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PROCESSOS DE ESTAMPAGEM

1. Introduo Por estampagem entende-se o processo de fabricao de peas, atravs do corte ou deformao de chapas em operao de prensagem a frio. Emprega-se a estampagem de chapas para fabricar-se peas com paredes finas feitas de chapa ou fita de diversos metais e ligas. As operaes de

estampagem podem ser resumidas em trs bsicas: corte, dobramento e embutimento ou repuxo. A estampagem da chapa pode ser simples, quando se executa uma s operao, ou combinada. Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricam-se peas de ao baixo carbono, aos inoxidveis, alumnio, cobre e de diferentes ligas no ferrosas. Devido s suas caractersticas este processo de fabricao apropriado, preferencialmente, para as grandes sries de peas, obtendo-se grandes vantagens, tais como:

Alta produo

Reduzido custo por pea

Acabamento bom, no necessitando processamento posterior.

Maior resistncia das peas devido a conformao, que causa o encruamento no material.

Baixo custo de controle de qualidade devido a uniformidade da produo e a facilidade para a deteco de desvios.

Como principal desvantagem deste processo, podemos destacar o alto custo do ferramental, que s pode ser amortizado se a quantidade de peas a produzir for elevada.

2. Operaes de estampagem

Corte: Consiste em separar-se de uma chapa, mediante golpe de prensa, uma poro de material com contorno determinado, utilizando-se ferramental apropriado denominado estampo de corte

Dobra: Como seu nome indica, consiste em obter uma pea formada por uma ou mais dobras de uma chapa plana. Para isto, utilizada uma ferramenta denominada estampo de dobra.

Embutimento ou repuxo: Esta operao tem como finalidade obter peas em forma de recipientes, como canecas, caixas e tubos; obtidas pela deformao da chapa, a golpes de prensa e empregando ferramental especial denominado estampo de repuxo.

corte repuxo

dobramento

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3. Nomenclatura bsica da ferramenta de estampagem

Puno: o elemento da ferramenta que provoca a perfurao atravs de movimento e fora transmitidos pela prensa.

Matriz: o elemento da ferramenta que fica fixo na base da prensa e sob o qual se apoia a chapa.

Folga: o espao existente entre o puno e a matriz na parte paralela de corte.

Alvio de ferramenta: o ngulo dado matriz, aps a parte paralela de corte, para permitir o escape fcil da parte cortada.

4. Operaes de corte As operaes de corte de chapas de metal so obtidas atravs de foras de cizalhamento aplicadas na chapa plos dois cantos da ferramenta criando tenses internas que, ultrapassando o limite de resistncia ao cizalhamento do material, provocam a ruptura e finalmente a separao. O corte realizado fundamentalmente em trs etapas: a) Deformao plstica b) Reduo de rea c) Fratura

colunas guias

puno

matriz

guia

extrator

porta-puno

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Quando o puno pressiona a chapa, o material comea a deformar-se at que o limite elstico seja ultrapassado, ento o material deforma-se plasticamente e penetra na matriz, formando uma calota na parte inferior. Com a manuteno da aplicao da fora pelo puno, o metal continua a penetrar na matriz, reduzindo a rea na regio do corte (extrico). A inicia-se a fratura, que comea no canto de corte do puno, para logo em seguida iniciar-se no canto de corte da matriz. Com o aumento da penetrao do puno, a fratura prolongar-se- e as duas fraturas, eventualmente, encontrar-se-o, quando, ento, podemos dizer que o corte ocorreu por cizalhamento puro. Caso isto no acontea, a parte compreendida entre as duas fraturas iniciadas por cizalhamento ser "rasgada", por esforo de trao. As partes rompidas por cizalhamento tero um acabamento liso e brilhante, enquanto que a parte rasgada por trao ter um acabamento spero e sem brilho.

4.1.Folga entre o puno e a matriz A folga entre o puno e a matriz tem uma funo muito importante, pois dela depende o aspecto da pea acabada, a fora necessria para o corte e o desgaste da ferramenta. Quando a folga correta, os incios das fraturas que comeam no canto de corte do puno e da matriz, depois de prolongarem-se, encontrar-se-o no mesmo ponto, produzindo uma pea sem rebarbas. Essa folga depende do material, bem como de sua espessura. Segundo Oehler, a folga ideal pode ser obtida atravs das seguintes frmulas impricas:

Para chapas de at 3 mm de espessura: f e Ks 0 01 0 015, ,

Para chapas com mais de 3 mm de espessura: f e Ks 0 005,

onde: e = espessura da chapa e Ks = tenso de ruptura ao cizalhamento do material.

puno

chapa

trincas

trao

cizalhamento

ruptura

matriz

4

4.2.Fora necessria para o corte O esforo de corte obtido multiplicando-se a rea da seo a ser cortada pela resistncia ao cizalhamento do material. Como a rea da seo a ser cortada igual espessura da chapa multiplicada pelo permetro de corte, podemos dizer que:

Fc = e.L.Ks Onde: Fc = Fora de corte (Kgf) e = espessura da chapa (mm) L = permetro de corte (mm) Ks = tenso de ruptura ao cizalhamento (Kgf/mm2)

A seguir damos o valor de Ks para alguns metais. Na falta do valor exato Ks pode ser tomado como sendo 0,8 da tenso de ruptura trao do material.

Metal. Ks (Kgf/mm2)

recozido

Ks (Kgf/mm2)

encruado

Ao, 0,1%C 24 32

Ao, 0,2%. 30 40

Ao, 0,3%. 36 48

Ao, 0,4% 45 56

Ao, 0,6% 55 72

Ao, 0,8% 70 90

Ao, inoxidvel 50 56

Alumnio 99 e 99,5 7 a 9 13 a 16

Prata e Monel (liga de nquel) 28 a 36 45 a 56

Bronze 33 a 40 40 a 60

Cobre 18 a 22 25 a 30

Estanho 03 04

Zinco 12 20

Chumbo 02 03

4.3.Fora de sujeio Algumas vezes a tira a ser cortada fica presa atravs de um sujeitador ou prensa- chapa ligado ao mecanismo do puno e acionado pela presso dada por molas. Podemos considerar que, para condies mdias de folga e afiao das ferramentas, o esforo de sujeio varia de 5 a 12% do esforo de corte e na prtica, quando no se conhece o valor exato,

utiliza-se 10%. Assim, nesse caso, a fora total de corte ser igual a 1,1.Fc

L

e

sujeitador com molas

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4.4. Reduo da fora de corte Muitas vezes interessante procurar-se diminuir o esforo de corte, com o intuito de minimizar a necessidade de grandes prensas. Isto pode ser feito atravs de um ngulo no puno ou na matriz, de maneira a diminuir a rea de resistncia ao corte. A reduo do esforo de corte pode ser demonstrada conforme segue:

O trabalho requerido para cortar uma chapa de metal pode ser calculado pela frmula bsica: Trabalho = Fora x distncia em que a forca atua No caso do puno de face reta, a distncia percorrida pelo puno para executar o corte ser igual

espessura da chapa (e).

Portanto: Tc1 = Fc1 x e No caso do puno de face angular a distncia percorrida pelo puno para executar o corte completo

ser igual a (e + c), conforme desenho

Assim: Tc2 = Fc2 x (e + c)

Como o trabalho para executar o mesmo corte no varia, (Tc1 = Tc2) e como a distncia percorrida pelo puno com face angular maior, para manter-se a igualdade, a fora de corte, neste caso, necessariamente, ter que ser menor.

Tc1 = Fc1 x e Tc2 = Fc2 x (e + c)

Tc1 = Tc2 (e + c) > e

Portanto: Fc2 < Fc1 O ngulo de inclinao dado na face do puno no deve ultrapassar a 18 graus.

e

Fc1

chapa echapa

Fc2

c

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5. Operaes de dobramento Consiste na deformao da chapa ou tira, de forma a obter-se uma ou mais curvaturas atravs da aplicao de esforos de flexo. Dizemos, ento, que o material est submetido a um estado duplo de tenso.

5.1. Caractersticas da operao de dobramento Como todo material submetido flexo, a chapa dobrada solicitada por trao no lado externo da dobra e por compresso no lado interno, caracterizando o estado duplo de tenso. Assim sendo, as tenses a que est sujeito o material so decrescentes das faces externas em direo ao ncleo da pea e, como as mesmas so de sentido inverso haver uma linha onde essas

tenses se anulam, que chamada de linha neutra (L.N.).

Esta linha importante na operao de dobramento, pois como a a tenso zero ela no sofre alterao de comprimento durante a deformao, o que no acontece com as partes que esto sendo tracionadas e comprimidas que, aumentam ou diminuem de comprimento, respectivamente, aps a operao. atravs da linha neutra que se calculam as dimenses do desenvolvimento (blank), ou seja, da tira antes do dobramento. Quando se inicia o dobramento, a linha neutra est localizada no centro da espessura da tira e, conforme operao vai sendo executada, sua tendncia deslocar-se em direo ao lado interno da curvatura (lado da compresso).

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5.2. Determinao da posio da linha neutra (LN). Como valores prticos para localizao da LN,em funo da espessura da chapa, podemos citar:

espessura da chapa (e) posio em relao ao

lado interno da dobra

at 2 mm 1 2.e

acima de 2 mm at 4 mm 3 7.e

acima de 4 mm 1 3.e

Determinao experimental da linha neutra:

Para determinao exata da posio da LN, necessrio fazer-se o dobramento de uma tira de

chapa, de comprimento L e espessura e conhecidos, com um raio r de dobramento desejado, como mostra a figura abaixo.

Assim teremos L aR

b

onde a l e r b h e r

R raio na L N

, :

:

. .

2

4

Multiplicando a expresso por 2 vem:

2 2 2L a R b

RL a b2

Chamando-se a distncia da linha neutra face interna da dobra de x, vem:

R r x x R r x

L l hr

2

Exemplo de aplicao: Determinar a distncia entre a LN e a face interna da dobra de uma tira de ao de 100 x 20 x 3 mm, que uma vez dobrada, ficar com as dimenses indicadas a seguir:

8

1002

4

48 3 5 40 58 3 5 50

aR

b

onde a b

R raio na L N

:

. .

R

x R r assim

2 100 40 50

, :

x mm

2 100 50 405 1 3

,

5.3. Clculo do desenvolvimento Para obter-se uma pea dobrada temos que partir de um esboo plano, cortado com dimenses

adequadas, denominado desenvolvimento da pea. Este desenvolvimento calculado, baseado na

linha neutra da pea, pois essa no muda de comprimento aps a deformao da chapa. Assim, para o clculo do desenvolvimento, basta determinar o comprimento da mesma.

Exemplo de aplicao

Calcular o desenvolvimento da pea desenhada a seguir, construda em chapa de 2 mm de espessura.

Como a espessura da chapa de 2 mm, podemos considerar a LN no centro da chapa (LN = 1/2.e)

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Clculo do desenvolvimento: AB = 8 - (3 + 2) = 3 mm

BC = 2R/4 = 1/2.. (3 +1) = 6,28mm CD = 15 - (5 + 5) = 5 mm DE = BC = 6,28 mm EF = 40 - (3 + 2) = 35 mm

FG = 2R/2 = . (5 + 1) = 18,84 mm Portanto, o desenvolvimento ter o seguinte comprimento:

L = 3 + 6,28 + 5 + 6,28 + 35 + 18,84 = 74,40 mm

5.4. Deformao durante o dobramento No dobramento de tiras de seo retangular, os lados do retngulo so formados pela largura da tira e pela sua espessura. Quando chapas espessas so dobradas com raios de curvatura pequenos, este retngulo distorcido para um trapzio, aonde o lado interno curvatura tem suas dimenses aumentadas, devido aos esforos de compresso e o externo diminudas, devido aos esforos de trao.

5.5. Raio mnimo de dobramento Quanto menor o raio de dobramento maiores sero as tenses a que o material ficar submetido. Para que no haja incio de trinca ou esmagamento, as tenses mximas de trao e compresso atingidas nas partes externas e internas da curvatura nunca devem atingir a tenso limite de ruptura. Assim, o raio mnimo de dobramento deve ser limitado de forma a evitar esta ocorrncia. Existem frmulas empricas para a determinao do raio mnimo, mas na prtica utilizam-se valores

obtidos experimentalmente. Para o ao doce recomenda-se Rmin > e, onde e a espessura da chapa.

5.6. Retorno elstico (Spring back) No dobramento sempre deve ser levado em conta o fato que, aps cessado o esforo do puno sobre o material, haver um certo retorno do material, ficando a dobra com um ngulo maior que o obtido no momento da presso da ferramenta. Esse retorno devido componente elstica do material, pois a deformao plstica permanente conseguida apenas nas fibras mais externas do material, permanecendo s prximas linha neutra no estado elstico. O ngulo de retorno depende, principalmente, do material, de sua espessura e do raio de curvatura

Normalmente ele varia de 1a 10 e, para ter-se uma idia de seu valor, convm realizar-se um ensaio prvio de dobra. Portanto, as ferramentas de dobra devem ser feitas com ngulo que compensem esse retorno. Nos dobramentos de perfis "U" o fundo feito levemente cncavo para compensar a ao elstica do material.

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5.7. Folga entre puno e matriz A folga entre o puno e a matriz deve ser igual espessura da chapa, a menos que a chapa v ser submetida a um efeito de cunhagem, o que aumentar significativamente as foras necessrias para o dobramento. Como a espessura da chapa pode variar dentro das tolerncias de usina, isto deve ser considerado no dimensionamento da folga. Normalmente costuma- se acrescentar 10% da espessura

para compensar essas tolerncias. Usando-se esse critrio a folga ser igual a 1,1 e

5.8. Fora de dobramento Para o clculo da fora necessria para realizar-se um dobramento preciso saber como ser realizado o mesmo pois, conforme o desenho da ferramenta, haver uma variao nessa fora. Assim sendo apresentaremos trs tipos bsicos de dobramento mostrando o roteiro que deve ser seguido para determinao dessa fora. Para qualquer outro tipo de dobramento no analisado aqui, o roteiro a ser seguido o mesmo. O clculo da fora de dobramento feito baseado nos carregamentos-padres de uma viga, conforme visto em resistncia dos materiais. Assim, para calcularmos a fora de dobramento devemos associar o tipo de dobramento com um correspondente carregamento de uma viga. A seguir mostramos o clculo da fora de dobramento (FD ) para dobras em "V", "L" e "U".

Dobramento em "V"

Da resistncia dos materiais vem: MfmaxFd l Fd l

2 2 4

Onde:

Mfmax momento fletor mximo Fd fora de dobramento

l comprimento livre entre apoios na matriz.

Por outro lado sabemos tambm que: Mf W f . Onde:

W mdulo de resistncia, que depende do formato da seo que est sendo dobrada. f tenso de flexo do material, considerada normalmente como sendo duas vezes a tenso de ruptura trao do material.

Para o caso de sees retangulares, como a de uma chapa: Wb e

. 2

6 , onde:

b = largura da tira e = espessura da tira

Substituindo, temos: Mfb e

f.

.2

6

Igualando-se teremos: Fd l b e

f. .

.4 6

2

Portanto: Fdb e f

l

. .

, .

2

1 5

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Dobramento em "L"

Da resistncia dos materiais vem:

Mfmax Fd l .

Onde: l =comprimento livre entre o puno e o engastamento da tira na matriz. Da mesma forma que no exemplo anterior temos:

Mf W f . e, para tiras de chapas: Wb e

. 2

6 Portanto: Mf

b ef

..

2

6

Igualando-se teremos: Fd lb e

f..

.2

6 Portanto: Fd

b e f

l

. .

.

2

6

Quando l = e vem: Fdb e f

. .

6

Dobramento em "U" Este tipo de dobramento pode ser considerado como um duplo dobramento em "L", com l = e

Assim: Fdb e f b e f

26 3

.. . . .

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5.9. Sujeitador Nas operaes de dobramento poder haver a necessidade de manter-se a tira de chapa presa firmemente, para evitar que a mesma desloque-se durante a operao. Para isso, poder ser usado um prensa-chapa ou sujeitador de ao por molas. Normalmente, o valor

dessa fora de sujeio pode ser considerado como sendo 0,3 Fd.

Sujeitador