SELEÇÃO DE AÇOS, TRATAMENTOS TÉRMICOS E ENGENHARIA DE SUPERFÍCIES PARA FERRAMENTAS

DE CONFORMAÇÃO DE METAIS (1)

SHUN YOSHIDA (2)

CONTEÚDO

1. INTRODUÇÃO2. Resumo dos Processos de Conformação a Frio

a. Corte – estampos e facasb. Conformação – cunhagem e estampagem profunda

3. Variáveis que interferem na vida da ferramentaa. Projetob. Usinagemc. Seleção do Aço Ferramentad. Tratamentos Térmicose. Engenharia de Superfície

4. CONCLUSÃO

a. Trabalho a ser apresentado no Congresso de CORTE E CONFORMAÇÃO 2001, 29-31 OUT/2001, São Paulo, SP, Brasil

b. Engenheiro Metalurgista, Engenheiro de Aplicação da BRASIMET COM.IND.S.A

1. Introdução

Os processos de conformação a frio, de larga aplicação na indústria no fabrico de componentes, principalmente para a industria automobilística, caracterizam-se pela alta produtividade, sendo uma das principais exigências deste segmento produtivo, a

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“NÃO PARADA”, ou seja, qualquer interrupção no processo produtivo influi drasticamente nos custos e nos compromissos de produção.

No que se refere às ferramentas, ao contrário de outros segmentos, como injeção de metais e plásticos, os custos intrínsecos de fabricação são relativamente baixos, sendo portanto, importante que elas tenham via útil elevada, não pelo seu custo, mas porque qualquer parada para substituição, seja por quebra, seja por desgaste, leva a perdas de produção.

O presente trabalho visa discutir algumas das variáveis envolvidas na questão “VIDA ÚTIL”, apresentando sugestões e algumas soluções, já testadas na indústria.

2. Resumo dos Processos de Conformação à Frio

Didaticamente, podemos classificar os processos de Conformação a Frio em dois grandes grupos, como segue:

De um modo geral, as peças que são fabricadas por conformação passam sempre pelos dois processos, havendo diferenças de qualidade de produto e produtividade em função do tipo de maquinário selecionado ou disponível (ferramental único, ferramental progressivo e processo Fine Blank ou Corte Fino).

a. CORTE

O corte de chapas sempre ocorre por CIZALHAMENTO, e a qualidade da aresta cortada é função do processo escolhido. Nos processos que usam prensas simples, em geral o corte acontece no máximo em1/3 da espessura da chapa, sendo o restante “quebrado” por efeito de tensões de tração ( vulgarmente chamado “ESTOURO”).

CUNHAGEM

EMBUTIMENTOCONFORMAÇÃO

ESTAMPOS

FACASCORTE

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Nos processos ”Corte Fino”, o “ESTOURO” é limitado a no máximo 10% da espessura da chapa, gerando peças com qualidade de aresta muito superior ao convencional.

Uma variável fundamental nos processos de corte é a chamada “LUZ DE CORTE”, termo utilizado para designar a diferença dimensional entre o punção e a matriz.

A “LUZ DE CORTE” é necessária para evitar o RECALQUE e reduzir o atrito entre a chapa e os punções. O valor da Folga é função da espessura de chapa, do processo de corte e da qualidade da chapa.

“LUZ DE CORTE” em excesso leva à aumento do recalque, havendo risco de quebra da ferramenta devido ao aumento da força necessária para o corte; folgas muito pequenas aumentam o atrito substancialmente acarretando aumento da força e degeneração da aresta gerada na peça, implicando perda de qualidade.

A fig. 1, a seguir ilustra os valores de folga recomendados em função da espessura do material e do processo utilizado.

b. CONFORMAÇÃO

Fig. 1 – “LUZ DE CORTE” recomendada para processo normal e Corte Fino.(THYSSEN)

A – CORTE NORMALB – CORTE FINO

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Neste processos, a conformação é obtida por DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DA SUPERFÍCIE DA CHAPA e o esforço principal a que a ferramenta fica submetida é a COMPRESSÃO, o que implica, de imediato, o uso de aços com grande resistência a AMASSAMENTO.

A cunhagem e o embutimento, diferenciam-se principalmente pela extensão da deformação, sendo a cunhagem um processo de deformação apenas superficial.

Uma característica interessante deste tipo de ferramental é a necessidade de montagem em PORTA MOLDES. Os porta moldes tem como principal função, introduzir tensões de compressão nas laterais da ferramenta, de modo a impedir o surgimento (ou reduzir a intensidade) de tensões de tração tangenciais durante o esforço de deformação. Tais tensões são as responsáveis pelo surgimento de trincas e deformações nas ferramentas.

É absolutamente imprescindível uma cuidadosa escolha do aço para o porta moldes, além de um bom projeto, que preveja, principalmente acasalamento perfeito entre o inserto e o porta molde.

3. Variáveis que Interferem na Vida Útil das Ferramentas

PROJETO

Discutiremos alguns pontos considerados fundamentais, para o bom rendimento das ferramentas.

a. Efeito de Entalhe

“Cantos Vivos” e/ou transições bruscas de secção são fortes concentradores de tensão.

Os aços comumente utilizados para os processos de conformação a frio, tem como característica a baixa tenacidade, sendo particularmente sensíveis ao efeito de entalhe.

Como fontes de “entalhe”, podemos citar:

Fig. 2 – cantos vivos e riscos de usinagem. (BRASIMET COM.IND.S.A.

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Riscos de usinagem; Marcações/Gravações; Cantos vivos; Ausência de raios de concordancia

As figs. 3 e 4 a seguir ilustram os efeitos dos raios de concordância e do grau de acabamento da superfície, na resistência à fadiga mecânica.

Fig. 3 – Influência do raio de concordância (THYSSEN)

Fig. 4– Influência do acabamento. A – POLIDOB – RETIFICADOC – USINADO FINOD – ENTALHADO “V”E – BRUTO DE LAMINAÇÃO(THYSSEN)

A

B

DE

C

RESI

STÊN

CIA

A FA

DIG

A

RESISTÊNCIA A TRAÇÃO (Rm)

RED

UÇÃ

O D

A RE

SIST

.A F

ADIG

A

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b. Efeito de Massa

Variações bruscas de massa são extremamente críticas em ferramentas de conformação a frio, pelos mesmos motivos pelos quais deve-se reduzir o efeito de entalhe. O efeito desta variável no tratamento térmico de tempera também é drástico, uma vez que, para que se obtenha um bom tratamento térmico éindispensável que haja a máxima homogeneidade térmica a peça, nas etapas que compõem o tratamento. Ferramentas com variações de massa importantes sofrerão gradientes térmicos diferenciados, provocando maior deformação, além de variações de propriedades mecânicas que poderão afetar o rendimento futuro da ferramenta.

c. Seleção da Dureza

Um outro fator importante que deve ser notado pelo projetista, é a escolha da propriedade mecânica necessária. Existe a percepção, comum entre os projetistas e ferramenteiros, de que DUREZA ELEVADA é fator primordial para elevar a RESISTÊNCIA A DESGASTE. Esta percepção está, na maioria das vezes, errada, uma vez que a Resistência a Desgaste não depende unicamente da dureza, mas também da natureza do contato entre a peça e a ferramenta e o coeficiente de atrito. Na realidade, durezas excessivas levam a MICROTRINCAMENTO, que à olho nu tem a aparência de desgaste, levando a incorreta conclusão de que basta aumentar a dureza para resolver o problema. Pelo contrário, o problema vai se agravar, pois a causa real é a FALTA DE TENACIDADE.

DESGASTE é um fenômeno de superfície, e como tal, deve ser resolvido pela Engenharia de Superfície. Assim, a seleção da dureza para o bom rendimento da ferramenta de conformação a frio, deve ser a necessária e suficiente para conceder à ferramenta RESISTÊNCIA MECÂNICA A COMPRESSÃO. USINAGEM

Didaticamente, vamos separar os processos de usinagem em dois grandes grupos:

Aqueles que geram “cavaco”; Aqueles que não geram “cavaco”.

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Fig. 5 – Efeito da Temperatura na redução de Tensões de Usinagem (THYSSEN)

Limite elástico

TENSÕ

ES DE U

SINAG

EM

AQUECIMENTO

REDU

ÇÃO D

E TENSÕ

ESa. Processos que geram cavaco

Caracterizado pela remoção de material em grande quantidade, o principal problema deste processo, que afeta o rendimento da ferramenta, é a elevada geração de Tensões de USINAGEM.

As Tensões geradas no processo, têm interferência direta na estabilidade dimensional obtida nos posteriores processos de Tratamento Térmico além de aumentar substancialmente o risco de trincas que poderão surgir nas etapas posteriores.

Estas tensões também podem ser provocadas por aquecimento excessivo, que pode chegar a ponto de causar transformações micro estruturais que fatalmente vão reduzir a vida útil do ferramental.

Recomenda-se o procedimento a seguir, para reduzir os efeitos das Tensões de Usinagem:

Nas últimas etapas do desbaste, utilizar parâmetros de usinagem de ACABAMENTO, visando reduzir as tensões e aquecimento;

Executar tratamento de ALÍVIO DE TENSÕES, antes da última etapa do desbaste (maiores detalhes no capítulo TRATAMENTOS TÉRMICOS).

O gráfico (fig.5) a seguir ilustra o efeito do aquecimento na redução das tensões residuais de usinagem.

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b. Processos que NÃO geram cavaco

ELETRO EROSÃO

Largamente utilizado, principalmente para a usinagem após tratamento térmico, este processo gera temperaturas da ordem de 10.000 oC na superfície do aço, levando à formação de uma “CAMADA BRANCA” , extremamente prejudicial para o rendimento da ferramenta.

A fig. 6 ilustra a formação de uma camada branca de grande extensão, que efetivamente causou a falha da ferramenta, e o perfil de propriedades desta camada.

Recomenda-se o seguinte procedimento para reduzir os efeitos da “CAMADA BRANCA DE EROSÃO”, no rendimento da ferramenta.

O exposto vale para o processo de ELETRO EROSÃO DE PENETRAÇÃO, uma vez que no PROCESSO A FIO, a formação da camada branca, ainda que existente, é substancialmente menor, causando menor dano.

RECOMENDAÇÕES PARA REDUÇÃO DOS EFEITOS DA ELETRO EROSÃO DE PENETRAÇÃO

Utilizar as menores taxas de remoção possíveis nas etapas finas da eletro erosão

Executar polimento mecânico, sempre que possível, em toda superfície erodida, tentando retirar pelo menos 0.01 mm;

Executar tratamento de Alívio de Tensões sempre que possível.

Fig. 6 – camada branca de eletro erosão de penetração. Camada de 0.1 mm (aço D6-60/62 HRC)BRASIMET COM.IND.S.A.

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É muito comum, nas ferramentarias que fabricam ferramentais de conformação frio, a prática de deixar blocos de aço ferramenta pré temperados, para posteriormente serem cortados a fio na dimensão desejada.

Este procedimento, muito útil e eficiente, acarreta freqüentemente problemas de trincas no bloco durante a erosão. Em geral, este problema está associado a uma seleção inadequada de aços, assunto que será discutido mais à frente.

De um modo geral, os cuidados tomados no caso de eletro erosão de penetração, também são recomendados para o processo a frio.

RETÍFICA

O processo de Retífica, em geral utilizado no acabamento de ferramentas, caracteriza-se por remover material por abrasão, gerando temperaturas da ordem de 1500 oC na superfície retificada.

Além de gerar temperaturas elevadas, este processo também gera tensões de tração abaixo da superfície do aço, as quais, quando atingem determinada intensidade, levam à nucleação e propagação de fraturas que chegam à superfície da peça. Este é o fenômeno comumente conhecido como “QUEIMA DE RETÍFICA” (fig. 7)

Uma vez “queimada” a superfície, NÃO há mais recuperação, obrigando a um rebaixamento, quando possível, superior a 1.0mm.

As principais recomendações para evitar a “QUEIMA DE RETÍFICA”, referem-se principalmente à prevenção, uma vez que não há como corrigir o defeito.

RECOMENDAÇÕES PARA PREVENIR “QUEIMA DE RETÍFICA”

Adequada seleção do rebolo, em função do tipo de aço e sua dureza;

Adequada seleção dos parâmetros de retífica; Rebolo sempre bem dressado/limpo; Nível de refrigeração ótima; Aplicar alívio de tensões sempre que possível

(depende também da extensão da retífica).

Fig. 7 – “Queima” de retífica em freza de aço rápido.BRASIMET COM.IND.S.A.

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SELEÇÃO DO AÇO ADEQUADO

a. Critérios de Seleção

As indústrias utilizam diversos critérios para selecionar seus aços, sendo os de maior incidência, o critério PURAMENTE ECONOMICO e aquele baseado em experiências anteriores, que aqui podemos chamar de “SEMPRE FOI FEITO ASSIM”.

Tais critérios talvez tenham tido sua importância em épocas em que “COMPETIÇÃO” e “QUALIDADE”, não tinham o realce que tem hoje em dia.

As necessidades e a dura competição levam a uma reformulação de tais conceitos, havendo necessidade de estabelecer critérios mais técnicos, que tenham como objetivo a melhor RELAÇÃO CUSTO x BENEFÍCIO.

Um critério bastante eficiente é selecionar o aço baseado nas necessidades mecânicas do processo de conformação a frio, focando os mecanismos de falha presentes, exceto o desgaste.

Em função do conhecimento de tais mecanismos, selecionamos o melhor aço disponível no mercado, que combine a máxima resistência a tais falhas.

Outro critério importante, a ser utilizado em conjunto com a avaliação dos mecanismos de falha, é a produção desejada, ou seja, a quantidade de peças que terão de ser produzidas.

Os mecanismos de falha de uma ferramenta de conformação a frio, estão diretamente relacionados com o processo utilizado, a quantidade de peças a serem produzidas e o tipo de chapa utilizada (espessura e resistência).

De um modo geral, considerando-se apenas estas três variáveis, conseguimos selecionar o aço mais adequado. Análises mais aprofundadas devem ser feitas em casos específicos, não sendo objetivo deste texto.

A tabela a seguir deve servir como referência, para orientar o raciocínio que deve nortear o projetista para a melhor seleção do aço.

RECOMENDAÇÕES PARA PREVENIR “QUEIMA DE RETÍFICA”

Adequada seleção do rebolo, em função do tipo de aço e sua dureza;

Adequada seleção dos parâmetros de retífica; Rebolo sempre bem dressado/limpo; Nível de refrigeração ótima; Aplicar alívio de tensões sempre que possível

(depende também da extensão da retífica).

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PROCESSO PRODUÇÃO

AÇO FERRAMENT

A

DUREZA RECOMENDADA(HRC)ESPESSURA DA CHAPA (mm) OBS.

> 1.0 1 - 2 2 - 4 4 - 6 > 6,0FERRAMENT

AGOLPE

SIMPLES

BAIXA D2 58/60 NÃO

RECO

MEN

DÁVE

L A

APLI

CAÇÃ

O DE

RE

VEST

IMEN

TOS

PVDMÉDIA

ALTA MATRIX 60/62 58/60FERRAMENT

APROGRESSIV

A

BAIXA D2 58/60MÉDIA MATRIX 60/62 58/60ALTA HSS 60/62

FERRAMENTA

CORTE FINOPM > 66 60/66 60/62

CARACT. DACHAPA

COMUM D2 58/60

IDEMALTA RESIST. D2/MATRIX 58/60 ~ 60/62SILICIOSA HSS/PM 60/62 ~ 62/64INOX HSS/PM 60/62 ~ > 64

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