Aplicação da Simulação Numérica na Indústria de Componentes

Estampados

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Relatório apresentado com vista à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Marco Luís Leal Azevedo

Orientador na Gestamp Portugal: Eng.º Ricardo Ribeiro

Orientador na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto: Prof. Abel Santos

Janeiro 2013

i

Resumo

Os processos de conformação plástica são de grande importância para a obtenção de

componentes, sobretudo na indústria automóvel. No entanto nem sempre é fácil prever o

comportamento que determinadas peças terão aquando da sua fabricação, e qualquer erro no

projeto do processo de uma peça estampada normalmente resulta em reparações demasiado

caras e morosas, levando a que a peça deixe de se tornar rentável ou ainda a atrasos no cliente

que poriam em causa a reputação da empresa de estampagem e também a relação com os

seus clientes.

Num mundo em que há uma constante inovação dos materiais e em que as exigências

sobre a qualidade e tempo de colocação do mercado crescem quase exponencialmente, é

necessário que, no projeto de obtenção de peças estampadas, os erros sejam minimizados

logo no arranque do projeto.

As ferramentas de simulação numérica têm tido um papel fundamental na

minimização desses erros e na diminuição do tempo que as peças estampadas levam a chegar

ao mercado, uma vez que, com um projeto mais acertado logo à partida, os tempos de ensaio

e de arranjo de ferramentas serão minimizados.

Neste trabalho são expostos três casos de estudo da aplicação da simulação numérica

na indústria de componentes estampados que foram analisados dentro da empresa Gestamp

Portugal LDA, uma empresa dedicada ao fabrico de componentes estampados e soldados para

a indústria automóvel.

Como primeiro caso de estudo, foi usada a simulação numérica para a obtenção da

área mínima necessária para a realização de um componente e qual a sua orientação na banda

de chapa usada na ferramenta progressiva.

No segundo caso de estudo foi analisada a capacidade de realização de um

componente num só passo de embutidura.

Por fim, no terceiro caso de estudo, foi analisada uma linha de ferramentas usadas

numa linha de prensas e foram também testadas soluções para os problemas que foram

surgindo nas simulações numéricas.

ii

Abstract

Metal forming processes are of great importance to obtaining parts, especially in the

automotive industry. However it is not always easy to predict the material behavior during

forming, which may result in defective parts or repairs, too expensive and time-consuming. As

a consequence such parts will have the possibility of becoming non-profitable and its delays

will affect the company's reputation as well as the relationship with customers.

In a world where a constant innovation in materials and processes exist, the demands

on quality and time-to-market is growing almost exponentially, being of major importance that

project and design of stampings will have any errors minimized at the very start of the design

stage.

The numerical simulation tools have played a key role in minimizing these errors and

decreasing the time it takes the stampings to hit the market, since accurate design will

minimize developing time and testing, as well as arrangement of tools.

This work exposed three case studies of the application of numerical simulation in the

industry of stamped components that were studied within the company Gestamp Portugal

LDA, a company dedicated to the manufacture of stamped and welded components for the

automotive industry.

As the first case study, the numerical simulation was used to obtain the minimum area

necessary for the manufacturing of a component and its orientation in the band of sheet used

in the progressive tool.

In the second case study we analyzed the ability of realization of a component in one

single stamping step.

Finally, in the third case study, we analyzed a line of tools used in press line and were

also tested solutions to problems that arose in the numerical simulations.

iii

Agradecimentos

À Gestamp Portugal por permitir que esta dissertação fosse desenvolvida nas suas

instalações e por disponibilizar todos os meios técnicos e económicos necessários;

Ao Departamento de Projetos por disponibilizar a ajuda necessária sempre que

surgiam dúvidas e ao seu diretor, Eng.º José Tiago Rocha, por me incluir nos projetos e nas

reuniões do departamento;

Ao pessoal do Departamento de Recursos Humanos pela simpatia e companheirismo;

A todos os colaboradores da Gestamp Portugal que participaram ativamente na minha

formação dentro da empresa pela sua dedicação e por tudo que aprendi;

Ao Prof. Abel Santos pela disponibilidade e empenho para que esta dissertação se

realizasse;

À minha família por fazerem de mim quem eu hoje sou;

Aos amigos e namorada por me suportarem ao longo desta caminhada.

iv

Índice

1 – Introdução ............................................................................................................................... 1

1.1 - Apresentação da Gestamp Portugal LDA .......................................................................... 1

1.2 - Simulação Numérica de Operações de Embutidura ......................................................... 3

1.3 - Objetivos ........................................................................................................................... 4

1.4 - Estrutura ............................................................................................................................ 5

2 - Fundamentos de Conformação Plástica de Chapa .................................................................. 6

2.1 - Introdução ......................................................................................................................... 6

2.2 - Puncionamento ou corte de chapa ................................................................................... 8

2.3 - Dobragem .......................................................................................................................... 8

2.4 - Embutidura ........................................................................................................................ 9

2.4.1 - Modos de Deformação ............................................................................................. 10

2.5 – Prensas ........................................................................................................................... 11

2.5.1 – Natureza de acionamento ....................................................................................... 11

2.5.2 – Forma da Estrutura .................................................................................................. 13

2.5.3 - Tipo/número de corrediças ou carros ...................................................................... 14

2.6 – Ferramentas ................................................................................................................... 15

2.6.1 - Ferramentas para Trabalho Peça a Peça .................................................................. 15

2.6.2 - Ferramentas Progressivas ........................................................................................ 16

2.6.3 - Ferramentas Transfer ............................................................................................... 16

3 – Materiais usados na Indústria Automóvel ............................................................................ 18

3.1 – História da chapa de aço na indústria automóvel. ......................................................... 18

3.2 - Impacto Energético e Ambiental ..................................................................................... 23

4 – Casos de estudo de componentes de indústria automóvel obtidos por conformação plástica

e seus processos. ......................................................................................................................... 27

4.1 – Determinação do Esboço Ótimo para a Realização de Componentes. .......................... 28

4.1.1 – Componente a estudar. ........................................................................................... 28

4.1.2 – Cálculo da área mínima de chapa consumida. ........................................................ 29

4.1.3 – Resultados ............................................................................................................... 34

4.2 – Análise de Capacidade de Realização de um Componente Embutido. .......................... 35

4.2.1 – Componente a estudar. ........................................................................................... 35

4.2.2 – Modelo inicial de embutidura. ................................................................................ 36

4.2.3 – Alterações na geometria das ferramentas. ............................................................. 39

v

4.2.4 – Embutidura do componente em duas etapas. ........................................................ 40

4.2.5 – Resultados finais. ..................................................................................................... 42

4.3 – Estudo das Ferramentas de um Processo de Embutidura. ............................................ 44

4.3.1 – Componente em estudo. ......................................................................................... 44

4.3.2 – Simulação do processo. ........................................................................................... 45

4.3.3 - Resultados da simulação .......................................................................................... 50

4.3.4 - Alterações ao Processo Original ............................................................................... 55

4.3.5 – Resultados Finais Obtidos ....................................................................................... 55

5 - Conclusões e Trabalhos Futuros ............................................................................................ 59

Referências .................................................................................................................................. 60

Anexos ......................................................................................................................................... 61

Anexo A – Realização de expositor para componentes fabricados na Gestamp Portugal LDA.

................................................................................................................................................. 61

1

1 – Introdução

Esta dissertação foi desenvolvida em ambiente empresarial na Gestamp Portugal. Nas

secções seguintes, para além da apresentação da empresa serão introduzidos os temas aqui

abordados.

1.1 - Apresentação da Gestamp Portugal LDA

A Gestamp Portugal Lda. Faz parte da Corporación Gestamp, uma multinacional da

União Europeia, líder nos sectores do aço, componentes de automóvel, armazenamento e

logística.

Figura 1 - Instalações da Gestamp Portugal LDA.

A Corporación Gestamp centra a sua atividade industrial em três linhas de negócio:

Componentes Automóveis (Gestamp Automoción)

Centros de Serviço de Aço (Gonvarri)

Energias Renováveis (Gestamp Solar e Gestamp Eólica)

2

A Gestamp Portugal faz parte do grupo Gestamp Automoción, que se de dica ao

desenho, desenvolvimento e fabrico de componentes e conjuntos metálicos para o sector

automóvel, tendo atualmente uma forte presença mundial (América, Europa e Ásia).

A Gestamp Portugal LDA está intimamente ligada à Gestamp Vigo, uma vez que foi a

partir desta empresa que foi criada a Gestamp Portugal LDA. Foi no ano de 1995 que, devido

ao número crescente de pedidos, que a Gestamp Vigo sentiu a necessidade de ampliar as suas

instalações fabris, e, num ato estratégico assente na grande proximidade geográfica e no bom

relacionamento entre Portugal e Espanha, foi fundada a Gestamp Portugal (na altura com a

designação Gestamp Lap Portugal que viria a mudar para a designação atual em 1999) em Vila

Nova de Cerveira.

A fábrica encontra-se dividida em 8 UAP’s (Unidades Autónomas de Produção), em que

3 encontram-se dedicadas a operações de estampagem, 2 a operações de soldadura manual

por resistência (pedestal), 2 onde se encontram as células de soldadura por resistência e

MIG/MAG e uma dedicada à montagem de pedaleiras.

Figura 2 - Layout das instalações fabris da Gestamp Portugal LDA.

Com isto podemos concluir que o grosso do que é produzido na Gestamp Portugal é

obtido a partir de processos de estampagem e de soldadura.

Para processos de estampagem, as tecnologias presentes na

Gestamp Portugal são:

Uma linha robotizada constituída por 6 prensas de 300 t

12 prensas automáticas de 630/400/250 t

Uma prensa transfer de 630 t

4 prensas manuais de 300/125/80 t

Uma prensa automática e transfer de 1250 t Figura 3 - Algumas das prensas

presentes na Gestamp Portugal LDA.

3

Para os processos de soldadura as tecnologias presentes

são:

9 células de soldadura MIG/MAG

8 células de soldadura por resistência

3 máquinas de soldadura por resistência

25 máquinas manuais de soldadura por resistência

(pedestal)

É também de salientar a constante melhoria de processos já existentes e a sua

conjugação de modo a reduzir os tempos de fabricação das peças e, por consequência, os seus

custos, como é o caso do encastrado, da roscagem e da soldadura em prensa; e ainda a

introdução de processos inovadores, tais como a estampagem de peças com formatos ou

bobines de espessura vaiável, a partir de Tailor Welded Blanks (formatos soldados com duas

espessuras distintas) ou de Tailor Rolled Blanks (formatos que, aquando da sua laminagem,

lhes é dada uma espessura variada), a soldadura Laser à distância (Laser Remote Welding) e a

Soldadura Híbrida.

1.2 - Simulação Numérica de Operações de Embutidura

Atualmente o método dos elementos finitos é aplicado à análise e ao estudo de

fenómenos e problemas muito diversos. Estes vão desde: estudo de sistemas vibratórios;

análise do comportamento de materiais; resolução de problemas de condução de calor e de

mecânica dos fluidos; eletricidade e magnetismo; impacto; conformação plástica de materiais;

estruturas metálicas e/ou não metálicas; dimensionamento de grandes estruturas (barragens,

pontes, etc.); hidrodinâmica e aerodinâmica; etc.

Na modelação do comportamento de materiais, o método dos elementos finitos

permite considerar uma grande diversidade de comportamentos e modelos constitutivos, tais

como, por exemplo, elasticidade linear (lei de Hooke), plasticidade, viscoplasticidade,

hiperelasticidade, termoelasticidade, superfícies de cedência, modelos de dano, etc.

Um sistema que envolva muitos componentes e materiais com comportamentos

distintos é um exemplo de um sistema complexo cuja análise beneficia da utilização de

métodos numéricos como o método de elementos finitos. A simulação de impacto em

automóveis ou outros meios de transporte é um desses casos. Tomemos, como exemplo, um

modelo de uma porta de automóvel utilizado para simular numericamente um choque lateral

e estudar a capacidade quer de absorção de energia quer de proteção dos passageiros de

diversos sistemas de proteção inseridos na porta.

Figura 4 - As duas tecnologias de soldadura predominantes na Gestamp Portugal, por resistência e MIG/MAG.

4

Figura 5 - Modelo geométrico de uma porta de automóvel (modelo tridimensional, modelo em elementos finitos e porta deformada após impacto) [Dias 2010].

Na área dos processos tecnológicos, o método dos elementos finitos constitui uma

abordagem de uso alargado e de extrema eficiência no auxilio ao projeto de ferramentas, na

previsão de defeitos de peças finais a obter e no ajuste de parâmetros de fabrico de peças

metálicas, de entre outras aplicações, em processos convencionais de transformação, tais

como a estampagem e a extrusão, ou em processos com implementação em larga escala mais

recente, tal como a hidroformagem, por exemplo [Dias 2010].

Figura 6 - Resultado da simulação numérica do embutido de um copo cónico (malha de elementos finitos do componente final e representação dos valores de deformação plástica equivalente) [Dias 2010].

1.3 - Objetivos

Esta dissertação tem como principal objetivo estudar as aplicações e os

desenvolvimentos que a simulação numérica permite dentro de uma empresa dedicada à

estampagem de componentes para a indústria automóvel e avaliar a importância deste tipo de

simulações para a qualidade e rentabilidade final dos componentes embutidos.

5

1.4 - Estrutura

Este documento encontra-se organizado da seguinte maneira:

No primeiro capítulo é apresentada a empresa em que foi desenvolvida a dissertação,

referindo a sua história e as tecnologias nela existentes. Além disto, é ainda introduzido o

tema da simulação numérica de operações de embutidura.

No segundo capítulo são explicados os fundamentos por detrás das operações de

conformação plástica. Nele são referenciadas as operações principais de conformação plástica,

bem como as ferramentas que as tornam possíveis.

No terceiro capítulo é apresentada a evolução da utilização da chapa de aço na

indústria automóvel e como esta enfrentou os desafios que se foram apresentando ao longo

do tempo, bem como uma perspetiva do futuro destes materiais.

No quarto capítulo são abordadas as aplicações e o estudo feito sobre a utilização de

software de simulação numérica para a resolução de diferentes problemas que surgem na

indústria de estampagem de componentes.

No quinto capítulo são apresentadas as conclusões desta dissertação e algumas

sugestões para trabalhos futuros.

6

2 - Fundamentos de Conformação Plástica de Chapa

2.1 - Introdução

É definido com o termo embutido o conjunto de operações com as quais, evitando o

surgimento de rugas, uma chapa plana é submetida a uma ou mais transformações a fim de se

obter uma peça que possua uma forma geométrica própria, seja esta plana ou com volume;

por outros termos, a chapa é submetida a uma deformação plástica. A realização prática

destas operações é conseguida através do uso de dispositivos especiais denominados Matrizes

ou Punções e aplicados, segundo a sua finalidade, em máquinas denominadas Prensas.

As operações de embutidura de chapa estão geralmente subdivididos em:

Corte

Dobragem

Embutidura

As primeiras duas são efetuadas geralmente a frio, enquanto que o embutido pode ser

feito a frio ou a quente, segundo as necessidades técnicas requeridas.

As peças em que a realização é possível através do estampado a frio são obtidas a

partir de um dos seguintes:

Formatos de chapa com dimensões normalizadas;

Formatos de chapa obtidas através do corte em cisalha a partir de formatos de

dimensões normalizadas;

Bobines de largura fixa, segundo medidas e tolerâncias normalizadas.

Enquanto que os formatos são usados em prensas denominadas Transfer (o formato é

transportado manualmente ou com recurso a robôs de uma prensa para a outra ou de uma

operação para a seguinte) as bobines são usadas nas chamadas prensas Progressivas (a chapa

é movida automaticamente com recurso a alimentadores de uma operação para a seguinte

segundo um determinado passo).

As prensas Transfer são usadas para produções de pequenas e médias séries, já as

Progressivas são indicadas para a produção de grandes séries.

Foram referidas três operações como sendo as principais (corte, dobragem e

embutido), e para se obter uma peça acabada às vezes basta recorrer a uma só destas

operações, de um modo particular a operação de corte. No entanto nem sempre é possível

alcançar a geometria final pretendida com uma só fase de trabalho, porque, geralmente e

consoante os casos, impõe-se a necessidade de recorrer a pelo menos duas das operações

referidas:

Cortar → Dobrar

Cortar → Embutir

7

Estes pares de fases podem ser apenas aparentes, uma vez que qualquer um deles

pode ser subdividido num determinado número de operações auxiliares e semelhantes, de

modo a definir todo o processo operação por operação.

O ciclo de estampado, composto de uma sucessão ordenada de operações que

transformam parte de uma chapa plana numa peça de forma definida, depende de diversos

fatores:

A forma da peça final obtida: esta impõe, de um modo fundamental, um certo

número de operações diretamente proporcional á complexidade da mesma; ou

seja, quanto mais simples é uma peça oca tanto mais pequeno será o número

necessário de operações para obtê-la. Por exemplo, para se produzir uma taça

simples podem ser suficientes apenas duas operações: o corte do disco de chapa

e a sua embutidura.

As dimensões da peça: influenciam igualmente na determinação do número de

operações necessárias; por exemplo, para produzir uma taça bastante profunda

em relação ao seu diâmetro, são necessárias, além da operação de corte do disco

de chapa, duas ou mais operações de embutido.

A qualidade do material que constitui a chapa trabalhada: influencia também o

número de operações necessárias para se obter a peça, uma vez que um disco de

chapa muito plástica, ou seja que permite grande deformação, permite um

embutido profundo, enquanto que outro disco com igual diâmetro e espessura

mas constituído de chapa menos macia admite um embutido menos profundo; ou

seja para ser obtida a mesma peça é necessário um maior número de operações.

Para a determinação do ciclo de embutidura todos estes fatores são considerados

simultaneamente, ainda que não haja uma relação direta entre eles.

A escolha da máquina (prensa) com a qual se deve efetuar determinado trabalho faz-

se de acordo com a forma e dimensões da peça a produzir e também com o número de

operações para esta ser realizada.

No momento de estudar a fases de trabalho, também devem ser previstas as suas

condições térmicas, ou seja, se este se realizará a frio ou a quente. Regra geral, só se efetuam

trabalhos a quente em casos em que a peça, ao mudar de forma, sofre uma transformação

considerável, na qual deve ser tida em conta a espessura da chapa. Em outras palavras, nem

sempre é possível obter a frio e numa só fase de transformação uma peça aceitável. A

capacidade de realização e o bom resultado de uma transformação plástica a frio de uma

chapa está diretamente relacionado com a forma final da peça e a espessura da chapa que a

constitui. Uma chapa grossa (> 7 mm) de aço semiduro e duro requer um estampado a quente.

Durante o projeto do ciclo de trabalho de um determinado elemento é bom prever a

possibilidade e o modo de construir as matrizes, uma vez que, adotando métodos de trabalho

simples e eficazes, pode obter-se o máximo de rendimento com o mínimo de operações [Rossi

1971].

8

2.2 - Puncionamento ou corte de chapa

O corte é uma operação mecânica, na qual, mediante ferramentas aptas para o corte,

se separa uma parte metálica de outra, obtendo-se uma figura específica.

É uma operação que se encontra relacionada com os fenómenos de conformação

plástica. Numa primeira fase o punção, no movimento de encontro à matriz, exerce pressão

sobre a chapa, originando mesmo uma forma côncava. De seguida o punção, não encontrando

resistência por parte da matriz, continua o seu movimento levando a uma expansão lateral do

meio plástico. Então o esforço de compressão converte-se num instante num valor igual ao da

resistência de corte; o que provoca uma separação brusca entre o material que se encontra

sob o punção e o resto da chapa. Seguidamente o material separado cai para o fundo da

matriz, concluindo assim o trabalho de corte [Rossi 1971].

Figura 7 - Esquema de uma operação de puncionamento [Rossi 1971].

2.3 - Dobragem

É a operação mais simples a seguir à de corte e ocupa um lugar importante no ciclo

produtivo, uma vez que muitos objetos, depois de terem sofrido uma primeira operação de

corte, são normalmente submetidos a uma ou mais fases de dobragem.

Durante este tipo de operações torna-se necessário evitar que a chapa sofra um

alargamento, uma vez que isto levaria a uma variação da espessura da chapa. Assim esta

operação consiste em variar a forma de um objeto de chapa sem que a espessura do material

que o constitui seja alterada, de forma a que todas as secções se mantenham constantes.

Para que não se originem variações de espessura torna-se necessário um estudo das

ferramentas e uma afinação exata do curso que estas vão ter.

Para a generalidade das operações de dobragem é necessário ter em conta os

seguintes fatores: o comprimento da dobra e se esta é obtida numa quinadora ou se é possível

que esta seja realizada através de ferramentas montadas em prensa (para elementos

relativamente curtos). A ser possível que a dobra se realize em prensa devem evitar-se as

9

esquinas vivas; para tal é aconselhável que se fixe os raios de curvatura interiores para um

valor igual ou superior ao da espessura da chapa a ser dobrada, de modo ao evitar que se

estire excessivamente a fibra exterior e garantir que se obtém uma dobra sem roturas.

Uma vez concluída a operação de dobragem, a peça tende a regressar à sua forma

inicial, e tanto maior será esse efeito quanto mais duro for o material que constitui a chapa.

Este fenómeno deve-se à elasticidade presente nos materiais. Por este motivo, ao

construírem-se as ferramentas, é fixado um ângulo de dobragem mais acentuado para que,

quando se cessa a pressão sobre a peça, esta possua o ângulo de dobragem desejado [Rossi

1971].

Por vezes, antes de concluir a execução da peça, é necessário efetuar mais fases de

dobragem, que podem realizar-se com várias ferramentas ou com apenas uma; tal depende:

Da forma da peça, ou das possibilidades de execução que esta permite

Da quantidade de peças que pretendemos obter.

Figura 8 - Exemplo de uma operação de dobragem [Rossi 1971].

2.4 - Embutidura

A embutidura é um processo tecnológico de obtenção de peças ocas por deformação

plástica de chapas planas. De um modo geral, as peças obtidas por embutidura são

caracterizadas por possuírem superfícies não planificáveis. É esta característica que distingue a

embutidura de outros processos de conformação plástica.

Nestas operações a chapa plana é obrigada a tomar a forma da matriz por meio de um

punção, não se devendo, teoricamente, modificar a sua espessura. Disto resulta que a

superfície da peça produzida tem de ser equivalente à da chapa plana utilizada, o que não se

verifica com exatidão na prática.

Numa primeira análise podemos classificar as ferramentas básicas de um processo de

embutidura em dois tipos:

10

Ferramentas de simples efeito: ferramenta em que a chapa simplesmente é

forçada pelo punção a entrar e tomar a forma da matriz;

Ferramentas de duplo efeito: ferramentas em, que durante o embutido, a chapa

se encontra restringida por um cerra-chapas.

A diferença fundamental entre a ferramenta de simples efeito e duplo efeito reside

pois na existência de cerra-chapas na ferramenta de duplo efeito, que é sem dúvida a mais

corrente [Santos 2005].

2.4.1 - Modos de Deformação

Existem dois tipos fundamentais de modos de deformação em embutidura:

Embutidura por extensão - neste modo de deformação a chapa sofre um

alongamento positivo (tração e aumento de comprimento) numa direção do

plano da chapa e um alongamento negativo (compressão e diminuição de

comprimento) na direção perpendicular à anterior.

Embutidura por expansão - neste modo de deformação a chapa sofre

alongamentos positivos (tração e aumento de comprimento) em todas as direções

do plano da chapa.

Os dois modos principais de deformação em embutidura dependem diretamente da

ação do cerra-chapas. Assim, se não existir cerra-chapas ou a pressão deste for insuficiente, o

modo de deformação é, fundamentalmente, por extensão. Se a pressão do cerra-chapas for

suficientemente elevada de modo a impedir o deslizamento da chapa entre a matriz e o cerra-

chapas, o modo de deformação é, fundamentalmente, por expansão. Para conseguir o efeito

de bloqueamento, é vulgar utilizar-se, para além de uma pressão do cerra-chapas, saliências na

matriz ou no cerra-chapas, designados freios, que podem restringir ou impedir o deslizamento

da chapa

Figura 9 - Modos de deformação em embutidura, por extensão e por expansão [Santos 2005].

11

Os dois modos de deformação em embutidura descritos anteriormente têm uma

influência determinante na espessura final do produto obtido. Assim, na deformação em

expansão a espessura final da peça é, necessariamente, inferior à da chapa que lhe deu

origem.

Figura 10 - Exemplo de aplicação de um freio.

Na deformação por extensão, como geralmente é o caso das paredes laterais e do

fundo do embutido cilíndrico, a espessura destas zonas é igual à espessura inicial da chapa,

enquanto que na gola, devido às tensões de compressão existentes na zona, a espessura da

chapa tende a aumentar.

2.5 – Prensas

Denomina-se de prensa uma máquina-ferramenta que fornece a energia necessária

para as operações de conformação plástica de chapa metálica de modo a se obter uma peça

final com uma geometria característica.

Estas prensas são caracterizadas principalmente por uma força nominal que determina

a sua rigidez estrutural; ou seja, esta força nominal é a máxima que uma dada prensa

consegue realizar sem que haja o risco de esta se danificar ou deformar a sua estrutura. Este é

um dos fatores que determina qual o tipo de peças que serão executadas em determinada

prensa [ASM 1988].

As prensas podem ser classificadas segundo:

A natureza do acionamento

A forma da estrutura

O tipo/número de corrediças ou carros

2.5.1 – Natureza de acionamento

As prensas para conformação plástica de chapa podem ser acionadas ou mecânica ou

hidraulicamente.

12

Tabela 1 - Comparação entre prensas hidráulicas e mecânicas [ASM].

Força Capacidade Comprimento do curso

Velocidade do Carro

Controlo Usos preferenciais

Mecânica Varia dependendo da posição do carro

Máximo praticável ~54MN (6000 tf)

Limitado Mais elevada que nas prensas hidráulicas pode variar. Máxima a meio do curso.

Normalmente é necessário percorrer todo o curso antes do recuo.

Operações em que é requerida máxima pressão perto do fim do curso. Operações de corte como o corte de formatos e para embutidos relativamente pouco profundos. Bom para altos níveis de produção e para operações com ferramentas transfer e progressivas

Hidráulica Relativamente constante (não depende da posição do carro)

445 MN (50 000 tf) ou mais

Capaz de cursos longos (2.5 m)

Baixas velocidades de trabalho com avanços e recuos rápidos. Velocidade constante ao longo do curso.

Ajustável: o carro pode recuar em qualquer posição.

Operações que requerem uma pressão uniforme ao longo do curso. Operações de embutido profundo, ensaio de ferramentas, embutidos de peças com geometria irregular, operações que requerem forças elevadas e variadas e operações que requerem cursos variáveis ou parciais.

2.5.1.1 - Prensas Mecânicas

Na grande maioria das prensas a energia provem de um volante de inércia e é depois

aplicada ao carro por meio de alavancas, engrenagens ou excêntricos durante o curso de

trabalho do carro. O volante gira continuamente e é solicitado, por meio de uma embraiagem,

unicamente quando é necessário uma batida da prensa.

Em algumas prensas mecânicas de muito grande porte, o motor está diretamente

ligado ao veio da prensa, eliminando a necessidade de um volante de inércia e de uma

embraiagem [ASM].

2.5.1.2 - Prensas Hidráulicas

Pressão hidrostática exercida sobre um ou mais pistões fornece a energia necessária

para uma prensa hidráulica. A grande maioria das prensas hidráulicas possui uma bomba de

volume e pressão variáveis de modo a permitir que estas tenham um rápido movimento de

subida e descida. Também permite uma velocidade de trabalho baixa mas a elevadas pressões

de trabalho.

A capacidade de uma prensa hidráulica depende do diâmetro dos pistões hidráulicos e

na máxima pressão hidráulica que lhe foi classificada, sendo esta ultima em função da pressão

da bomba e dos mecanismos relacionados. No entanto uma bomba de elevada pressão

executa um trabalho a uma menor velocidade. Por norma todas as corrediças são controladas

por um só sistema de bombeamento.

13

Devido à sua construção, as prensas hidráulicas podem ser construídas segundo as

exigências do cliente a um custo relativamente baixo. Podem ser concebidas com um variado

número de corrediças e de movimentos, ou podem até incluir circuitos hidráulicos

independentes para variadas ações independentes. Pode-se ainda executar ações auxiliares

dentro da estrutura da prensa através de cilindros independentes. Para ser possível ter tais

ações auxiliares numa prensa mecânica seria necessário recorrer a excêntricos, que são caros e

complexos.

As prensas hidráulicas têm por norma um curso de trabalho maior do que o existente

nas prensas mecânicas, e a força pode ser constante ao longo de todo esse mesmo curso.

Possuem um curso, que pode ser ajustado, para uma ou mais corrediças, podendo ainda existir

a presença de acumuladores de modo a permitir uma abertura ou fecho da corrediça a uma

velocidade superior [ASM].

Figura 11 – Exemplos de uma prensa mecânica (à esquerda) e de uma prensa hidráulica (à direita).

2.5.2 – Forma da Estrutura

Quanto à forma da sua estrutura, as prensas encontram-se classificadas, de uma

maneira global, dentro de dois grandes grupos: prensas de colo de cisne e prensas de duplo

montante.

Dentro destes dois tipos os detalhes de construção podem ser muito variados [ASM].

2.5.2.1 - Prensas de Colo de Cisne

A forma característica destas prensas (em C) permite que o acesso à área de

ferramenta seja muito facilitado de qualquer um dos lados da prensa, tal como da frente, de

modo a facilitar a mudança de ferramentas ou a colocação de uma nova bobine/formato de

chapa.

As peças são normalmente expelidas por uma abertura existente na mesa de prensa

ou pela parte traseira da prensa caso, esta seja aberta.

14

A construção da prensa em colo de cisne tem uma grande desvantagem: a abertura

frontal torna-se mais aberta com a carga de trabalho causando um deslocamento angular

entre as duas superfícies da ferramenta, o que irá provocar um desalinhamento entre punções

e matrizes resultando num desgaste prematuro das ferramentas.

Podem ser usados tirantes de modo a minimizar este problema. Apesar de limitar o

acesso quando a ferramenta se encontra a trabalhar (para alimentação de formatos ou troca

de posto), estes tirantes podem ser removidos temporariamente para a troca de ferramentas;

ainda assim é uma solução que não resolve o problema na totalidade [ASM].

2.5.2.2 - Prensas de Duplo Montante

As prensas de duplo montante possuem uma rigidez muito superior à permitida pelas

prensas de colo de cisne, no entanto esta configuração vai dificultar o acesso à messa de

prensa e, consequentemente, os trabalhos que tenham de ser feitos nesta.

A configuração das prensas de duplo montante permite que sejam usados uma grade

variedade de tamanhos de mesas e carros na prensa. Estas prensas vão de valores capacidade

de 180 kN (20 tf) e dimensão de 510x380 mm até valores de 36 MN (4000 tf) de capacidade e

915x455 de dimensão [ASM].

Figura 12 - Prensa hidráulica em colo de cisne e prensa mecânica de duplo montante.

2.5.3 - Tipo/número de corrediças ou carros

As prensas mecânicas e hidráulicas podem ter um, dois ou três corrediças e são

denominadas de simples, duplo ou triplo-efeito, respetivamente. Cada uma das corrediças

pode mover-se e ser controlada separadamente.

A maior parte das prensas que se utilizam atualmente, sejam hidráulicas ou mecânicas,

utilizam uma corrediça de simples efeito, uma vez que o efeito de cerra-chapas obtido com as

15

corrediças de duplo efeito, é conseguido com a utilização de ferramentas que usam molas

e/ou cilindros a gás para o mesmo efeito. As prensas com corrediça de triplo efeito são de uso

exclusivo para peças que necessitem de contra embutidos pouco profundos [ASM].

2.6 – Ferramentas

As ferramentas usadas nas operações de conformação plástica apresentam as mais

variadas configurações, tendo, no entanto, sempre como finalidade a obtenção de uma peça

embutida com a máxima qualidade e ao menor custo. Na procura de produzir uma peça quase

no seu estado final utilizam-se conjuntamente as tecnologias de embutidura, de dobragem e

de corte. Estas ferramentas, na maioria dos casos muito complexas, aumentam a dificuldade

da realização de classificação simples das ferramentas [Santos 2005].

Apesar de haver muitos critérios para a classificação das ferramentas para as operações

de conformação plástica de chapa metálica, vamos focar-nos na sua caracterização quanto às

operações que estas realizam. Segundo este critério as ferramentas podem dividir-se em três

grandes grupos:

Ferramentas para Trabalho Peça a Peça

Ferramentas Progressivas

Ferramentas Transfer

2.6.1 - Ferramentas para Trabalho Peça a Peça

Nestas ferramentas é efetuada uma única operação em cada golpe da prensa, sendo

necessária uma ferramenta para cada operação de uma dada peça. Assim, para que uma peça

em que seja necessário mais do que uma operação, as peças terão de ser deslocadas de prensa

em prensa, ou então será necessária a troca de ferramenta de cada vez que se deseje efetuar

uma nova operação até que seja concluída a produção.

Figura 13 - Linha de prensas, em que em cada prensa se realiza uma só operação, presente na Gestamp Portugal.

16

2.6.2 - Ferramentas Progressivas

Este tipo de ferramenta executa várias operações de embutidura, de corte, de

puncionagem, etc., numa determinada sequencia e apenas numa única ferramenta. Quando a

peça que pretendemos obter exige várias operações é habitual utilizarem-se ferramentas

progressivas. Neste tipo de ferramenta as operações são sequenciais, à medida que a chapa

(em banda ou em formato) vai entrando na prensa. Entre cada descida da corrediça, dá-se um

deslocamento da banda, que é designado por “passo ou avanço da ferramenta”. Nesta

sequência de operações, a peça vai-se mantendo agarrada à banda (esqueleto) até à última

operação da ferramenta onde se executa a separação da dita peça, ficando esta com o seu

contorno final [Santos 2005].

Figura 14 - Exemplo de uma ferramenta progressiva e a banda de chapa representativa das operações nela realizadas existente na Gestamp Portugal.

2.6.3 - Ferramentas Transfer

O termo transfer designa uma sucessão de operações diferentes em várias ferramentas

colocadas numa mesma prensa, em que:

17

1. A matéria-prima entra a partir de bobines e no 1º posto dá-se o corte da chapa

podendo ainda conjuntamente executar uma outra operação (a chapa pode

também já vir cortada quando entra no 1º posto da ferramenta).

2. A chapa ou embutido intermedio passa de posto para posto por meio de pinças

ou braços de robot para ser submetida às diferentes operações de conformação.

As prensas utilizadas para estas ferramentas são geralmente concebidas especialmente

para este tipo de utilização e podem também ser designadas de transfer. São geralmente em

arcada e dispõem de uma mesa longa (o que obriga geralmente á existência de duas bielas) e

de um dispositivo de avanço. O custo do conjunto é bastante elevado, pelo que é empregue

principalmente em grandes produções [Santos 2005].

Figura 15 - Pinças CNC usadas para deslocar uma peça de um posto de operação para o seguinte dentro da ferramenta transfer.

18

3 – Materiais usados na Indústria Automóvel

3.1 – História da chapa de aço na indústria automóvel.

A indústria automóvel é o mercado mais importante para a chapa de aço e tem

proporcionado o maior estímulo e desafio para o desenvolvimento de novos produtos, novas

formas de usá-los e uma maior consistência do produto. Apesar da concorrência das ligas de

alumínio e dos plásticos, o aço manteve-se como o material predominante para a carroçaria do

automóvel e componentes estruturais, devido à sua boa formabilidade, alto módulo de

elasticidade, facilidade de soldadura e custo relativamente baixo. Vários tipos de aço já

compreendem 50-60% do peso dos veículos.

No entanto, desde os anos 1970, ocorreram alterações significativas na seleção de

aços para a construção automóvel:

1. A necessidade de reduzir o consumo de combustível e as emissões de fumos,

mantendo o desempenho estrutural.

2. A necessidade de melhorar o desempenho de corrosão para ser capaz de

proporcionar aos clientes melhores garantias contra a deterioração estrutural e

cosmética.

3. A necessidade de melhorar a segurança dos passageiros.

Um menor consumo de combustível pode claramente ser conseguido por uma

eficiência do motor melhorada, mas também tem sido conseguida através da redução

do peso do veículo. Figura 15 mostra, para os 30 melhores carros europeus registados,

como os quilômetros percorridos por litro aumentam com a diminuição do peso, mas

também mostra que, para um determinado peso, houve um aumento geral na

distância percorrida no período 1982-1992 devido a outras razões. Claramente, um

carro com um peso reduzido e, portanto, um consumo de combustível baixo, será

atrativo de um ponto de vista económico, mas também irá conduzir a uma redução na

formação dos denominados gases de efeito de estufa, como o CO2, que podem levar

ao aquecimento global.

Figura 16 - Variação de consumos em km por litro de combustível com o peso do veículo [Llewellyn 2000].

Quilómetros por litro de combustível

Peso (kg)

19

Durante os anos 1970, aços com valores de resistência mais elevados foram

introduzidos nos Estados Unidos para os elementos estruturais ou relacionados com a

segurança, tais como reforços para para-choques, vigas laterais da porta e âncoras do cinto de

segurança. Estes componentes foram fabricados principalmente a partir de aços laminados a

quente, tratados com nióbio e micro-ligados que proporcionaram uma relação custo /

resistência / peso favorável em comparação com a menor resistência do aço não ligado ou de

qualquer outra tira de aço disponível no momento. Além disso, seu uso exigia apenas

pequenas alterações nos métodos de fabricação e nas instalações. Infelizmente, uma vez que

estes eram componentes novos, a sua utilização inevitavelmente levou a um aumento no peso

do veículo. Mais recentemente aços com maior resistência e de menor calibre têm sido

utilizados para alguns destes componentes para remover algum do peso adicional que tinha

sido introduzido. Estes têm incluído os aços de muito alta resistência, com uma resistência à

tração superior a 1000 MPa, reforçado por uma elevada taxa de produto de transformação, e

aços que desenvolvem a sua muito alta resistência, por tratamento térmico e de têmpera após

a formação. As crises do petróleo de 1973 e 1979 provocaram os estímulos iniciais para a

redução de peso em si. A carroçaria é montada a partir de grandes painéis e constitui cerca de

25-30% do peso total de um carro de tamanho médio, logo este é o componente mais pesado

do veículo. Era assim evidente que a redução do peso do corpo pode ter um impacto

significativo sobre o peso total do carro acabado. Foi percebido que isto pode ser feito através

da substituição do aço pelo alumínio ou pelo plástico, mas a penalização seria ao aumento do

custo. Foi geralmente aceite que a utilização de aço de alta resistência, que permitiria manter

o desempenho dos componentes com uma espessura reduzida, era a única maneira de obter

uma redução tanto do peso como dos custos.

Os aços micro-ligados mencionados anteriormente foram adequados para o uso em

partes estruturais relativamente simples, mas a sua formabilidade reduzida e aumento retorno

elástico (springback) quando comparados com aços macios de menor resistência impediu a

sua utilização para os painéis de grande porte, que em geral envolviam operações difíceis de

conformação. Além disso, a deformabilidade de qualquer aço diminui com a redução da

espessura. Qualquer diminuição da espessura, por conseguinte, só agrava a perda de

maleabilidade que surge a partir do aumento de força.

A reação da indústria automóvel em todo o mundo foi solicitar aços com um aumento

relativamente pequeno na força sobre o aço macio, com a perda de formabilidade reduzida a

um mínimo, mantendo os valores de r elevado. O primeiro desses aços eram os aços

refosforados que, como indicado anteriormente, mantinham os maiores valores de r e os

valores mais elevados de alongamento do que teria sido obtido a partir de qualquer micro-liga

de aço de resistência similar. Aços com resistência mínima de 180, 220, 260 e 300 N/mm2

estão disponíveis na Europa, embora as referências com a resistência mais baixa são as que

têm sido mais comummente usadas. Os aços refosforados iniciais foram recozidos e baseados

numa composição calmada a alumínio, mas uma tendência mais recente tem sido a de

recozimento de diferentes tipos de aço de forma contínua, quer por uma linha de recozimento

contínuo, ou numa linha de galvanização a quente. Os aços revestidos com imersão a quente,

geralmente com um revestimento galvanneal (galvanizado a quente combinado com recozido)

para a indústria automóvel, tendem a basear-se numa composição do tipo IF para ser mais

20

compatível com um ciclo de recozimento contínuo. Esses aços, como mencionado

anteriormente, podem também ser uma solução sólida reforçada com boro, manganês e

silício, bem como uma pequena adição de fósforo para reduzir os problemas que de outra

forma seriam associados a níveis elevados de fósforo.

Os aços reforçados por solução-sólida criados ao ligar uma composição calmada a

alumínio ou de base num IF, são suficientemente moldáveis para permitir painéis difíceis de

serem produzidos sem estiramentos ou roturas locais, mas ainda têm sido sujeitos a um maior

retorno elástico do que o existente num aço macio de menor resistência. A tendência,

portanto, tem sido a utilização de aços endurecidos por envelhecimento. Estes aços têm

geralmente um índice mínimo de endurecimento de 40 N/mm2. Logo, é possível, com um aço

endurecido por envelhecimento, atingir valores de formabilidade e retorno elástico

equivalentes aos de um aço não envelhecido, mas com o desempenho em serviço de um aço

de grau mais elevado.

Muitas aplicações de aços endurecidos por envelhecimento visam proporcionar uma

resistência plástica melhorada a mossas, principalmente em peças ligeiramente deformadas

com baixa curvatura, como capôs e tampos de bagageira. Drewes e Engl apresentaram uma

relação entre o limite de elasticidade, espessura da chapa e a carga necessária para dar a

mesma profundidade residual de 0,2 mm de mossa, tal como ilustrado na Figura 16. Isto pode

ser usado para calcular que redução na espessura pode ser obtida para a mesma resistência a

mossas recorrendo a um maior limite de elasticidade. As curvas para aços refosforados, micro-

ligados e endurecidos por envelhecimento produzem efeitos semelhantes para a mesma

espessura da chapa de aço, mas no aço de dupla fase dá-se um efeito diferente, devido à

elevada taxa de encruamento.

Figura 17 - Efeito do limite de elasticidade e da espessura de chapa na resistência a mossas (F0.2 = carga que produz uma mossa de 0.2 mm de profundidade remanescente) [Llewellyn 2000].

21

Figura 17 dá um resumo do desenvolvimento histórico da utilização de aço de alta

resistência em carros a partir de um ponto de vista europeu.

Figura 18 - Evolução dos aços de alta resistência laminados a frio para aplicação em carroçarias de automóveis até ao ano 2000 [Llewellyn 2000].

A redução de peso, até agora, tem sido feita principalmente pela substituição de aços

mais grossos para mais finos, sem qualquer mudança importante no conceito de design.

Recentemente, um grande projeto foi iniciado, com a fase 1 patrocinada por 32 grandes

empresas siderúrgicas de todo o mundo, para maximizar a redução de peso utilizando os

processos de fabricação existentes e tipos de aço que estão disponíveis. O projeto conhecido

como o projeto ULSAB (ultra light steel auto body), tem como objetivo conceber um body-in-

white [BIW - componentes de chapa metálica da carroçaria de um carro que foram soldadas

mas antes de partes móveis (portas, capôs guarda-lamas), do motor, subconjuntos do chassis,

ou acabamento (vidros, cadeiras, estofados, eletrônicos, etc.) serem adicionados e antes de

pintar] com as mesmas características de desempenho ou superiores às de projetos existentes,

mas com um peso reduzido. A fase 1 do projeto foi concluída e o progresso foi revisado.

Uma marca de um referência de projetos existentes foi obtida tomando-se os valores

médios ao longo de vários projetos existentes, adequados e de médio porte, e normalizando-

se os números tendo em conta a diferença de tamanho do veículo. As principais características

de desempenho a ser considerados são a rigidez estática à torção, a rigidez à flexão estática e

o primeiro modo BIW. Esta última é a frequência de ressonância de vibração do corpo e deve

ser tão elevada quanto possível, para o conforto dos passageiros. Tabela 1.14 dá as

propriedades esperadas para um corpo de tamanho médio típico, no período pós-2000, após

serem feitas razoáveis novas melhorias dos tipos existentes de desenho. Ela compara-as com

as metas para o projeto ULSAB e os números que foram alcançados. Vê-se que o principal

objetivo foi o de obter uma redução de 20% de peso de 250 para 200 kg, enquanto mantém ou

melhora a performance do corpo. É evidente que os objetivos de desempenho tenham sido

22

alcançados confortavelmente, mas o objetivo da redução de peso não foi completamente

conseguida.

Tabela 2 - Resultados do progresso do projeto ULSAB no fim da fase 1 [Llewellyn 2000].

Valores representativos para período após 2000

Valores de performance alvo

Valores obtidos

Massa 250 kg 200 kg 205 kg Rigidez torsional estática

13 000 N.m/O >13 000 N.m/O 19 056 N.m/O

Rigidez à flexão estática

12 200 N/mm >12 200 N/mm 12 529 N/mm

Primeiro modo BIW 40 Hz >40 Hz 51 Hz

A abordagem para o design tem sido uma holística. Assim, as partes da carroçaria

foram aumentadas em peso para serem feitas maiores reduções em outro lugar. A

hidroconformação tem vindo a ser usada para fazer secções do tejadilho, que não poderiam

ser facilmente feitas utilizando técnicas convencionais de conformação. A rigidez à torção e à

flexão da estrutura tem sido melhorada por ligações soldadas, mas algumas das juntas

contínuas também têm sido realizadas por meio de soldadura laser. A redução da

complexidade da estrutura tem sido conseguida pela utilização de Laser Welded Blanks,

evitando assim a necessidade de membros de reforço adicionais. O custo estimado da

produção foi dado como 154 dólares menos do que para um típica BIW de medio porte e

representa uma economia de 14%. Já foi dito, por conseguinte, que haveria um caso para a

fabricação de um corpo ULSAB mesmo que não fosse prevista nenhuma economia em peso.

É interessante notar que os aços com um limite de elasticidade acima de 210 MPa

foram especificados para dois terços das partes no desenho ULSAB e uma proporção elevada

do aço utilizado também é revestida com um ou outro dos revestimentos de proteção de

corrosão disponíveis. É evidente, portanto, que a proteção contra a corrosão, bem como o

desempenho mecânico, tem sido um aspeto importante do desenho. Vários corpos de aço

estão a ser construídos para confirmar e demonstrar o design e desempenho da fase 1. Estes

foram exibidos em todo o mundo em 1998 [Llewellyn 2000].

Figura 19 - Aços aplicados na indústria automóvel (realçados os mais usados atualmente) [Autosteel].

23

No entanto já estão previstas ainda mais inovações para os aços a aplicar na indústria

automóvel, uma vez qua as exigências de segurança são ainda maiores (sendo necessários

mais sistemas de segurança quer ativos quer passivos), que vão aumentar o número de

componentes e o peso global da viatura, mas também as exigências ambientais têm nos dias

de hoje um enorme peso (um veiculo mais pesado tende a consumir mais combustível, como

referido anteriormente). Com esta pressão sobre a redução do peso total dos veículos e com a

contínua pesquisa existente sobre os aços, prevê-se que, entre 2017 e 2025 suja uma nova

geração de aços de alta resistência para a indústria automóvel, com mais altas resistências

mecânicas e maiores taxas de deformação [Autosteel].

Figura 20 - Aços previstos para utilização na indústria automóvel [Autosteel].

3.2 - Impacto Energético e Ambiental

À medida que as grandes potências começam a aplicar as novas fontes de energia

verde, torna-se necessário que as indústrias siderúrgicas se adaptem para novos métodos de

produção que tirem proveito dessas mesmas fontes de energia limpas.

A indústria siderúrgica tem continuamente reduzido a sua necessidade de energia,

minimizando assim a pegada no meio ambiente. Desde 1990, a intensidade de energia para

fazer uma tonelada de aço foi reduzida em 27 por cento.

Devido a esses avanços, os processos siderúrgicos que usamos hoje estão a aproximar-

se dos limites definidos pelas leis da física. Para fazer novas reduções no consumo de energia e

emissões de CO2, novos processos são obrigatórios.

Entre 1990 e 2009, a indústria siderúrgica norte-americana reduziu a intensidade de

CO2 por tonelada de aço produzido em 35% e 30% a intensidade energética como resultado de

investimentos voluntários em P & D e nova tecnologia consequente.

Hoje, a indústria siderúrgica norte-americana opera com o menor consumo de energia

por tonelada de aço produzido no mundo.

24

Figura 21 – Consumo de energia por tonelada de aço produzido na indústria siderúrgica Norte Americana (fonte: American Iron and Steel Institute)

Entre 1990 e 2009, a indústria siderúrgica norte-americana reduziu a intensidade de

CO2 por tonelada de aço produzido em 35% e 30% a intensidade energética como resultado de

investimentos voluntários em P & D e nova tecnologia consequente.

Hoje, a indústria siderúrgica norte-americana opera com o menor consumo de energia

por tonelada de aço produzido no mundo.

Os esforços para alcançar melhorias incrementais no uso de energia e redução de

emissões de CO2 continuarão, no entanto, a fim de fazer grandes reduções em futuras

reduções energia/CO2, novos métodos de produção de aço irão requer um pensamento

completamente novo e inovador.

Figura 22 - Intensidade de resíduos de CO2 na produção de aço Norte-Americana.

O aço é parte integrante de uma sociedade moderna que tem uma alta qualidade de

vida. Desde os carros que conduzimos, às pontes que cruzamos, as embalagens dos alimentos

que comemos, os dipositivos que utilizamos nos edifícios que vivemos e trabalhamos. Todos

25

estes aços serão reciclados e voltam a aparecer como produtos ainda melhores assegurando

um futuro seguro.

Reciclagem é a conexão de sustentabilidade do aço. O aço é infinitamente reciclável, o

que significa que pode ser reciclado várias vezes sem perda de desempenho.

Tabela 3 - Comparação de valores energéticos e de caris ambiental do aço e do alumínio.

Energia GJ/t Potencial para

Aquecimento Global t-CO2 eq/t

SO2 eq kg/t

Alumínio 155 11,06 50,43

Aço 21,6 2,01 5,118

Como, mais e mais atenção está a ser dada ao impacto do ciclo de vida dos materiais

há um foco renovado sobre a Avaliação do Ciclo de Vida para bens de consumo. Sejam as latas

das quais comemos ou dos carros que conduzimos, o impacto de questões de produção de

materiais interessa.

O aço é o material mais reciclado do planeta, mais do que todos os outros materiais

combinados. O gráfico abaixo revela uma taxa de reciclagem global de aço extremamente alta,

que, em 2008, situou-se em mais de 83%.

Figura 23 - Taxa anual de reciclagem do aço.

As propriedades metalúrgicas surpreendentes do aço permitem que seja reciclado

continuamente, sem degradação do desempenho, de um produto para o outro.

26

As fontes para sucata de aço são abundantes, mas são classificados em três categorias

principais: sucata caseira, sucata rápida e sucata obsoleta.

Sucata caseira é a sucata que é produzida a partir de dentro da própria fábrica e está

disponível em algumas semanas. Sucata rápida é sucata que é produzida a partir de fabricação

de produtos de aço, e está disponível em poucos meses. Sucata obsoleta é produzida a partir

de produtos de aço no final de suas vidas e podem passar décadas antes que esta sucata esteja

disponível (exemplo: A Ponte Golden Gate).

Mesmo quando dois de cada três toneladas de aço novo são produzidas a partir de aço

velho, ainda é necessário continuar a usar algumas quantidades de materiais virgens. Isso é

verdade porque para muitos produtos de aço permanecem em serviço, como bens duráveis

por décadas e a demanda por aço em todo o mundo continua a crescer.

Além da sucata de aço em si, a indústria siderúrgica há muito tempo recicla os seus

subprodutos: carepa, escórias siderúrgicas, água e outros líquidos de processamento. Do

mesmo modo, as poeiras e lamas do fabrico de aço são processadas de modo a que os outros

metais, tais como o zinco, possam ser recuperados e reutilizados.

O aço é o motor que impulsiona a reciclagem de muitos bens de consumo, como pode

ser visto pela taxa de reciclagem de cerca de 100 por cento dos automóveis, a mais de 80 por

cento da taxa de reciclagem de aparelhos e a mais de 60 por cento da taxa de reciclagem de

embalagens de aço [Autosteel].

27

4 – Casos de estudo de componentes de indústria automóvel

obtidos por conformação plástica e seus processos.

A utilização de técnicas de simulação numérica na conceção de processos de fabrico

tem experimentado uma aceitação crescente na indústria nas últimas décadas. A aplicação de

métodos computacionais continua, porém, ainda muito limitado nas etapas mais tardias de

ensaio e produção do processo de desenvolvimento. Isto é principalmente devido ao fato de as

técnicas de simulação atualmente aplicadas ainda se baseiam em simplificações importantes

dos sistemas de produção reais.

Estender a aplicação de técnicas de simulação para as fases posteriores do processo de

desenvolvimento é uma tarefa desafiadora e exige uma melhoria substancial dos modelos

usados atualmente. Mesmo pequenas modificações feitas nas superfícies ativas da ferramenta

durante ensaio são conhecidas por terem um grande impacto sobre a qualidade e robustez do

processo. Uma descrição muito precisa da condição de contacto entre as ferramentas e o

formato, incluindo o comportamento elástico das ferramentas, é, portanto, necessária. Além

disso, o comportamento dependente da temperatura dos materiais do formato, bem como de

lubrificantes, têm de ser modelados com precisão, de modo a aproximar às condições de

produção real.

Uma outra área de investigação nova é a melhoria da robustez do processo, durante a

produção através do uso de sistemas de controlo de adaptação. Sistemas não destrutivos de

medição podem ser combinados em algoritmos de controlo especialmente concebidos para

detetar e evitar falhas durante a produção. Além dos métodos baseados no método de

elementos finitos, as abordagens mais computacionalmente eficientes baseadas em

metamodelos, estão atualmente a ser investigados. A modelagem precisa das condições reais

de produção também é decisiva para o sucesso da implementação de tais sistemas.

Os requisitos mencionados nas áreas de ensaio e de controlo do processo adaptativo

colocam nos frente a frente com novos desafios [IDDRG].

Figura 24 - Soluções de software para simulação numérica que acompanham todas as etapas de desenvolvimento do produto.

28

Nesta dissertação foi procurado expor quais os casos em que a simulação numérica se

tornou uma ferramenta que permitiu de maneira fácil e rápida uma resolução que, de outra

maneira, seria demasiado morosa ou demasiado empírica.

4.1 – Determinação do Esboço Ótimo para a Realização de

Componentes.

Uma vez que a matéria-prima representa cerca de 60% do preço final de uma peça, é

muito importante que o desperdício seja minimizado de modo a que nos tornemos mais

competitivos quando estas peças forem orçamentadas.

Também será importante obtermos as dimensões que o esboço terá na banda de

chapa para podermos determinar o preço da ferramenta que permitirá o fabrico de uma

determinada peça.

4.1.1 – Componente a estudar.

A peça a estudar trata-se de uma peça simples dobrada com um pequeno embutido no

centro, quatro furos no plano horizontal e um num plano vertical. O material que a constitui é

um aço JSH270C, semelhante ao aço EN DD11, e tem uma espessura de 2,3 mm.

Figura 25 - Peça a estudar vista nos dois softwares usados, Catia e AutoForm.

Tabela 4 - Composição química do aço JSH270C [Keytometals].

Elemento Máximo

C 0,1500

Mn 0,6000

P 0,0500

S 0,0500

Si 0,0500

Ti 0,1000

B 0,1000

Al 0,1000

Nb 0,1000

29

Tabela 5 - Propriedades mecânicas do aço JSH270C [Keytometals].

Min. Max.

Espessura de chapa: 1,2 ≤ t < 1,6 (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 205 325

Resist. à tração Rm (MPa) 270 -

Alongamento A (%) 35,0 49,0

Espessura de chapa: 1,6 ≤ t < 2,0 (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 195 315

Resist. à tração Rm (MPa) 270 -

Alongamento A (%) 36,0 50,0

Espessura de chapa: 2,0 ≤ t < 2,5 (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 185 305

Resist. à tração Rm (MPa) 270 -

Alongamento A (%) 37,0 51,0

Espessura de chapa: 2,5 ≤ t < 3,2 (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 185 305

Resist. à tração Rm (MPa) 270 -

Alongamento A (%) 37,0 51,0

Espessura de chapa: 3,2 ≤ t < 4,0 (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 175 295

Resist. à tração Rm (MPa) 270 -

Alongamento A (%) 38,0 52,0

4.1.2 – Cálculo da área mínima de chapa consumida.

Para calcularmos a área mínima de chapa necessária para a realização da peça em

estudo, recorremos a uma das ferramentas do software AutoForm, denominada Blank

Generator. Com este software apenas necessitamos de importar uma superfície que

caracterize a peça na totalidade, fazer com que o AutoForm reconheça as suas fronteiras e

furos, tapar esses mesmos furos (uma vez que a peça só será furada depois de conformada) e

posicionar a peça de maneira correta (a direção de trabalho no AutoForm é sempre no eixo

dos ZZ e no sentido negativo, é essencial que a peça esteja colocada em relação aos eixos de

30

prensa consoante o que aconteceria na realidade) para que este nos calcule um formato

representativo da área necessária para que uma dada peça seja realizada.

Figura 26 - Tratamento da superfície da peça no AutoForm.

Figura 27 - Ferramenta Blank Generator antes e depois do cálculo do planificado.

Após todos os dados introduzidos, estamos em condições para iniciar o cálculo de

área. Como podemos ver pala figura, a área resultante é de 20.6x103 mm2.

Falta agora perceber como este formato se irá posicionar na banda de chapa que irá

ser alimentada na ferramenta de maneira a que seja obtida uma ótima utilização de chapa, ou

seja, de modo a minimizar o desperdício. Para tal podemos também usar o AutoForm,

bastando para isso escolhermos o separador “Embed Nest”.

31

Neste separador foi pedido que fossem organizados os formatos para uma peça por

golpe. O AutoForm forneceu uma solução que ele próprio calculou, automaticamente, como

sendo aquela em que o desperdício seria minimizado; no entanto este software não reconhece

por onde se deseja levar a peça a ser conformada, e nem sempre nos fornece uma solução

factível. Quando tal acontece, como foi o caso, devemos recorrer ao modo semiautomático,

que nos permite ajustar o angulo das peças de maneira a que estas deixem livre a zona pela

qual as pretendemos agarrar.

Na Figura 27 está apresentada uma solução após ajustamento dos ângulos de

posicionamento do formato. Esta solução permite um aproveitamento de chapa muito

aceitável (≈67%), no entanto tem um valor de passo muito elevado (cerca de 241 mm).

Figura 28 - Janela e opções do separador "Embed Nest".

32

Figura 29 - Resultado para o posicionamento dos formatos obtido automaticamente.

Figura 30 - Nova solução que liberta a zona pela qual queremos levar a peça.

Este valor de passo dever ser tido em conta, uma vez que este vai influenciar

diretamente o comprimento final da ferramenta que será criada para a realização da peça.

Para se obter uma estimativa do comprimento de ferramenta basta multiplicarmos o valor de

passo obtido (241 mm) pelo número de operações necessárias para realizar a peça (neste

casso, e prevendo que o processo se vai realizar numa ferramenta progressiva, o mínimo seria

de 13 operações); com estes valores podemos estimar que, posicionando a peça desta

maneira, seria necessária uma ferramenta de 3133 mm de comprimento. Este valor de

33

comprimento de ferramenta, quando muito elevado, conduz a um preço de ferramenta,

também ele, bastante alto (uma vez que o comprimento da ferramenta influencia mais o seu

custo final do que a largura) e pode mesmo não haver prensas nas instalações fabris que

consigam albergar uma ferramenta tão comprida.

Com isto em mente, teremos então de procurar uma solução que consiga satisfazer

estas duas necessidades, garantir que podemos levar a peça amarrada ao esqueleto por onde

pretendemos e também tornar o passo o mais pequeno possível sem que isto interfira

demasiado com a utilização de chapa.

Após novas tentativas chegamos à solução apresentada na Figura 30. Nesta nova

solução houve uma redução na utilização de chapa (passou para cerca de 56%) e houve um

aumento de cerca de 100 mm na largura de banda, no então valor de passo foi reduzido em 76

mm, o que leva a uma redução no comprimento da ferramenta de cerca de 988 mm.

Falta agora acrescentar ao desenho da banda as folgas mínimas para os punções de

corte, de dobra e também para a grade à qual se vão agarrar as peças até à separação no

último passo da ferramenta progressiva.

Figura 31 - Resultado que permite levar a peça e não provoca um passo demasiado longo.

Teoricamente deve ser garantida uma margem mínima de 8 mm para os punções de

corte, de 20 mm para os punções de dobra, de modo a que estes tenham um mínimo de

robustez e não sejam danificados, ou mesmo partidos, durante o trabalho em prensa, e uma

largura mínima de grade de 18 mm.

34

Figura 32 - Folgas que devem ser aplicadas de modo a garantir a robustez dos punções e a presença da grade.

4.1.3 – Resultados

Após todos os cálculos efetuados e após terem sido em conta todas as condições

mínimas para que seja possível obter a peça com a máxima qualidade e robustez, chegamos a

uma banda que terá de largura 265 mm e de passo 180 mm, que resultaria numa ferramenta

com um mínimo de 988 mm de comprimento.

Figura 33 - Aspeto final da banda de chapa representativa do passo e da largura.

Assim foi possível prever o consumo de chapa que esta peça irá necessitar e qual a

messa de prensa mínima para que esta se realize de uma maneira rápida e eficiente. Com

estes dados mais certos logo no momento da primeira orçamentação, vamos fazer com que

esta se torne mais competitiva.

Apos termos obtido o formato mínimo da chapa, poderemos partir para simulações do

processo idealizado, de modo a garantir com certeza que o processo idealizado permite que as

peças saiam com a qualidade requerida; tal como será feito na etapa seguinte.

35

4.2 – Análise de Capacidade de Realização de um Componente

Embutido.

Em algumas peças, sobretudo componentes embutidos, não é possível afirmar com

certeza que a sua realização é possível com um só passo, ou mesmo que seja possível realizar

de todo. E mesmo naquelas que se podem realizar, por vezes podemos deixar ao cliente

sugestões que permitiram que estas peças se realizem mais facilmente e dando uma maior

robustez a todo o processo.

Por estes motivos torna-se essencial, em alguns casos, prever o comportamento do

material e verificar a capacidade de sucesso na realização do componente. Assim a proposta

apresentada será não só competitiva, mas também a mais robusta possível.

4.2.1 – Componente a estudar.

A peça em estudo é constituída pelo material HX300LAD com um revestimento

zincado.

Para realização desta peça (foram definidas as seguintes etapas de processamento) foi

idealizado o seguinte processo:

1. Embutidura

2. Corte procurado

3. Dobragem da aba

4. Realizar os furos

5. Rebordar o furo da face superior

O que pretendemos descobrir é se o embutido, de 44,5 mm de profundidade, será

possível tem possibilidades de ser realizado) realizar num (única etapa) só passo. Esta dúvida

surgiu por se tratar de um material relativamente resistência / capacidade de deformação para

um embutido relativamente grande.

Figura 34 - Peça em estudo para verificação da capacidade de realização.

36

Tabela 6 - Composição química do material HX300LAD [Keytometals].

Elemento Mínimo Máximo

C 0,1100

Mn 1,0000

P 0,0250

S 0,0250

Si 0,5000

Ti 0,1500

Al 0,0150

Nb 0,0900

Tabela 7 - Propriedades mecânicas do material HX300LAD [Keytometals].

Min. Max.

Espessura de chapa: t ≤ 0,5 mm (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 300 380

Resist. à tração Rm (MPa) 380 480

Alongamento A (%) (L0 = 80 mm) 19,0 -

Espessura de chapa: 0,5 < t ≤ 0,7 mm (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 300 380

Resist. à tração Rm (MPa) 380 480

Alongamento A (%) (L0 = 80 mm) 21,0 -

Espessura de chapa: 0,7 < t ≤ 3 mm (t=espessura)

Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 300 380

Resist. à tração Rm (MPa) 380 480

Alongamento A (%) (L0 = 80 mm) 23,0 -

4.2.2 – Modelo inicial de embutidura.

Para iniciarmos a simulação vamos ter de tratar a geometria da peça como foi feito no

caso do estudo da área mínima de chapa consumida. Como queremos apenas avaliar a

capacidade de realização do estampado, foi eliminado o rebordado superior e tapado o furo,

uma vez que esta operação só seria executada após o estampado.

37

Figura 35 - Superfícies da peça no AutoForm, antes e após tratamento.

Uma vez tratada a superfície, foi necessário criar uma nova estação geométrica para

que possamos criar a geometria na qual o AutoForm se vai basear para criar as ferramentas

necessárias para a realização da simulação.

Nesta nova estação geométrica vamos definir a superfície do cerra-chapas

(denominado “binder” no AutoForm) e como este se vai ligar à peça (esta superfície de

transição denomina-se “addendum” no AutoForm).

Com estas superfícies totalmente definidas teremos então a geometria na qual o

software se irá basear para a criação das ferramentas para a operação de embutidura.

Figura 36 - Geometria resultante e as superfícies que a constituem.

Após a criação da geometria das ferramentas, passamos agora à definição do processo

de embutido. Nesta fase definimos o formato de chapa que vaio ser usado na simulação

(forma, espessura e material), atribuímos as geometrias às ferramentas (matriz, punção e

cerra-chapas) e definimos também os movimentos e forças das diferentes ferramentas.

38

Figura 37 - Ferramentas e formato de chapa usados na simulação criados a partir da geometria da peça.

Em termos de modelo numérico os parâmetros referidos correspondem aos dados

fundamentais para realizar a simulação numérica do processo de realização do componente

estampado.

4.2.2.1 - Resultados

Como podemos ver pela figura seguinte não é possível que este embutido se realize

nestas condições. Tal deve-se ao facto do material ser relativamente duro, como referido

anteriormente, mas também ao facto do raio de entrada na matriz ser pequeno, 5 mm.

Teremos então de realizar um embutido prévio antes que seja dada a forma final da peça

Figura 38 - Resultado da simulação (posição dos elementos finitos no diagrama FLD, à esquerda, e a sua localização no componente, à direita).

39

4.2.3 – Alterações na geometria das ferramentas.

Nesta segunda simulação tentar-se-á obter a peça sem roturas recorrendo apenas ao

aumento do raio de entrada na matriz. Este raio passará de 5 para 10 mm. Nesta nova

geometria consideramos que, após o embutido, será necessária uma outra operação de modo

a calibrar o raio para 5 mm.

Figura 39 - Nova geometria para a segunda simulação.

4.2.3.1 – Resultados

Após a realização da simulação, em que foi dada a nova geometria às ferramentas, os

resultados obtidos foram os apresentados a seguir.

Figura 40 - Resultado da simulação (posição dos elementos finitos no diagrama FLD, à esquerda, e a sua localização no componente, à direita) após aumento do raio de entrada na matriz.

40

Como podemos observar, ainda não nos é possível realizar este embutido mesmo após

o raio de entrada na matriz ter sido aumentado.

Assim sendo teremos de realizar uma operação prévia de embutido, menos agressiva,

de modo a termos a chapa já conformada antes de realizarmos o segundo embutido.

4.2.4 – Embutidura do componente em duas etapas.

Para esta nova simulação terão de ser criadas as ferramentas para a primeira estação

de embutido. Para isto teremos de criar uma nova estação geométrica e desenvolver a

geometria na qual se irão basear as ferramentas para o primeiro embutido.

Na primeira operação iremos fazer um embutido de uma forma praticamente cilíndrica

com uma profundidade de embutido de 35 mm.

Foi ainda adicionada uma almofada para o segundo embutido, de maneira a garantir o

posicionamento da chapa quando a matriz desce sobre esta.

Coma as ferramentas totalmente definidas, podemos então dar inicio à simulação do

processo.

Figura 41 - Ferramentas da primeira e segunda operação de embutidura.

4.2.4.1 – Resultados

Após decorrida a simulação os resultados obtidos estão demonstrados a seguir.

41

Figura 42 - Resultado da simulação (posição dos elementos finitos no diagrama FLD, à esquerda, e a sua localização no componente, à direita).

Como podemos ver foi finalmente obtida uma peça sem roturas. No entanto há uma

grande zona em que a espessura do material aumentou (zona a roxo). Isto indica que há uma

possibilidade de haver formação de rugas nestas zonas. Para abordarmos melhor este tema

vamos visionar a peça resultante mas agora os resultados são os referentes aos critérios de

formação de rugas.

Figura 43 - Resultados em critérios de formação de rugas da terceira simulação.

Para evitar este problema de enrugamento podemos recorrer a freios de modo a que a

chapa seja alimentada de forma mais controlada para o interior da matriz.

No entanto, com a colocação dos freios, voltamos a ter problemas de rotura.

42

Figura 44 - Resultado da aplicação dos freios e linha representativa dos mesmos freios.

4.2.5 – Resultados finais.

Aqui vamos considerar a solução que, apesar de estar sujeita ao surgimento de rugas,

nos permite obter uma peça sem rico de roturas.

Além da análise de rotura e de possibilidade de surgimento de rugas, podemos

também fazer uma análise do esforço das ferramentas para executar estas duas operações.

Figura 45 - Gráfico da força executada pelas ferramentas ao longo do tempo.

Freios

43

Do gráfico tira-se que o esforço necessário para realizar a primeira operação de

embutido é de cerca de 280 kN, e na segunda é de cerca de 320 kN, resultando numa força

total de 500 kN.

No entanto o que pretendíamos saber era se era possível obter o embutido necessário

para a realização da peça numa só operação, e a resposta é que a peça em estudo demonstrou

que existe uma dificuldade muito grande em ser executada numa só etapa no entanto a

realização em duas etapas, com base nas geometrias usadas e na simulação realizada permite

prever que esta seja possível de realizar usando o seguinte método de operações:

1. 1ª Embutidura

2. 2ª Embutidura

3. Corte

4. Dobragem e Calibrar

5. Furação

6. Rebordado do furo na face superior

Com o auxilio das simulações numéricas podemos então evitar erros ao se afirmar que

um dado processo poderá ser realizado em menos etapas do que aquelas realmente

necessárias para se obter um componente com a qualidade requerida. Evitando estes erros

logo à partida, a orçamentações efetuada será mais próxima da realidade, logo será mais

competitiva.

44

4.3 – Estudo das Ferramentas de um Processo de Embutidura.

Por vezes é favorável analisar uma ferramenta, ou linha de ferramentas, antes que

estas sejam montadas nas prensas, pois se forem detetados problemas durante a fase de

projeto, será poupado o tempo de ensaios de ferramentas em prensas e pode também prever-

se os efeitos que as alterações que deverão ser feitas às ferramentas.

No caso apresentado foi estudada uma linha de ferramentas que são montadas numa

linha de prensas mecânicas transfer de Gestamp Portugal.

4.3.1 – Componente em estudo.

A peça que se pretende obter é realizada a partir de um formato de 280 por 970 mm,

de espessura 0,77 mm e constituído pelo aço DC04, e será realizada numa linha de prensas em

que as peças são deslocadas de uma operação de uma prensa para a seguinte recorrendo a

braços robóticos.

Para que se realize esta peça são necessárias 6 operações:

Uma de Embutido

Duas de Corte

Uma de Dobragem

Uma para Corte dos Furos

Uma para Realização dos Rebordados

Figura 46 - Peça em estudo e pormenores dos rebordados a executar.

45

4.3.2 – Simulação do processo.

Uma vez que se trata de um processo para ser realizado numa linha de prensas, as

ferramentas são independentes, logo as suas geometrias também se encontram em ficheiros

separados. Uma vez que queremos reproduzir a linha de processo teremos de retirar as

geometrias pretendidas aos diferentes ficheiros.

No entanto é necessário ter o cuidado de garantir que estas se encontram

corretamente posicionadas em relação aos eixos ortogonais XYZ, uma vez que as geometrias

das diferentes ferramentas podem não estar desenhadas de modo a que tal aconteça. Assim

teremos primeiro de organizar as ferramentas de modo a que as possamos trabalhar

devidamente no AutoForm

Figura 47 - Posição original das ferramentas.

Figura 48 - Posição das ferramentas depois de arranjada.

46

Após as ferramentas estarem devidamente alinhadas, podemos então dar inicio à

extração das superfícies para seguidamente as importarmos para o AutoForm. Para cada um

dos componentes (matrizes, punções e cerra-chapas) de cada uma das ferramentas foi retirada

uma superfície representativa desses mesmos componentes.

4.3.2.1 – Geometrias

Na primeira operação realiza-se um embutido do formato de modo a dar a forma que

o componente terá. Para simular esta operação foram retiradas as geometrias dos

componentes da ferramenta necessários para a simulação desta operação, que são a matriz, o

punção e o cerra-chapas.

Figura 49 - Superfícies da ferramenta da primeira operação extraídas para o AutoForm.

As segunda e terceira operações tratam-se de operações de corte para que seja

definido o limite exterior do componente. Para estas operações são necessárias superfícies

que garantam que o componente se encontra devidamente posicionado, de modo a que os

cortes não sejam feitos fora do sítio, e nas quais se encontrem as linhas que definem os cortes

que serão executados.

As superfícies retiradas garantem ambas uma vez que o componente, já deformado,

ao cair sobre as superfícies irá posicionar-se corretamente por ação do seu próprio peso.

47

Figura 50 - Superfícies da ferramenta da segunda operação extraídas para o AutoForm.

Figura 51 - Superfícies da ferramenta da terceira operação extraídas para o AutoForm.

Na quarta operação dão-se as dobras das abas. Para que esta operação seja

representada na simulação de forma correta será necessário extrair da ferramenta deste posto

as superfícies do punção e da matriz de dobra e também da almofada que irá garantir o

correto posicionamento do componente enquanto decorre esta operação.

48

Figura 52 - Superfícies da ferramenta da quarta operação extraídas para o AutoForm.

Para ser representada a quinta operação, onde ocorre a furação, também só é

necessária uma superfície em que estejam representadas as linhas de corte dos furos; no

entanto também foram adicionadas as almofadas de maneira a garantir um correto

posicionamento da peça a ser furada.

Figura 53 - Superfícies da ferramenta da quinta operação extraídas para o AutoForm.

Na sexta operação vão ser realizados os rebordados dos furos. Para que esta seja

realizada na simulação numérica extraímos as superfícies dos punções e da matriz de dobra e

também das almofadas.

49

Figura 54 - Superfícies da ferramenta da sexta operação extraídas para o AutoForm.

Após extraídas e importadas as superfícies correspondentes às ferramentas que vão

ser usadas na simulação de todas as etapas do processo de obtenção da peça, resta-nos criar

as operações no simulador, associar as ferramentas às devidas operações e certificarmo-nos

de que as suas posições e movimentos se encontram corretos e que estes descrevem o mais

fielmente o processo.

Figura 55 - Geometrias já importadas para o AutoForm, nas suas devidas posições e com os devidos sentidos de movimento.

50

4.3.3 - Resultados da simulação

Após realizada a simulação das ferramentas, estes foram os resultados obtidos.

4.3.3.1 - Resultados da primeira operação

Figura 56 - Movimento das ferramentas na primeira operação.

Figura 57 - Resultados para a primeira simulação em vista de formabilidade.

Na primeira operação do processo, obtemos um embutido sem roturas dentro dos

limites da peça, no entanto, como se pode ver pela imagem seguinte, existe uma grande área

da chapa em que o material sofre tensões de compressão, havendo uma grande possibilidade

de formação de rugas. Este e um dos problemas a resolver nas etapas de desenvolvimento

mais à frente.

51

Figura 58 - Detalhe da ruga criada no primeiro embutido.

4.3.3.2 - Resultados da Segunda e Terceira Operações

Figura 59 - Resultado ao fim das duas operações de corte.

52

As operações de corte neste software de simulação numérica, quando bem

representadas, raramente colocam problemas na simulação. Este caso não fugiu à norma,

sendo que os cortes seguiram a linha esperada.

4.3.3.3 - Resultados da Quarta Operação

Figura 60 - Movimentos das ferramentas e resultados de formabilidade da quarta operação.

Esta operação foi particularmente interessante de simular uma vez que o software

usado para a simulação numérica não contém uma operação em que os movimentos das

ferramentas sejam iguais aos que acontecem na ferramenta simulada.

Após decorrida a simulação foi verificado que todos os movimentos esperados pela

ferramenta na realidade foram replicados na simulação numérica de forma correta. Também a

própria chapa foi deformada da maneira desejada.

53

4.3.3.4 - Resultados da Quinta Operação

Figura 61 - - Movimentos das ferramentas e resultado em vista de formabilidade da quinta operação.

Como já foi referido, nesta operação, para além das linhas de corte foram também

importadas as geometrias dos cerra-chapas da ferramenta, de modo a garantirmos o correto

posicionamento da peça quando fossem realizadas as operações de corte.

Como já também foi referido, as operações de corte raramente colocam problemas

nos resultados da simulação, para este software; e também aqui os cortes foram realizados

sem qualquer problema.

54

4.3.3.5 - Resultados da Sexta Operação

Figura 62 - - Movimentos das ferramentas e resultado em vista de formabilidade da sexta operação.

Ao fim da sexta operação deveríamos ficar com a geometria final pretendida, no

entanto o surgimento de rugas logo na primeira operação de embutido faz com que tenhamos

de apresentar soluções de maneira a que este componente possa ser obtido sem defeitos.

55

4.3.4 - Alterações ao Processo Original

O surgimento de rugas é originado por uma entrada para a matriz de material de uma

forma descontrolada. É esse material que entrou em excesso que dá origem a rugas ou a

pontos duros dentro das ferramentas.

Uma maneira simples e viável de corrigir essa entrada descontrolada de material, é

recorrendo à aplicação de freios nas ferramentas de embutido.

Estes freios vão reter o material de forma a que este escoe para dentro da matriz de

forma controlada e de maneira a que não surjam sobreposições de material.

Figura 63 - Freios adicionados às ferramentas da primeira operação.

4.3.5 – Resultados Finais Obtidos

Após a aplicação dos freios foi feita nova simulação e os resultados finais foram mais

satisfatórios, uma vez que as rugas que antes surgiam no fim da primeira operação foram

eliminadas e também os resultados obtidos nesta nova simulação em relação à formabilidade

são melhores do que aqueles que foram obtidos na primeira simulação.

56

Figura 64 - Resultado da simulação após colocação de freios em vista de formabilidade.

Figura 65 - Resultados em vista de probabilidade de formação de rugas.

No entanto, no fim da última operação, nos rebordados obtidos há o risco de rotura do

material.

57

Figura 66 - Detalhes dos resultados obtidos nos três furos rebordados.

Para tentar resolver este problema, foi selecionada, no software de simulação, uma

lubrificação especial para esta última operação de rebordado dos furos. Após decorrida uma

nova simulação os resultados obtidos são os demonstrados.

Figura 67 - Resultados da simulação numérica do processo após a alteração na lubrificação.

58

Figura 68 - Comparação de formabilidade do rebordo dos furos antes (à esquerda) e após (à direita) a mudança efetuada na lubrificação.

Podemos então ver que houve uma melhoria significativa na formabilidade do

rebordado ao variar apenas as condições de lubrificação no processo de rebordar os furos

Isto prova a utilidade da simulação das ferramentas de embutidura, recorrendo à

simulação numérica, antes de estas entrarem em fase de ensaios, pois tal permite prever quais

os defeitos que o componente irá ter aquando da sua realização na ferramenta, propor

soluções para a resolução desse mesmo problema e analisar os efeitos das soluções propostas

de uma maneira fácil e menos demorada do que se a ferramenta fosse ensaiada de cada vez

que fosse efetuada uma alteração.

59

5 - Conclusões e Trabalhos Futuros

A simulação numérica é uma ferramenta poderosa para melhor pensar e realizar os

processos de obtenção de componentes a partir de operações de conformação plástica. O uso

deste tipo de software permite, a partir das geometrias dos componentes e de uma maneira

rápida e simples, idealizar um processo inteiro, desde o tipo de formato ou banda a utilizar, até

à análise da formabilidade e qualidade superficial do componente final obtido, passando pelas

geometrias das ferramentas para a realização do processo.

A partir deste trabalho é possível perceber o quão fácil é obter um esboço de chapa

ótimo e colocá-lo na banda de chapa de maneira a que seja ocupada a maior área de chapa

possível, minimizando o desperdício, e de maneira a que o esboço obtido se ligue ao esqueleto

de uma forma exequível. Com um desenho de como a peça se encontra na banda, podemos

então partir para uma orçamentação que, para além de rápida, é a mais acertada e

competitiva possível.

Também podemos observar como poderá ser eficiente prever a possibilidade de

realização de uma peça e quantos passos serão necessários para que determinado processo

resulte numa geometria sem erros. Isto permite que seja feita uma estimativa de todo o

processo de fabrico de um determinado componente da maneira mais segura, sem perder

competitividade.

Foi ainda demonstrada a possibilidade de análise da geometria de uma ferramenta, ou

conjunto de ferramentas, de modo a prever quais as operações em que ocorrerão os defeitos

presentes na peça embutida final e, além disso, analisar o efeito de eventuais correções que

sejam feitas às ferramentas para eliminar esses mesmos erros. Com isto poupamos tempo de

ensaios de ferramenta em prensa e também tempo de reparação da ferramenta na

ferramentaria.

Como trabalhos futuros seria importante a validação dos resultados obtidos na

simulação numérica, através da oportunidade de realização de ensaios experimentais que

permitam comparar os valores obtidos nos ensaios com os valores obtidos nas simulações

numéricas.

60

Referências

[ASM 1988] American Society for Metals; “Metals Handbook Ninth Edition – Vol 14, Forming

and Forging”, ASM International, 1988;

[AutoForm 2010] AutoForm 4.1 Workshop Manual, AutoForm Engineering GmbH, 2010

[AutoForm 2011] AutoForm Plus R4 Start-up Training Process Engineering, AutoForm

Engineering GmbH, 2011

[AutoForm 2012] http://www.autoform.com/en/ acedido em Novembro de 2012

[Autosteel] www.autosteel.org, acedido em Dezembro de 2012

[Dias 2010] F. Teixeira-Dias, J. Pinho-da-Cruz, R. A. Fontes Valente, R. J. Alves de Sousa,

“Método dos Elementos Finitos”, ETEP - Edições Técnicas e Profissionais, 2010;

[Estampagem 2011] Caderno de encargos de pequena e média estampagem, Gestamp

Portugal, 2011;

[Fragoso 2011] João Bruno Rodrigues Fragoso, "Desenvolvimento e Concepção de

Ferramentas de Estampar", Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia, Universidade

do Porto, Janeiro 2011.

[Gestamp 2013] www.gestamp.com acedido em Novembro de 2012

[IDDRG] http://www.iddrg2013.ethz.ch/cms/, acedido em Janeiro de 2013

[Keytometals] www.keytometals.com, acedido em Dezembro de 2012

[Llewellyn 2000] D. Llewellyn, R.C. Hudd, “Steels: metallurgy and applications”, Butterworth-

Heinemann, 2000.

[Malheiro 2012] Luís Norberto Teixeira Malheiro, "Caracterização Mecânica de Materiais em

Chapa Metálica e Problemas de Formabilidade em Componentes para Automóveis",

Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Junho de 2012.

[Manual 2012] Manual do trabalhador da Gestamp Portugal, Gestamp Portugal, 2012;

[Ribeiro 2011] Ricardo Manuel Pinto Ribeiro, "Análise Operacional de Rupturas em

Ferramentas de Estampagem Progressiva", Dissertação de Mestrado, Faculdade de

Engenharia, Universidade do Porto, Fevereiro 2011.

[Rodrigues 2010] Jorge Rodrigues, Paulo Martins, “Tecnologia Mecânica – 2ª Edição”, Escolar

Editora, 2010;

[Rossi 1971] Mario Rossi, “Estampado en frio de la chapa – 9ª Edición”, Hoepli Editorial

Científico Médica; 1971

[Santos 2005] A.Dias dos Santos, J.Ferreira Duarte, A.Barata da Rocha, “Tecnologia da

Embutidura”, Edição INEGI, 2005;

61

Anexos

Anexo A – Realização de expositor para componentes fabricados na

Gestamp Portugal LDA.

Durante o tempo de estágio na empresa Gestamp Portugal surgiu a oportunidade de

realizar um projeto para se expor grande parte dos componentes que são fabricados nas suas

instalações fabris.

Foi então sugerido que ser realiza-se uma estrutura em tubos de aço inox, com a forma

de um automóvel, de maneira a que, além das peças estarem expostas, também se desse uma

ideia de onde estas se encontrariam nas viaturas das quais fazem parte.

Como primeiro passo foram reunidas as peças de cinco projetos de veículos num só

ficheiro 3D para termos a ideia da forma que a estrutura tubular teria de ter de modo a que

cada peça ficasse no seu lugar e também que fosse dada a ideia da forma de um automóvel.

Uma vez reunidas as peças, foi idealizada uma estrutura e adicionada ao ficheiro 3D

com o conjunto das peças.

Figura 69 - Conjunto de peças e estrutura tubular idealizada.

62

Depois de realizado e aprovado o desenho, passou-se à sua construção. Para tal foram

usados tubos e esquinas de aço inoxidável que foram unidos recorrendo ao processo de

soldadura TIG.

Figura 70 - Primeiros passos da realização da estrutura.

63

Figura 71 - Estrutura em bruto com algumas peças colocadas.

64

Figura 72 - Estrutura em bruto com algumas peças colocadas.

Figura 73 - Estrutura já finalizada e polida.

65

Figura 74 - Estrutura final com as peças já colocadas.

Este projeto foi especialmente interessante uma vez que permitiu conhecer melhor

todos os componentes e projetos que são realizados neta empresa e também as tecnologias

usadas para a sua realização.