Quinagem IST

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  • 11

    Introduo

    Quinagem o processo de deformao plstica de chapa que permite o fabrico de superfcies planificveis de geometria cilndrica, cnica ou prismtica.

    Exemplos de Aplicao:Balces frigorficos, mobilirio metlico, chassis, painis

    Para realizar a operao utiliza-se um cunho e uma matriz montados numa mquina ferramenta designada por Quinadora.

    O seu princpio de funcionamento semelhante ao de uma prensa hidrulica ou mecnica.

    Quinagem

    2

    Quinagem

  • 23

    Classificao dos processos de quinagem

    Quinagem o processo de deformao plstica de chapa que permite o fabrico de superfcies planificveis de geometria cilndrica, cnica ou prismtica.

    Quinagem no ar Quinagem em V Quinagem em U

    Quinagem a fundo Quinagem de flangecom cunho de arrasteQuinagem rotativa

    Quinagem

    4

    Quinagem no ar

    Na quinagem no ar o ngulo entre as abas da chapa a enformar estabelecido pela penetrao do cunho na matriz. As foras envolvidas so baixas, mas a preciso dimensional limitada, devido recuperao elstica que o material sofre aps deformao plstica alterando a geometria final da pea.

    Quinagem em VNa quinagem em V a chapa deformada at encostar s ferramentas, sendo a folga entre cunho e matriz igual espessura da chapa. A operao mais precisa que a anterior e geralmente utilizada para quinar chapas com ngulos de 90 ou ligeiramente inferiores, com espessuras que podem variar entre os 0.5 e os 25 mm.

    Quinagem

  • 35

    Quinagem em U

    Na quinagem em U existem 2 eixos de dobragem paralelos. Normalmente utiliza-se um encostador que promove o contacto com a chapa na zona do fundo do cunho, evitando defeitos de forma na pea. A fora de quinagem tem um acrscimo de cerca de 30 a 40%.

    Quinagem de flange com cunho de arraste

    Uma das abas fixada por um encostador, enquanto que a outra dobrada a 90 pela aco do cunho. Com a variao do curso, possvel alterar com facilidade a dimenso da aba enformada e o ngulo de dobragem.

    Quinagem

    6

    Na quinagem a fundo (quebra do nervo) a chapa esmagada entre o cunho e a matriz no final da operao e a folga entre cunho e matriz inferior espessura da chapa.Geralmente utilizada para chapasde espessura inferior a 3 mm, e permite reduzir, ou at mesmoeliminar a recuperao elstica.A fora necessria para a operao consideravelmente superior daquinagem ao ar, podendo o valor triplicar ou quintuplicar.

    Quinagem a fundo

    Quinagem

  • 47

    Quinagem rotativa

    Na quinagem rotativa recorre-se a uma matriz rotativa para enformar a chapa. No necessrio utilizar encostador e as foras requeridas so baixas.O efeito de mola pode ser compensado diminuindoo ngulo de dobragem.

    Quinagem

    8

    Vantagens da quinagem no ar relativamente quinagem a fundo

    A quinagem pode ser efectuada em mquinasferramenta de menor capacidade, pois a fora e energia necessrias so menores

    O desgaste e o perigo de inutilizao das ferramentas menor

    O mesmo conjunto cunho/matriz pode ser utilizadopara efectuar dobragens de diferentes ngulos, reduzindo-se os custos de preparao e montagemdas ferramentas

    Quinagem

    Vantagens da quinagem a fundo relativamente quinagem no ar

    Peas mais precisas, podendo ser enformadas com raios de quinagem inferiores espessura da chapa

    Reduo ou mesmo eliminao do fenmeno de recuperaoelstica

  • 59

    Quinagem

    Quinagem de uma caixa rectangular

    Quinagem de flangeCom cunho de arraste

    Quinagem a fundo

    10

    Noo de fibra neutra

    Quinagem

    r

    M

    i

    F

    rM

    DD

    B B

    C

    A

    C

    A

    F

    M l1

    h

    l0

    v

    Por aco do cunho a zona em deformao fica solicitada por um momento flector M e uma fora axial F de traco.

    Fibra neutra a linha cujo comprimento no varia aps a deformao da pea e cuja posio depende fundamentalmente da espessura da chapa e do tipo de solicitao introduzida pelas ferramentas.

    Para chapas finas, pode admitir-se que as seces rectas se mantm planas durante a deformao e que convergem no centro de curvatura. Considera-se que as direces principais das tenses e das extenses coincidem com as direces radial, tangencial e segundo a largura.0

    l AB=

    ( ) 10 0 0

    ln ln 1 ln ln 1M MAB

    M M

    l l lv vl l r l r

    = = + = + + M Ml r =

    ( )vrlAB M +== 1

  • 611

    Clculo da dimenso da estampa plana

    Quinagem em V no ar

    De acordo com a norma DIN 6935, o comprimento da estampa plana ser dado por:

    Abertura das abas entre 0 e 90

    Abertura das abas entre 90 e 165

    Abertura das abas entre 165 e 180

    Para se determinar as dimenses da estampa plana necessrio conhecer-se o comprimento da fibra neutra, lN.

    ngulo de abertura das abash espessura da chapari raio interior de dobragemk factor de correco para a linha neutra

    Clculo de k:

    12

    Flexo de peas direitas

    Quinagem

    Distribuio de tenses numa pea direita de espessura h e largura b, quando solicitada por um momento puro, Mz.

    y

    xz

    x

    x M

    h

    b/2M

    LM=LNzz

    Simplificaes:

    - Material homogneo e isotrpico- Comportamento elasto-pefeitamente plstico- As seces inicialmente planas permanecem planas durante a deformao- Os princpios de Saint Venant e da sobreposio so vlidos

    Desprezando as tenses segundo y e considerando que a linha neutra e a linha mdia coincidem, ento a distribuio de tenses segundo x depende da intensidade do momento flector aplicado:

    zx I

    My=M o momento flector, y a distncia da fibra em anlise linha neutra e Iz momento de inrcia relativamente fibra neutra e dado por:

    12

    3bhI z=

    O sinal mais ou menos deve-se ao facto de x ser e traco no lado exterior da pea e de compresso no lado interior.

  • 713

    Flexo de peas direitas

    Quinagem

    A distribuio de x pode encontrar-se nos seguintes trs casos de solicitao:

    (a) Elstica (b) Elasto-plstica (c) Plstica

    e 0 e

    MM

    x

    ee

    ee 0

    MepMep

    xe 0 e

    MMp p

    x

    6

    2bhM ee

    =( ) ( )ppepeep dhbddhbM += 6 2

    dp a parcela da espessura que se encontra em domnio plstico

    A primeira parcela quantifica o momento flector da zona elstica e a segunda parcela o momento flector da zona plstica

    4

    2bhM ep

    =

    Valor mximo do momento que a chapa suporta, as fibras exteriores esto na eminncia de entrar no domnio plstico

    Momento que produz uma distribuio de tenso constante em toda a seco transversal e igual tenso limite de elasticidade.

    14

    Quinagem em V no arRaio Mnimo de quinagem

    Raio mnimo de quinagem, rmin, o raio para o qual surgem fissuras na superfcie exterior da chapa.

    Para a sua determinao existem dois mtodos alternativos:

    Baseado nas propriedadesmecnicas do material

    Natureza emprica

    A extenso tangencial, e, para uma fibra distncia y da linha mdia com um raio de curvatura rm e um ngulo de dobragem dada por:

    O ngulo de dobragem dado por , ento a extenso tangencial para a fibra exterior dada por:

  • 815

    Quinagem em V no arRaio Mnimo de quinagemConsiderando vlidas as seguintes hipteses:

    Na flexo em domnio plstico a extenso verdadeira na fibra exterior para a qual a fractura sobrevm igual extenso verdadeira na fractura no ensaio de traco uniaxial.

    O material homogneo e isotrpico. O estado de tenso na flexo plano, ou seja, a relao entre o comprimento de

    dobragem e a espessura, b/h, pequena.

    A extenso verdadeira no ensaio de traco dada por:

    Igualando a extenso verdadeira na fibra exterior da flexo, extenso verdadeira do ensaio de traco:

    Verificou-se experimentalmente a determinao do rmin atravs da expresso anterior era precisa para valores de q inferiores a 0.2. Assim sendo:

    16

    QuinagemRaio Mnimo de quinagemO facto da chapa possuir anisotropia, devido a ter sido laminada, pode originar defeitos na quinagem.

    Assim, a implantao das peas na chapa deve fazer-se, sempre que possvel, de modo a que a direco de quinagem se desenvolva perpendicularmente direco de laminagem. Quando no for possvel, deve-se aumentar os raios de dobragem para evitar a fractura.

  • 917

    QuinagemRaio Mnimo de quinagemOutra forma de determinar o raio mnimo de quinagem pode ser a partir de bacos, construdos com base em ensaios experimentais.

    Por vezes o raio mnimo de quinagem definido em funo da abertura da matriz, v, utilizada na operao:

    18

    Quinagem em V no arAbertura da matrizDo valor da abertura da matriz dependem a fora de quinagem, o raio mnimo de quinagem e a dimenso mnima da aba.

    Considera-se duas operaes de quinagem com abertura de matriz diferente (uma dupla da outra):

    6vh

    = 12vh

    =Evoluo da curvatura desde a zona central de quinagem at regio de contacto com a matriz para duas aberturas de matriz diferentes.

    A evoluo da curvatura indicia que a deformao da chapa para se atingir o mesmo ngulo de abertura entre abas, depende significativamente da abertura da matriz, sendo superior no caso de matrizes de maior abertura. Assim, com base em resultados experimentais temos:

  • 10

    19

    Quinagem em V no arProfundidade de quinagemUma das vantagens da operao de quinagem no ar reside na possibilidade de se poderem efectuar quinagens com ngulos diferentes, utilizando o mesmo conjunto cunho/matriz. Assim, para a preparao das quinagens ser necessrio relacionar o ngulo de abertura das abas, , com a penetrao do cunho na matriz.

    Considerando que a espessura da chapa se mantm constante:

    y a compensao da curvatura da chapa, sendo dada por:

    Ento a profundidade de quinagem, em funo do ngulo da zona de dobragem, , ser dada por:

    A profundidade de quinagem, em funo do ngulo de abertura das abas, , ser dada por:

    20

    Recuperao elstica ou efeito de mola

    Quinagem

    ri1

    +

    ri0

    M

    M

    O fenmeno de recuperao elstica ou efeito de mola, acontece sempre que a solicitao exterior que originou a flexo retirada.Assim, tanto o ngulo de dobragem, como o raio de curvatura aumentam, modificando-se a geometria da pea.

    Uma das principais dificuldades da quinagem ao ar reside no controlo deste fenmeno , o qual se faz sentir quando as solicitaes que provocaram a deformao plstica, geralmente numa zona muito localizada, desaparecem.

  • 11

    21

    Recuperao elstica ou efeito de mola

    Quinagem

    Sobreposio das tenses de descarga aos diagramas das tenses de carga:

    xcxd0e e

    6

    2bhMM eedec ==

    3/2ee3/2 e 0 e

    xcxd

    ( ) ( )ppepeepdepc dhdbdhbMM +== 6 22

    exc

    0 e e3/23/2exd

    4

    2hbMM epdpc==

    A descarga (cessao das solicitaes exteriores) provoca o aparecimento do fenmeno de recuperao elstica. O estudo do mecanismo de descarga pode ser efectuado recorrendo ao princpio da sobreposio, aplicando no final do carregamento um momento flector de igual intensidade ao do momento de carga, mas com sentido contrrio, para restituir as condies de equilbrio.O material na fase de descarga reentra em domnio elstico, passando o seu comportamento mecnico a ser regido pelas equaes constitutivas lineares elsticas.A distribuio das tenses de descarga linear.

    22

    Recuperao elstica ou efeito de mola

    Quinagem

    A soma das tenses de carga com as que surgem na fase de descarga (situao que corresponde posio de equilbrio) permite determinara distribuio das tenses residuais que permanecem na pea no final do processo de deformao.

    e

    0 exres

    exres

    0 e exres

    e01/2 ee 1/2Diagrama das tenses residuais resultantes dos carregamentos e descarregamentos:

    xdxcresx +=

    0=resx

    ==hy

    hy

    eeeresx 313 mm

    Analiticamente a distribuio de tenses residuais pode ser determinada a partir do conhecimento das tenses de carga e de descarga:

  • 12

    23

    ngulo de recuperao elstica

    Quinagem

    A estimativa do ngulo de recuperao elstica necessria para que as ferramentas possam ser corrigidas na fase de projecto e a flexo possa ser compensada. O valor aumenta nos materiais com maior tenso limite de elasticidade ou com maior propenso ao encruamento.O trabalho a frio tambm faz aumentar o seu valor, decrescendo nos materiais com menor mdulo de elasticidade. Tambm as caractersticas geomtricas da operao influenciam a recuperao elstica, como o raio interior de quinagem, a abertura da matriz e a espessura da chapa.

    Considerando a definio de extenso e notando que a recuperao se d em domnio elstico (vlida a lei de Hooke)

    ( ) ( )khdl

    hk

    hdl ee

    =+=

    22

    12

    22

    tan

    ( ) 222tan =

    Ekh

    l ee

    ( ) Ekhl ee = 2

    2

    A recuperao elstica aumenta com o valor das tenses aplicadas, com a diminuio do mdulo de elasticidade do material, com a diminuio da espessura e com o aumento do raio de curvatura.

    24

    Factor de recuperao elstica

    Quinagem

    Alternativamente existem tabelas com dados empricos que permitem quantificar a recuperao elstica da operao. habitual admitir-se que a recuperao elstica se faz em torno da linha mdia, obtendo-se pela constncia do seu comprimento:

    Factor de recuperao elstica, kR

  • 13

    25

    Mtodos de minimizao ou eliminao da recuperao elstica

    Quinagem

    Correco ou compensao dos ngulos das ferramentas durante o seu projecto, para quinagem no ar

    Correco do valor de profundidade de quinagem com o valor correspondente ao da recuperao elstica, para operaes de quinagem no ar

    Dobragem com foras de traco, como o momento necessrio deformao reduzido, tambm a recuperao elstica ser menor

    Substituio da quinagem no ar pela quinagem a fundo

    Realizao das operaes a temperaturas elevadas, j que a recuperao elstica vem reduzida com a diminuio da tenso limite de elasticidade

    26

    QuinagemFora e trabalho de quinagemPara determinar a fora necessria quinagem em V no ar, considere-se a figura seguinte, que apresenta o sistema de foras que se desenvolve durante a operao.

    Admitindo como 1 aproximao, que as reaces, R s verticais e que as foras de atrito, Fa podem ser desprezadas, o momento flector na seco central da chapa ser dado por:

    Simplificando a solicitao que actua sobre a chapa, pi, momento plstico, Mp, necessrio para plastificar a totalidade da seco transversal da chapa dado por:

    Igualando os dois momentos, vem:

    Todavia esta expresso em termos prticos no capaz de fornecer estimativas muito correctas para o valor da fora. Atribuindo-se este facto s simplificaes introduzidas durante a deduo.

  • 14

    27

    QuinagemFora e trabalho de quinagem

    Simplificaes consideradas:

    Encruamento do material no considerado Foras de atrito desprezadas Reaces na matriz consideradas verticais

    Assim sendo, a norma DIN 6935 prope um factor correctivo, K, dado por:

    Assim, para calcular a fora de quinagem em V no ar, utiliza-se a seguinte expresso:

    O trabalho de quinagem dado pela rea delimitada pela curva da fora de quinagem num grfico F vs deslocamento do cunho.

    Em que Qw um coeficiente que depende do tipo de evoluo que a fora de quinagem tem com o curso do cunho, variando geralmente entre 0.5 e 0.8.

    28

    A

    BM

    M

    Seco AB

    h

    ri

    h

    b

    b

    QuinagemDefeitos de quinagem - esbeiamento e efeito de sela

    Os defeitos caractersticos da flexo em domnio plstico so o esbeiamento (deformao lateral) e efeito de sela.

    Estes fenmenos devem-se deformao longitudinal (segundo z) das fibras exteriores e interiores da zona deformada, e tm origem no facto de a zona dos bordos estar sujeita a um estado de tenso plano, em oposio ao que se verifica na zona central da chapa, onde o estado de deformao pode ser considerado plano.

    De facto, verifica-se que relativamente largura inicial da chapa, b, as fibras mais exteriores sofrem contraces, enquanto que as fibras mas interiores sofrem alongamentos, originando irregularidades nas zonas extremas de dobragem (esbeiamento).

  • 15

    29

    r z

    r

    z

    r

    z

    r

    z

    AA

    B B

    C

    D

    C

    D

    r z

    r z

    QuinagemDefeitos de quinagem - esbeiamento e efeito de sela

    Anlise dos modos de deformao de ambas as zonas:

    Na zona central da pea (A e B) quando suficientemente afastada dos bordos da pea (b/h>8), pode considerar-se deformao plana Z = 0

    0r z r + + = = r = 0 (por condio de fronteira nas fibras exteriores)= e (tenso tangencial atinge o valor limite)

    2 2r e

    z += =

    Na zona dos bordos da pea (C e D)

    Considera-se tenso plana Z = 0r = 0 (por condio de fronteira)= e

    Surge deformao na direco radial e longitudinal como consequncia da deformao tangencial

    ed

    d =

    12r z e

    dd d

    = =

    30

    QuinagemDefeitos de quinagem - esbeiamento e efeito de sela

    No caso da pea ter uma relao b/h pequena, verifica-se que o efeito de rotao das extremidades se propaga em toda a largura, no havendo condies para que o estado de deformao na zona central possa ser considerado plano.E o facto da extenso radial na zona central ser maior do que a correspondente nas extremidades, leva a que a linha de dobragem da pea deixe de ser plana, originando o efeito de sela.

    Ponto A

    ( )1

    02

    10

    2

    e e

    z z e

    r r e

    dd

    dd

    dd

    = = = =

    = =

    34

    02

    30

    4

    e e

    ez z

    r r e

    dd

    d

    dd

    = = = =

    = =

    34

    02

    30

    4

    e e

    ez z

    r r e

    dd

    d

    dd

    = = = =

    = =

    ( )1

    02

    10

    2

    e e

    z z e

    r r e

    dd

    dd

    dd

    = = = = = =

    Ponto B

    Ponto DPonto C

  • 16

    31

    QuinagemElementos de ProjectoExemplos de preparao do planificado para evitar defeitos nas zonas de concordncia:

    Mtodo para evitar o aparecimento de fissuras junto s zonas dobradas:

    Distncia mnima para evitar alteraes de forma dos furos

    aps dobragem

    Distncia mnima para evitar defeitos de dobragem

    Mtodo para compensar o esbeiamento:

    32

    QuinagemDobragem de abas curvasDobragem de abas cujo eixo de dobragem da pea tem geometria circular.Aconselha-se a dobrar duas peas juntas e depois separ-las atravs de corte por arrombamento, de modo a equilibrar os cunhos e matrizes, evitando irregularidades nas peas fabricadas.

    Expanso Retraco

    Sendo o estado de tenso uniaxial para a extremidade da aba, verifica-se a seguinte relao de extenses verdadeiras:

    com

    Limites de enformao de alguns materiais para a dobragem de abas curvas

  • 17

    33

    QuinagemPosicionamento dos esbarros da quinadora

    Na preparao de trabalho de peas com quinagens mltiplas o projectista deve definir a sequncia de quinagens procurando cumprir dois requisitos fundamentais:

    - que o tempo de operao seja o mnimo - que a pea seja exequvel na quinadora, ou

    seja, que no existam interferncias com os elementos da quinadora

    Os esbarros (posicionadores da chapa) podem ser anteriores ou posteriores, consoante se situam na frente ou na traseira da quinadora.

    Nas quinadoras sem comando numrico, dependendo do nmero de peas a quinar, os esbarros so posicionados manualmente de modo a tornar a operao mais cmoda, mais precisa e mais econmica.

    As quinadoras com comando numrico permitem definir a sequncia de quinagem, posicionando automaticamente os esbarros em cada quinagem, rentabilizando o tempo de operao.

    34

    QuinagemQuinagem em U Diferentes fases da dobragem em U

    Sem encostador Com encostador

    Com encostadorSem encostador

    0.5 RF hb=

  • 18

    35

    QuinagemQuinagem a fundo ou Quebra do nervo

    A operao consiste em esmagar a chapa entre o cunho e a matriz no final da operao, de modo a que a folga entre o cunho e a matriz seja inferior espessura da chapa.

    Aplica-se sobretudo em chapas finas, com espessuras inferiores a 3 mm. E permite reduzir ou mesmo eliminar a recuperao elstica do material.

    Principais inconvenientes so a reduo local de espessura e a necessidade de foras elevadas na operao.

    Fora necessria quinagem a fundo em funo do valor da quinagem no ar correspondente

    36

    QuinagemQuinagem de flanges com cunho de arraste

    Na operao de quinagem de flanges com cunho de arraste a estampa posicionada na ferramenta atravs de um encostador que a prende de encontro matriz. A dobragem da aba efectuada atravs do movimento descendente do cunho, podendo o ngulo de quinagem ser diferente de 90 em funo do curso do cunho.

  • 19

    37

    QuinagemQuinagem com borracha