fechada e com o

manípulo rodado no sentido anti-horário até bater (lâmpada de sinalização nº 4 acesa), desenrosca-se,

no sentido anti-horário, o anel roscado da parte superior da tampa, com o auxílio das duas hastes

pequenas sem rosca (nº 5 da figura 3.4) colocadas nos respetivos orifícios, retirando o componente da

tampa do cilindro (consultar figura 4.8). Posteriormente abre-se o cilindro e rodam-se os seis parafusos

meia-lua ligeiramente por forma a permitir retirar os diversos componentes do interior da tampa do

cilindro. Primeiro retira-se o anel 114, com cuidado, para que o anel 111-B não venha agarrado. Retira-

se de seguida os anéis 111-B e 111-A e por fim o anel 107 (consultar figura 4.9).

O procedimento de desmontagem da parte inferior inicia-se após a desmontagem da parte superior,

com o cilindro aberto, retira-se a matriz com o auxílio das duas hastes grandes (nº 4 da figura 3.4),

retirando-se de seguida o provete do ensaio. Seguidamente enrosca-se as duas hastes grandes com

rosca (nº 3 da figura 3.4) nos respetivos orifícios do encostador, rodando-o no sentido horário até alinhar

a marca do batente com a seta existente no interior do cilindro, removendo o encostador do interior do

cilindro (consultar figura 4.11). Finalmente rodar o punção no sentido anti-horário até que os dois pinos

estejam alinhados com os rasgos do interior do cilindro, removendo-o para o exterior do cilindro

(consultar figura 4.10).

44

5. Conceção da Ferramenta de Ensaios de Estampagem

Quadrada

Nesta secção apresenta-se a metodologia de cada componente projetado para a ferramenta do ensaio

de Estampagem Quadrada mostrando a modelação 3D. A secção termina com a descrição do

procedimento de montagem e de desmontagem da ferramenta do ensaio, assim como esse se

processa.

Os vários componentes foram convertidos em 2D e cotados, por forma a conceder ao operário os

detalhes necessários à produção de cada componente. Assim elaborou-se para cada componente uma

folha em formato ISO A3, fornecida pelo SolidWorks, e com a respetiva cotação à escala de 1/2 como

pode ser visualizado no anexo B.

Como pode-se visualizar na representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem

Quadrada (figura 5.1) e foi referido na secção da metodologia, para a ferramenta do ensaio de

Estampagem Quadrada projetou-se o punção (componente 156 da figura 5.1), a matriz (componente

157 da figura 5.1), o encostador (Componente 183 da figura 5.1) e o anel de fixação (componente 198

da figura 5.1) que serão descritos em seguida. O anel roscado (componente 104 da figura 5.1), já foi

modelado para a ferramenta do ensaio Nakazima.

45

Figura 5.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (Operating Instructions 145/E).

5.1. Punção

O projeto do punção (componente 156 da figura 5.1) teve como base a representação esquemática da

ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1), nomeadamente ao nível das diversas

medidas e pormenores estruturais e os punções das ferramentas dos ensaios Bulge e Erichsen,

especificamente para o mecanismo de encaixe do punção no interior do cilindro, pois este é idêntico a

todos os punções.

As dimensões do punção podem visualizar-se na figura 5.2 e mais em pormenor no desenho 2D cotado

do anexo A. Para a montagem do punção no interior do cilindro de ensaios, tal como no punção da

ferramenta do ensaio Nakazima, criaram-se dois pinos, sendo que neste caso, ao invés do punção da

ferramenta do ensaio Nakazima, foi necessário saber o desfasamento angular que os pinos fazem, na

montagem do punção no interior do cilindro de ensaios, desde o início até ao final do seu curso, para

que no final do curso as paredes do topo do punção fiquem paralelas com as paredes do interior do

encostador e da matriz (consultar figura 5.2 (c)). Para uma correta medição do desfasamento do ângulo,

desde o início do curso até ao final, este foi medido, tanto para o punção da ferramenta Bulge como

46

para o punção da ferramenta Erichsen, a fim de evitar ao máximo imprecisões provenientes do

desgaste em ambos os punções. Na base também se encontra um orifício modelado de acordo com o

punção da ferramenta do ensaio de Bulge (consultar figura 5.2 (b)). O topo do punção é quadrado,

como é exigido para o ensaio e apresenta um raio de canto de 5 mm (consultar figura 5.2 (a)). Por

forma a reduzir o peso foi criada uma caixa quadrada no topo do punção (consultar figura 5.2 (a)).

(a) (b)

(c)

Figura 5.2 - Modelação 2D e 3D do punção - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo A); (c) Vista de perfil.

A restante modelação do corpo do punção foi feita reduzindo o diâmetro de forma suave desde o topo

do punção até à sua base de montagem, passando de um topo quadrado para um corpo do punção

redondo. Ainda por razões de segurança, criaram-se chanfros arredondados nas arestas vivas do

punção.

5.2. Matriz

O projeto da matriz (componente 157 da figura 5.1) teve por base unicamente a representação

esquemática da ferramenta para o ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1).

As dimensões da matriz podem ser visualizadas na figura 5.3 e com maior detalhe na modelação 2D

do anexo A. A matriz apresenta um orifício quadrado, centrado no seu eixo de revolução, com 77 mm

47

de lado, sendo o raio de canto da matriz de 5mm (consultar figura 5.3 (c)). Com o objetivo de restringir

a rotação da matriz, fazendo com que o orifício da matriz coincida com o do encostador e permita a

passagem do punção no seu interior, criaram-se em duas das laterais opostas da matriz, duas faces

retas (consultar figura 5.3 (a)). Após o ensaio para retirar a matriz recorrendo-se ao auxilio de duas

hastes grandes (nº 4 da figura 3.4), a matriz contem um entalhe, com 1 mm de profundidade no contorno

exterior da base da mesma (consultar figura 5.3 (c)).

(a) (b)

(c)

Figura 5.3 - Modelação 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do corte A-A (ver anexo A).

Finalmente por razões de segurança, criou-se em todas as arestas vivas do exterior, chanfros

arredondados com raio de curvatura de 0.25 mm.

5.3. Encostador

O projeto do encostador (componente 183 da figura 5.1) teve como base a representação esquemática

da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1), sendo adaptado para funcionar com o

48

anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios (componente 382 da figura 3.6) existente para a

ferramenta do ensaio de Bulge.

As dimensões do encostador podem-se visualizar na figura 5.4 e com maior detalhe no desenho 2D do

anexo A. O encostador dispõe de um orifício quadrado centrado no seu eixo de geração, por onde o

punção atravessa (consultar figura 5.4 (a)). Para que matriz assente de forma correta, fazendo coincidir

o orifício do encostador com o da matriz, colocou-se em todo o contorno do topo do encostador um

batente com a geometria da matriz (consultar figura 5.4 (a)). Uma vez que o batente é fechado, para

remover a matriz criaram-se dois rasgos (consultar figura 5.4 (a)), onde são inseridas as duas hastes

grandes sem rosca (nº 5 da figura 3.4) auxiliando a extração da matriz. Para introduzir o encostador

em segurança, projetaram-se dois orifícios roscados no topo do encostador (consultar figura 5.4 (b)),

onde são enroscadas as duas hastes roscadas (nº 3 da figura 3.4).

(a) (b)

(c)

Figura 5.4 - Modelação 3D do componente 183 - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo A); (c) Vista de perfil.

49

5.4. Anel de Fixação

O Anel de fixação (componente 198 da figura 5.1) é inserido sobre o anel 111-B, no interior da tampa

do cilindro, e serve para fixar os diversos anéis no interior da mesma, como pode ser observado na

representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1) Este

componente foi projetado unicamente recorrendo a esta representação esquemática.

As dimensões do anel de fixação podem-se visualizar na figura 5.5 e com maior detalhe no desenho

2D do anexo A. O anel de fixação para fixar os diversos anéis no interior da tampa do cilindro de ensaios

apresenta uma aba que será presa através de parafusos de meia-lua (consultar figura 5.5 (c)).

(a) (b)

(c)

Figura 5.5 - Modelação 2D e 3D do anel de fixação - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do corte A-A (ver anexo A).

50

5.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta

Nesta subsecção descreve-se o procedimento de montagem e de desmontagem da ferramenta do

ensaio de Estampagem Quadrada. O procedimento deve ser seguido com muita atenção para um

correto funcionamento do ensaio e segurança do mesmo.

As figuras apresentadas em conjunto com o procedimento de montagem e de desmontagem são

apenas provisórias, uma vez que os componentes à data da entrega do presente trabalho ainda não

se encontravam fabricados. Assim sendo as figuras são uma conjugação da figura real com a figura do

componente modelado em 3D.

Os componentes necessários para a realização do ensaio de Estampagem Quadrada podem ser

visualizados na figura 5.6.

(a)

(b)

Figura 5.6 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada – (a) Componentes da parte superior; (b) Componentes da parte inferior.

51

5.5.1. Procedimento de Montagem

A montagem do equipamento encontra-se dividida em duas fases, a montagem da parte superior e a

montagem da parte inferior, iniciando-se pela primeira.

A montagem da parte superior inicia-se ligando a maquina e com a tampa do cilindro fechada, coloca-

se na parte superior do cilindro o anel roscado (componente 104) enroscando-o no sentido horário, com

o auxílio das duas hastes pequenas sem rosca (nº 5 da figura 3.4), até o batente tocar a superfície

exterior da tampa do cilindro (consultar figura 5.7).

(a) (b)

Figura 5.7 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).

Abre-se a tampa do cilindro e coloca-se o anel número 107 no interior da mesma, sobre este colocam-

se os anéis 111-A, com a face cónica para o exterior e 111-B, com a face plana para o exterior,

respetivamente (consultar figura 5.8).

(a) (b)

(c) (d)

Figura 5.8 - Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do anel 107; (c) Montagem do anel 111-A; (d) Montagem do anel 111-B (Manual da máquina ERICHSEN).

52

O último procedimento consiste em colocar o anel de fixação (componente 198) sobre os anteriores

com a aba para o interior da tampa do cilindro, por forma a apertar os seis parafusos “meia-lua” fixando

todos os componentes no interior da tampa do cilindro (Ver figura 5.9).

Figura 5.9 - Montagem do anel de fixação (Manual da máquina ERICHSEN).

A segunda fase é a montagem da parte inferior. Esta inicia-se com a colocação do punção (componente

156), no interior do cilindro, fazendo-se passar os dois pinos da base do punção nas respetivas

ranhuras do encaixe existente no interior do cilindro, rodando-se de seguida no sentido horário até ao

fim do curso (consultar figura 5.10)

(a) (b)

Figura 5.10 - Montagem do punção – (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).

Coloca-se o anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios (componente 382), com o auxílio das

duas hastes grandes com rosca (nº 3 da figura 3.4), alinhando o rasgo existente na sua face exterior

com a seta verde do interior do cilindro (consultar figura 5.11 (a)). Depois de assente roda-se no sentido

anti-horário, coincidindo o rasgo do componente com o do interior do cilindro de ensaios (consultar

figura 5.11 (b)). Colocar a chaveta (componente 572) aparafusando-o de modo a fixar o anel de encaixe

no interior do cilindro de ensaios.

53

(a) (b)

Figura 5.11 - Montagem do anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios – (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).

Desenrosca-se as duas hastes grandes com rosca (nº 3 da figura 3.4) do anel de encaixe no interior

do cilindro de ensaios, enroscando-as no encostador (componente 183), colocando-o sobre o anel 382,

fazendo o punção atravessar o orifício central do encostador com cuidado (consultar figura 5.12).

Figura 5.12 - Montagem do encostador (Manual da máquina ERICHSEN).

Finalmente e antes de iniciar o ensaio, coloca-se o provete sobre o encostador, colocando-se de

seguida a matriz (componente 157) sobre este. O ensaio está agora pronto a iniciar-se.

54

5.5.2. Procedimento de Desmontagem

A desmontagem do equipamento inicia-se pela parte superior. Com a tampa do cilindro fechada e o

manípulo rodado no sentido anti-horário (lâmpada de sinalização nº4 acesa), desenrosca-se, no sentido

anti-horário, o anel roscado, com o auxílio das duas hastes pequenas sem rosca (nº 5 da figura 3.4),

retirando-o do exterior da tampa do cilindro (consultar figura 5.7).

Abre-se o cilindro rodando em seguida os seis parafusos “meia-lua”, de modo a permitir a extração do

anel de fixação (consultar figura 5.9). Posteriormente retira-se os anéis 111-B e 111-A respetivamente

e por fim o anel 107 (consultar figura 5.8).

A desmontagem da parte inferior inicia-se retirando a matriz com o auxílio das duas hastes grandes

sem rosca (nº 4 da figura 3.4), retirando-se também o provete do ensaio. De seguida retira-se o

encostador (componente 183), com o auxílio das duas hastes grandes roscadas (nº 3 da figura 3.4),

extraindo-o com cuidado para não danificar o punção (consultar figura 5.12). Agora remove-se a

chaveta do interior do cilindro. Após retirar a chaveta, enroscam-se as duas hastes grandes roscadas

(nº 3 da figura 3.4) no anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios, rodando-o no sentido horário

até alinhar o seu rasgo com a seta vermelha, extraindo-o de seguida (consultar figura 5.11). Por último

retira-se o punção rodando-o no sentido anti-horário, alinhando os pinos com as ranhuras do encaixe

do interior do cilindro, removendo-o (consultar figura 5.10).

55

6. Conclusões e Perspetivas de Trabalho Futuro

Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões do trabalho efetuado, assim como as

perspetivas de trabalho a realizar no futuro.

Neste trabalho desenvolveu-se a conceção e o projeto de ferramentas que serão essenciais para a

determinação e validação da enformabilidade de vários materiais. A enformabilidade vem sendo cada

vez mais relevante no projeto de peças por estampagem pois permite de forma rápida e eficiente

conceber e projetar a ferramenta para o fabrico das mesmas.

O ensaio Nakazima permite de modo completo e rápido determinar a CLE e a CLF. Atualmente no

laboratório de tecnologia mecânica da ACTMGI do IST o ensaio Nakazima é realizado numa prensa

em que a força do encostador é definida manualmente. A ferramenta projetada neste trabalho para o

ensaio Nakazima para utilização na máquina de ensaios de chapa irá permitir o controlo preciso da

força do encostador.

A ferramenta para o ensaio de estampagem quadrada, projetada neste trabalho, vai permitir a

realização do ensaio, que como vimos anteriormente é uma boa alternativa para validar a CLFC e quem

sabe no futuro poder vir a ser um ensaio de determinação da mesma curva.

Em suma, as ferramentas que serão fabricadas vêm colmatar a ausência da realização dos respetivos

ensaios na máquina universal de ensaios de chapa, que se encontra no laboratório de ensaios

mecânicos da ACTMGI do IST, permitindo a realização dos mesmos de forma criteriosa e eficaz, uma

vez que a máquina de ensaios de chapa permite controlar os diversos parâmetros dos respetivos

ensaios.

No futuro, por o presente trabalho ser um projeto de uma ferramenta, este ainda terá de passar por

várias etapas. Tendo em conta a etapa em que se encontra o projeto, a próxima deverá ser a escolha

do material, uma etapa criteriosa, nomeadamente, na escolha do material da matriz e do punção pois

estes são os componentes em contato direto com a chapa, esta seleção deve ter em conta fatores,

como o tipo de material sobre o qual a ferramenta irá atuar, a espessura da chapa, entre outros. A

etapa seguinte é o fabrico dos diversos componentes da ferramenta, normalmente, através de

operações de maquinagem e acabamento, passando por uma etapa de tratamento térmico, cujo

objetivo passa por aumentar a dureza e resistência mecânica dos componentes que iram atuar sobre

a chapa. Finalmente na última etapa realizam-se testes e consequentemente os últimos ajustes,

produzindo assim ferramenta desejada.

Futuramente também o manual de montagem/desmontagem das ferramentas deverá ser atualizado,

incluindo as informações decorrentes do fabrico dos componentes.

56

7. Referências

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59

Anexo A

Anexo A – figura 1: Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Bulge

60

Anexo A – figura 2: Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Erichsen

61

Anexo A – figura 3: Representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima

62

Anexo A – figura 4: Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem

Quadrada

63

Anexo B

Anexo B – figura 1: Desenho 2D do anel roscado da ferramenta do ensaio Nakazima

64

Anexo B – figura 2: Desenho 2D do punção da ferramenta do ensaio Nakazima

65

Anexo B – figura 3: Desenho 2D da matriz da ferramenta do ensaio Nakazima

66

Anexo B – figura 4: Desenho 2D do encostador da ferramenta do ensaio Nakazima

67

Anexo B – figura 5: Desenho 2D do anel de fixação da ferramenta de Estampagem Quadrada

68

Anexo B – figura 6: Desenho 2D do punção da ferramenta de Estampagem Quadrada

69

Anexo B – figura 7: Desenho 2D da matriz da ferramenta de Estampagem Quadrada

70

Anexo B – figura 8: Desenho 2D do encostador da ferramenta de Estampagem Quadrada