Estampagem, forjamento e extrusão

Estampagem, forjamento e extrusão

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Capítulo 1 ESTAMPAGEM, FORJAMENTO E EXTRUSÃO

1. Estampagem, forjamento e extrusão.

1.1.1. 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.

1.1.2. 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.

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.

1.2. 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.

1.2.1. 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 1.1).

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Processos de Fabricação I

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:

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.

1.2.2. Esforço necessário para o corte [12]

Figura 1.2. Esforço necessário para o corte. A equação que permite determinar o esforço para o corte é a seguinte:

Q = p.e.σc Onde:

Figura 1.1. Puncionamento de uma chapa[9].

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Q = esforço de corte ou de cisalhamento (kgf); p = perímetro da figura (m); e = espessura da chapa (m); σc = resistência do material ao cisalhamento (kgf/mm2).

Onde: σ t = resistência do material à tração (kgf/mm2).

Devem ser considerados 2 fatores: raio de curvatura e elasticidade do material. Raio de curvatura: os cantos vivos devem ser evitados, sendo aconselhável fixar raios internos (iguais ou superiores à espessura da chapa a dobrar) de modo a não estirar excessivamente a fibra externa e garantir o dobramento sem ruptura. Os raios de curvatura são considerados normalmente:

− de 1 a 2 vezes a espessura, para materiais dúcteis;

− de 3 a 4 vezes a espessura, para materiais mais duros.

Elasticidade: concluída a ação deformante que origina o dobrado, a peça tende a retornar à sua forma primitiva (tendência tanto maior quanto mais duro for o material da chapa); no projeto dos estampos é previsto um ângulo mais acentuado a fim de assegurar que, uma vez cessada a pressão, a peça exiba o ângulo desejado.

1.2.4. Descrição de um estampo para dobrar.

Estampos para dobrar: ferramentas especiais mediante as quais se realiza o dobramento de peças de chapa.

A figura 1.3 mostra um estampo de dobrar, compondo-se de duas partes essenciais: uma superior (A) e uma inferior (B) que correspondem ao punção e à matriz, respectivamente, no estampo de cortar.

1.2.5. Esforço necessário para o dobramento [12]

Suponha-se uma chapa metálica colocada sobre uma matriz de dobramento e sujeita ao esforço de dobramento, conforme ilustra a figura abaixo.

Figura 1.3. Estambo de dobrar.

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Figura 1.4. Esforço necessário para o dobramento. A expressão que permite determinar o esforço de dobramento é a seguinte:

l ebP f .3

Onde:

P = força necessária para o dobramento (kgf); b = largura da chapa (m); e = espessura da chapa (m); l = largura entre os apoios (m); σf = tensão de flexão necessária para obter a deformação permanente (kgf/mm2).

Admite-se que: σf = 2. σt

Onde: σt = limite de resistência à tração (kgf/mm2).

1.3. O processo de embutimento. Considerações gerais sobre embutimento [9].

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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 1.5 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 1.6 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.

hddDoSS DS hddS discorec o disco rec pi pi hddDoSS DS hddS discorec o disco rec

4 pi pi pi

1.4. 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 1.5. Sucessão de fases numa operação de embutimento.

Figura 1.6. Recipientes que podem ser obtidos pelo processo de embutimento.

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∗ Alterando adequadamente os contornos da peça (sem alterar as suas características), pode-se obter uma disposição favorável.

A figura 1.7 mostra exemplos de disposições de figuras que visam alcançar a máxima economia de material.

Na figura 1.7., observa-se que a disposição “a” requer 38x50=1900mm2 , enquanto

Deve-se observar que a distância entre cortes de duas peças vizinhas não deve ser demasiadamente pequena, ficando em torno de uma vez o valor da espessura da chapa.

Tendência atual: valorizar muito o forjamento a frio. O processo em questão apresenta as seguintes vantagens:

− melhor tolerância dimensional (não ocorrem problemas de dilatação, nem oxidação);

− melhor microestrutura (mais refinada, possibilitando melhores propriedades mecânicas), a qual pode, inclusive, ser ajustada por meio de tratamentos térmicos posteriores;

− menor consumo de energia;

− economia de material. Todavia, o processo possui algumas desvantagens:

− requer mais força;

− problemas de encruamento (fragilização do material).

Uma técnica que também vem sendo muito empregada é a do forjamento isotérmico: matrizes e tarugos estão à mesma temperatura, não ocorrendo choques térmicos.

Figura 1.7. Figura 1.8. Diferença de espaço requerida. Disposição (a) e disposição (b).

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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 1.9): − 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 1.10): − 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 1.1).

Figura 1.9. Representação esquemática do forjamento livre: (a) início do processo; (b) processo em curso.

Figura 1.10. Representação esquemática do forjamento em matriz fechada: (a) início do processo; (b) processo em curso.

Figura 1.1. Comparação de custos: forjamento livre x forjamento em matriz

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1.5.1. 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 1.12 ilustra as dimensões características de rebarba, sendo s (m) a espessura e b (m) a largura da rebarba.

Parte-se de uma geratriz, ocorrendo três tipos de movimento (ver figura 1.13).

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 1.14.

A espessura da rebarba pode ser calculada por intermédio da seguinte expressão:

Figura 1.12. Dimensões características da rebarba.

Figura 1.13. Tipos de movimento no forjamento em matriz fechada Figura 1.14. Pré-forma para uma peça simples.

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Processos de Fabricação I pAs015,0=onde Ap (mm2)é a área da peça (sem rebarba) projetada no plano da rebarba.

A espessura da rebarba pode também ser determinada através da tabela abaixo, a qual permite o completo dimensionamento de rebarbas (obtenção de “s” e “b”) a partir do conhecimento do valor de “Ap”.

Dimensionamento de rebarbas (obtenção de “s” e “b”) b/sAp (m2)s (m) Recalque Alargamento Ascenção

1.5.2. Escolha da linha de rebarba. Deve-se procurar adotar uma linha contida num plano que seja de simetria e que permita uma fácil rebarbação (perímetro mais externo possível), conforme a figura 1.15.

1.5.3. O volume da geratriz (Vg). O volume da geratriz (Vg, m) deve considerar as seguintes parcelas:

− volume da peça (Vp, m);

− volume da rebarba (Vr, m); − perdas por oxidação (5% do volume da geratriz).

Assim:

prg sendo:

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Processos de Fabricação I onde p (m) é o perímetro médio entre as linhas externas da peça e da rebarba, conforme ilustra a figura 1.16.

1.5.4. 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.

1.5.4.1. Comparação entre as resistências à deformação em marteletes (equipamentos de força dinâmica) e prensas (equipamentos de força estática).

- 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.

1.5.4.2. Cálculo da força e trabalho.

eqdRVT ϕ⋅⋅= Resistência a deformação:

η σeRd = η = rendimento.

1.5.4.3. Métodos de cálculo de ϕϕϕϕeq. Destaca-se o que se segue.

Figura 1.16. Perímetro médio “p”.

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Ap eq *lnϕ

Ap* – área projetada da peça no plano de rebarba + área projetada da rebarba. Ag – área da geratriz sobre o plano da rebarba.

Ag ApRVgT d *ln h TF ∆

∆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.

1.5.5. 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:

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− aços ligados (entre 0,3 e 0,5 %C; principais elementos de liga: Cr, Ni, V, Mo, W); − metal duro.

Dimensionamento das impressões. O dimensionamento das impressões observa a seguinte regra básica:

DIMENSÕESDIMENSÕES DILATAÇÃO SOBREMEDIDA
DA= NOMINAIS - TOLERÂNCIA + TÉRMICA DO + DE
CAVIDADEDA PEÇA MATERIALUSINAGEM

Explicação para o uso da tolerância para um menor valor: mesmo sofrendo desgaste, a matriz pode continuar a ser utilizada; com a medida nominal, o número de peças que se poderá produzir (antes que a matriz caia fora da tolerância devido desgaste) será menor. Razão para o acréscimo do valor da dilatação térmica: no caso da peça ser conformada a quente, ela sofrerá contração após o forjamento. Razão para o acréscimo da sobremedida de usinagem: prever a execução de operações de acabamento da peça.

Tolerâncias • Possível deslocamento de uma matriz em relação à outra metade

• Esse deslocamento pode ocorrer por incorreção construtiva, resultando numa peça defeituosa

• Então, é necessário estabelecer tolerâncias, em função das dimensões das peças forjadas

• Representação esquemática das excentricidades que podem resultar de matrizes defeituosas

Excentricidades resultantes de deslocamento horizontal das duas matrizes: e = longitudinal; e1 = transversal

• Dependendo das dimensões das peças e da natureza do processo - forjamento em matriz normal ou forjamento em matriz de precisão - os valores de “e” e “e1” variam

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