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Capítulo 11
ESTAMPAGEM, FORJAMENTO E EXTRUSÃO
11. Estampagem, forjamento e extrusão.
11.1. Estampagem
11.1.1. Conceituação de estampagem [9] Estampagem: conjunto de operações com as quais se submete uma chapa plana a uma ou mais transformações para se obter uma peça com forma geométrica própria. Matrizes: dispositivos especiais com os quais se conseguem as operações. Prensas: máquinas que realizam as operações. Peças de geometria complexa e irregular: mas que se caracterizam por exibirem espessura quase uniforme, podem ser obtidas mediante uma sucessão de operações, as quais geralmente subdividem-se em: cortar, dobrar e embutir. As operações de corte e dobramento geralmente são feitas a frio; o embutimento pode ser realizado a frio ou a quente, em função das necessidades técnicas.
11.1.2. Matéria-prima. A matéria-prima consiste de chapas laminadas. Chiaverini (1988) apresenta detalhes dessas chapas – de acordo com as especificações da ABNT – quanto às dimensões, composição química e propriedades mecânicas.
11.1.3. Material [8] O material utilizado é o aço, o qual geralmente é empregado na forma efervescente, em virtude do menor custo. Todavia, esses apresentam algumas desvantagens: − composição química não é rigorosamente controlada; − não há perfeita uniformidade de propriedades mecânicas. Então muitas vezes utilizam-se os aços acalmados, pois as chapas produzidas a partir dos mesmos são de melhor qualidade.
11.2. Operações de corte e dobramento [9]
Operações mais corriqueiras: cortar, dobrar e embutir. Para obter-se um produto acabado de chapa, às vezes apenas uma operação é necessária (a 1a^ , por exemplo). Logicamente, são freqüentes as situações em que se deve recorrer a pelo menos duas fases, como: a) cortar e dobrar; b) cortar e embutir. Ciclo de estampagem: sucessão de operações tecnológicas que transformam parte de uma chapa em uma peça de forma definida.
11.2.1. Puncionamento ou corte da chapa. Corte: Operação mecânica com a qual, empregando ferramentas especiais aptas para corte, separa-se uma parte metálica de outra, obtendo-se instantaneamente uma figura determinada (figura 11.1).
Por meio de considerações teóricas e práticas, foi determinado que para possibilitar o corte de uma chapa com punção de aço temperado, deve-se ter: Smáx=1,2.d Onde “Smáx”é a espessura máxima admissível para a chapa e “d” é o diâmetro do punção. O corte de chapa tem grande aplicação industrial. Um exemplo simples, mas de grande significado prático, está na obtenção de porcas quadradas ou hexagonais para parafusos, em função da seguinte vantagem: ao invés desses elementos serem obtidos por usinagem de uma barra (seriam muito caros pelo tempo de operação requerido), são confeccionados a partir de uma tira com a espessura da porca. Além disso, também podemos obter várias porcas por vez, o que reduz ainda mais o custo de produção. A idéia de puncionamento surgiu, evidentemente, da necessidade produtiva. Com o corte, separa-se simplesmente um pedaço de chapa sem alterar a espessura; o corte é, geralmente, a primeira operação que se realiza para a obtenção de peças de chapa.
11.2.2. Esforço necessário para o corte [12]
Figura 11.2. Esforço necessário para o corte.
A equação que permite determinar o esforço para o corte é a seguinte:
Q = p.e.σc
Onde:
Figura 11.1. Puncionamento de uma chapa[9].
Figura 11.4. Esforço necessário para o dobramento.
A expressão que permite determinar o esforço de dobramento é a seguinte:
l
b e P f
2. σ..^2
Onde: P = força necessária para o dobramento (kgf); b = largura da chapa (mm); e = espessura da chapa (mm); l = largura entre os apoios (mm); σf = tensão de flexão necessária para obter a deformação permanente (kgf/mm^2 ).
Admite-se que: σf = 2. σt
Onde: σt = limite de resistência à tração (kgf/mm^2 ).
11.3. O processo de embutimento.
Considerações gerais sobre embutimento [9].
Conceito: a operação de embutir consiste em transformar uma chapa plana num corpo oco, empregando uma ou mais etapas. No embutimento, não deve haver alteração na espessura da chapa: a superfície da peça produzida deve ser teoricamente equivalente à da chapa plana utilizada. A figura 11.5 mostra como se sucedem várias fases numa operação de embutimento.
Cálculo do diâmetro “Do”(do disco ou recorte) em função do recipiente a ser formado [9]. A figura 11.6 mostra exemplos de recipientes que podem ser obtidos pelo processo de embutimento, desenvolvendo-se as expressões matemáticas para a determinação dos respectivos diâmetros dos discos (ou recortes) de origem.
S S Do d d h
D
S
d h
d S
rec disco
o disco
rec
2
2
2
π
π
π
S S Do d d h
D
S
d h
d S
rec disco
o disco
rec
1
2 2
2
1
2 2
11.4. Disposição da figura [9].
Fatores que determinam as dimensões de uma matriz e a posição da abertura na matriz: forma da peça e tamanho da peça. ∗ A peça exibe, geralmente, formato irregular. ∗ Conforme sua disposição (transversal ou longitudinal) na matriz, acarreta grande perda de espaço com o conseqüente desperdício de material. ∗ É conveniente estudar a melhor disposição, permitindo que todos os lados da figura encontrem seus lugares ideais. ∗ Às vezes, certas irregularidades nos perfis tornam inviável a alternativa.
Figura 11.5. Sucessão de fases numa operação de embutimento.
Figura 11.6. Recipientes que podem ser obtidos pelo processo de embutimento.
O processo apresenta a vantagem da maior vida útil para as matrizes. No entanto, uma desvantagem está na tendência das matrizes experimentarem algum aquecimento adicional em virtude da transformação do trabalho mecânico em calor. ∗ Forjamento livre (ver figura 11.9): − não há restrição ao movimento lateral do metal; − as matrizes têm geometria bastante simples; − o investimento inicial é baixo; − é empregado em pequenas séries; − apresenta pouca tolerância dimensional.
∗ Forjamento em matrizes fechadas (ver figura 11.10): − o metal deve adotar a forma esculpida previamente nas duas matrizes; − há fortes restrições ao livre espalhamento do material; − só é empregado para grandes séries (devido ao alto custo inicial); − a mão-de-obra é barata; − possui boa precisão e alta velocidade de produção.
Para pequeno número de peças, o forjamento em matriz não compensa, sendo viável apenas para uma quantidade superior à crítica (N > Ncrít., conforme o gráfico qualitativo mostrado na figura 11.11).
Figura 11.9. Representação esquemática do forjamento livre: (a) início do processo; (b) processo em curso.
Figura 11.10. Representação esquemática do forjamento em matriz fechada: (a) início do processo; (b) processo em curso.
Figura 11.11. Comparação de custos: forjamento livre x forjamento em matriz
11.5.1. Quantidade de rebarba. É importante utilizar a quantidade adequada de rebarba, pois: − com pouca rebarba , a matriz pode não ser totalmente preenchida, surgindo produtos defeituosos; − com muita rebarba , ocorrem desperdícios de material e de energia, bem como maiores custos de usinagem. A figura 11.12 ilustra as dimensões características de rebarba, sendo s (mm) a espessura e b (mm) a largura da rebarba.
Parte-se de uma geratriz, ocorrendo três tipos de movimento (ver figura 11.13). Deve-se definir o predominante: Recalque deformação no sentido do movimento da matriz. Alargamento fluxo de material no sentido perpendicular ao do movimento da matriz. Ascenção fluxo no sentido contrário ao de prensagem.
O movimento de ascenção resulta em choques do metal com a matriz: para atenuar estes choques, aumentando a vida útil das matrizes, são utilizadas pré-formas (as quais são obtidas por meio de matrizes apropriadas), conforme ilustra a figura 11.14.
A espessura da rebarba pode ser calculada por intermédio da seguinte expressão:
Figura 11.12. Dimensões características da rebarba.
Figura 11.13. Tipos de movimento no forjamento em matriz fechada
Figura 11.14. Pré-forma para uma peça simples.
onde p (mm) é o perímetro médio entre as linhas externas da peça e da rebarba, conforme ilustra a figura 11.16.
11.5.4. Cálculo de força e trabalho para forjamento em matriz fechada [4].
NECESSIDADE DO CÁLCULO DE FORÇA: dimensionamento da prensa (capacidade que ela deve ter). NECESSIDADE DO CÁLCULO DE TRABALHO: determinação da altura de queda ou da rotação da prensa.
11.5.4.1. Comparação entre as resistências à deformação em marteletes (equipamentos de força dinâmica) e prensas (equipamentos de força estática).
MARTELETES PRENSAS
- Força necessária maior.
- Trabalho mais rápido.
- Deformação não-uniforme: camadas externas se deformam mais, acarretando uma estrutura cristalina desuniforme e, por conseguinte, propriedades mecânicas desuniformes. - Força necessária menor. - Trabalho mais lento. - Estrutura cristalina mais uniforme.
Resistência à deformação a frio:
- Depende do material e da microestrutura (encruamento).
Resistência à deformação a quente:
- Depende do material, da temperatura e da velocidade de deformação;
- É muito difícil avaliar-se a resistência global à deformação devido a: mudança de forma e variações de temperatura e de coeficiente de atrito no interior do elemento forjado.
11.5.4.2. Cálculo da força e trabalho.
T = V ⋅ Rd ⋅ ϕ eq
Resistência a deformação:
σ e
Rd =
η = rendimento.
11.5.4.3. Métodos de cálculo de ϕϕϕϕ eq. Destaca-se o que se segue.
Figura 11.16. Perímetro médio “p”.
Ag
Ap eq
ϕ ln
Ap* – área projetada da peça no plano de rebarba + área projetada da rebarba. Ag – área da geratriz sobre o plano da rebarba.
Ag
Ap T Vg Rd
ln
h
T
F
∆h – percurso da matriz até seu enchimento.
- Observe-se que a geratriz deve acompanhar a simetria da peça.
- Se a peça apresenta simetria circular segundo o eixo horizontal, a geratriz também deve exibir simetria circular segundo o eixo horizontal.
- Se a peça apresenta simetria circular segundo o eixo vertical, a geratriz também deve exibir simetria circular segundo o eixo vertical.
Figura 11.
11.5.5. Matrizes de forjamento. Materiais para matrizes [7]. As matrizes estão sujeitas aos seguintes fatores: − altas tensões de compressão; − alta solicitação térmica (devido ao contato com o metal aquecido). Em função dessas solicitações, os materiais para matrizes devem apresentar uma combinação de várias características, sendo que os materiais mais utilizados são os seguintes:
• Uma razão adicional para estabelecer tolerâncias é o desgaste das cavidades da matriz
• A tabela a seguir apresenta algumas recomendações preliminares nesse sentido
Contração do metal
• O metal, aquecido à temperatura de forjamento, dilata
• Portanto, ao resfriar, contrai, o que deve ser levado em conta no projeto da matriz
• Esta deve ser construída maior (se isso não ocorrer, a peça resultará com menores dimensões
que as projetadas)
• Na prática, podem ser considerados os seguintes valores de contração, conforme o material
4 aço 1,0%(de 1020^0 C a 20^0 C) 4 bronze 0,8%(de 520^0 C a 20^0 C) 4 latão 0,9%(de 520^0 C a 20^0 C) 4 cobre 0,8%(de 520^0 C a 20^0 C) 4 ligas leves 0,9%(de 420^0 C a 20^0 C) Assim, no caso do aço, para uma dimensão de 100 mm no desenho da peça, a cavidade da matriz correspondente deverá apresentar a dimensão de 101 mm
Sobremetal para usinagem
O excesso de material é função das dimensões da peça. Recomenda-se o emprego da seguinte regra:
• para peças de pequenas dimensões
(até 20 mm de diâmetro ou largura)
• para peças de dimensões médias
(entre 20 mm e 80 mm de diâmetro ou largura)
• para peças de dimensões maiores
(de 80 mm a 150 mm de diâmetro ou largura)
• para peças de dimensões maiores
(entre 150 mm e 250 mm de diâmetro ou largura)
Outros fatores que devem ser considerados
- Ângulos de saída - facilitar a retirada da peça da cavidade da matriz.
- Concordância dos cantos - eliminar possíveis falhas, em função da contração relativa ao resfriamento.
Ângulo de saída ou conicidade
• Para facilitar a retirada da peça da cavidade da matriz
• Os ângulos variam de 5^0 a 7^0 para as superfícies internas e de 7^0 a 8^0 para superfícies
externas Para fins práticos, procura-se manter constantes os valores desses ângulos, em torno de 7^0
Concordância dos cantos Podem ocorrer falhas, em função da contração que se verifica a partir da temperatura de forjamento até a temperatura ambiente Devem ser evitados cantos vivos: criam tensões, reduzem a possibilidade de transmissão de calor e, eventualmente, levam o material a fissurar até 2 a 5 mm de profundidade
Figura 11.19.
A tabela mostra a determinação dos valores de “a”, “a 1 ” e “H”, a partir do conhecimento da média das alturas das impressões. Deve-se salientar que, prevendo-se “n” recuperações de matrizes, soma-se nx25 aos valores tabelados de “H”.
Determinação dos valores de “a”, “a 1 ” e “H”. h médio (mm) a (mm) a 1 (mm) H (mm) 6 12 10 100 10 20 16 100 16 32 25 125 25 40 32 160 40 56 40 200 63 80 56 250 100 112 80 320 125 130 100 360 160 160 112 400
Recuperação de matrizes O tipo mais usado consiste na usinagem da matriz com o subseqüente aprofundamento de impressões (figura 11.22).
Lay-out de impressão A figura 11.23 mostra a representação esquemática da secção transversal de uma matriz de forjamento com as respectivas impressões.
Figura 11.22. Recuperação de matrizes.
Figura 11.23. Matriz de forjamento com as respectivas impressões.
A figura 11.24 mostra as configurações possíveis para bacias de rebarba. Razão para o uso de bacias de rebarba Imprecisões no cálculo de rebarbas.
11.5.6. Representação esquemática do corte de uma rebarba Observa-se a ação direta de um punção, sobre a peça apoiada numa matriz de corte.
11.5.7. Dimensionamento geométrico de pré-formas. Importância do bom dimensionamento da pré-forma: proporcionar um fluxo uniforme e suave de material na matriz, conferindo: − maior vida útil para a matriz; − melhor acabamento superficial para o forjado. Método (observe a figura 11.26.):
- Desenhar a peça em duas vistas (uma delas deve ser o plano da rebarba, a outra perpendicular a este plano), em escala e tamanho natural.
- Estimar o tamanho da rebarba.
- Traçar planos perpendiculares ao plano da rebarba, interseccionando a peça pelo menos em suas descontinuidades (quanto mais planos, melhor).
- Calcular a área correspondente à intersecção de cada plano, lançando os valores no gráfico de áreas.
Figura 11.24. Bacias de rebarba: as configurações (a) e (b) são usadas para peças simples, onde a certeza no cáculo da rebarba é maior (matrizes mais baratas); a configuração (c) é usada para peças mais complexas.
Figura 11.25.
Extrusão combinada: o escoamento do material verifica-se no mesmo sentido e também no sentido oposto ao do movimento do punção; o processo destina-se à produção de peças com rebordos e rebaixos (figura 11.29.).
Extrusão transversal: o material é forçado a escoar predominantemente na direção transversal à do movimento do punção (figura 11.30).
Extrusão por impacto: − processo usado na fabricação de peças ocas de espessura de parede e comprimento diminutos (por exemplo, tubos para pasta de dente); − um disco metálico (com o mesmo volume do tubo que se deseja obter) é colocado sobre a matriz (a operação se dá a um só golpe da máquina, em velocidade elevada); − empregada principalmente para metais não-ferrosos dúcteis (como por exemplo, Pb, Sn, Zn e Al).
11.7.2. Cálculo de força e potência na extrusão [4].
Razão de extrusão: A 1
A
R = o
A 0 área da secção transversal do tarugo; A 1 área da secção transversal do produto. Constância de volume: V 0 = V 1 = V
V volume de material num instante qualquer;
Figura 11.29. Extrusão combinada: (a) antes da conformação, (b)durante a conformação.
Figura 11.30. Extrusão transversal: (a) antes da conformação, (b)durante a conformação.
V 0 volume do tarugo; V 1 volume do produto.
Relação de velocidades: R
v v (^) e = p
Vp velocidade do produto; Ve velocidade do punção.
Cálculo de força e potência na extrusão direta. Fe = Fd + Ffb + F ff
Fe força de extrusão; Fd força de deformação; Ffb força de atrito tarugo/recipiente; Fff força de atrito punção/recipiente. Fff é desprezível, logo: Fe = Fd + Ffb
Utilizando pressões: Pe = Pd + Pfb sendo que Fe = Pe ⋅ Ao =(^ Pd + Pfb )^ ⋅ Ao.
D
L
P (^) fb i
L = L(t) comprimento do tarugo em extrusão; D diâmetro do tarugo;
τ i = σ e ⋅ μ tensão de cisalhamento na interface tarugo/recipiente;
μ coeficiente de atrito na mesma interface; σe tensão de escoamento do material (constante no processo a quente; função da deformação no processo a frio). Para o cálculo de Pd, vários métodos foram desenvolvidos. A seguir destacaremos alguns.
Método de Sachs.
σ ( R ) onde B μ ctg α B
B
Pd (^) e − B = ⋅
α ângulo de inclinação na passagem do material pelo orifício de saída (ângulo da matriz). Comentários: − é o método mais usual; − é muito empegado também em trefilação.
Teoria das linhas de deslizamento.
Pd =σ e ( 0 , 8 + 1 , 5 ⋅ln R )válida para extrusão simétrica.
Método de DePierre.
Pd =σ e ( a + b ⋅ln R ) +τ i ⋅ ctg α⋅ln R (semi-empírica).
Figura 11.31.
