estampagem
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROBLEMA DE ESTAPAGEM
Ana Paula Niebuhr Maia de Oliveira
César Nesio Correa
Laura Pires Ribeiro Martins
Prof. André Olah Neto
Materiais Metálicos – CM1MME1
JOINVILLE
JUNHO/2012
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 3
1 PROBLEMATIZAÇÃO ......................................................................................... 4
2 ANÁLISE DO PROBLEMA .................................................................................. 4
2.1 CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO – ESTAMPAGEM PROFUNDA ..... 5
2.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA e propriedades mecânicas ..................................... 7
2.3 ENSAIO DE EMBUTIMENTO ........................................................................ 7
2.3.1 Descrição do ensaio .................................................................................... 8
2.3.2 Embutimento Erichsen ............................................................................... 8
2.3.3 Ensaio Olsen ............................................................................................. 10
2.3.4 Observações sobre os ensaios Erichsen e Olsen ....................................... 10
2.3.5 Aspectos críticos ....................................................................................... 11
2.3.6 Principais Normas .................................................................................... 12
2.4 OUTROS ASPECTOS .................................................................................... 12
2.4.1 Dureza ....................................................................................................... 12
2.4.2 Metalográfico............................................................................................ 12
2.4.3 Ferramental ............................................................................................... 12
2.5 MATERIAIS PARA ESTAMPAGEM ........................................................... 15
3 RESULTADOS E SOLUÇÕES ........................................................................... 15
CONCLUSÃO ............................................................................................................... 16
REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 17
INTRODUÇÃO
O processo de estampagem, também denominado de embutimento profundo ou
repuxo, considera uma chapa metálica trabalhada por ferramentas rígidas que, através
de ações de esforços de compressão e tração, transformam uma geratriz plana (blank)
em um corpo cilíndrico ou cônico, (em forma de copo), com ou sem flange. As
principais características da fabricação por estampagem são: alta produtividade, baixo
custo por peça, bom acabamento, resistência das peças finais devido à conformação a
frio (encruamento) e boa capabilidade do processo.
Os esforços que surgem nas operações de conformação são de natureza
complexa e variam com o decorrer da operação. Os problemas mais comuns são o
aparecimento de enrugamento no flange, ou de fissura, na região lateral adjacente ao
fundo do copo durante a estampagem.
O problema, proposto, refere-se à estampagem de chapas de SAE 1008, tipo EP,
com espessura de parede de . A peça final é um copo, com altura de e
diâmetro de . Porém, enfrenta-se o caso do rompimento junto ao fundo do copo.
Este trabalho visa à solução para o processo, sendo que serão descritos os conceitos da
estampagem profunda, ensaios para qualificação e demais aspectos envolvidos.
1 PROBLEMATIZAÇÃO
Deseja-se produzir, por estampagem profunda, peças com formato cilíndrico, na
forma aproximada de um copo, com altura de e diâmetro de ,
confeccionada a partir de uma chapa de aço SAE 1008, com espessura de parede de
. Contudo, durante o processamento ocorre o rompimento da peça junto ao fundo.
Este problema é de extrema gravidade, pois se gera um elevado índice de peças rejeitas,
bem como perdas na produtividade, atraso no programa de produção, desperdícios de
material e aumento dos custos de fabricação. Isso também está provocando atraso de
montagem por falta de componentes estampados, desencadeando postergações dos
prazos de entrega e fortes reclamações por parte dos setores dependentes e dos clientes
finais. Assim deve-se estabelecer um plano para a solução rápida e eficaz do problema.
2 ANÁLISE DO PROBLEMA
A estampagem ou embutimento é um processo de conformação que envolve uma
contínua intervenção entre ferramenta, lubrificante, material de conformação e
equipamento. A Figura 1 mostra esquematicamente uma série de parâmetros que
interferem e que devem ser controlados nos processos de estampagem. O controle dos
vários parâmetros, indicados na Figura 1, é fundamental para a otimização do processo,
principalmente no momento atual em que se devem considerar aumentos de velocidade
de deformação e introdução de novos materiais, sobretudo aqueles de altíssima
resistência mecânica que precisam ser deformados a quente. [1]
A partir dos dados levantados pelo problema e a urgência do mesmo, dar-se
ênfase ao parâmetro material e se necessário, alterar-se-á o processo em questão. Para
análise material, primeiramente, averiguar-se-á a composição química do material
processado, para conferencia da solicitação; dureza, para verificar se houve algum
possível tratamento térmico e metalografia, para detectar o nível de inclusões. Também,
realizar-se-á o ensaio de embutimento e avaliação da norma, para determinar se o
material é compatível com o esforço aplicado. Caso o material seja adequado ou não
seja possível a mudança do mesmo, proporão modificações no processo.
Figura 1. Parâmetros do processo de estampagem [1]
2.1 CARACTERIZAÇÃO DO PROCESSO – ESTAMPAGEM PROFUNDA
Estampagem é um processo de conformação mecânica, geralmente realizada a
frio, que engloba um conjunto de operações, onde a chapa plana adquire uma nova
forma geométrica, plana ou oca. A estampagem profunda, o repuxo ou embutimento
(Figura 2) é uma operação de estampagem onde uma chapa, inicialmente plana, é
transformada em um corpo oco sem que haja aparecimento de rugas e trincas (Figura 3).
Ela é realizada a frio e, dependendo da característica do produto, em uma ou mais fases
de conformação. Por esse processo, produzem-se panelas, partes das latarias de carros
como para-lamas, capôs, portas, e peças como cartuchos e refletores parabólicos.
Figura 2. Desenho esquemático de uma matriz simples para estampagem profunda [2]
Figura 3. Blank e peça após a estampagem[2]
As tensões que atuam no processo são diferentes em cada região da peça,
gerando variações na sua espessura (figura 4).
Figura 4. Tensões atuantes no processo de estampagem profunda [2]
Basicamente, existem quatro regiões com deformações distintas:
Parte plana do fundo da peça cuja espessura final é praticamente a mesma do
blank, quase não apresentando deformação;
O raio do fundo da peça onde ocorre significativa deformação na espessura;
O raio da matriz onde se verifica um aumento de espessura pelas diferenças
entre as tensões de tração, compressão e a componente tangencial;
As paredes laterais onde ocorre um decréscimo gradual da espessura até o fundo
da peça.
2.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA E PROPRIEDADES MECÂNICAS
A matéria prima em questão trata-se de chapas finas laminadas à quente ( ),
em relação a capacidade de estampabilidade, podem ser classificados em:
EM: estampagem média;
EP: estampagem profunda;
EPA: estampagem profunda, acalmado com alumínio.
A tabela I mostra a composição dos aços segundo sua capacidade de estampabilidade.
Tabela I. Composição química dos produtos planos laminados a quente segundo ABNT[3]
A análise química permite determinar principalmente o teor de carbono,
manganês, fósforo e enxofre. Os dois primeiros têm relacionamento direto com as
propriedades mecânicas e os dois últimos com o nível de inclusões [3]. Para a
estampagem profunda as normas da Tabela II mostram os valores máximos do processo.
Tabela II. Estampagem profunda – composição química e propriedades mecânicas necessárias [4]
2.3 ENSAIO DE EMBUTIMENTO
Este ensaio reproduz, em condições controladas, a estampagem de uma cavidade
previamente estabelecida. Os ensaios de embutimento permitem deformar o material
quase nas mesmas condições obtidas na operação de produção propriamente dita, só que
de maneira controlada, para minimizar a variação nos resultados. Existem ensaios
padronizados para avaliar a capacidade de estampagem de chapas. Os mais usados são
os ensaios de embutimento Erichsen e Olsen. Esses ensaios são qualitativos e, por essa
razão, os resultados obtidos constituem apenas uma indicação do comportamento que o
material apresentar á durante o processo de fabricação.
2.3.1 Descrição do ensaio
Os ensaios de embutimento são realizados por meio de dispositivos acoplados a
um equipamento que transmite força. Podem ser feitos na máquina universal de ensaios,
adaptada com os dispositivos próprios, ou numa máquina específica para este ensaio,
Figura 5. A chapa a ser ensaiada é presa entre uma matriz e um anel de fixação, que tem
por finalidade impedir que o material deslize para dentro da matriz.
Figura 5. Máquina de ensaio de embutimento [5]
Depois que a chapa é fixada, um punção aplica uma carga que força a chapa a se
abaular até que a ruptura aconteça. Um relógio medidor de curso, graduado em décimos
de milímetro, fornece a medida da penetração do punção na chapa. O resultado do
ensaio é a medida da profundidade do copo formado pelo punção no momento da
ruptura. Além disso, o exame da superfície externa da chapa permite verificar se ela é
perfeita ou se ficou rugosa devido à granulação, por ter sido usado um material
inadequado.
2.3.2 Embutimento Erichsen
No caso do ensaio de embutimento Erichsen o punção tem cabeça esférica de 20
mm de diâmetro e a carga aplicada no anel de fixação que prende a chapa é de cerca de
1.000 kgf, Figura 6.
Figura 6. Ensaio de embutimento Erichsen [5]
O atrito entre o punção e a chapa poderia afetar o resultado do ensaio. Por isso, o
punção deve ser lubrificado com graxa grafitada, de composição determinada em norma
técnica, para que o nível de lubrificação seja sempre o mesmo. O momento em que
ocorre a ruptura pode ser acompanhado a olho nu ou pelo estalo característico de
ruptura. Se a máquina for dotada de um dinamômetro que meça a força aplicada, pode-
se determinar o final do ensaio pela queda brusca da carga que ocorre no momento da
ruptura.
A altura h do copo é o índice Erichsen de embutimento, Figura 7. Existem
diversas especificações de chapas para conformação a frio, que estabelecem um valor
mínimo para o índice Erichsen, de acordo com a espessura da chapa ou de acordo com o
tipo de estampagem para o qual a chapa foi produzida (média, profunda ou extra
profunda).
Figura 7. Índice Erichsen[5]
2.3.3 Ensaio Olsen
Outro ensaio de embutimento bastante utilizado é o ensaio Olsen. Ele se
diferencia do ensaio Erichsen pelo fato de utilizar um punção esférico de 22,2 mm de
diâmetro e pelos corpos de prova, que são discos de 76 mm de diâmetro, Figura 8.
Figura 8. Ensaio Olsen [5]
Olsen verificou que duas chapas supostamente semelhantes, pois deram a mesma
medida de copo quando ensaiadas, precisavam de cargas diferentes para serem
deformadas: uma delas necessitava do dobro de carga aplicado à outra, para fornecer o
mesmo resultado de deformação. Por isso, Olsen determinou a necessidade de medir o
valor da carga no instante da trinca. Isso é importante porque numa operação de
estampagem deve-se dar preferência à chapa que se deforma sob a ação de menor carga,
de modo a não sobrecarregar e danificar o equipamento de prensagem.
2.3.4 Observações sobre os ensaios Erichsen e Olsen
A velocidade do estampo deve ficar entre 0,08 e 0,4 mm/s . O fim do teste
corresponde ao ponto de queda da carga, causado pela estricção da chapa. Se a
máquina de teste não for equipada com um indicador de carga, o ponto final do
teste é definido pelo aparecimento da estricção ou pela fratura do corpo de prova
na região do domo.
Sob as mesmas condições o ensaio Erichsen fornece maior ductilidade que o
Olsen, devido à diferente dimensão do estampo. Para idênticos materiais, em
cada ensaio a medida da ductilidade aumenta de modo aproximadamente linear
com a espessura.
Além do índice de ductilidade, esses ensaios fornecem indicações qualitativas
sobre a granulação do material e, a partir da localização e do aspecto da trinca
formada, podem-se obter informações sobre a homogeneidade, o fibramento
mecânico, defeitos locais, etc.
Em teoria os testes Olsen e Erichsen são estiramentos puramente biaxiais. Desta
forma deveriam se correlacionar com parâmetros de estiramento, especialmente
o coeficiente de encruamento n . Os dados de teste entretanto mostram bastante
dispersão, devido à fricção entre a superfície do estampo e o corpo de prova. A
correlação entre os valores de diferentes testes pode ser melhorada quando se
usa um sistema de lubrificação padronizado. A norma ASTM E643 estabelece o
uso de vaselina de petróleo no estampo e admite outros sistemas como lâmina de
polietileno combinada com óleo, desde que haja acordo entre fornecedor e
consumidor.
2.3.5 Aspectos críticos
Os parâmetros de teste não são suficientemente definidos. Estes parâmetros
incluem a determinação do ponto final do teste, procedimentos de lubrificação,
sujeição adequada do corpo de prova e controle de velocidade. Por exemplo, se
os dispositivos de sujeição não engastam adequadamente as bordas do corpo de
prova, o material flui para a cavidade da matriz de estampagem, aumentando a
altura do domo na qual ocorre a falha.
O pequeno diâmetro do estampo pode introduzir um componente de flexão
quando a razão entre o raio do estampo e a espessura da chapa for inferior a 10-
15 . Pode-se então dizer que o componente de flexão aparece para espessuras de
chapa maiores do que 1mm, alterando o estado de tensões e deformações.
Uma área relativamente pequena da chapa metálica sob investigação é avaliada
para cada teste.
Freqüentemente são necessárias correções dos valores obtidos nos teste para que
seja possível a comparação de chapas de diferentes espessuras do mesmo
material.
2.3.6 Principais Normas
ABNT NBR5902 (mod.11/1980) - Determinação do índice de embutimento em chapas
de aço pelo método Erichsen - Aplica-se a chapas de aço de espessura nominal entre 0,3
e 5,0 mm.
ASTM E643-84(2000) Standard Test Method for Ball Punch Deformation of Metallic
Sheet Material – Cobre a padronização dos parâmetros do teste Olsen. É aplicável a
chapas de espessuras entre 0,008” e 0,80” (0,2mm e 2,0 mm).
ISO 20482(2003) -Metallic materials -- Sheet and strip -- Erichsen cupping test - aplica-
se a chapas de espessuras entre 0,1 e 2,0 mm.
2.4 OUTROS ASPECTOS
2.4.1 Dureza
Através do ensaio de dureza é determinada a dureza Rockwell “B” ou Brinell. É
um método fácil e rápido de ser realizado para verificação do material segundo norma.
2.4.2 Metalográfico
Pela análise metalográfica é determina o tipo de matriz metálica (ferrita/perlita),
o tamanho de grão e o tipo e quantidade de inclusões.
2.4.3 Ferramental
Operações de estampagem profunda ou embutimento são utilizadas para fazer
com que uma chapa plana (blank) adquira a forma de uma matriz (fêmea), imposta pela
ação de um punção (macho). O processo é empregado na fabricação de peças de uso
diário (pára-lamas, portas de carros; banheiras, rodas, etc.).
A distinção entre estampagem rasa (shallow) e profunda é arbitrária. A
estampagem rasa geralmente se refere à conformação de um copo com profundidade
menor do que a metade do seu diâmetro com pequena redução de parede. Na
estampagem profunda o copo é mais profundo do que a metade do seu diâmetro.
Para melhorar o rendimento do processo, é importante que se tenha boa
lubrificação. Com isto reduzem-se os esforços de conformação e o desgaste do
ferramental. Os óleos indicados normalmente são para extrema pressão, devendo
garantir boa proteção contra a corrosão da chapa, ser de fácil desengraxe e não levar à
oxidação do material (devido às reações de subprodutos dos gases formados no
aquecimento do metal). Geralmente, são óleos minerais com uma série de aditivos (Cl,
Pb, P, gorduras orgânicas, etc.).
Deve-se ainda estudar a pressão a ser aplicada no prensa-chapas: se esta for
muito pequena, surgem rugas nas laterais da peça; se, por outro lado, for muito elevada,
pode ocorrer a ruptura da peça na prensa.
Cuidado deve se ter com o ferramental, para que haja folga suficiente entre a
matriz e o punção que permita o escoamento do material para o interior da matriz, sem
que surjam tensões cisalhantes ocasionadas pelo atrito e que levem à ruptura do metal
em prensa.
Às vezes, o diâmetro do blank é muito superior ao diâmetro da peça a estampar,
sendo que esta deve atingir uma profundidade de copo muito elevada. A fabricação
poderá exigir uma sequência de operações de estampagem, utilizando uma série de
ferramentas, com diâmetros decrescentes (da matriz e do punção). O número de
operações depende do material da chapa e das relações entre o disco inicial e os
diâmetros das peças estampadas.
O cálculo do diâmetro do blank é dado por
√
onde D é o diâmetro do blank, d o diâmetro final do copo, h a altura do copo e s a
espessura da chapa. Assim, para o caso em análise o diâmetro do blank deveria ser de
aproximadamente . Para determinar se o processo pode ser feito em única
operação utiliza-se a relação entre o diâmetro do blank (D) e o diâmetro do punção (d) é
denominada Severidade do repuxo ou Grau Máximo de Embutimento (β0),
A severidade máxima (β0 máx. - Tabela III) é a condição limite para determinar
se o repuxo pode ser feito numa única operação:
Se β0 ≤ β0 máx. - Uma operação de repuxo
Se β0 > β0 máx. - Mais de uma operação de repuxo
Tabela III. Severidade máxima [7]
Assim têm-se
,
e como são necessárias
várias etapas para a obtenção do diâmetro final.
Para se determinar o número de estágios, deve-se considerar uma redução de
40% do diâmetro do blank no primeiro estágio. Nos demais, a redução deve ser de 20%
até que se obtenha o diâmetro desejado. Isso, pois a forca máxima de estampagem
exercida pelo punção ocorre logo no inicio da operação de estampagem para, logo a
seguir, assim que o punção começa a penetrar na matriz, cair visivelmente de
intensidade. Portanto, a condição de tensão máxima ocorre no inicio do processo de
conformação ai devem surgir os efeitos de enrugamento da aba ou de fissuramento da
lateral em formação, que dificilmente ocorrem nos estágios finais da operação [10].
Deste modo:
1º estágio
2º estágio
3º estágio
4º estágio
5º estágio
2.5 MATERIAIS PARA ESTAMPAGEM
Os materiais metálicos de uso mais comum nas chapas são os aços de baixo
carbono que, para as operações de estampagem profunda, devem possuir características
de elevada conformabilidade plástica. O latão 70-30 (liga de cobre com 30% de zinco) e
o material que apresenta um dos maiores índices de estampabilidade, sendo por isso
empregado em pecas cujos requisitos justifiquem a seleção de um material de custo
elevado. O cobre, o alumínio, o zinco e outros metais não-ferrosos, e suas ligas (na
forma de chapas, tiras e folhas), podem ser também submetidos com facilidade,
dependendo do tipo de liga, ao processo de estampagem profunda e conformação por
estampagem em geral.
3 RESULTADOS E SOLUÇÕES
A partir das análises realizadas pode-se perceber que o aço SAE 1008 suporta a
estampagem profunda, contudo a redução brusca de seção inviabiliza o processo. Assim
pode-se optar por trocar do aço SAE 1008 por um aço com um menor teor de carbono
(SAE 1003, 1006). Mesmo o custo sendo superior, resolve-se o problema de ruptura do
material e também se consegue uma conformabilidade maior em relação ao SAE 1008.
Dependendo dos processos posteriores pode-se, ainda, trabalhar com latão ou alumínio,
mas ressalta-se que pode haver mudança no ferramental nesse caso.
Em longo prazo e se necessário o retorno do trabalho do SAE 1008, deve-se
comprar novo de ferramental para a redução suave do diâmetro como exige o processo.
Também, seria oportuna uma análise para a diminuição dessa profundidade de copo e
uma possível redução na espessura da parede.
CONCLUSÃO
Para o problema em análise, fissuramento junto ao fundo do copo estampado,
faz-se as seguintes recomendações quanto ao material comprado. Deve-se verifica-lo
quanto à especificação e/ou a adequação do nível de inclusões ou impurezas de modo a
garantir qualidade. Bem como os ensaios de embutimento qualificam o material para o
processo.
Com base nas análises realizadas, sugere-se a mudança de material para um aço
SAE 1003, que apresenta maior comformabilidade ou até mesmo o uso de latão para a
confecção do copo. Porém deve-se ter em mente a necessidade da reestruturação do
ferramental, pois para a redução de seção do processo é preciso que este ocorra em pelo
menos 5 etapas, as quais são dependentes da altura do copo desejado. Assim poderá ser
feita outra análise para retornar a utilização do aço SAE 1008.
REFERÊNCIAS
[1] SCHAEFFER, LÍRIO. Fundamentos do projeto de ferramentas para o processo
de estampagem. Disponível em: < http://www.ufrgs.br/ldtm/publicacoes/06%20
03.pdf>. Acesso em: 26/05/12.
[2] Disponível em: < http:// www.fat.uerj.br/intranet/.../Cap.%208%20-
%20Estampagem.pdf>. Acesso em 28/05/12.
[3] NETO, ANDRÉ OLAH. Seleção e especificação de aços.
[4] Aço para estampagem profunda. Disponível em: < http://www.megaaco.com.
br/Imagens/Tabelas/Tabela_Qualidade_de_Estampagem_Profunda.jpg>. Acesso em
28/05/12.
[5] Disponível em: < http://www.globalst.com.br/bvg/en_mec/9.pdf>. Acesso em
28/05/12.
[6] Disponível em: < http://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=2264>. Acesso
em 28/05/12.
[7] Disponível em: < http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6607-tipos-
principais-de-ensaios-de-estampabilidade>. Acesso em 28/05/12.
[8] Disponível em: < http://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/8282-
pressao-no-processo-de-estampagem-pode-levar-a-falhas>. Acesso em 28/05/12.
[9] Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAABjGgAG/estampagem-
gem-34-vp-180310>. Acesso em 28/05/12.
[10] Disponível em: < http://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cu
rsos/EM730/CONFORMACAOPLASTICADOSMETAIS_comficha.pdf>. Acesso em
28/05/12.