13Maio/Junho 2008 Ferramental

FABRÍCIO DREHER SILVEIRA

LÍRIO SCHAEFFER

– fabriciodreher@yahoo.com.br– ldtm@ufrgs.br

Diretrizes para projeto deferramenta de estampagem Parte I

Aestampagem é um processo que permite fabricar produtos economicamente viáveis por sua

eficiência e precisão. Todavia, é necessário aplicar procedimentos criteriosos de projeto a fim

de obter o máximo de rendimento destas ferramentas.

Todos os segmentos da indústriabuscam a produção de produtos dequalidade a baixo custo. Esta metanormalmente é atingida com a pro-dução em série, usando máquinas eferramentas especiais, capazes deproduzir um elevado número depeças mantendo o padrão dese-jado.

Um processo importante na pro-dução seriada é a estampagem dechapas. As máquinas usadas na es-tampagem são as prensas dos maisvariados tipos e tamanhos e as fer-ramentas ou estampos, que depen-dendo da quantidade e da qualida-de das peças a produzir, variam dasmais simples e rudimentares às maiscomplexas e aperfeiçoadas.

O projeto de ferramental desti-nado ao processo de produção porestampagem engloba uma série deparâmetros que devem ser segui-dos para a obtenção precisa do pro-duto final e maior vida útil da ferra-menta. Objetivando reproduzir umprocedimento criterioso de projetopara matrizes deste tipo de aplica-ção, os parâmetros citados são

abordados neste trabalho de formaa orientar o projetista sobre a corre-ta maneira de elaboração de umaferramenta de corte e repuxo. A im-portância de tal procedimento po-derá ser visualizada através do casode uma ferramenta mal projetada ecom registro de falha. A matriz era

Antes

Com a força

aplicada Depois

Deformação

elástica

Deformação

plástica

utilizada na indústria de rolamen-tos, produzindo uma peça de fixa-ção de um tensor que se tornarafragilizada devido à ruptura origina-da na matriz. Um novo projeto éapresentado eliminando as falhasdo anterior e, conseqüentemente,capacitando a utilização da peça.

A ESTAMPAGEM

OPERAÇÕES DE ESTAMPAGEM

Corte de chapas:

Dobramento:

A estampagem é um processode conformação mecânica, realiza-do geralmente a frio, que com-preende um conjunto de operaçõesde corte, dobra e embutimento porintermédio das quais uma chapaplana é submetida a transforma-ções de modo a adquirir uma novaforma geométrica própria e deter-minada por projeto.

A deformação plástica () é levada a efeito com o

emprego de prensas específicas edispositivos especiais denominadosestampos ou matrizes. Em situaçõesnas quais a demanda de produção épequena, o processo de estampa-gem não é recomendado, pelo ele-vado custo das ferramentas. Quan-do se trata de grandes séries, cons-titui o processo mais econômico,pois o custo das ferramentas é dis-tribuído entre a grande quantidadede unidades produzidas.

Basicamente, a estampagemcompreende as seguintes opera-ções:

chapas planassão submetidas à ação de um pun-ção de corte, aplicada por intermé-dio de uma prensa que exerce pres-são sobre a chapa apoiada em umamatriz. No instante em que o pun-ção penetra na matriz, o esforço decompressão converte-se em esfor-ço de cisalhamento e ocorre o des-prendimento brusco de um pedaçode chapa.

faz com que umachapa forme dois ou mais planosseparados por um ângulo. Nesteprocesso, parâmetros como raio decurvatura e elasticidade do materialsão importantes. No caso de mate-

veja o

infográfico

riais com alto módulo de elastici-dade é comum que depois de rea-lizado o esforço de dobramento, achapa tenha um maior retorno elás-tico, voltando a sua forma primi-tiva. Desta forma, é recomendávelconstruir a matriz com ângulos dedobramento mais acentuados,além de realizar-se a operação emvárias etapas, com uma única oucom várias matrizes.

é o pro-cesso em que as chapas metálicas eplanas pré-cortadas são conforma-das em forma tridimensional, ouseja, um objeto oco, tendo comoaplicações mais comuns a produ-ção de pára-lamas de automóveis,estojos, cápsulas, capas de rola-mentos, etc. Se a complexidade ge-ométrica da peça produzir tensõessuperiores à de ruptura do material,costuma-se fazer o embutimentoem duas ou mais operações suces-sivas. Em geral, em certas direções achapa é estirada , em outras é com-primida e, em resumo, a espessurada mesma não sofre uma variaçãosignificativa.

As ferramentas para as prensaspodem dividir-se em alguns gru-pos, considerando primeiramente,seu efeito sobre a estrutura metálicaa qual são aplicadas.

No corte por puncionamento,primeiramente o material é com-primido, deformando suas fibras.Quando a pressão exercida é maiorque a resistência do material ao ci-salhamento, este se rompe e, aotérmino do corte, as fibras defor-madas tendem por elasticidade re-tornar a sua posição primitiva.

1

2

Embutimento ou repuxo:

CLASSIFICAÇÃO DASFERRAMENTAS

Ferramentas de corte

1

2

Módulo de elasticidade: é uma grandeza que

proporciona a medida da rigidez de um material

sólido. A unidade de medida no Sistema Interna-

cional (SI) é o Pascal (Pa).

Estiramento: consiste em afinar a espessura de

uma chapa por meio de um punção, prendendo-

se a chapa em uma matriz, de modo a impedir

que o material deslize para dentro da matriz.

Deste modo, há a necessidadeque o punção apresente precisa-mente a dimensão final do furo e ageometria externa da peça estejacontida na matriz, ainda que nãopossuam exatamente a mesma me-dida por existir folga entre os mes-mos.

Além do punção (A) e da matriz(B), uma ferramenta de corte com-pleta possui um bloco (C) que atuacomo guia do(s) punção(ões). Deveexistir ainda um mecanismo, quepodem ser duas chapas fixadas àmatriz (D), com o objetivo de guiara chapa que será cortada conti-nuamente, tal como, um sistema“batente” com a função de fixar opasso que é adotado para o avançoda chapa. O esquema de umamatriz de corte pode ser visto naFigura 1.

A

B

C

D

Figura 1 - Esquema de um estampo de corte

[1]

Ferramentas de dobraO dobramento de chapas é rea-

lizado mediante ferramentas espe-ciais chamadas .Estes são compostos de dois ele-mentos essenciais: o punção supe-rior (C) e a matriz (D) denominados

estampos de dobra

macho e fêmea respectivamente.No caso da Figura 2, completam oestampo os componentes de fixa-ção da chapa presos à matriz porparafusos e necessários para posi-cionar a chapa previamente corta-da, o elemento extrator (A) respon-sável pela retirada da peça e a mola(B) acoplada ao mesmo para exer-cer a pressão de extração. O uso decomponentes fixadores não só énecessário para evitar o deslizamen-to da peça, mas também para quenão sejam produzidas peças defor-madas incorretamente. A peça “a”é o produto resultante da ferramen-ta mostrada.

B

a

C

D

A

Figura 2 - Esquema de um estampo de dobra

[1]

Ferramentas para embutimentoA Figura 3 mostra uma matriz

para esta aplicação. O disco a serembutido é introduzido sobre amatriz. O punção é fixado no porta-punção e o conjunto é fixado nocabeçote superior da prensa.

Durante a deformação, o sujei-tador mantém a superfície da cha-pa tensa para impedir a formaçãode rugas. O punção, ao penetrar na

Sujeitador

Extrator

Peça embutida

Figura 3 - Matriz de embutimento ou repuxo

[2]

CepQ �..�

matriz, conforma o objeto. Durantea penetração, a mola é comprimidae, ao terminar a operação, o pun-ção retrocede e o extrator sob aação da mola sobe e extrai o objetoconformado.

A matriz vai fixada na base que,por sua vez, é presa na mesa daprensa.

O cálculo dos esforços envolvi-dos nos processos de estampagemé fundamental para o desenvolvi-mento de ferramentas. Partindodesta informação, é possível sele-cionar os materiais a serem utiliza-dos no estampo, bem como a capa-cidade necessária da prensa utiliza-da no processo.

O punção, no momento do con-tato com a chapa, inicia sobre amesma uma carga compressiva se-guida de corte.

Ocorre uma pressão contínuapor parte do punção e reação domaterial pressionado. Devido à a-

ESFORÇOS NA ESTAMPAGEM

Esforço necessário para corte

ção do fio cortante do punção, aárea de chapa atingida se separa dorestante. Neste processo pode-severificar a superação do esforço su-perior sobre a resistência ao cisa-lhamento do material [1].

O esforço necessário para efe-tuar um corte depende do materialque será cortado, das dimensões docorte e da espessura da chapa. Des-ta forma, esta grandeza é dada por:

(1)

onde é a força necessária paracorte, em Newton (N), é o pe-rímetro de corte, é a espessura dachapa, ambos em milímetros (mm)e é a tensão de cisalhamento, emN/mm .

Se existem vários punções en-volvidos no processo, a força total éa soma das forças exercidas por ca-da um deles. Para o cálculo pode-seutilizar a equação (1), porém subs-tituindo em a soma dos períme-tros de corte de todos os punções.

Os esforços necessários para do-brar e curvar chapas medianas oufinas, normalmente são pequenosse comparados aos necessários paracorte das mesmas.

Para o cálculo do esforço de do-bra é necessário basear-se no mo-mento fletor produzido segundo asforças externas atuantes em cadacaso. Partindo da equação (2), po-de-se obter esta grandeza.

(2)

onde é a tensão exercida sobre achapa para o dobramento, em

Q

p

e

p

�

�

C

2

Esforço necessário para dobra

I

yM .

��

N/mm , é o momento fletor emN.mm, é a distância máxima dasfibras ao eixo neutro, em mm e é omomento de inércia da secção, emmm .

Admite-se em alguns casos quea chapa se comporte como umsólido apoiado nas extremidades ecarregado no centro. Após o desen-volvimento de equações partindodo momento fletor das forças ex-ternas atuantes [3], pode-se calcu-lar o esforço de dobra pela equação(3):

(3)

onde é o esforço necessário paradobra, em N, é o limite de resis-tência à tração, em N/mm , é alargura da chapa e é a distânciaentre os apoios, ambos em mm.

Um corpo metálico que sofre aação de esforços crescentes se de-forma elasticamente e depois plas-ticamente ou permanentemente.Para haver o embutimento é pre-ciso que supere a tensão de es-coamento mas não a tensão deruptura do material da chapa,pois nesta situação, a chapa acabarasgando.

A força de embutimento émáxima no início da operação,diminui gradualmente ao longo dopercurso e se anula no final. Asequações (4) e (5) fornecem o es-forço de repuxo.

(4)

para repuxo cilíndrico e

2

4

2

M

y

I

F

b

l

�T

Esforço necessário paraembutimento

�

�

�

T

e

r

(5)

para repuxo prismático, sendo aforça necessária para embutimen-to, em N, o diâmetro do punção,

o diâmetro do disco, ambos emmm.

As prensas utilizadas na estam-pagem podem ser mecânicas, ondeum volante é fonte de energia, aqual é aplicada por manivelas, en-grenagens, excêntricos, durante aaplicação do esforço de deforma-ção, ou hidráulica, em que a pres-são hidrostática aplicada contra umou mais pistões fornece a energiapara o esforço de deformação.

As prensas excêntricas são as deuso mais geral, utilizando-se paraquase todos os trabalhos de estam-paria. Contudo, por não serem defácil regulagem e exatidão de per-curso, apresentam dificuldades nostrabalhos de embutimento (semsaída livre do punção), pois um des-

F

d

D

PRENSAS DE ESTAMPAGEM

l

ebF

T

.3

...4

2

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d

DedF

eln.... ���

d

DepF

eln... ��

cuido nesta regulagem pode ter co-mo conseqüência a ruptura dasferramentas e até da prensa.

A prensa excêntrica para umadeterminada operação de corte ourepuxo não pode ser escolhida pelacapacidade nominal fornecida pe-los fabricantes, pois esta é a capa-cidade máxima que a prensa de-senvolve quase no final do curso [4,5, 6].

Para a escolha da prensa é pre-ciso estabelecer o curso que seránecessário, em função do tipo defabricação – corte, dobra, embuti-mento ou mista a força no inícioda operação e a produção diária aser desenvolvida. Estabelecida amáquina, se deve verificar todas ascaracterísticas necessárias comoavanço máximo e mínimo, dimen-sões da mesa, regulagem do pun-ção.

A capacidade da prensa não de-ve ser justamente igual aos esforçosrelacionados na seção anterior, sen-do recomendado deixar uma mar-gem levando em conta os atritos edemais resistências passivas. No

–

e

�

�

l

Volante

Biela

Guias

Martelo

Mesa

x

0º

90º

y

e

y180º

�

F

Figura 4 - Mecanismo de acionamento de uma prensa excêntrica [4]

caso do estampo possuir molas ex-tratoras ou dispositivos semelhan-tes é necessário considerar a forçados mesmos e somá-las ao esforçototal que a prensa deve exercer.

A Figura 4 mostra o mecanismode acionamento de uma prensa ex-cêntrica. A força útil da prensa variacom a posição da manivela, ou seja,depende do ângulo . Quando

a prensa desenvolve a forçamínima.

O projeto consistiu na modifi-cação de uma matriz de estampa-gem progressiva utilizada na indús-tria de rolamentos que estava apre-sentando problemas para a produ-ção de determinada peça. A peçaproduzida faz parte do rolamentocodificado pela empresa que o fa-brica como RL 27074, e este é umtensor da correia dentada dos auto-móveis Kadett, Ipanema e Vectra. Apeça pode ser vista na Figura 5 apósa sucessiva operação de dobra.

O fato era que a matriz, ondehouve trincamento, estava produ-

� � =90o

ESTUDO DE CASO

Figura 5 Peça RL 27074

zindo uma peça fragilizada devidoao aumento da largura do bloco e,conseqüentemente, aumento dasgeometrias de corte. Ao entrar emfuncionamento, a peça sofria rup-tura e, conseqüentemente, provo-cava a inutilização do rolamento. Oproblema mais freqüente estava re-lacionado ao lingote indicado aci-ma, que era estampado com umaespessura muito fina. Quando o ro-lamento era submetido ao torque,o lingote acabava rompendo. Estefato estava gerando inúmeros casosde reembolso aos clientes, então,foi preciso retirar o estampo deoperação. A ferramenta é mostradana Figura 6.

Foram verificados os seguinteserros de projeto:• Os passos entre os estágios de

produção das peças são diferen-tes. Isto pode provocar uma dis-tribuição de tensões não-unifor-me ao longo da matriz;Existência de cantos vivos em al-gumas geometrias de corte damatriz. Estes são pontos projeta-dos com raios relativamente pe-quenos, aumentando a concen-tração de tensão na região dosmesmos. Provavelmente este foium dos fatores que contribuírampara o trincamento da matriz vis-to na figura anterior;A matriz foi submetida a trata-mento térmico e, após um ensaiode dureza, foi constatado que suadureza ficou entre 64 e 70 HRC.Esta dureza foi considerada exces-siva diante das circunstâncias aque a matriz é submetida – cargade 85 toneladas exercida pelaprensa utilizada – e este seria umagravante para o defeito surgido;A base que suporta a matriz, po-rém, não foi submetida a um tra-tamento térmico, segundo análi-se realizada, e desta forma sua du-

•

•

•

Figura 6 - Matriz RL 27074 (cinco estágios

de produção)

reza é inferior a dos outros ele-mentos. Com o passar do tempoe as inúmeras vezes em que a ma-triz operou, a base deformou, cri-ando um empenamento, o quesubmeteria a matriz ao esforço deflexão.Na próxima edição, o tema con-

tinuará sendo abordado através doestabelecimento de uma seqüênciade etapas para o desenvolvimentode uma ferramenta de estampa-gem, demonstrando a importânciado estudo prévio e as dificuldadesencontradas para tal procedi-mento.

BIBLIOGRAFIAS CONSULTADAS• ÁLVAREZ-SOLER; Estampos. São

Paulo: Mestre Jou, 1972• BENDIX, Friedrich; Principie a Tra-

balhar o Metal, Rio de Janeiro:Reverte, 1967

• STANLEY, Frank A.; Estampado yMatrizado de Metales: Proyecto,Construcción y Empleo de Pun-zones y Matrices, Barcelona, JoséMontesó, 1957

Fabrício Dreher Silveira

Lírio Schaeffer

– Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Pós-graduando pela UFRGS na áreade Conformação Mecânica. Profissional com experiência em projeto e desenvolvimento de ferramental de diferentes processos de fabricação.Atuação como encarregado de estamparia e ferramentaria e Engenheiro de projetos e desenvolvimento de produto na Unidade de Metalurgiado Pó da Universidade Luterana do Brasil (ULBRA).

- Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e Doutor na área de Conformação pelaUniversidade Técnica de Aachen/Alemanha (RWTH). Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) do Centro deTecnologia da Escola de Engenharia da UFRGS. Pesquisador na área de Mecânica, Metalurgia e Materiais do CNPq, professor das disciplinas deprocessos de fabricação por conformação mecânica e vinculado ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Minas e Energiada UFRGS. Autor de vários livros sobre conformação mecânica.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[2] POLACK, Antônio V.; Manual Prático de Estampagem, SãoPaulo: Hemus, 1974.

[1] ROSSI, M.; Estampado en Frio de La Chapa: Estampas,Matrices, Punzones, Prensa y Máquinas, São Paulo, Dossat,1979.

[3] CHIAVERINI, Vicente; Tecnologia Mecânica: Processos de

Fabricação e Tratamento, 2 ed., São Paulo: McGraw-Hill,1986

[4] PROVENZA, F.; Estampos, Vol. I, São Paulo, PRO-TEC, 1982.

[5] PROVENZA, F.; Estampos, Vol. II, São Paulo, PRO-TEC, 1982.

[6] PROVENZA, F.; Estampos, Vol. III, São Paulo, PRO-TEC, 1982.