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PROCESSOS DE ESTAMPAGEM
1. Introdução
Por estampagem entende-se o processo de fabricação de peças, através do corte ou deformação de chapas em operação de prensagem a frio. Emprega-se a estampagem de chapas para fabricar-se peças com paredes finas feitas de chapa ou fita de diversos metais e ligas. As operações de estampagem podem ser resumidas em três básicas: corte, dobramento e embutimento ou repuxo.
A estampagem da chapa pode ser simples, quando se executa uma só operação, ou combinada. Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricam-se peças de aço baixo carbono, aços inoxidáveis, alumínio, cobre e de diferentes ligas não ferrosas. Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para as grandes séries de peças, obtendo-se grandes vantagens, tais como:
- Alta produção
- Reduzido custo por peça
- Acabamento bom, não necessitando processamento posterior.
- Maior resistência das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material.
- Baixo custo de controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a detecção de desvios.
Como principal desvantagem deste processo, podemos destacar o alto custo do ferramental , que só pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada.
2. Operações de estampagem
- Corte: Consiste em separar-se de uma chapa, mediante golpe de prensa, uma porção de material com contorno determinado, utilizando-se ferramental apropriado denominado estampo de corte
- Dobra: Como seu nome indica, consiste em obter uma peça formada por uma ou mais dobras de uma chapa plana. Para isto, é utilizada uma ferramenta denominada estampo de dobra.
- Embutimento ou repuxo: Esta operação tem como finalidade obter peças em forma de recipientes, como canecas, caixas e tubos; obtidas pela deformação da chapa, a golpes de prensa e empregando ferramental especial denominado estampo de repuxo.
3. Nomenclatura básica da ferramenta de estampagem
corte repuxo
dobramento
- Punção : é o elemento da ferramenta que provoca a perfuração através de movimento e força transmitidos pela prensa.
- Matriz : é o elemento da ferramenta que fica fixo na base da prensa e sob o qual se apóia a chapa.
- Folga : é o espaço existente entre o punção e a matriz na parte paralela de corte.
- Alívio de ferramenta : é o ângulo dado à matriz, após a parte paralela de corte, para permitir o escape fácil da parte cortada.
4. Operações de corte
As operações de corte de chapas de metal são obtidas através de forças de cisalhamento aplicadas na chapa pêlos dois cantos da ferramenta criando tensões internas que, ultrapassando o limite de resistência ao cisalhamento do material, provocam a ruptura e finalmente a separação.
O corte é realizado fundamentalmente em três etapas:
a) Deformação plástica b) Redução de área c) Fratura Quando o punção pressiona a chapa, o material começa a deformar-se até que o limite elástico seja ultrapassado, então o material deforma-se plasticamente e penetra na matriz, formando uma calota na parte inferior. Com a manutenção da aplicação da força pelo punção, o metal continua a penetrar na matriz, reduzindo a área na região do corte (extricção).
colunas guias
punção
matriz
guia
extrator
porta-punção
Na falta do valor exato Ks pode ser tomado como sendo 0,8 da tensão de ruptura à tração do material.
Metal. Ks (Kgf/mm2) recozido
Ks (Kgf/mm2) encruado Aço, 0,1%C 24 32 Aço, 0,2%. 30 40 Aço, 0,3%. 36 48 Aço, 0,4% 45 56 Aço, 0,6% 55 72 Aço, 0,8% 70 90 Aço, inoxidável 50 56 Alumínio 99 e 99,5 7 a 9 13 a 16 Prata e Monel (liga de níquel) 28 a 36 45 a 56 Bronze 33 a 40 40 a 60 Cobre 18 a 22 25 a 30 Estanho 03 04 Zinco 12 20 Chumbo 02 03
4.3.Força de sujeição
Algumas vezes a tira a ser cortada fica presa através de um sujeitador ou prensa- chapa ligado ao mecanismo do punção e acionado pela pressão dada por molas. Podemos considerar que, para condições médias de folga e afiação das ferramentas, o esforço de sujeição varia de 5 a 12% do esforço de corte e na prática, quando não se conhece o valor exato, utiliza-se 10%. Assim, nesse caso, a força total de corte será igual a 1,1.Fc
4.4. Redução da força de corte
Muitas vezes é interessante procurar-se diminuir o esforço de corte, com o intuito de minimizar a necessidade de grandes prensas. Isto pode ser feito através de um ângulo no punção ou na matriz, de maneira a diminuir a área de resistência ao corte. A redução do esforço de corte pode ser demonstrada conforme segue:
O trabalho requerido para cortar uma chapa de metal pode ser calculado pela fórmula básica: Trabalho = Força x distância em que a forca atua
sujeitador com molas
No caso do punção de face reta, à distância percorrida pelo punção para executar o corte será igual à espessura da chapa (e). Portanto: Tc 1 = Fc 1 x e
No caso do punção de face angular à distância percorrida pelo punção para executar o corte completo será igual a (e + c), conforme desenho Assim: Tc 2 = Fc 2 x (e + c)
Como o trabalho para executar o mesmo corte não varia, (Tc1 = Tc2) e como a distância percorrida pelo punção com face angular é maior, para manter-se a igualdade, a força de corte, neste caso, necessariamente, terá que ser menor. Tc 1 = Fc 1 x e Tc 2 = Fc 2 x (e + c)
Tc1 = Tc2 (e + c) > e Portanto: Fc 2 < Fc 1 O ângulo de inclinação dado na face do punção não deve ultrapassar a 18 graus.
4.5. Exercícios de aplicação
a) Desejamos cortar,simultaneamente,dez discos de 30 mm de diâmetro, em chapa de aço carbono para estampagem, com 0,1% C, de 2 mm de espessura. Calcular o valor da força total de corte.
Solução : Fc = e x L x Ks × 10
L = π × d da tabela Ks = 24 Kgf/mm
Assim: Fc^ = 2 × π× 30 × 24 × 10 =^45240 kgf
b) No problema anterior, calcular o ângulo que deveria ter a face do punção para que pudéssemos cortar 10 discos, simultaneamente, usando-se uma prensa de 30t f. Solução:
Tc 1 = Fc 1 × e = 45240 × 2 = 90480 kgf. mm
Tc 2 = Fc 2 × (^) ( e + c )
Tc 1 = Tc 2 = 90480 Fc 2 = 30000 kgf
Portanto: 90480 = 30000 × (^) ( 2 + c ). Assim: c = 1 02,
Portanto: tg α = = tg = ⇒ α= ′
4.6. Estudo do "layout" para o melhor aproveitamento das chapas
Podemos obter uma importante economia de material, particularmente quando se tratar de grandes séries de peças, se estudarmos, cuidadosamente, a posição que deve ocupar a peça na tira de chapa. Além do aspecto relativo à redução de retalhos e sobras em geral, muitas vezes é importante considerar-se também o sentido de laminação da chapa, para obter-se uma resistência mecânica adequada da peça. Um bom arranjo da peça na tira também pode contribuir para um aumento de produtividade, bom acabamento das peças, ao mesmo tempo que pode propiciar o uso de ferramentas mais simples. Para termos a melhor disposição possível da peça na tira devemos seguir as seguintes regras:
A separação que deve deixar-se entre peças ou entre essas e as bordas da tira varia de acordo com a espessura da chapa e o formato da peça. É importante observar que o retalho de chapa deve manter sempre a rigidez, pois caso contrário haverá problemas de posicionamento da tira na ferramenta com conseqüentes interferências, produtos incompletos, engripamentos da ferramenta, etc. Normalmente adotam-se como distanciamentos mínimos os que se seguem:
α
A disposição invertida exige que a tira do metal passe duas vezes pela mesma ferramenta, sendo que da segunda vez a tira deve ser invertida. Outra alternativa é dispor de uma ferramenta equipada com dois punções, para corte simultâneo das duas peças. Essa solução acarretará aumento no preço da ferramenta e na exigência de prensas mais potentes para execução do corte.
Para descobrir-se qual a melhor disposição para determinada peça, o método mais prático, se não tivermos acesso a um software adequado, é o de recortar-se modelos da peça em cartolina e distribuí-los de várias formas sobre papel milimetrado, até encontrar-se a disposição que seja a mais econômica.
Para tanto devemos considerar: área efetiva ocupada pela peça, perdas nos extremos da tira, custo da ferramenta, produtividade, etc. Em determinados casos pode ser altamente vantajoso alterar-se o desenho da peça de forma a melhorar-se substancialmente o aproveitamento da tira. Veja o exemplo ao lado, onde uma pequena alteração, que não influiu na aplicação da peça resultou numa melhor utilização da chapa.
Outras vezes, as peças são mais complexas e há necessidade de operações sucessivas para obtenção da peça. Aí também um bom estudo de layout pode levar a uma economia expressiva de material, conforme mostra o exemplo ao lado. Repare que a peça 1 está sendo produzida a partir do retalho da peça 2.
4.7. Exercícios de aplicação
a) Calcular qual das disposições: Paralela, oblíqua ou invertida apresenta o melhor aproveitamento da tira de chapa (menor área ocupada), para a fabricação da peça abaixo.
Disposição paralela
P mm
L mm
A mm
= × =
2
5.1. Características da operação de dobramento
Como todo material submetido à flexão, a chapa dobrada é solicitada por tração no lado externo da dobra e por compressão no lado interno, caracterizando o estado duplo de tensão. Assim sendo, as tensões a que está sujeito o material são decrescentes das faces externas em direção ao núcleo da peça e, como as mesmas são de sentido inverso haverá uma linha onde essas tensões se anulam, que é chamada de linha neutra (L.N.).
Esta linha é importante na operação de dobramento, pois como aí a tensão é zero ela não sofre alteração de comprimento durante a deformação, o que não acontece com as partes que estão sendo tracionadas e comprimidas que, aumentam ou diminuem de comprimento, respectivamente, após a operação. É através da linha neutra que se calculam as dimensões do desenvolvimento (“blank”), ou seja, da tira antes do dobramento. Quando se inicia o dobramento, a linha neutra está localizada no centro da espessura da tira e, conforme operação vai sendo executada, sua tendência é deslocar-se em direção ao lado interno da curvatura (lado da compressão).
5.2. Determinação da posição da linha neutra (LN).
Como valores práticos para localização da LN,em função da espessura da chapa, podemos citar:
espessura da chapa (e) posição em relação ao lado interno da dobra
até 2 mm 1 2. e
acima de 2 mm até 4 mm 3 7. e
acima de 4 mm 1 3. e
- Determinação experimental da linha neutra:
Para determinação exata da posição da LN, é necessário fazer-se o dobramento de uma tira de chapa, de comprimento L e espessura e conhecidos, com um raio r de dobramento desejado, como mostra a figura abaixo.
l
L
R
h
e
Assim teremos L a
R
b
onde a l e r b h e r
R raio na L N
Multiplicando a expressão por 2 vem:
2 L = 2 a + π R + 2 b
( )
R
2 L a b
Chamando-se à distância da linha neutra à face interna da dobra de x , vem:
(^ )
R r x x R r x
L l h
= + ⇒ = − ⇒ = r
Determinar a distância entre a LN e a face interna da dobra de uma tira de aço de 100 x 20 x 3 mm, que uma vez dobrada, ficará com as dimensões indicadas a seguir:
a
R
b
onde a b
R raio na L N
( )
R
x R r assim
( )
x = mm
5.3. Cálculo do desenvolvimento
Para obter-se uma peça dobrada temos que partir de um esboço plano, cortado com dimensões adequadas, denominado desenvolvimento da peça. Este desenvolvimento é calculado, baseado na linha neutra da peça, pois essa não muda de comprimento após a deformação da chapa. Assim, para o cálculo do desenvolvimento, basta determinar o comprimento da mesma.
Calcular o desenvolvimento da peça desenhada a seguir, construída em chapa de 2 mm de espessura.
Como a espessura da chapa é de 2 mm, podemos considerar a LN no centro da chapa (LN = 1/2.e)
5.6. Retorno elástico ( Spring back )
No dobramento sempre deve ser levado em conta o fato que, após cessado o esforço do punção sobre o material, haverá um certo retorno da peça dobrada, ficando a dobra com um ângulo maior que o obtido no momento da pressão da ferramenta. Esse retorno é devido à componente elástica do material, pois a deformação plástica permanente é conseguida apenas nas fibras mais externas do material, permanecendo às próximas à linha neutra no estado elástico. O ângulo de retorno depende, principalmente, do material, de sua espessura e do raio de curvatura Normalmente ele varia de 1°a 10° e, para ter-se uma idéia de seu valor, convém realizar-se um ensaio prévio de dobra. Portanto, as ferramentas de dobra devem ser feitas com ângulo que compensem esse retorno. Nos dobramentos de perfis "U" o fundo é feito levemente côncavo para compensar a ação elástica do material.
5.7. Folga entre punção e matriz
A folga entre o punção e a matriz deve ser igual à espessura da chapa, a menos que a chapa vá ser submetida a um efeito de cunhagem, o que aumentará significativamente as forças necessárias para o dobramento. Como a espessura da chapa pode variar dentro das tolerâncias de usina, isto deve ser considerado no dimensionamento da folga. Normalmente costuma- se acrescentar 10% da espessura para compensar essas tolerâncias. Usando-se esse critério a folga será igual a 1,1 e
5.8. Força de dobramento
Para o cálculo da força necessária para realizar-se um dobramento é preciso saber como será realizado o mesmo pois, conforme o desenho da ferramenta, haverá uma variação nessa força. Assim sendo apresentaremos três tipos básicos de dobramento mostrando o roteiro que deve ser seguido para determinação dessa força. Para qualquer outro tipo de dobramento não analisado aqui, o roteiro a ser seguido é o mesmo. O cálculo da força de dobramento é feito baseado nos carregamentos padrões de uma viga, conforme visto em resistência dos materiais. Assim, para calcularmos a força de dobramento devemos associar o tipo de dobramento com um correspondente carregamento de uma viga. A seguir mostramos o cálculo da força de dobramento (FD ) para dobras em "V", "L" e "U".
Dobramento em "V"
Da resistência dos materiais vem: Mfmax
Fd l Fd l
= × =
×
Onde:
Mfmax = momento fletor máximo Fd = força de dobramento
l = comprimento livre entre apoios na matriz.
Por outro lado sabemos também que: Mf = W .σ f
Onde:
W = módulo de resistência, que depende do formato da seção que está sendo dobrada.
σ f = tensão de flexão do material, considerada normalmente como sendo duas vezes a tensão de
ruptura à tração do material.
Para o caso de seções retangulares, como a de uma chapa: W
b e
2
, onde:
b = largura da tira e = espessura da tira
Substituindo, temos: Mf
b e
= f
2
Igualando-se teremos:
Fd l b e
f
2
= σ Portanto: Fd
b e f
l
2
Dobramento em "L"
Da resistência dos materiais vem:
Mfmax = Fd l.
Onde: l =comprimento livre entre o punção e o engastamento da tira na matriz.
Da mesma forma que no exemplo anterior temos:
Mf = W .σ f e, para tiras de chapas: W
b e
Portanto: Mf
b e
= f
2
Igualando-se teremos: Fd l
b e
. f
2
σ Portanto: Fd
b e f
l
2
Quando l = e vem: Fd
b e f
6. Operação de embutimento ou repuxo
6.1. Introdução
A operação de repuxar consiste em obter-se um sólido, de forma qualquer, partindo-se de um desenvolvimento de uma chapa plana. O estudo do fluxo do metal nesta operação é bastante complexo, pois aparecem estados duplos e triplos de tensão. As possibilidades de repuxar começam no limite elástico e terminam um pouco antes do limite de ruptura. Portanto, quanto maior for a diferença entre o limite elástico e o de ruptura, maiores serão as possibilidades de repuxar determinado aço. A chapa de aço para operações de repuxar deve ter um limite elástico bastante baixo (18 a
21 kgf / mm^2 ) uma carga de ruptura a mais elevada possível (35 a 42 kgf / mm^2 ), com um coeficiente de alongamento em torno de 33 a 45%. Nesta operação, ao contrário das precedentes, praticamente todo o volume da peça sofre tensões e é encruado, exceto o fundo da peça, que serviu de apoio à face do punção. De forma geral, o encruamento melhora a qualidade do produto acabado. Por exemplo, partes de carroceria de automóvel, onde são feitas deformações com a finalidade específica de encruar a chapa, aumentando a resistência a rupturas, a deformações. Por outro lado, encruamentos excessivos devem ser evitados, pois isso tornará a peça frágil.
A figura acima mostra as tensões a que está sujeita uma peça repuxada. Enquanto as paredes verticais estão sendo tracionadas, a área plana do desenvolvimento está tendo sua circunferência reduzida através da atuação de forças de compressão. Como, geralmente, a chapa é fina, as forças de compressão tendem a flambar a chapa na zona plana, o que origina ondulações e rugas nesta área. Para evitar-se este fenômeno utilizam-se prensa-chapas, o que implica no aparecimento de forças de atrito entre este e a chapa que está sendo repuxada.
6.2. Determinação do desenvolvimento de uma peça embutida
Para esta determinação é necessário conhecer-se tanto o formato como as dimensões do desenvolvimento. Para peças de seção circular sabe-se que o formato do desenvolvimento é um círculo. Caso contrário, sua determinação nem sempre é fácil, exigindo cálculos por computador ou sendo muitas vezes calculado por aproximação ou de forma experimental. As dimensões do desenvolvimento, são calculadas baseado na igualdade das áreas superficiais do desenvolvimento e da peça. Como a espessura da chapa praticamente não varia e o volume do material permanece constante durante o processo, podemos concluir que a área da superfície da peça é igual a do desenvolvimento.
Assim temos: S peça = S desenvolvimento
Para o cálculo da área da superfície da peça repuxada devem ser utilizadas as dimensões na linha neutra, como visto para a operação de dobramento.
6.3. Exemplos de aplicação para peça com seções circulares
a )Calcular o desenvolvimento da seguinte peça: Solução: Desprezando-se o raio de curvatura, a área da superfície da peça vale:
Sp
d
= + dh
2
Como a peça tem seção circular o seu desenvolvimento é um círculo de diâmetro D.
Assim: Sd
D
2
Igualando-se as áreas teremos:
D d
dh
2 2
Portanto: D = d + dh
2
b) Calcular o desenvolvimento da seguinte peça:
- Solução: Para a determinação das áreas de superfícies complexas devemos decompô-las em uma série de áreas simples. Assim, para a peça do problema teremos:
S
r d
1 r mm
2 2
2 2 2
S 2 d h 60 40 7539 82 mm
2
S 3 2 r 2 30 5654 86 mm
2 2 2
Sp = S 1 + S 2 + S 3 = 1570 10 + 7539 82 + 5654 86 =14764 78 mm
2
Como a peça tem seções circulares, seu desenvolvimento será um círculo
Assim: Sd
D
= = mm ⇒ D = mm
×
2 2
A seguir são dadas algumas áreas de superfície
As concordâncias necessárias para evitar-se cantos vivos, que ocasionariam defeitos nas peças são feitas sem alteração da área total do desenvolvimento, conforme mostra o croqui abaixo.
6.6. Força de embutimento
Não é fácil calcular o esforço necessário para a operação de embutimento de uma peça, pois são muitos os fatores que interferem, tais como: tipo de material, espessura da chapa, profundidade do embutimento, raios da matriz e do punção, acabamento superficial dos mesmos, lubrificação, etc. Porém, é certo que a força de embutimento deve ser menor que a necessária para o corte do fundo da peça. Assim, praticamente, podemos dizer que a força de embutimento (Fé) pode ser obtida multiplicando- se a força de corte (Fc) por um coeficiente m , menor que 1, tabelado em função da relação d/D.
Portanto, para corpos cilíndricos teremos: w ′ ≅ w
Chapas de aço para repuxo profundo d/D m 0,55 1, 0,575 0, 0,60 0, 0,65 0, 0,70 0, 0,75 0, 0,80 0,
6.5. Embutimento progressivo
Quando a peça a ser embutida possui a altura muito grande em relação às dimensões do fundo, não é possível obtê-la em uma só operação, pois o esforço de embutimento seria tão grande que a chapa seria rompida. Para contornarmos este problema devemos recorrer ao embutimento em etapas progressivas. No caso de peças cilíndricas, a seqüência para determinação do número de etapas e dos vários diâmetros intermediários inicia-se pelo cálculo do diâmetro do desenvolvimento ( D ).
A relação entre o diâmetro da peça ( d ) e o diâmetro do desenvolvimento ( D ) é que irá determinar se a peça pode ser executada em uma única operação ou se serão necessários embutimentos intermediários. A relação d/D para que a peça possa ser obtida em uma única operação varia com a resistência à tração do material, com a espessura da chapa, com a pressão do prensa-chapa, com a força de atrito e com coeficiente de alongamento do material. É claro, também, que folgas, raios e ângulos da ferramenta, bem como seu acabamento são de fundamental importância para a operação de repuxo. Para condições médias são admitidos os fatores K1 e K2 relacionados abaixo. K1 é o fator que deve ser usado na primeira operação, quando o material ainda não sofreu qualquer encruamento e K2 é o fator que deve ser usado nas operações subseqüentes. Assim, teremos: D.K1 = d d1.K2 = d d2.K2 = d d(n-1).K2 = dn
Valores de K 1 e K 2 para repuxo progressivo Material K1 K Aço para repuxo 0,60 a 0,65 0, Aço para repuxo profundo 0,55 a 0,60 0,75 a 0, Aço inoxidável 0,50 a 0,55 0,80 a 0, Alumínio 0,53 a 0,60 0, Cobre 0,55 a 0,60 0, Latão 0,50 a 0,55 0,75 a 0, Zinco 0,65 a 0,70 0,85 a 0,
6.7. Exemplo de aplicação
Desejamos obter um recipiente cilíndrico, de aço para repuxo profundo, com 20 mm de diâmetro por 30 mm de altura (ambas as medidas feitas na linha neutra da peça). Calcular o número de embutimentos necessários e os respectivos diâmetros intermediários.
a) Cálculo do diâmetro de desenvolvimento
D = d + dh ⇒ D = + × × ⇒ D = mm
2 2
b) Cálculo da relação d/D
Sd
D = = mmD ⇒= mm
×
π π
. ,
, ,
2 2 4
1476478
14764784 13711
Como 0,38 é menor do que 0,55 há necessidade de embutimento progressivo.
c) Da tabela vem: K1 = 0,56 e K2 = 0, Assim: d1 = 0,56 x 53 = 30 mm d2 = 0,75 x 30 = 22,5 mm d3 = 0,75 x 22,5 = 17 (diâmetro mínimo)
Portanto teremos um total de três operações com d1 = 30 mm, d2 = 22,5 mm e d3 = 20 mm.
6.8. Força no prensa - chapa
A pressão do prensa-chapa é fundamental para um bom embutimento, pois a pressão quando excessiva provoca a ruptura do material e quando insuficiente favorece a formação de rugas na peça. A pressão ideal depende do material e da espessura da chapa sendo que quanto menor for a espessura maior deverá ser a pressão. De forma geral podemos tomar a força no prensa chapa como sendo 30% da força de embutimento.
