Processo de Corte por Cisalhamento Convencional

Para compreender melhor o processo de corte por cisalhamento, nesta seção será apresentado os elementos básicos do processo de corte por cisalhamento convencional:

• Mecanismo de corte

Uma ferramenta típica de corte por cisalhamento convencional é composta basicamente pelos elementos mostrados na Figura 13. Os principais componentes são o punção e a matriz, que realizam efetivamente o corte.

Figura 13 - Elementos básicos de uma ferramenta de corte por cisalhamento. [9]

O corte é realizado através do movimento relativo de um punção de corte contra uma matriz, causando a separação do material da chapa. O objetivo do corte pode ser tanto realizar um furo com o formato do punção na chapa quanto separar o componente (também com o formato do punção) da chapa. No caso de um punção circular, o diâmetro do punção é levemente inferior ao diâmetro da matriz de forma a existir uma folga entre os dois que permite que o punção penetre na matriz, separando a chapa em duas partes. Esta folga é o parâmetro mais importante do processo. [13]

A forma como se processa o corte pode ser bem entendido mediante a análise em seqüência de cada uma das fases do processo ilustrado na Figura 14.

Embora exista uma folga entre o punção e a matriz o seu valor é muito pequeno quando comparado com o da espessura da chapa, sendo, por isso, usual admitir-se que o corte se processa através de tensões de corte que se distribuem pela espessura da peça ao longo do perímetro do contorno de cisalhamento puro (Figura 15). Este modelo de análise pressupõe que as ferramentas possuam arestas bem afiadas e o momento fletor desenvolvido na fase inicial do corte tende a empenar a chapa, levando as forças de corte atuar concentradas ao longo das arestas de corte, de tal modo que somente o material na zona da folga irá sofrer deformação plástica.

Figura 15- Representação esquemática do modelo adotado para estudo do corte por cisalhamento. [8]

Considerando uma seção genérica CD (Figura 16), inclinada de um ângulo (α ) relativamente à seção vertical AB, a força ( F ) aplicada pelo punção pode ser decomposta segundo duas direções: a normal (F_n) e a tangencial (F_t). Estas componentes originam respectivamente, uma tensão normal (

σ

CD) e uma tensão de

corte (

τ

_CD): CD F_n CD =

σ

(11) CD F_t CD = τ (12)

O valor da tensão tangencial (

τ

_CD) toma o seu valor máximo para (α =0º), na seção vertical AB, enquanto que a tensão normal (

σ

_CD) se a anula dando origem a

um estado de tensão de corte puro.

Figura 16 - a) Decomposição da força aplicada pelo punção, F, segundo as direções normal e tangencial de uma seção genérica CD, inclinada de um ângulo α com a vertical e b)

representação no plano de Mohr do estado de tensão característico do corte por arrombamento. [8]

Nestas condições, logo que o valor da força aplicada ( F ) atingir um valor suficientemente elevado para satisfazer o critério de plasticidade,

τ

AB =

τ

crit, o

material começará a escorregar ao longo da seção vertical, AB, levando que a peça seja empurrada pelo punção através do furo da matriz. Considerando o critério de plasticidade de Tresca, conclui-se que a deformação plástica se iniciará quando a tensão de corte crítica for igual à tensão limite de elasticidade do material em corte puro,

τ

_crit =

τ

_max =k.

O círculo de Mohr representativo do estado de tensão de corte puro encontra- se representado na (Figura 16-b), localizando-se o pólo na interseção do círculo com o eixo positivo dos (τ ), uma vez que para a seção genérica CD a tensão normal vale (

σ

CD) e a (

σ

CD =0), e a tensão de corte máxima,

τ

AB =

τ

max =k. [8]

• Morfologia da superfície cortada e fases do corte

Descrito o mecanismo de corte por cisalhamento interessa agora analisar a morfologia da superfície cortada e as fases do processo de corte, considerando a existência de uma folga entre o punção e a matriz. A morfologia da superfície de uma peça obtida por corte por cisalhamento é constituída por quatro zonas distintas: o repuchamento, a zona de penetração, o cone de ruptura e a rebarba, conforme representado na Figura 17. [8]

Figura 17 - Morfologia da superfície de uma peça obtida através de corte por cisalhamento.[8]

1) Repuchamento

Na fase inicial do processo de corte a progressão do punção é acompanhada pela formação de um repuchamento das superfícies livres adjacentes ao punção e na matriz (Figura 18). No caso de folgas muito pequenas, antes de se iniciar a fase de repuchamento pode surgir um fenômeno local de identação, tendo como consequência a elevação do material junto das arestas do punção e da matriz. Em qualquer dos casos os fenômenos são permanentes, ou seja, ocorre deformação plástica. [8]

Figura 18 - Formação de repuchamento nas superfícies livres adjacentes ao punção e à matriz para pequenas folgas (esquerda) e para folgas normais e grandes (direita). [8]

2) Penetração

À medida que o punção continua o seu curso as superfícies resultantes da deformação plástica tornam-se verticais e passam a ser definidas pelas paredes laterais do punção e da matriz, respectivamente, na chapa e na peça que vai penetrando na matriz (Figura 19). Esta fase denominada por penetração vai-se desenvolvendo enquanto a deformação imposta pelo processo, ϕ, for inferior à deformação máxima que o material pode suportar,

ϕ

_max. A parte da superfície de

corte gerada através deste mecanismo caracteriza-se por ser polida e brilhante, e por ter dimensões regulares e precisas. [8]

Figura 19 - Formação da zona de penetração (esquerda) e início da fissuração (direita). [8]

3) Cone de ruptura

Uma vez alcançado o valor máximo de deformação que o material pode suportar em deformação plástica,

ϕ

_max, irão surgir fissuras junto das arestas do

punção e da matriz segundo direções que fazem 45º com a direção vertical (Figura 19). Com a continuação do movimento do punção a direção de propagação das fendas começa a rodar no sentido de se aproximar da direção da seção resistente instantânea, de modo a que as fissuras provenientes do punção se venham a encontrar com as que propagam a partir da matriz, garantindo a separação entre a peça e a chapa. A parte da superfície que resulta deste mecanismo designa-se por cone de ruptura e caracteriza-se por ter certa conicidade, ser irregular e de aparência rugosa (Figura 20). [8]

Figura 20 - Propagação das fendas segundo a direção resistente, com detalhe de formação da rebarba (esquerda) e separação da peça da chapa, com formação do cone de ruptura e

detalhe mostrando as rebarbas (direita). [8]

4) Rebarba

Durante a fase de propagação das fendas surge o mecanismo de formação das rebarbas. Devido à propagação das fendas abre-se um espaço junto às arestas do punção e da matriz para onde o material que se encontra sob o punção e sobre a matriz pode escoar, dando origem a rebarbas (Figura 20). Naturalmente que a dimensão da rebarba será determinada pelo desgaste das arestas de corte, pela ductibilidade do material que se está a cortar, pela dimensão da folga e também pelo valor da força de corte que é aplicada localmente. [8]

• Evolução do curso do punção

A dimensão conjunta das zonas de repuchamento e penetração depende fundamentalmente do valor da folga ideal e das características mecânicas do material. A Tabela 2 apresenta a ordem de grandeza da dimensão desta penetração para diferentes materiais, obtidos para valores de folga ideal, entendendo-se por folga ideal aquela que corresponde ao consumo mínimo de energia.

A análise dos valores indicados na tabela deixa antever que para materiais muito dúcteis o aumento da força de corte, até o aparecimento das fissuras, será mais gradual, já que o máximo da força de corte é alcançado para uma maior penetração. Nos materiais menos dúcteis a força de corte cai praticamente a zero após se ter atingido o final da zona de penetração. [8]

Tabela 2 - Dimensão conjunta do repuchamento e da penetração, para valores de folga ideal (valores em porcentagem da espessura). [8]

• Folga de corte unilateral

A folga de corte é a diferença de cotas entre as superfícies laterais do punção e da matriz da ferramenta. A superfície cortada tem uma morfologia característica, conforme apresentado anteriormente. A qualidade da superfície cortada é obtida através de valores de folga que dependem das características mecânicas do material, da geometria e do estado de conservação das ferramentas. [8]

A Figura 21 mostra esquematicamente a folga entre o punção e matriz, juntamente com as principais dimensões que compõem a ferramenta de corte.

A folga ideal é certamente a variável mais importante para construção de uma ferramenta de corte. A influência da folga não se reduz somente à alteração da morfologia da superfície cortada, o seu valor afeta igualmente o valor máximo e a evolução da força de corte durante a penetração do punção. A folga ideal corresponde aquela que consome o mínimo de energia. [8]

A forma de se especificar a folga de corte varia, sendo que algumas literaturas citam a possibilidade de que para materiais macios e de pequenas espessuras, esta praticamente não deve existir. Normalmente fala-se em folgas menores (4% da espessura) para metais mais moles como latão e alumínio até 10% para aços mais resistentes, como aço inox. [13]

Os valores da folga ideal encontram-se normalmente tabelados. A Tabela 3 apresenta para os materiais mais usados, os valores da folga por lado em porcentagem da espessura da chapa a usar, para se obter superfícies com a morfologia representada na Figura 23.[8]

Tabela 3 - Folgas por lado em função do material e do tipo de superfície a obter, conforme morfologia ilustrada na Figura 23. [8]

Um modo alternativo de determinar o valor da folga ideal por lado, em função da espessura da chapa e das características mecânicas do material, consiste em aplicar a seguinte equação:

R ss

C

f = τ

em que ( f ) é a folga unilateral, (C_s) um coeficiente que depende da espessura da chapa, (C_s =0,00145~0,00963 até espessuras de 3mm e C_s =0,00205~0,012 para espessuras superiores a 3mm), ( s ) é a espessura da chapa e τ_R é a tensão de ruptura ao cisalhamento, dada para os materiais mais usados na Tabela 4. [8]

Sob este mesmo contexto, uma relação prática entre o material e a espessura da chapa pode ser usada para determinar o valor da folga total para ambos os lados:

• f= S/20 para aço doce, latão e similares; • f= S/16 para aço médio;

• f= S/14 para aço duro.

Através de diagramas conforme mostrado na Figura 22, também é possível determinar facilmente a requerida folga para a operação de corte de chapas.

Figura 22 - Gráfico para determinação da folga entre punção e matriz, em função do tipo de material e da espessura da chapa. [3]

Figura 23 - Morfologia da superfície cortada em função do valor da folga entre o punção e a matriz. [8]

• Sentido da folga de corte

Quando cortamos numa chapa as formas de que necessitamos, a parte útil obtida recebe o nome de peça e o restante de material que sobra chama-se retalho ou cavaco. O sentido da folga de corte depende essencialmente ao tipo de peça que se pretende obter. Na Figura 24 está representado dois casos de corte de peças.

No primeiro caso, para que a peça fique com as dimensões exigidas, a cota nominal da peça deve ser atribuída à matriz e a folga no punção, uma vez que a matriz reproduz a sua dimensão na zona de penetração da peça.

No segundo caso a cota nominal de referência deve ser definida no punção e a folga na matriz. A folga de corte e as tolerâncias de fabricação são estabelecidas a partir da cota nominal de referência.

a)

b)

Figura 24 - Sentido da folga a) folga dada no punção b) folga dada na matriz.

• Força e energia de corte

Durante a formação do repuchamento e ao longo da fase de penetração verificam-se simultaneamente dois fenômenos que determinam a evolução da força

de corte. Com a penetração do punção a seção resistente vai diminuindo e ao mesmo tempo o material vai encruando devido à deformação plástica crescente. A força de corte vai aumentando gradualmente devido o efeito do encruamento prevalecer sobre o da diminuição da seção resistente, até que seja alcançado um valor máximo (Figura 25).

Figura 25 - Evolução da força de corte com o deslocamento do punção, durante as fases de repuchamento e penetração. [8]

Alcançado o valor máximo inicia-se a fissuração junto das arestas do punção e da matriz, a partir deste instante a força de corte decresce bruscamente em virtude da rápida diminuição da seção de corte, decorrente da alta velocidade de propagação das fissuras. A estabilização final deve-se ao atrito entre as ferramentas e o material durante a fase de extração (Figura 26).

Figura 26 - Evolução da força de corte com o deslocamento do punção no corte por cisalhamento. [8]

As forças envolvidas no processo de corte são altas, especialmente em materiais com alta resistência mecânica. A determinação do valor máximo da força de corte é importante para a escolha adequada das máquinas ferramenta, como

para o projeto das ferramentas e para o estudo da disposição dos punções e das matrizes. A abordagem mais simples e mais utilizada para o cálculo da força máxima de corte é multiplicar a tensão de ruptura ao cisalhamento pela área a ser cisalhada, ou seja: c c c A F =

τ

(14)

onde (Fc) é a força de corte, (

τ

c) é a tensão de ruptura do material quando

submetido ao cisalhamento e (Ac) é a área a ser cisalhada, calculada por:

s l A_c = _s

(15)

onde (l_s) é o perímetro ou comprimento de corte e ( s ) é a espessura da chapa, conforme o exemplo da Figura 27.

Figura 27 - Representação da área a ser cisalhada de uma peça com furo.

De um modo geral não se encontra tabelado o valor da tensão de ruptura ao cisalhamento, (

τ

c), mas sim o limite de resistência do ensaio de tração uniaxial,

(R_m). Para relacionar os dois valores é necessário corrigir o valor da tensão de ruptura ao cisalhamento, sempre que a mesma for determinada a partir da tensão de ruptura do ensaio de tração uniaxial. O valor da constante de correção ( C ), é o quociente entre as tensões de ruptura, C=

τ

c/Rm, e depende fundamentalmente do

tipo de material e das respectivas características mecânicas, não tendo um valor constante. A sua variação é da seguinte ordem de grandeza: alumínios,

75 , 0 ~ 6 , 0 =

C ; latão, C =0,65~0,7; cobre, C=0,65~0,7; aço, C =0,7~0,8; aço inoxidável, C=0,75~0,8. Para efeitos de projeto é habitual adotar-se C =0,8. [8]

Portanto a força máxima de corte pode ser calculada por: c m c CR A F = . . (16)

Para efeito de projeto:

s l R F_c =0,8. _m._s.

(17)

A Tabela 4 abaixo mostra alguns valores orientativos de tensão de ruptura ao cisalhamento (

τ

c) para alguns materiais.

Tabela 4 - Tensão de ruptura ao cisalhamento para diferentes materiais. [8]

Um parâmetro fundamental para a escolha da prensa é o trabalho de corte, (W ), que no gráfico força de corte versus deslocamento do punção, corresponde a área abaixo da curva (Figura 26). O seu valor não pode ser calculado pelo produto da força máxima de corte pela espessura do material a cortar, uma vez que a força de corte não é constante ao longo do curso. Nestas condições, é habitual calcular-se o trabalho de corte através da seguinte expressão:

s F Q W = _w. _c.

(18)

em que Qw =2/3 é um coeficiente de correção aplicado a força máxima de corte para determinação do trabalho de corte (Figura 26), ( s ) é a espessura da chapa ou deslocamento do punção e (Fc) a força máxima de corte. [8]

• Redução da força máxima de corte

Existem dois métodos que são geralmente usados para reduzir a força principal de corte, a decalagem de punções e a inclinação das arestas de corte do punção ou da matriz (Figura 28).

Figura 28 - Métodos de inclinação das arestas de corte e decalagem de punções para redução da força máxima de corte (h = Diferença de altura). [9]

A técnica de decalagem de punções consiste em utilizar punções de alturas diferentes e só poderá ser implantada quando existir mais do que um punção de corte (Figura 28g). Quando o primeiro punção tiver penetrado na chapa um valor correspondente ao final da zona de penetração, o segundo punção deve iniciar o corte. Deste modo, pode corta-se ambas as peças com uma força inferior à que corresponderia à soma dos dois perímetros cortados simultaneamente.

Outra técnica muito utilizada para reduzir as forças de corte consiste em efetuar o corte progressivamente através da inclinação dos punções ou das matrizes, dependendo do tipo de peça que se deseja (Figura 28b-f). Através da

inclinação do punção ou matriz podem obter-se reduções muito significativas da força de corte, dependendo da inclinação, (α ), que se der às arestas de corte (Figura 30). Para determinar a força de corte deve considerar-se o perímetro ativo (lsa) que o punção atua (Figura 29). Nestas condições, o perímetro de corte para o

punção com aresta inclinada pode ser calculado por:

α tan

S l_sa =

(19)

onde, (α ) corresponde ao ângulo de inclinação da aresta de corte, que pode variar entre 0,5º até 5º no máximo e ( S ) a espessura da chapa.

Portanto, a força de corte para o corte inclinado pode ser calculada aplicando seguinte equação: α σ tan 2 . 8 , 0 2 S F_c = _R (20)

Figura 29 - Comprimento de corte para o corte plano e corte inclinado. [9]

No gráfico da força de corte versus deslocamento do punção (Figura 30), tem- se um comparativo entre dois punções com arestas de corte diferentes. Observa-se a redução da força de corte máxima e um deslocamento maior com o punção inclinado. No entanto, o trabalho total é igual para os dois punções. [8]

Figura 30 – Gráfico da força de corte-deslocamento do punção, para análise do trabalho de corte com punção de aresta paralela e aresta inclinada. [9]

• Desgaste das ferramentas de corte

O corte por cisalhamento sujeita os punções e as matrizes a níveis de desgaste consideráveis. A Figura 31 mostra a localização dos principais tipos de desgaste para os componentes ativos das ferramentas de corte por cisalhamento.

Figura 31 - Representação esquemática dos tipos de desgaste que se verificam nos punções e nas matrizes de corte por cisalhamento. [8]

Os desgastes da aresta de corte e das superfícies laterais do punção e da matriz resultam de mecanismos de adesão e de abrasão, originados pelo escorregamento entre punção/matriz e as superfícies das peças que sofreram elevados níveis de encruamento. Forças de corte elevadas, folgas reduzidas e

esforços de impacto significativos agravam o desgaste da aresta de corte e dão origem ao desgaste da superfície frontal do punção. Estas condições podem provocar o aparecimento de desgastes em forma de cratera, também as elevadas taxas de produção contribuem para elevar a temperatura de trabalho acelerando o desgaste abrasivo e a oxidação das ferramentas. [8]

Como visto anteriormente a folga de corte ideal é uma relação de compromisso entre a qualidade de corte e esforço de corte. Podemos concluir que a folga de corte contribui também para o desgaste do punção e da matriz, pois quanto menor a folga, maior a força necessária para o corte. Em cortes com folgas pequenas o desgaste será maior, pois após o corte o material restante da chapa tende a fechar-se sobre o punção, sendo necessária a utilização de extratores. Na (Figura 32) podemos analisar a influência da folga no processo de corte. [13]

Figura 32 - Influência da folga na qualidade de corte, força de corte e desgaste da ferramenta. [15]

• Exemplos de Ferramentas de Corte

As ferramentas de corte por cisalhamento convencional são classificadas em função do modo como trabalham. Assim é habitual distinguir quatro tipos básicos de ferramentas:

a) Ferramentas de corte simples

Este tipo de ferramenta executa exclusivamente cortes interiores ou exteriores, podendo possuir vários punções e matrizes (Figura 33).

Figura 33 - Ferramenta de corte simples. [17]

b) Ferramentas de corte progressivo

Este tipo de ferramentas consiste numa combinação de ferramentas de corte simples que permite executar simultaneamente os cortes interiores e exteriores. O principio de funcionamento deste tipo de ferramentas baseia-se numa seqüência de fases, onde na primeira fase executam-se os cortes interiores e segunda fase os cortes exteriores. É fundamental o avanço da tira antes de cada golpe da prensa (Figura 34).

Figura 34 - Ferramenta de corte progressivo. [17]

c) Ferramentas de corte total

Este tipo de ferramentas apresenta a particularidade de executar os cortes interiores e exteriores simultaneamente (Figura 35).

Figura 35 - Ferramenta de corte total. [17]

d) Ferramentas combinadas

Este tipo de ferramentas consiste na combinação de ferramentas de corte com ferramentas de dobra ou repucho.

• Exemplos de Prensas para Estampagem

A maior parte da produção seriada de peças estampadas com ferramentas é realizada em prensas mecânicas ou hidráulicas.

a) Prensas mecânicas

As prensas mecânicas possuem uma velocidade de deslocamento variada, ou seja, devido ao movimento do excêntrico da prensa, esta inicia com uma velocidade baixa, passa por um ponto tal que sua velocidade alcança a máxima no processo, até chegar ao ponto mais inferior do seu curso, onde a velocidade por um instante muito curto, chega a zero. Ao iniciar sua subida novamente ela repete o processo, contudo de forma inversa, e assim sucessivamente.

As prensas mecânicas são quase sempre de ação rápida e aplicam golpes de curta duração. Este tipo de prensa normalmente é utilizado para operações de corte em geral, e também para estampagem de peças com relação de embutimento relativamente baixa. Pode-se ainda fazer uma divisão quanto ao efeito de ação do martelo da prensa mecânica, considerando como de simples ação (Figura 36) ou de dupla ação. [2]

Figura 36 - Prensa mecânica de simples ação. [2]

b) Prensas hidráulicas

Já as prensas hidráulicas (Figura 37) possuem regulagem para sua

No documento Estudo do processo de corte por cisalhamento rotativo (páginas 31-53)