PROCESSOS+DE+CONFORMACAO+DE+CHAPAS-ESTAMPAGEM

1PROCESSOS DE FABRICAO II

PROF. MST. ANTONIO CARLOS PIRES DIAS

BACHARELADO EM ENGENHARIA MECNICA IST2014/1

Introduo ao estudo dos processos de conformao de chapa: aplicaes dos processos de conformao de chapa; classificao

Estampagem de chapa: definio e aspectos gerais;

Estampagem: mquinas e ferramentas para as etapas de corte, dobramento e embutimento;

Parmetros Fundamentais da Conformao de Chapas: Estado de tenso e Anisotropia do material.

Processos especiais de conformao de chapas: case-indstriaautomobilstica.

Contedo:

PROCESSOS DE CONFORMAO DE CHAPAS

2PROCESSOS DE CONFORMAO DE CHAPAS

Conhecer os diferentes processos de conformao de chapas, particularmente a estampagem profunda.

Conhecer os fundamentos da mecnica da conformao de chapas e seus efeitos na conformabilidade dos materiais de engenharia.

Objetivos:

BIBLIOGRAFA BSICA

ALTAN,T.,OH,S.,GEGEL,H.ConformaoPlsticadosMetais:FundamentoseAplicaes.PublicaoEESCUSP,1999.BRESCIANI,F.,E.,eCol.ConformaoPlsticadosMetais.EditoraUNICAMP,1997.SCHAEFFER,L.Conformao Mecnica.PortoAlegre:Imprensa Livre,1999.SCHAEFFER,L.Conformao deChapas Metlicas.PortoAlegre:Imprensa Livre,2004.SANGUINETTIFERREIRA,R.A. ConformaoPlstica:FundamentosMetalrgicoseMecnicos.EditoraUniversitriaUFPE,2006.GARCIA,A.Ensaios dosMateriais.LTCeditora,RiodeJaneiro,2012.

3Introduo ao estudo dos processos de Conformao de Chapas

Origem:

Incio do sculo XVIII, com a descoberta dos primeiros metais.

Posteriormente desenvolvidos no perodo em que se iniciaram as grandes produes em srie.

Na dcada de 60, impulsionado com a produo de chapas finas com qualidade superficial melhorada.

Recentemente, se destaca a fabricao de chapas de alta resistncia, o corte fino e a laser, processos de juno e novos mtodos de avaliao da matria prima.

Introduo ao estudo dos processos de Conformao de Chapas

Aplicaes:

Os componentes manufaturados com estes processos destinam-se para diversos setores da indstria, tais como:

- Indstria automotiva, - Indstrias de mquinas agrcolas, - Indstria aeroespacial, - Indstrias de aparelhos e utenslios domsticos, - Construo civil, - Indstria de equipamentos e instrumentos para medicina, - Indstria de transporte, - Indstria eletro-eletrnica.


Na indstria automobilstica:

(Adaptado de MIRANDA, 2012)

As Demandas nos Conceitos de Veculos

(http://www.worldautosteel.org/, 21.09.2012)


Na indstria automobilstica: TENDNCIAS PARA A REDUO DE PESO EMCOMPONENTES ESTRUTURAIS NA INDSTRIA

AUTOMOBILSTICA

5(MIRANDA, 2012)

Aplicaes dos processos de estampagem em diferentes graus do aoDual Phase e TRIP)



O que so:

Os processos de conformao plstica de chapas compreendem, basicamente, a conformao em geral e a estampagem profunda, tambm chamada embutimento.

A conformao geral englobam os seguintes processos:

Dobramento, Flangeamento, Rebordamento,

Enrolamento (total ou parcial),Nervuramento, Corrugamento, Abaulamento;

Conformao de tubos (dobramento, expanso),


O dobramento pode ser feito em qualquer ngulo, com raios de concordncia diversos. Quando feito numa pequena parte da extremidade do esboo, denominado flangeamento.

O rebordamento um dobramento completo da borda de um esboo. A borda pode ser redobrada e unida a outra pea para formar uma junta agrafada (unio em pequenas latas).

O enrolamento, parcial ou total, das pontas realizado para reforar a borda da pea ou conferir-lhe o acabamento final.


O nervuramento feito para dar maior rigidez ou conferir aparncia, de acordo com os conceitos de projeto.

O estaqueamento mais uma operao dedobramento visando a formao de duas ou maispeas e o enrugamento tem a finalidade depermitir a montagem da pea em conjunto


O abaulamento, realizado em tubos, tem afinalidade de conferir forma para fins funcionaisda pea.

O corrugamento aplicado a chapas, principalmente para a fabricao de telhas metlicas onduladas e serrilhadas. A conformao de tubos bastante variada,

podendo ser constituda de dobramentos simples, expanso de das extremidades, abaulamento da parte central, retrao das extremidades.


O que so:

Os processos de conformao plstica de chapas compreendem,basicamente, a conformao em geral e a estampagemprofunda, tambm chamada embutimento.

A estampagem profunda constituda pelos seguintes processos:

- Conformao por estampagem, - Reestampagem e reestampagem reversa de corpos;- Conformao com estampagem e reestampagem de caixas; - Conformao rasa com estampagem e reestampagem de painis; - Conformao profunda com estampagem de painis.


Conformao de copos

Os copos conformados a partir de discos planos so de formato cilndrico, podendo se constituir de vrios cilindros de diferentes dimetros, ter o fundo plano ou esfrico, e ter ainda as paredes laterais inclinadas, modificando a forma do copo para o tronco de cone; de qualquer modo, a forma uma figura de revoluo.

A reestampagem reversa de copos consiste em formar um copo menor e concntricodentro do copo maior, tomado como pea inicial do processo; a deformao, entretanto, realizada a partir do fundo e para dentro da pea, ao contrrio da reestampagemsimples, em que a deformao se realiza a partir do fundo e para fora da pea.


Conformao de caixas

A reestampagem de copos, caixas ou painis feita a partir, respectivamente, de copos, caixas ou painis j estampados.

Essas peas tm somente sua parte central deformada em dimenses menores, causando uma forma geomtrica semelhante parte superior.

9Estampagem de Chapas

Processo de transformao mecnica que consiste em conformar um disco plano ("blank") forma de uma matriz, pela aplicao

de esforos transmitidos atravs de um puno.

A chapa , originalmente plana, adquire uma nova forma geomtrica.

(CALLISTER,2012)

Esforos: flexo, compresso, cisalhamento, estiramento, de acordo com o processo e produto.

Matria-prima: laminados a frio delgados de aos, ligas de alumnio e ligas de cobre.

Estampagem de Chapas: aspectos gerais

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Produto final: Copos e caixas;

Temperatura de trabalho: Normalmente realizado a frio;

A quente, somente para chapas espessas;

Em vrios estgios, dependentes da LDR (limit drawing ratio);

Material de partida na forma de discos;

Para peas pequenas: processos contnuos, com estamposprogressivos.


Produto final: Copos e caixas;

Temperatura de trabalho: Normalmente realizado a frio;

A quente, somente para chapas espessas;

Em vrios estgios, dependentes da LDR (limit drawing ratio);

Material de partida na forma de discos;

Para peas pequenas: processos contnuos, com estamposprogressivos.


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Estampagem de Chapas: Mquinas e ferramentas

MQUINAS:

A maior parte da produo seriada de partes conformadas a partir de chapas finas realizada em prensas mecnicas ou hidrulicas.

FERRAMENTAS DE ESTAMPAGEM

As ferramentas de estampagem so de trs tipos: ferramentas de corte, ferramentas de dobramento e ferramentas de estampagem

profunda.

Ferramentas de corte

As ferramentas de corte por estampagem, ou comumente denominadas "estampas de corte", so constitudas basicamente de uma matriz e um

puno.

A maquina de conformao mais usada e uma prensa excntrica.


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Alguns comentrios:

As formas de seces transversais do puno e da matriz determinam a forma da peca a ser cortada.

O fio de corte e constitudo pelos permetros externos do puno e pelo permetro interno do orifcio da matriz.

Para completar o estampo, existem ainda guias para o puno e para a chapa.

Um parmetro importante de projeto de ferramenta e a folga entre puno e matriz, determinada em funo da espessura e do material da chapa.

O esforo de corte para vencer a resistncia do material da peca, que associado ao esforo do atrito, faz com que o estampo perca o fio de corte depois de haver

produzido um grande numero de pecas.

A partir dai, as pecas cortadas comeam a apresentar um contorno pouco definido e com rebarbas. E necessrio ento fazer nova retificao, tempera e afiao do puno e da matriz, para que adquiram outra vez os cantos-vivos.

Ferramenta de dobramento adaptada a prensa excntrica (a) ou a prensa viradeira (b)

Estampagem de Chapas: Mquinas e ferramentasFerramentas de dobramento

O dobramento e realizado em ferramentas denominadas estampos de dobramento. Os estampos so compostos por uma parte superior (macho) e

uma inferior (fmea).

As maquinas de conformao podem, nesse caso, ser prensa excntrica ou prensa viradeira.

13


Para o dobramento deve-se levar em conta o raio de curvatura utilizado para a pea e a elasticidade do material.

Deve-se, ainda, evitar os cantos-vivos, sendo, portanto necessrio fixar os raios externos de curvatura, a fim de que no ocorra ruptura durante o

dobramento.

O raio de curvatura deve ser entre uma e duas vezes a espessura da chapa para materiais moles, e entre trs e quatro vezes para materiais duros.

Apos a deformao, que provoca o dobramento, a peca tende a voltar a sua forma primitiva, em proporo tanto maior quanto mais duro for o material da

chapa, devido a recuperao elstica.

Portanto, ao se construir os estampos de dobramento, deve-se fixar um ngulo de dobramento mais acentuado, de modo que, uma vez cessada a

presso de conformao, possa se obter uma peca com o angulo desejado.

Estampagem de Chapas: Mquinas e ferramentasFerramentas de estampagem profunda (para embutimento de um copo)

O disco ou esboo que se deseja embutir e colocado sob o sujeitador(ou prensas-chapas), o qual prende a chapa pela parte externa.

O puno esta fixado no porta-puno e o conjunto e fixado a parte mvel daprensa. A matriz e fixada na base, que, por sua vez, e fixada na mesa da prensa.

A maquina de conformao e uma prensa excntrica para peas pouco profundasou uma prensa hidrulica para embutimento mais profundo.

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A fabricao de uma peca pode exigir diversas etapas de embutimento, o que torna necessria a utilizao de uma serie de ferramentas com dimetros, da matriz e do

puno, decrescentes.

O numero de etapas depende do material da chapa (normalmente no estado recozido) e das relaes entre o disco inicial e os dimetros das pecas estampadas.

Estampagem progressiva




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Na fabricao da ferramenta, e importante a obteno de superfcies lisas e o controle das tolerncias dimensionais do conjunto puno-pea-matriz.

Esses dois fatores, associados a uma lubrificao abundante, podem reduzir sensivelmente os esforos de conformao e o desgaste da ferramenta.

No projeto da ferramenta so considerados os esforos de conformao e os esforos de sujeio: se o sujeitador aplicar uma presso excessiva, pode ocorrer a ruptura da

peca na conformao e, se a presso for muito pequena, podem surgir rugas nas laterais da peca.

Materiais para ferramentas de estampagem


Os materiais para as ferramentas de estampagem so selecionados em funo dos seguintes fatores:

- tamanho e tipo de ferramenta (corte, dobramento, embutimento), -temperatura de trabalho (na estampagem geralmente o processo e conduzido a

frio) e -natureza do material da pea.

Os dois componentes mais importantes da ferramenta so o puno e a matriz e, dependendo do tipo do processo, as solicitaes mecnicas podem ser de

desgaste, de choque e de fadiga.

16


Os materiais de uso mais comum para o conjunto puno-matriz so:

aos-liga da categoria "aos para ferramentas".

Para os demais componentes estruturais so normalmente utilizados aos de baixo e mdio carbono e para os elementos mais solicitados (molas, pinos, etc.)

aos-liga de uso comum na construo mecnica.

Para elevar a resistncia do desgaste, particularmente das ferramentas de corte, empregam-se alguns tipos de metal duro (carboneto de tungstenio aglomerado

com cobalto), na forma de pastilhas inseridas em suportes de aco.

Materiais para ferramentas de estampagem


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Mecnica da Conformao de Chapas

Parmetros Fundamentais da Conformao de Chapas

Estado de tenso;Anisotropia do material


O estado de tenses provocado per foras externas em um corpo em deformao extremamente complexo.

tenses normais () - quando a fora atua perpendicular seco na qual atua.

tenses tangencias () quando a fora est no plano da seco.

AF

compressoaosolicitatraoaosolicita

::

Ocorrncia de:

AF

Estado de tenses

18


Um estado generalizado de tenses ocorrendo em um corpo slido pode ser definido por:

xz = zxyz = zyxy = yx

3 componentes em cada um dos trs planos (no sistema XYZ)

Trs tenses normais:

Seis tenses de cisalhamento:

zyx ,,

zyx Considera-se, ainda, que as tenses normaisso as principais, onde:

Estado de tenses


Pode ser comparado o estado generalizado de tenses com a tensoobtida em um estado uniaxial de tenses:

Transformar um estado generalizado de tenses em uma tensoequivalente

Tresca, 1870: se baseu na hiptese da mxima tenso de cizalhamento que define a tenso equivalente igual diferena entre a maior tenso aplicada (1) e a menor tensoaplicada (3)

eq 31

21321222121 eq

Mises, 1913: admite que o material inicie a deformao plstica quando a energia

de distoro elstica por unidade de volume atinja o valor limite que

caracterstico de cada material.

Para o qual define que a tenso equivalente, como:

26

1EE

U

Estado de tenses

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Parmetros Fundamentais da Conformao de ChapasEstado de tenses

No instante em que o material incia o escoamento plstico a tenso equivalente igual tenso de escoamento (obtida no

ensaio mecnico no estado uniaxial).

A tenso equivalente um valor conhecido, caracterstico de cadamaterial.

Como definir as tenses (1), (2), (3) associadas aoprocesso de estampagem?

Estado de tenses


Quando o metal situado logo abaixo do puno, acomoda-se em torno do seu perfil, reduzindo espessura. Esta a regio do fundo do corpo aps o final da

conformao.

Ao longo do processo de estampagem o blank estar submetido a um estado de tenso biaxial (radial) de trao.

(GARCIA,2012)

20

O metal situado ao redor da base do puno deformado radialmente para o interior da matriz reduzindo o dimetro, desde o tamanho original

do blank (D0) at o dimetro da conformao que corresponde com o dimetro do puno (Dp).

A presso no anel de fixao deve garantir a no formao de enrugamento na borda.

Quando isto ocorre o enrugamento transferido para o interior da matriz podendo ocasionar trincas nas laterais do corpo estampado.

O metal sofre esforos de compresso na direo circunferencial e de trao na

direo radial.

Borda ou aba do corpo.

Na medida em que o metal escoa em direo matriz ele dobrado e, depois, endireitado devido ao esforo trativo na lateral do corpo.

Nesta regio ocorre deformao plana.A regio lateral a responsvel pela

homogeneidade da espessura da parede devido ocorrncia do estiramento uniforme.

Predominncia de esforos induzidos pelo atrito.

Dobramento superior do corpo

(GARCIA,2012)

21

Alem dos esforos observados, considera-se o efeito do atrito entre o blank com o puno e com a matriz.

Nesta regio empregam-se folgas, acompanhado de lubrificao adequada.

Esforos induzidos pelo atrito

Lateral do corpo

(GARCIA,2012)


Nesta regio empregam-se folgas da ordem de 10 a 20% da espessura do blank, acompanhado de lubrificao

adequada.

Lateral do corpo

22


Maior atrito: Entre o anel de fixao (sujeitador) e a aba;

Entre a aba e a parte superior da matriz.




Uma reduo na espessura da chapa surge na regio de deformao plstica do dobramento, devido ao das tenses de trao.

As tenses de compresso tendem a aumentar a largura da chapa.

Como a largura muito maior que a espessura, o efeito de deformao plstica desprezvel num sentido, concentrando-se quase que totalmente ao longo da espessura, e causando pequenas distores na seco transversal da chapa.

23



A possibilidade de fissuramento na superfcie externa s existir se as tenses nessa regio ultrapassarem o limite de resistncia trao do material da chapa.

Na parte interna existir a possibilidade de surgimento de enrugamentos devido ao dos esforos de compresso, principalmente para as chapas de espessuras menores.

No fundo do corpo, o esforo predominante a tenso de compresso exercida pela extremidade do puno, transmitida

s demais partes atravs de tenses radiais.

Dobramento inferior do corpo

Fundo do corpo

Considerando: As tenses radiais (r=1) como positivas, de trao;As tenses circunferenciais (t=3) como negativas, de compresso

(GARCIA,2012)

24

Considerando:

As tenses radiais (r=1) como positivas, de trao;

As tenses circunferenciais (t=3) como negativas, de compresso


Como definir as tenses (1), (2), (3) associadas ao processode estampagem?

Considerando a teoria de Tresca que a diferena entre as tenses, num determinado instante, constante igual tenso de

escoamento (e).

SCHAEFFER,2004

Teoricamente, a carga total do puno pode ser determinada pela equao:

BDD

FDDtDFp pa

pp

2.exp...2.ln..1,1...

0

000

Em que:

Fp: Carga total do puno (N);Dp: Dimetro do puno (mm);t0: espessura do blank;0: Tenso plstica mdia do blank (MPa);D0: Dimetro inicial do blank (mm);: coeficiente de atrito;Fa: Fora do anel d efixao (N);B: Esforo necessrio para dobrar ou endireitar o blank (N)

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O esforo total exercido pelo puno ou esforo da estampagem igual soma dos esforos atuantes em todas as

partes do corpo.

Quando o esforo de estampagem provocar em qualquer parte do corpo uma tenso superior ao limite de resistncia do

material ocorrer a fissura nesta parte.

A mxima fora ocorre no incio da operao de

estampagem e cai assim que o puno penetra na

matriz.

ndice de anisotropia (r):Parmetros Fundamentais da Conformao de Chapas

Durante o processo de laminao de chapas metlicas ocorre a deformao da microestrutura,

originam-se gros alongados na direo de laminao.

Como resultado: as propriedades mecnicas so heterogneas.

Uma consequncia na estampagem: fenmeno de orelhamento.

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ndice de anisotropia (r):Tambm conhecido como Coeficientede Lankford, definido como sendo arazo entre as deformaes reaissegundo a largura (W) e segundo aespessura (t), conforme definidopela equao .

Este parmetro mede a resistncia do material reduo de espessura

quando deformado plasticamente.

wLwL

ww

ttww

respessuraal

uralal

.

.ln

ln

ln

ln

00

0

0

0

Re

argRe

x

x

yx

t0

t

c 0

cParmetros Fundamentais da Conformao de Chapas

0

00

000

45900

90450

__

4

.241

rrr

r

rrrr

Anisotropia normal

Anisotropia planar

1

1

1

000

000

000

90450

90450

90450

rrrrrrrrrIsotropia completa ou total

Anisotropia normal pura e isotropia planar

Anisotropia normal e planar

x

x

y

x

t0

t

c 0

c

ndice de anisotropia (r):Parmetros Fundamentais da Conformao de Chapas

27

Consideraes:

No caso onde somente h estiramento, dependendo das combinaes entre as tenses (1>e e 2>e), caso do ponto a, um material supostamente no regime plstico, se for considerado isotpico, no atingiu a zona plstica do material, se for considera a anisotropia como rm=3.

ndice de anisotropia (r):Quando se compara o comportamento mecnico de materiais

anisotrpicos (rm1) com materiais isotrpicos (rm=1), alguns cuidados devem ser tomados:

SCHAEFFER,2004

ndice de anisotropia (r):

Um alto valor de r (r>1), ocasiona uma resistncia ao afinamento da chapa e, portanto, uma alta resistncia tenso biaxial,

Um baixo valor de r (r

28

ndice de anisotropia (r):

Principais fatores que levam a diferentes valores de ndice de anisotropia.

Principais parmetros de influncia que devem ser controlados na fabricao (laminao) de chapas de ao. SCHAEFFER,2004

Curva Limite de DeformaoCom a obteno de parmetros, atravs de ensaios de trao,tais como: coeficiente de encruamento (n) e o ndice deanisotropia (r) podem se caracterizar os materiais a seremconformados, mas, estes parmetros no so suficientementepara uma definio dos parmetros prticos que venham agarantir a otimizao de um projeto de estampagem de chapas.

Consideraes iniciais:

As deformaes em diferentes locais deum componente estampado variam de umponto para outro.

de interesses prtico a determinaoquantitativa destas deformaes.

O uso de grades sobrepostas sobre a chapa antes deque ocorra a deformao (na geratriz) permite a mediodas deformaes crticas.

Aps o processo de estampagem avaliam-se asdeformaes dessas regies.

29

Curva Limite de Deformao

Esquematicamente, pode-se colocar um crculo a geratriz (antes da deformao) e a elipse a figura geomtrica obtida aps a deformao.

A espessura da chapa tem espessura (s0) antes da deformao e (s1) aps a deformao.

Princpios dadeterminao dasdeformaes

As principais deformaesso calculadas atravs dasequaes: 0

13

02

01 ln;ln;ln s

sdb

da


Considerando a Lei da constncia de volume, tem-se:

ou ainda

A deformao equivamente calculada por:

As principais deformaesso calculadas atravs dasequaes: 0

13

02

01 ln;ln;ln s

sdb

da

213321 ,0

2221

21

23

22

21 .3

23

2 eq

30

Curva Limite de DeformaoAs medies realizadas na rededeformada leva a uma relao entre asdeformaes.

As deformaes podem ser classificadas atendendo s solicitaes que ocorrem durante a

estampagem. 02

01 ln;ln d

bda

02

01 ln;ln d

bda

Uma situao crtica aquela em que as deformaes esto muito prximas do ponto em que ir ocorrer a ruptura.

Esta reposta somente poder ser encontrada se os limites mximos de deformao permitida do material so conhecidos.

Estes limites so aqueles a partir do quais se inicia a estrico ou em que ocorre a ruptura.

21

2

21

21

02

- embutimento profundo

- trao iniaxial- defoamao plana- estiramento biaxial


31

Processos especiais de Conformao de Chapas

Case: aplicaes na indstria automobilstica

INDSTRIA AUTOMOTIVATailored Blank

32


0,7 mm1,2 mm 1,5 mm


Painel interno da porta Assoalho

33


Longarinas


Caixa de Roda

34


Painel lateral interno

Assoalho

Porta tras. interna

Tampa tras. interna

Caixa de roda

Suspenso do motor

Parachoque

Longarina

Caixa de roda

Reforo do tetoB- coluna

A- coluna

Porta diant. interna


Laser

Feixe de eltrons

Esmagamento

Induo

35

INDSTRIA AUTOMOTIVAPeas Hidroconformadas

INDSTRIA AUTOMOTIVAPeas Hidroconformadas

36

PROCESSO DE HIDROCONFORMAOPuno de

contra-presso

Tubo

Matrizes com relevo

Puno de selagem

Produto em T

Fechamento da prensa

Preenchimento com o fluido

Movimento dos cilindros

horizontais e controle da

presso

Fechamento da prensa

MATRIA-PRIMA PARAHIDROCONFORMAO

37

Temas propostos para estudo individual

1. Ensaios de estampabilidade dos materiais;2. Determinao do coeficiente de atrito.

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