estampagem transparencias, Notas de estudo de Mecatrônica
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estampagem transparencias, Notas de estudo de Mecatrônica

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PMR2200 Estampagem, Manufatura Mecânica
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A:\PMR 2202 Projeto 2 Estampagem 2003.prn.pdf

PMR 2202 – Introdução a Manufatura Mecânica Prof. Gilmar Ferreira Batalha

Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos – PMR EPUSP 1

PMR 2202 – Projeto 2 - Estampagem

Os ensaios de fabricação avaliam características intrínsecas do material em produção. Geralmente processos de conformação mecânica de materiais metálicos

exigem o conhecimento do comportamento do material durante processamento, para

que se obtenha sucesso no mesmo. Os tipos mais comuns de materiais a serem

conformados são fitas ou chapas finas para estampagem, ou barras e placas para

dobramento de um determinado produto final.

Os ensaios de fabricação procuram avaliar as condições de conformação que

evitem defeitos como rugas, trincas de bordas (no caso da estampagem de copos), entre

outros. E também são úteis para determinar os esforços envolvidos entre a ferramenta

de conformação e o material de trabalho nas diferentes situações existentes em um

processo (vide figura 1). No caso de dobramento, ensaios são muito importantes na

determinação do retorno de curvatura devido às deformações elásticas do material,

permitindo obter-se valores físicos precisos sobre o ajuste necessário ao ângulo para o

qual uma determinada curva seja obtida. Enfim, estes ensaios são amplamente

aplicados na indústria de produtos que utilizam a conformação plástica como meio de

processamento.

Figura 1: Esboço dos principais ensaios de fabricação, onde (A) e (C) são ensaios de

embutimento, e (B) e (D) de dobramento.

O objetivo dos ensaios estudados até o momento é verificar o comportamento de

materiais sujeitos a esforços específicos e os limites físicos destes tipos de esforços na

estrutura e estabilidade destes materiais. Além disso, os ensaios permitem determinar

características mecânicas inerentes ao material como módulo de elasticidade, tensões

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limite de tração e compressão, dureza superficial, vida e limite de resistência à fadiga

entre outros.

Os ensaios de fabricação já objetivam determinar comportamento dos materiais

envolvidos diretamente na fabricação, nos processos que envolvem a conformação

mecânica de chapas, tubos entre outros materiais metálicos. Seus resultados permitem

determinar ou alterar os processos e seus equipamentos envolvidos. Os processos de

fabricação visam conferir à peça a forma e dimensões finais antes de sua aplicação

direta nos fins para os quais foi projetada.

Ensaio de embutimento

O ensaio de embutimento tem como objetivo avaliar a estampabilidade de chapas

e/ou tiras metálicas, relacionando características mecânicas e estruturais da peça com as

máximas deformações possíveis de ser realizadas sem que ocorra ruptura [ASTM E643-

84]. Existem diversos tipos de ensaio para essa forma de avaliação, descritos em

seguida e esquematizados na figura 2.

• Ensaio Erichsen: consiste na deformação de uma tira metálica (blank, corpo-de-

prova) presa em uma matriz com um punção na forma esférica. Mede-se a máxima

penetração do punção para a qual não tenha ocorrido a ruptura da tira;

• Ensaio Olsen: é semelhante ao ensaio Erichsen, com algumas alterações nas

dimensões do equipamento;

• Ensaio Swift: consiste na deformação de um disco metálico (blank) preso em

uma matriz com um punção na forma cilíndrica. Nesse caso, o resultado é obtido por

meio da relação entre o diâmetro máximo do disco e o diâmetro do punção que

provoca a ruptura da peça. Desse modo, esse método de ensaio exige a utilização de

diversos corpos-de-prova, sendo muito utilizado para análise de casos de

estampagem profunda (deep.drawing).

• Ensaio Fukui: este tipo de ensaio consiste em conformar um disco metálico

como um cone com vértice esférico. Exige a utilização de diversos corpos-de-prova,

e é usado também para análise de estampagem profunda.

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Figura 2: esquemas dos tipos de ensaio de embutimento.

Estampagem profunda ou Ensaio Swift

Na estampagem profunda, um disco metálico (blank) é colocado sobre uma matriz e

é comprimido para o seu interior através de um punção, geralmente de forma cilíndrica.

O objetivo da análise da estampagem profunda é determinar as relações geométricas

entre o máximo diâmetro do disco e o mínimo diâmetro do punção possível para se

conformar um copo cilíndrico sem que ocorra ruptura ou falhas superficiais. A figura 3

mostra um esboço do ensaio Swift.

Figura 3: Ensaio de estampagem profunda (Swift).

Ao longo do processo de estampagem, o blank é submetido a diferentes tipos de

deformação, até atingir a forma final, conforme pode ser observado na figura 4.

Na conformação, à medida que o punção avança sobre o blank, o metal em contato

com o punção, acomoda-se em torno do seu perfil, reduzindo a espessura da chapa. Essa

região, que será o fundo do copo após a conformação, estará sujeita a um estado biaxial

(radial) de tensões de tração, conforme ilustra a figura 4E.

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O metal situado ao redor da base do punção é deformado radialmente para o interior

da matriz, reduzindo assim, seu diâmetro original Db até o diâmetro de conformação,

que corresponde ao do punção Dp. Assim, o metal sofre esforços de compressão na

direção circunferencial, e tração na direção radial (vide figura 4A). Nesta região é

necessário cuidado para que não haja enrugamento na borda da peça, o que é feito por

um sistema de pressão no anel de fixação. Se ocorrer enrugamento, as rugas serão

transmitidas da borda para o interior da matriz, o que pode formar e propagar trincas,

rompendo a lateral do copo. À medida que o material caminha em direção à matriz, ele

é dobrado e depois desdobrado devido ao esforço trativo que ocorre na lateral do copo

(figura 4B). Nesta região ocorre deformação plana; além disso, em geral, essa região é

responsável pela homogeneização da espessura da parede pelo estiramento uniforme,

conforme ilustra a figura 4C. Além de todos os esforços representados na figura 4, deve

se considerar ainda o efeito do atrito que ocorre entre o blank e o punção, ou e a matriz.

Na região de formação do copo no interior da matriz, empregam-se comumente

folgas da ordem de 10 a 20% da espessura do blank, além da utilização de lubrificação

especificada em norma.

A força total do punção para a deformação completa do copo corresponde á

somatória de todos os esforços envolvidos na deformação da peça, inclusive o atrito. O

esforço para deformação ideal aumenta continuamente devido ao efeito do encruamento

na conformação plástica. A força global de atrito é basicamente composta pelo atrito

entre o blank e o anel fixador, na borda do copo, que parte de um pico de esforço (atrito

estático para o atrito dinâmico) e diminui continuamente devido à diminuição da área de

material sob o anel de fixação. Caso não exista folga entre punção/blank/matriz, o

atrito deve se estabilizar em um valor mínimo diferente de zero. A uniformização da

espessura da parede ocorre ao final de processo, após toda a área do blank estar contida

no interior da matriz. A figura 5 ilustra um esboço dos esforços envolvidos na

estampagem e a força global do punção.

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Figura 4: tipos de deformação que ocorrem na estampagem profunda.

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Figura 5 : tipos de esforços envolvidos na estampagem profunda.

Segundo estudos teóricos, a carga total do punção pode ser aproximada pela

seguinte equação:

( ) B D D

F D D

tDF p

a p

pp + 

  ⋅⋅

  

  

 

 

   

   

 ⋅⋅⋅+

 

   

 ⋅⋅⋅⋅⋅= 2exp2ln1,1

00 0

πµµσπ (1)

onde:

Fp = carga total no punção (N);

Dp = diâmetro do punção (mm);

t = espessura do blank (mm);

σo = Tensão de escoamento média do blank (MPa);

D0 = diâmetro inicial do blank (mm);

µ = coeficiente de atrito;

Fa = força do anel fixador (prensa chapas) (N);

B = esforço gasto para dobrar e endireitar o blank (N).

A estampabilidade de um material corresponde à razão entre o diâmetro inicial do

blank D0, e o diâmetro do copo estampado, ou Dp, Como se observa na figura 6. Deve-

se observar que existe um diâmetro mínimo de copo possível de ser conformado em

uma etapa única, ou seja, sem nenhum processo de recozimento ou recuperação e sem

que ocorra ruptura.

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Estudos teóricos mostram que o diâmetro mínimo possível de ser conformado, é

dado aproximadamente por:

( )η−⋅≅ exp0DDp (2)

onde η corresponde à eficiência do processo, considerando as perdas por atrito,

sendo 0 < η < 1.

Figura 6: Blank e peça após a estampagem.

Exemplo 1:

Para um blank com 150 mm de diâmetro e η = 0,8, tem-se que o mínimo diâmetro

do copo será de 67 mm, independente da ductilidade que o material apresentar. Dessa

forma, caso deseje um copo com altura muito superior ao seu diâmetro, deve-se realizar

diversas etapas de estampagem, sendo que entre elas será necessário recozer o material

pré-conformado.

BIBLIOGRAFIA: Livro texto

KALPAKJIAN, S. & SCHMIDT – Manufacturing Engineering and Technology 4th ed.

Ed. Prentice Hall – capitulo 16 – item 16-8 e 16.9 – pp. 416-420.

GARCIA, A. et al. – Ensaio de Materiais

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Alem das instruções do primeiro texto, no relatório do experimento, deverão constar

as seguintes informações :

- tipo de material

- espessura do blank

- método de determinação do fim do ensaio

- numero de elementos do ensaio

- tipo de lubrificação usado

- método de avanço do punção (constante ou proporcional)

- variação da força no punção (se for um parâmetro conhecido)

Para maiores detalhes ver livro texto.

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