UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
DCEENG - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
FÁBIO MÜLLER
OTIMIZAÇÃO DE COMPONENTES FUNDIDOS UTILIZADOS EM
PROJETOS DE FERRAMENTAS PARA ESTAMPAGEM
Panambi
2013
FÁBIO MÜLLER
OTIMIZAÇÃO DE COMPONENTES FUNDIDOS UTILIZADOS EM
PROJETOS DE FERRAMENTAS PARA ESTAMPAGEM
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora:
1° Avaliador: Professor Roger Schildt Hoffmann
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, pois sem Ele eu não teria forças para essa longa jornada. A minha namorada, aos meus pais, irmãos e amigos pela paciência, compreensão e principalmente pelo apoio e incentivo que me mantiveram motivado na busca de meus objetivos.
Ao meu filho, as minhas desculpas pelo período de ausência e falta de paciência para ouvi-lo e acompanhá-lo nos momentos importantes de sua vida.
Ao meu professor orientador, Dr. – Eng. João Henrique Corrêa de Souza, pelo exemplo de dedicação ao trabalho e orientações simples, claras e precisas.
Aos professores do Curso de Engenharia Mecânica da Unijuí, a minha eterna gratidão pelos ensinamentos transmitidos.
Ao meu colega de trabalho e amigo Engenheiro Ibson Härter pelo acompanhamento e auxilio durante os ensaios práticos e simulações em software CAE.
A empresa Bruning Tecnometal S.A., pela oportunidade de realizar este trabalho e principalmente por prover os recursos e os meios necessários para a execução dos ensaios e simulações.
RESUMO
A situação de extrema concorrência no mercado atual exige que as empresas busquem vantagens competitivas para promover a completa satisfação de seus clientes, pois quanto maior for à satisfação, maior será a qualidade dos serviços prestados. A adequação dos métodos de produção e o uso de técnicas mais avançadas a fim de buscar alternativas de redução de custos de fabricação são fatores fundamentais para a aplicação de inovações tecnológicas capazes de maximizar a produção e manter ou diminuir os recursos disponíveis. Neste trabalho propôs-se um estudo sobre os conceitos de estampagem, o estado da arte para ferramentas de estampagem, suas nomenclaturas, materiais utilizados, estudos e comparações para a utilização de diferentes ligas de ferros fundidos, otimizações de estruturas de ferramentas de estampagem, ensaios mecânicos e simulações em ferramenta de CAE.
Palavras-chave: Estampagem, processos de conformação, ferramentas de
ABSTRACT
The extreme competition in the current market requires that companies seek competitive advantages to promote the complete satisfaction of its customers, because the higher the satisfaction, the higher the quality of services provided. The appropriateness of production methods and the use of more advanced techniques in order to seek alternatives to reduce manufacturing costs are key factors in the implementation of technological innovations that maximize production and maintain or decrease the resources available. This work proposes a study on the concepts of stamping, state of the art for forming tools, their nomenclature, materials, studies to the use of cast irons, optimizations structures tools stamping, mechanical testing and simulations of CAE software.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Típica cadeia de produção de componentes estampados ... 17
Figura 2 – Classificação dos processos de fabricação conforme DIN 8580. ... 18
Figura 3 – Exemplo de peças estampadas. ... 20
Figura 4 – Etapas de conformação. ... 20
Figura 5 – Esquema de estampagem por corte, em (a) contato, em (b) flexão, em (c) cisalhamento, em (d) separação e em (e) extração. ... 21
Figura 6 – Aresta de corte, em (a) detalhe e em (b) descrição das regiões de corte. ... 21
Figura 7 – Folga de corte. ... 22
Figura 8 – Diagrama para folga de corte ... 23
Figura 9 – Parâmetros para cálculo do esforço de corte. ... 23
Figura 10 – Alívio de corte ... 24
Figura 11 – Exemplos de alívios de corte, em (a) sem alívio, em (b) inclinado, em (c) côncavo e em (d) convexo. ... 25
Figura 12 – Exemplos de ferramentas de dobra, em (a) dobra em U e em (b) dobra em V. .... 25
Figura 13 – Retorno elástico ... 26
Figura 14 – Sequência de dobras. ... 27
Figura 15 – Exemplos de ferramentas de dobra. ... 27
Figura 16 – Exemplos de ferramentas de dobra. ... 28
Figura 17 – Esquema de estampagem por estiramento. ... 29
Figura 18 – Exemplo de máquina para estiramento. ... 29
Figura 19 – Esquema de processo de estiramento em prensas. ... 30
Figura 20 – Exemplo de um produto produzido por estiramento. ... 30
Figura 21 – Estados de tensões no embutimento. ... 31
Figura 22 – Principais componentes de uma ferramenta de embutimento. ... 31
Figura 23 – Exemplo de uma peça complexa. ... 33
Figura 24 – Esquema de um ensaio de tração. ... 34
Figura 26 – Corpo de prova para um ensaio de tração. ... 35
Figura 26 – Curva tensão x deformação. ... 36
Figura 27 – Esquema de um ensaio de compressão. ... 38
Figura 28 – Ensaio de compressão, em (a) metal dúctil e (b) metal frágil. ... 39
Figura 29 – Processo de fadiga dos materiais... 40
Figura 30 – Duração de um componente estrutural à fadiga. ... 41
Figura 32 – Aspectos da ruptura por fadiga. ... 41
Figura 32 – Exemplo de um ensaio de fadiga por torção e flexão. ... 42
Figura 33 – Máquina para ensaio de fadiga tração-compressão. ... 43
Figura 34 – Desenhos esquemáticos de corpos de prova, em (a) para ensaio de fadiga por flexão rotativa e (b) para ensaio de fadiga por tração-compressão. ... 43
Figura 35 – Microestrutura de um ferro fundido nodular. ... 44
Figura 36 – Microestrutura de um ferro fundido cinzento. ... 45
Figura 37 – Efeito de amortecimento de vibração, em (a) para ferro fundido e em (b) aço. ... 46
Figura 38 – Visão geral de uma prensa hidráulica. ... 47
Figura 39 – Visão geral de uma prensa mecânica. ... 48
Figura 40 – Ferramenta para dobrar. ... 49
Figura 41 – Ferramenta para cortar. ... 50
Figura 42 – Ferramenta de estampagem. ... 50
Figura 43 – Ferramenta progressiva ... 51
Figura 44 – Ferramenta de grande porte para conformação. ... 52
Figura 46 – Ferramenta de dupla ação... 53
Figura 47 – Ferramenta de simples ação. ... 53
Figura 48 – Ferramenta para flangeamento. ... 54
Figura 49 – Estirador duplo. ... 55
Figura 50 – Cadeia de produção de um produto estampado. ... 55
Figura 51 – Modelo em isopor ... 56
Figura 52 – Modelagem manual ... 57
Figura 53 – Modelagem robotizada ... 57
Figura 54 – Modelo final usinado... 58
Figura 55 – Melhoria de projeto. ... 61
Figura 56 – traçado assimétrico de peças de ferro fundido. ... 61
Figura 57 – Espessura a deixar em torno de um furo roscado. ... 62
Figura 58 – Fenômeno da contração, em (a) metal líquido, em (b) início da solidificação, em (c) solidificação e em (d) contração. ... 63
Figura 59 – Defeitos de contração e modos de corrigi-los. ... 64
Figura 60 – Aspecto típico de porosidade de rechupe. ... 65
Figura 61 – Nomenclatura abreviada para ferros fundidos. ... 67
Figura 62 – Etapas de realização de estruturas fundida, em (a) primeira etapa, em (b) segunda etapa, em (c) terceira etapa e em (d) quarta etapa. ... 70
Figura 63 – Geração de cavidades prismáticas. ... 71
Figura 64 – Exemplos de padrões prismáticos de estruturas, em (a) sextavado, em (b) triangulares, em (c) círculos de raios idênticos e em (d) círculos de raios diferentes. ... 72
Figura 65 – Condições de contorno para simulação. ... 75
Figura 66 – Estruturas selecionadas. ... 76
Figura 67 – Corpo de prova para ensaio de tração segundo norma NBR-6673. ... 78
Figura 68 – Máquina universal de ensaios. ... 78
Figura 69 – Corpo de prova para ensaio de compressão segundo norma ASTM E 9. ... 79
Figura 70 – Extensômetro. ... 80
Figura 71 – Sistema inversor de movimentos. ... 80
Figura 72 – Esquema para o ensaio de compressão. ... 81
Figura 73 – Ensaio de compressão. ... 81
Figura 74 – Sistema inversor de movimentos acoplado. ... 82
Figura 75 – Gráfico demonstrativo da linha elástica. ... 83
Figura 76 – Estrutura maciça. ... 85
Figura 77 – Corpo de prova para ensaio de extração por compressão das roscas. ... 89
Figura 78 – Mandril para ensaio de compressão. ... 90
Figura 79 – Mandril para ensaio de compressão, em (a) componentes do ensaio e em (b) mandril, corpo de prova e apoio posicionados na máquina de ensaios. ... 91
Figura 80 – Corpo de prova para ensaio de torque das roscas. ... 93
Figura 81 – Ensaio de torque. ... 94
Figura 82 – Gráfico de comparativo de massa teórica e real. ... 97
Figura 83 – Micrografia do ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X... 99
Figura 84 – Micrografia do ferro fundido EN-GJL-300 (GG30), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X... 99
Figura 85 – Micrografia do ferro fundido EN-GJS-400-15 (GGG 40), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X. ... 100
Figura 86 – Micrografia do ferro fundido EN-GJS-HB265 (GGG 70L), em (a) ampliação de 100 X e em (b) ampliação de 400 X. ... 100
Figura 88 Gráfico resultante para EN-GJL-300 (GG 30): Tração... 102
Figura 89 Gráfico resultante para EN-GJL-400-15 (GGG 40): Tração. ... 102
Figura 90 Gráfico resultante para EN-GJS-HB265 (GGG 70L): Tração. ... 103
Figura 91 Gráfico resultante para EN-GJl-250 (GG 25): Compressão. ... 104
Figura 92 Gráfico resultante para EN-GJl-300 (GG 30): Compressão. ... 104
Figura 93 Gráfico resultante para EN-GJS-400-15 (GGG 40): Compressão. ... 105
Figura 94 Gráfico resultante para EN-GJS-HB265 (GGG 70L): Compressão. ... 105
Figura 95 – Gráfico comparativo dos módulos de elasticidade... 107
Figura 96 – Geometria 1: (Perfil maciço), em (a) tensões e em (b) deformações. ... 108
Figura 97 – Geometria 2: (Perfil I), em (a) tensões e em (b) deformações. ... 108
Figura 98 – Geometria 3: (Perfil H), em (a) tensões e em (b) deformações. ... 109
Figura 99 – Geometria 4: (Perfil triângular), em (a) tensões e em (b) deformações. ... 109
Figura 100 – Geometria 5: (Perfil sextavado) em (a) tensões e em (b) deformações. ... 109
Figura 101 – Geometria 6: (Perfil circular), em (a) tensões e em (b) deformações. ... 110
Figura 102 – Geometria de melhor eficiência. ... 111
Figura 103 – Geometria com espessura 10,5 mm, em (a) tensões e em (b) deformações... 112
Figura 104 – Geometria com espessura 15 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. ... 113
Figura 105 – Geometria com espessura 20 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. ... 113
Figura 106 – Geometria com espessura 25 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. ... 113
Figura 107 – Geometria com espessura 35 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. ... 114
Figura 108 – Geometria com espessura 50 mm, em (a) tensões e em (b) deformações. ... 114
Figura 109 – EN-GJL-250 (GG 25), em (a) tensões e em (b) deformações... 116
Figura 110 – EN-GJL-300 (GG 30), em (a) tensões e em (b) deformações... 116
Figura 111 – EN-GJS-400-15 (GGG 40) em (a) tensões e em (b) deformações... 117
Figura 112 – EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) em (a) tensões e em (b) deformações... 117
Figura 113 – Estrutura otimizada de ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25), em (a) tensões e em (b) deformações. ... 118
Figura 114 – Estrutura otimizada de ferro fundido EN-GJL-300 (GG 30), em (a) tensões e em (b) deformações. ... 119
Figura 115 – Estrutura otimizada de ferro fundido EN-GJS-HB-265 (GGG 70L) em (a) tensões e em (b) deformações. ... 119
Figura 116 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25). ... 121
Figura 117 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-300 (GG 30). ... 121
Figura 118 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS-400-15 (GGG 40). ... 122
Figura 119 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS-HB-265 (GGG 70L). ... 122
Figura 120 – Gráfico comparativo entre os ferros fundidos. ... 122
Figura 121 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-250 (GG 25): Ensaio de torque. ... 123
Figura 122 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJL-300 (GG 30): Ensaio de torque. ... 124
Figura 123 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS-400-15 (GGG 40): Ensaio de torque ... 124
Figura 124 – Classe de resistência para ferro fundido EN-GJS-HB-265 (GGG 70L): Ensaio de torque ... 124
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Tensão de ruptura ... 24
Tabela 2 – Fator Kr de acordo com o material ... 26
Tabela 3 – Propriedades mecânicas de ferros fundidos nodulares. ... 60
Tabela 4 – Propriedades mecânicas de ferros fundidos cinzentos. ... 60
Tabela 5 – Equivalência aproximada de códigos para ferro fundidos ... 68
Tabela 6 – Elementos de liga dos ferros fundidos. ... 68
Tabela 7 – Dados fornecidos pela máquina de ensaios. ... 82
Tabela 8 – Geometrias selecionadas. ... 86
Tabela 9 – Dimensões dos corpos de prova segundo norma ISO 898-2. ... 90
Tabela 10 – Dimensões dos apoios e mandris segundo norma ISO 898-2... 91
Tabela 11 – Classe de resistência para as porcas com roscas segundo norma ISO 898-2. ... 92
Tabela 12 – Dimensões dos corpos de prova para ensaio de torque para as roscas ISO-898-7. ... 93
Tabela 13 – Valores de torques mínimos para ruptura segundo a norma ISO-898-7. ... 95
Tabela 14 – Comparação entre peso teórico e peso real... 96
Tabela 15 – Comparação entre estruturas com e sem restrições de projeto. ... 98
Tabela 16 – propriedades mecânicas. ... 106
Tabela 17 – Valores do módulo de elasticidade médios. ... 106
Tabela 18 – Valores médios da tensão de escoamento para os ferros fundidos. ... 107
Tabela 19 – Avaliações das geometrias construtivas mais eficientes. ... 110
Tabela 20 – Relações entre abertura e espessura das nervuras... 112
Tabela 21 – Avaliação dos resultados da variação de espessuras. ... 115
Tabela 22 – Avaliação dos resultados da substituição de materiais. ... 118
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CAE Computer Aided Engineering (Engenharia assistida por computador)
CAD Computer Aided Design (Projeto assistido por computador)
LISTA DE SÍMBOLOS
Fc Força de corte [N]
e Espessura da chapa [mm]
p Perímetro de corte [mm]
τr Resistência ao cisalhamento do material [N/mm²]
σr Resistência à tração do material [N/mm²]
Fc1 Força de corte 1 [N]
Fc2 Força de corte 2 [N]
C Alívio de corte [mm]
Kr Fator para correção do retorno elástico [-]
α1 Ângulo de compensação [˚]
α2 Ângulo nominal [˚]
Ri2 Raio interno da peça [mm]
s Espessura da chapa [mm] E Modulo de elasticidade [N/mm²] Fr Tensão radial [N/mm²] Ft Tensão tangencial [N/mm²] σ Tensão de engenharia [N/mm²] F Força aplicada [N]
A0 Área da seção transversal [mm²]
ε Deformação [-]
Lf Comprimento final [mm]
Lo Comprimento inicial [mm]
σ adm Tensão admissível [N/mm²]
σ esc Tensão de escoamento [N/mm²]
σ R Tensão de ruptura [N/mm²]
ΔL Variação do comprimento do corpo de prova [mm]
ΔR Anisotropia planar [-]
R0° Índice de anisotropia a 0° [-] R45° Índice de anisotropia a 45° [-]
R90° Índice de anisotropia a 90° [-]
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 15
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
1.1 Conformação mecânica ... 17
1.2 Estampagem ... 19
1.2.1 Corte por arrombamento ... 21
1.2.2 Estampagem por dobramento ... 25
1.2.3 Estampagem por estiramento ... 28
1.2.4 Estampagem por embutimento. ... 31
1.2.5 Estampagem de peças complexas. ... 33
1.3 Propriedades mecânicas dos materiais utilizados ... 33
1.4 Ensaio de tração ... 34
1.5 Ensaio de compressão ... 38
1.6 Ensaio de fadiga ... 40
1.6.1 Tipos de ensaios de fadiga ... 42
1.6.2 Corpos de prova ... 43
1.6.3 Consequências da fadiga sobre os ferros fundidos ... 44
1.7 Absorção de vibrações ... 45
1.8 Máquinas para estampagem ... 46
1.9 Ferramentas para estampagem de pequeno porte ... 49
1.10 Ferramentas para estampagem de grande porte ... 51
1.11 Elementos de uma ferramenta de estampagem ... 52
1.12 Cadeia de produção de produtos estampados ... 55
1.13 Elementos para o projeto de peças fundidas. ... 58
1.14 Ferros fundidos. ... 65
1.14.1 Nomenclatura dos ferros fundidos ... 67
1.15 Engenharia assistida por computador ... 69
1.15.1 Método de elementos finitos ... 69
1.16 Projeto estrutural de ferramentas de estampagem ... 70
2 OBJETIVOS DO TRABALHO E ESTRATÉGIA DE SOLUÇÃO ... 73
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 75
3.1 Aspectos de fabricação ... 75
3.1.2 Possibilidade da melhoria da confecção de modelos de fundição (tecnologia nova). .... 76
3.2 Caracterização dos materiais... 77
3.2.1 Ensaios metalográficos. ... 77
3.2.2 Ensaio de tração. ... 77
3.2.3 Ensaio de compressão. ... 79
3.2.4 Cálculo do módulo de elasticidade por métodos manuais. ... 82
3.3 Aspectos de projeto ... 84
3.3.1 Estudos de eficiência das geometrias ... 84
3.3.2 Estudo de eficiência dos materiais ... 87
3.3.3 Ensaios para a classificação de resistência das roscas em ferros fundidos. ... 89
3.3.3.1 Ensaio de extração por compressão para as roscas em ferros fundidos ... 89
3.3.3.2 Ensaio de torque para as roscas em ferros fundidos ... 92
4RESULTADOS ... 96
4.1 Aspectos de fabricação ... 96
4.1.1 Diferença entre pesos teóricos e práticos de peças fundidas (tecnologia atual). ... 96
4.1.2 Possibilidade da melhoria da confecção de modelos de fundição (tecnologia nova). .... 98
4.2 Caracterização dos materiais... 99
4.2.1 Ensaios metalográficos. ... 99
4.2.2 Ensaios de tração. ... 101
4.2.3 Ensaios de compressão ... 103
4.2.4 Cálculo do módulo de elasticidades por métodos manuais. ... 106
4.3 Aspectos de projeto ... 108
4.3.1 Estudos de eficiência das geometrias ... 108
4.3.2 Estudo da eficiência dos materiais ... 115
4.3.3 Ensaio de extração por compressão para a classificação de resistência das roscas ... 121
4.3.4 Ensaios de torque para a classificação de resistência das roscas ... 123
5 CONCLUSÃO ... 125
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 127
ANEXO A – Relatório de ensaios de tração: Material: EN-GJL-250 (GG 25). ... 132
ANEXO B – Relatório de ensaios de tração – Material: EN-GJL-300 (GG 30)... 134
ANEXO C – Relatório de ensaios de tração – Material: EN-GJS-400-15 (GGG 40). ... 135
ANEXO E – Relatório de ensaios de compressão – Material: EN-GJL-250 (GG 25). ... 137
ANEXO F – Relatório de ensaios de compressão – Material: EN-GJL-300 (GG 30). ... 138
ANEXO H – Relatório de ensaios de compressão – Material: EN-GJS-HB265(GGG70L). . 140
ANEXO I – Ensaios de extração - Rosca M8 – Material: EN-GJL-250 (GG 25). ... 141
ANEXO J – Ensaios de extração - Rosca M10 – Material: EN-GJL-250 (GG 25). ... 142
ANEXO K – Ensaios de extração - Rosca M12 – Material: EN-GJL-250 (GG 25). ... 143
ANEXO L – Ensaios de extração - Rosca M16 – Material: EN-GJL-250 (GG 25). ... 144
ANEXO M – Ensaios de extração - Rosca M8 – Material: EN-GJL-300 (GG 30). ... 145
ANEXO N – Ensaios de extração - Rosca M10 – Material: EN-GJL-300 (GG 30). ... 146
ANEXO O – Ensaios de extração - Rosca M12 – Material: EN-GJL-300 (GG 30). ... 147
ANEXO P – Ensaios de extração - Rosca M16 – Material: EN-GJL-300 (GG 30)... 148
ANEXO Q – Ensaios de extração - Rosca M8 – Material: EN-GJS-400-15 (GGG 40). ... 149
ANEXO R – Ensaios de extração - Rosca M10 – Material: EN-GJS-400-15 (GGG 40). ... 150
ANEXO S – Ensaios de extração - Rosca M12 – Material: EN-GJS-400-15 (GGG 40)... 151
ANEXO T – Ensaios de extração - Rosca M16 – Material: EN-GJS-400-15 (GGG 40). ... 152
ANEXO U – Ensaios de extração - Rosca M8 – Material: EN-GJS-HB265 (GGG 70L). .... 153
ANEXO V – Ensaios de extração - Rosca M10 – Material: EN-GJS-HB265 (GGG 70L). .. 154
ANEXO X – Ensaios de extração - Rosca M12 – Material: EN-GJS-HB265 (GGG 70L). .. 155
INTRODUÇÃO
O processo de conformação mecânica emprega a deformação plástica dos metais mantendo a sua massa e integridade. Atualmente esses processos são empregados para a fabricação das mais diversas peças onde operação de corte, dobra, estiramento, extrusão, trefilação e embutimento são realizadas em peças simples até perfis e formas muito complexas. Cada processo possui características muito bem definidas e com uma diversidade de parâmetros muito vasta.
O mercado produtivo está muito competitivo, exigindo que seja necessário maximizar o potencial de produção sem aumentar os recursos disponíveis. Para tal devem-se projetar máquinas e ferramentas altamente eficazes e produtivas no menor custo possível sem afetar as suas principais características, como durabilidade, robustez, eficiência, produtividade entre outras tantas.
As ferramentas utilizadas nos processos de conformação de corte, dobra, estiramento e embutimento geralmente são projetadas e produzidas especificamente para cada produto. Geralmente essas ferramentas são muito caras por se tratarem de ferramentas de alta produtividade e por sofrerem elevados esforços mecânicos. Os materiais para a sua fabricação devem atender a todos os requisitos pré-estabelecidos sem afetar a durabilidade. Por serem materiais caros, é preciso racionalizar o seu uso e empregar somente a quantidade necessária, sem exageros. A ferramenta é um conjunto formado por vários componentes usinados e montados que possuem os mais variados tipos de materiais.
Inúmeros estudos e ensaios são realizados para a escolha correta de materiais para cada processo de conformação. Dentre esses materiais se destaca o ferro fundido de vasta utilização na fabricação mecânica. Peças fundidas podem apresentar as mais variadas formas, facilitando assim a sua utilização em ferramentas de conformação.
Tradicionalmente em ferramentas de estampagem, o projetista utiliza de sua experiência profissional para dimensionar e projetar estruturas capazes de suportar os esforços mecânicos a qual são destinados. Usualmente projetam-se estruturas superdimensionadas com a finalidade de fabricar ferramentas de estampagem robustas e com um ciclo de vida muito longo.
O trabalho investiga se existe a possibilidade de desenvolver técnicas e estratégias de racionalização de projetos, ou seja, gerar parâmetros e características de projeto que possam ser otimizadas sem comprometer as principais funções na qual serão exigidas. Em
consequência disso geram-se alternativas construtivas economicamente viáveis visando uma significativa redução do custo final das ferramentas.
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Dentro da realidade de um ambiente produtivo a chapa percorre uma cadeia de eventos, passando através de diversos estágios que submetem a peça aos mais diversos tipos de ambientes. Cada etapa da fabricação é acompanhada de requisitos de qualidade e seus mecanismos de controle. [29] A Figura 1 apresenta as principais etapas presentes na cadeia de produção de um produto estampado qualquer.
Figura 1 – Típica cadeia de produção de componentes estampados
Fonte: [29].
A produção de um componente estampado típico começa com o desbobinamento da chapa e posterior estampagem por corte, ou seja, a bobina que vem da usina é desenrolada e cortada em pedaços pré-determinados em função do tamanho da peça a ser fabricada. [29] Em seguida realizam-se as etapas de estampagem e soldagem onde frequentemente as peças ficam armazenadas entre uma etapa e outra. Posteriormente as peças passam pelos processos de remoção de impurezas, preparação de superfície, pintura, embalamento e transporte ao cliente.
1.1 Conformação mecânica
Por conformação em geral entende-se a alteração controlada da forma, da superfície e das propriedades mecânicas do material de um determinado corpo, mantendo-se a sua massa e composição química original. [47]
De acordo com a classificação da norma DIN-8580 os processos de fabricação se dividem em seis grupos principais conforme mostrado na Figura 2:
Criação de Forma - com criação de volume (grupo 1)
Modificação de Forma - com volume constante (grupo 2), com redução de volume (grupo 3) e com aumento de volume (grupo 4 e grupo 5).
Modificação das propriedades - sem mudança de forma (grupo 6).
Figura 2 – Classificação dos processos de fabricação conforme DIN 8580.
Fonte: [48].
Em um ambiente industrial, a conformação mecânica é qualquer operação durante a qual se aplica esforço mecânico em diversos materiais, resultando em uma mudança permanente de formas e dimensões. Para a produção de peças, a conformação mecânica inclui um grande número de processos: laminação, forjamento, trefilação, extrusão e conformação de chapas. Esses processos têm em comum o fato de que, para a produção da peça, algum esforço do tipo compressão, tração, flexão e cisalhamento, têm de ser aplicado sobre o material. [5] Cada processo possui características muito bem definidas e com uma diversidade de parâmetros muito vasta.
A seguir serão abordados os principais conceitos de estampagem, ferramentas de conformação, materiais empregados, propriedades e características dos ferros fundidos.
1.2 Estampagem
Estampagem ou conformação de chapas é um processo de conformação mecânica, geralmente realizada a frio, que engloba um conjunto de operações. Por meio dessas operações a chapa plana é submetida a transformações que a fazem adquirir uma nova forma geométrica plana ou oca. Isso só é possível por causa de uma propriedade mecânica que os metais têm: a plasticidade. [6]
As operações de estampagem podem ser resumidas em quatro básicas: Corte
Dobramento Estiramento Embutimento
A estampagem da chapa pode ser simples, quando se executa uma só operação, ou combinada. Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricam-se peças de aço baixo carbono, aço inoxidável, alumínio, cobre e de diferentes ligas não ferrosas. Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para as grandes séries de peças, obtendo-se grandes vantagens, tais como:
Alta produção.
Reduzido custo por peça.
Acabamento bom, não necessitando processamento posterior.
Maior resistência das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material.
Baixo custo de controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a detecção de desvios
Enquanto as estampagens em corte e dobramento são realizadas a frio, a profunda pode eventualmente ser a quente, dependendo da necessidade. Como principal desvantagem deste processo, pode-se destacar o alto custo do ferramental, que só pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada. [7]
Normalmente para a obtenção de um produto acabado necessita-se a realização de mais de um processo de estampagem, ou seja, realiza-se uma sucessão de operações que resultam em um produto final. A Figura 3 apresenta algumas peças fabricadas através de combinações de operações de processos de estampagem.
Figura 3 – Exemplo de peças estampadas.
Fonte: [18]
A Figura 4 apresenta uma determinada seqüência de operações de estampagem, incluindo o corte da chapa, a estampagem profunda, o corte de abas adjacentes, cortes de furações, dobras, flangeamentos e calibragem, para obtenção de um produto acabado.
Figura 4 – Etapas de conformação.
1.2.1 Corte por arrombamento
O processo de estampagem por corte é usado na obtenção de formas geométricas em chapas por meio de uma ferramenta de corte, ou punção de corte, por intermédio de uma prensa exercendo pressão na chapa apoiada numa matriz. No momento em que o punção penetra na matriz converte o esforço de compressão em cisalhamento acionando o corte. [7] A Figura 5 mostra esquematicamente o sistema de estampagem por corte.
Figura 5 – Esquema de estampagem por corte, em (a) contato, em (b) flexão, em (c) cisalhamento, em (d) separação e em (e) extração.
Fonte: [4].
A aresta de corte apresenta, em geral, três regiões: uma rugosa (correspondente á superfície da trinca da fratura), uma lisa (formada pelo cisalhamento da peça) e uma região arredondada (formada pela deformação plástica inicial), conforme pode ser verificado na Figura 6.
Figura 6 – Aresta de corte, em (a) detalhe e em (b) descrição das regiões de corte.
A qualidade das arestas cortadas não é a mesma das usinadas, entretanto quando as lâminas são mantidas afiadas e ajustadas é possível obter arestas aceitáveis para uma grande faixa de aplicações. A qualidade das bordas cortadas geralmente melhora com a redução da espessura da chapa.
Em chapas de aço temperado a relação espessura da chapa / diâmetro do punção tem o valor máximo de 1,2, o que significa que a espessura da chapa deve ser menor ou igual ao diâmetro do punção. As figuras geométricas obtidas pelo corte podem ser usadas posteriormente na estampagem profunda. [7]
Outro fator muito importante que deve ser levando em conta é a folga de corte entre as partes móveis do ferramental que deve ser definida levando em função do tipo e espessura do material a ser cortado. Ela é muito importante, pois é um dos fatores que influenciam na qualidade do corte. Para uma folga muito pequena tem-se o aumento da força de corte, maior qualidade e maior desgaste. Para uma folga excessiva tem-se a diminuição da força de corte, menor qualidade e menor desgaste. Portanto deve-se ter uma folga ideal para se obter um balanço perfeito entre força, qualidade e desgaste. Na Figura 7 têm-se comparações entre folgas pequenas, excessivas e ideais.
Figura 7 – Folga de corte.
Fonte: [4].
Uma folga inadequada produzirá rebarbas no corte e consequentemente será necessária a inclusão de uma etapa posterior de acabamento das arestas. A Figura 8 mostra um exemplo de diagrama utilizado para a obtenção da folga ideal de corte para o aço SAE 1008.
Figura 8 – Diagrama para folga de corte
Fonte: [4]
A força de corte depende diretamente do tipo de material, da espessura da chapa e do perímetro de corte, onde a espessura da chapa e o perímetro de corte são facilmente conhecidos. A influência do material na força de corte vem por meio do valor da τr
(resistência ao cisalhamento do material), que é uma função da resistência à tração do material (σr), [3] conforme pode ser visto na Figura 9 e na Tabela 1.
Figura 9 – Parâmetros para cálculo do esforço de corte.
Tabela 1 – Tensão de ruptura
Material Tensão de ruptura
Aço < 0,3%C e Alumínio τr = 0,60 σr
Aço 0,3 a 0,7%C τr = 0,75 σr
Aço > 0,7%C τr = σr
Fonte: [3].
Desta forma, o cálculo da força de corte FC pode ser feito a partir da equação abaixo, que é função da espessura da chapa, do perímetro de corte e da tensão de ruptura, onde:
(1) Fc = força de corte;
e = espessura da chapa; p = perímetro de corte;
τr = resistência ao cisalhamento do material.
Muitas vezes é interessante procurar-se diminuir os esforços de corte, com o intuito de minimizar a necessidade de grandes prensas e reduzir os ruídos. Isto pode ser feito através de um ângulo no punção ou na matriz, de maneira a diminuir a área de resistência ao corte. [11] A Figura 10 apresenta dois modelos de punções de corte, sendo um completamente sem alívio de corte e o outro com alívio de corte unilateral.
Figura 10 – Alívio de corte
Fonte: [11].
No caso do punção de face reta, a distância percorrida pelo punção para executar o corte será igual à espessura da chapa e no caso do punção de face angular à distância percorrida será igual à espessura mais a variação da inclinação. Como o trabalho para executar o mesmo corte não varia e como a distância percorrida pelo punção com face angular é maior,
a força de corte, neste caso, necessariamente terá que ser menor. [11] A Figura 11 apresenta um gráfico comparativo entre o curso realizado do punção e a força de corte respectiva, onde se pode verificar claramente uma redução significativa nos esforços de corte para o punção de face angular e faces em raio em relação ao punção de face reta. Para se obter uma maior vida útil dos punções deve-se sempre incluir tais alívios de corte e por conseqüência positiva ainda tem-se a redução do ruído.
Figura 11 – Exemplos de alívios de corte, em (a) sem alívio, em (b) inclinado, em (c) côncavo e em (d) convexo.
Fonte: [4].
1.2.2 Estampagem por dobramento
Nesta operação a conformação é feita de flexão além do limite elástico, em torno de uma aresta ou entre um punção e uma matriz onde abrange diversas operações de curva. [5] Durante a operação de dobramento, deve-se evitar que a chapa sofra um alongamento excessivo. O que provocaria uma variação de sua espessura. Para que isso não ocorra, é necessário um controle rigoroso das ferramentas e uma regulagem exata do curso da prensa. [9] A Figura 12 apresenta dois exemplos de ferramentas de dobra.
Figura 12 – Exemplos de ferramentas de dobra, em (a) dobra em U e em (b) dobra em V.
Deve-se, ainda evitar cantos vivos, sendo, portanto necessário fixar os raios externos de curvatura, a fim de que não ocorra ruptura durante o dobramento. O raio de curvatura deve ser entre uma e duas vezes a espessura da chapa para materiais moles e entre três a quatro vezes para materiais duros. Para se conformar uma peça, muitas vezes é necessário efetuar o dobramento por etapas em diversos estágios. [5]
No dobramento sempre deve ser levado em conta o fato que, depois de cessado o esforço do punção sobre o material haverá certo retorno da peça dobrada, ficando a dobra com um ângulo maio que o obtido no momento da pressão da ferramenta. Esse retorno é devido à componente elástica do material, pois a deformação plástica permanente é conseguida apenas nas fibras mais externas do material, permanecendo às próximas à linha neutra no estado elástico. O ângulo de retorno depende principalmente do material, de sua espessura e do raio de curvatura. [11]
Na Figura 13 e na Tabela 2 encontram-se alguns exemplos de materiais e uma razão entre o raio interno e espessura da peça a fim de verificar o valor aproximado do retorno elástico.
Figura 13 – Retorno elástico
Fonte: [4]. O Fator Kr é calculado pela seguinte equação:
(2)
Tabela 2 – Fator Kr de acordo com o material
Material Fator kr
Ri2/S=1 Ri2/S=10
Aço comum 0,99 0,97
Aço inoxidável austenítico 0,96 0,92
Alumínio 99% 0,99 0,98
Al Cu Mg 2 F 43 0,91 0,65 Fonte: [4].
Na Figura 14 tem-se uma sequência de operações de dobra realizada em uma prensa viradeira ou dobradeira.
Figura 14 – Sequência de dobras.
Fonte: [8].
A Figura 15a apresenta uma sequência de dobras livres, ou seja, sem a utilização de prensa chapas. Pode-se verificar claramente uma deformação na parte inferior do produto. A Figura 15b apresenta a mesma dobra, porém utilizando prensa chapas. Pode-se verificar uma peça com boa qualidade, porém um maior retorno elástico.
Figura 15 – Exemplos de ferramentas de dobra.
Para se produzir uma peça dobrada em “U” sem deformações e com possibilidades de compensar o retorno elástico, pode-se projetar a ferramenta utilizando recursos de calibragem e compensações laterais como pode ser visto na Figura 16.
Figura 16 – Exemplos de ferramentas de dobra.
Fonte: [4].
1.2.3 Estampagem por estiramento
É a operação que consiste na aplicação de forças de tração de modo a esticar o material sobre uma ferramenta ou matriz. Neste processo o gradiente de tensões é pequeno oque garante a quase total eliminação do retorno elástico.
O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico (usualmente vertical), que movimenta o punção. Duas garras prendem as extremidades da chapa. As garras podem ser móveis permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa. Garras fixas devem ser usadas somente para conformação de peças com grandes raios de curvatura, evitando-se com isto o risco de ruptura da chapa nesta região.
O estiramento é uma das etapas de operações complexas de estampagem de chapas finas. Na conformação de peças como partes de automóveis ou de eletrodomésticos, é comum haver componentes de estiramento. [12]
O limite de conformação no estiramento pode ser estabelecido pelo fenômeno da estricção. A estricção é redução das dimensões da seção transversal provocada pelas cargas de tração do processo. No estiramento deve ser evitada estricção localizada. [12] A Figura 17 apresenta um esquema simplificado do funcionamento da estampagem por estiramento
Figura 17 – Esquema de estampagem por estiramento.
Fonte: [18].
É comum haver gradientes de deformação em operações de estiramento. A região que deforma mais se torna mais encruada e a deformação é transferida para o elemento de volume vizinho. Se o coeficiente de encruamento for suficientemente grande, haverá a redistribuição das deformações ao longo de toda a peça e esta suportará mais deformações, antes que a estricção localizada se inicie. [12]
Este processo de estampagem por estiramento é muito empregado na indústria aeronáutica. A Figura 18 apresenta um exemplo de máquina conformando um determinado produto.
Figura 18 – Exemplo de máquina para estiramento.
O processo de estiramento também é muito utilizado na indústria metal-mecânica, porém, com algumas diferenças em relação ao processo utilizado na indústria aeronáutica.
Neste caso as necessita-se de punção, matriz e um prensa-chapas bem dimensionado de tal forma que a borda da chapa permaneça fixa durante o processo, não havendo fluxo de material para entre matriz e prensa-chapa. [4] Tal processo normalmente é realizado em uma prensa hidráulica, eventualmente em casos específicos e não muito críticos também podem ser realizados em prensas mecânicas.
A Figura 19 apresenta um esquema simplificado do funcionamento de um processo de estiramento realizado em prensas e seus principais componentes.
Figura 19 – Esquema de processo de estiramento em prensas.
Fonte: [4].
Partes internas onde se tem uma grande deformação longe da borda da chapa sofrem estiramento puro e, portanto o material a ser utilizado deve ser adequado. A Figura 20 apresenta um exemplo típico de peças sofrendo estiramento puro.
Figura 20 – Exemplo de um produto produzido por estiramento.
1.2.4 Estampagem por embutimento.
É o processo utilizado para fazer com que uma chapa plana 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.). [13]
O processo implica simultaneamente em tensões de tração e compressão conforme pode ser visto na Figura 21, onde Fr representa as tensões radiais, ou seja, compressão, e Ft representam as tensões tangenciais, de tração. [22]
Figura 21 – Estados de tensões no embutimento.
Fonte: [22].
A Figura 22 apresenta uma ferramenta de embutimento de um copo. O disco ou esboço que se deseja embutir é colocado sob o prensa-chapas, o qual prende a chapa pela parte externa. O punção está fixado ao porta punção e o conjunto é fixado á parte móvel da prensa.
Figura 22 – Principais componentes de uma ferramenta de embutimento.
A máquina de conformação é uma prensa excêntrica para peças pouco profundas ou uma prensa hidráulica para embutimento mais profundo. Na fabricação da ferramenta, é importante a obtenção de superfícies lisas e o controle das tolerâncias dimensionais do conjunto punção-peça-matriz. Esses dois fatores, associados a uma lubrificação abundante, podem reduzir sensivelmente os esforços de conformação e o desgaste da ferramenta. [13]
No projeto da ferramenta, além de considerar os esforços de conformação, deve-se determinar os esforços do prensa-chapa, caso seja aplicada uma pressão excessiva, pode ocorrer a ruptura da peça na conformação e, se a pressão for muito pequena, podem surgir rugas nas laterais. Este conjunto de fatores somando-se as características do material que está sendo trabalhado limita a relação máxima de embutimento possível de ser feito em uma etapa. A relação máxima de embutimento ( ) depende do nível de encruamento e do índice de anisotropia do material. [50]
A relação máxima entre diâmetro do blank e diâmetro do punção para a primeira etapa de embutimento é dada pela equação:
(3)
Onde:
=
Relação máxima de embutimento;=
Diâmetro máximo do blank;=
Diâmetro do punçãoSe a profundidade da peça que se quer obter ultrapassa a relação máxima de embutimento é necessário que se proceda outras etapas até atingir o formato desejado. Para as etapas posteriores uma nova relação máxima de embutimento é necessária, o valor da relação de embutimento para as etapas posteriores é menor do que o da primeira etapa. [50]
Assim para as etapas posteriores teremos:
(4)
Onde:
=
Diâmetro do punção da primeira etapa (ou etapa anterior);
=
Diâmetro do punção da segunda etapa (ou da etapa que se está calculando).O diâmetro máximo do punção para cada etapa subsequente depende da relação de embutimento e do diâmetro do punção da etapa anterior. [50]
1.2.5 Estampagem de peças complexas.
Para a obtenção de peças com geometrias e formas muito complexas e para reduzir o número de estágio de conformação, muitas vezes necessitam-se projetar ferramentas com combinações de processos de estampagem simultâneos. A Figura 23 apresenta um exemplo de peça relativamente complexa onde se realizam operações de estiramento e embutimento na mesma etapa de estampagem. Em seguida efetuam-se as etapas subsequentes de estampagem como corte, dobra e calibragem, com a finalidade de completar a forma final do produto.
Figura 23 – Exemplo de uma peça complexa.
Fonte: [21].
1.3 Propriedades mecânicas dos materiais utilizados
A determinação das propriedades mecânicas de um material metálico é realizada por meio de vários ensaios. Geralmente esses ensaios são destrutivos, pois promovem a ruptura ou
a inutilização do material. Dentre os ensaios destrutivos estão classificados os ensaios de tração, dobramento, flexão, torção, fadiga, impacto, compressão e outros.
A escolha do ensaio mecânico mais interessante ou mais adequado para cada produto metálico depende da finalidade do material, dos tipos de esforços, que esse material vai sofrer e das propriedades mecânicas que se deseja medir. [34]
1.4 Ensaio de tração
O ensaio de tração (Figura 24) é considerado o teste mecânico que apresenta a melhor relação entre informações obtidas e custo/complexidade de ensaio. Apesar deste teste possa ser realizado em condições bem distintas daquelas na qual o material será requisitado, os parâmetros obtidos deste ensaio são o ponto de partida para a sua caracterização e especificação. [23]
Figura 24 – Esquema de um ensaio de tração.
Fonte: [25].
O ensaio de tração consiste em aplicar uma força uniaxial no material, tendendo-o a alongá-lo até o momento de sua fratura. Os corpos de prova (Figura 26) podem ser retangulares ou circulares. O corpo de prova (sempre padronizado por normas técnicas) é fixado pelas suas extremidades nas garras de fixação da máquina de tração onde então é submetido a um esforço, aplicando uma carga gradativa e registrando cada valor de força correspondente a um diferente tipo de alongamento do material (alongamento este medido por um extensômetro). O ensaio termina quando o material se rompe.
Figura 25 – Corpo de prova para um ensaio de tração.
Fonte: [25].
Para efeitos de reduzir as diferenças entre as dimensões de diferentes corpos de prova, utiliza-se o conceito de tensão convencional ou tensão de engenharia definida por: [25]
(5)
Onde F representa a força aplicada, A0 a área da seção transversal do corpo (antes da aplicação da carga).
Para os corpos de prova cilíndricos a área (A0) é determinada por:
(6)
Já a deformação (ε) sofrida pelo corpo de prova pode ser calculada em função do alongamento sofrido durante o ensaio
( )
(7)
Onde Lf representa o comprimento final e Lo o comprimento inicial.
Diversos parâmetros podem ser constatados, (Figura 26) como o limite de proporcionalidade, limite de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência e o instante de seu rompimento.
Figura 26 – Curva tensão x deformação.
Fonte: [24]. Onde:
Ponto I – Limite de proporcionalidade: As deformações são proporcionais às deformações. Ponto II – Limite de elasticidade: Elasticidade é a propriedade do material de o corpo retornar ao seu tamanho inicial assim que a força deixa de agir sobre o mesmo.
Ponto III – Limite de escoamento: Caracteriza a perda da proporcionalidade elástica do material. Pode-se afirmar que é o principal parâmetro obtido do ensaio de tração, prestando-se para cálculos de projeto estrutural (onde é necessário que os materiais não entrem em deformação plástica) quanto para conformação plástica (quando é desejada facilidade de deformação plástica do material)
Ponto IV - Limite de resistência ou tensão de máxima: maior tensão que o corpo pode suportar.
Ponto V – Instante que o corpo rompe. [23]
A deformação real ou verdadeira no processo de carregamento pode ser estabelecida imaginando-se uma sequência de etapas de carregamento onde o corpo alonga-se de um valor Δl. Tomados intervalos Δli muito pequenos, ou seja, aumentando indefinidamente o número de etapas i, a deformação ( ) [50] pode ser definida como:
(8)
Onde (l) corresponde ao comprimento instantâneo do corpo de prova e (l0) o comprimento inicial do corpo de prova.
O módulo de elasticidade ou módulo de Young (E) fornece uma indicação da rigidez do material sendo inversamente proporcional à temperatura e pouco dependente de pequenas variações na composição química de elementos cristalinos. O módulo de elasticidade pode ser expresso por: [23]
(9)
É importante salientar que a Equação 8 é válida somente para a parte elástica da deformação do material
Na região do gráfico em que ocorre a deformação plástica, ou seja, não linear, a curva tensão x deformação real pode ser expressa pela equação Hollomon (Ludwig):
(10)
Onde (C) é uma constante, (ε) representa a deformação verdadeira expressa pela Equação 10 e (n) o coeficiente de encruamento.
A medição do coeficiente de encruamento é simples, deve-se linearizar a equação de Hollomon, através da aplicação de logaritmos e, então se faz uma regressão linear de log s versus log e, a partir dos dados obtidos em ensaio de tração. Chega-se assim ao coeficiente angular da reta representativa da equação linearizado.
A anisotropia é a característica de um material com diferentes propriedades em diferentes direções. Para chapas submetidas à estampagem ocorre o alongamento dos grãos na direção de maior deformação de tração, surgindo uma direção preferencial de orientação cristalina, que caracteriza a anisotropia. Em essência a anisotropia tem relação com o limite de resistência máxima (maior deformação sem que ocorra a falha).
A obtenção dos coeficientes de anisotropia normal e planar são realizados através do ensaio de tração segundo a norma ASTM E517-00. Os corpos de prova definidos pela norma são deformados plasticamente abaixo da estricção, medindo-se os comprimentos e larguras iniciais e finais e aplicando as equações correspondentes. Para a sua realização são retirados corpos de prova de 0, 45 e 90 graus em relação ao sentido de laminação. [26]
A representação dos parâmetros de anisotropia é representada de duas formas: anisotropia normal R e anisotropia planar AR
( ) (12)
Onde: R0°: índice de anisotropia a 0 graus; R45°: índice de anisotropia a 45 graus; R90°: índice de anisotropia a 90 graus.
1.5 Ensaio de compressão
Não é frequente o emprego do ensaio de compressão (Figura 27) para os metais, porque a determinação das propriedades mecânicas por este ensaio é dificultada pela existência do atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina, pela possibilidade de flambagem, pela dificuldade de medida dos valores numéricos do ensaio e por alguns outros fatores que provocam incidência considerável de erros. [34]
Figura 27 – Esquema de um ensaio de compressão.
Fonte: [25].
Conforme o material a ser ensaiado seja dúctil ou frágil, as condições de ensaio variam muito. No primeiro caso, só se pode determinar com certa precisão as propriedades referentes à zona elástica, sendo impossível medir a carga máxima atingida ou de ruptura. Um corpo de prova cilíndrico de um metal dúctil sujeito a um esforço axial de compressão tende, na zona plástica, a aumentar sua seção transversal (aumento de diâmetro e diminuição de comprimento) com o acréscimo de carga. Caso se considerar a tensão real (carga dividida pela área instantânea), com o aumento de carga, essa tensão diminui, aumentando assim a resistência do material. Por essa razão um metal dúctil não se rompe ficando cada vez mais
achatado até se transformar num disco. [34] A Figura 28(a) apresenta um corpo de prova de um metal dúctil.
Por outro lado um metal frágil como o ferro fundido cinzento, não tem deformação lateral apreciável e a ruptura ocorre por cisalhamento e escorregamento ao longo de um plano inclinado de aproximadamente 45°, conforme pode ser visto na Figura 28(b). Nesse caso, podem-se determinar então algumas propriedades da zona plástica, principalmente o limite de resistência ou limite de ruptura que, coincidem para esses materiais. [34]
Figura 28 – Ensaio de compressão, em (a) metal dúctil e (b) metal frágil.
Fonte: [38].
Para o traçado do diagrama tensão-deformação, há a necessidade de uma perfeita centralização da amostra entre as placas da máquina, para que a carga de compressão atue exatamente na direção do seu eixo. No campo da pesquisa, os ensaios de compressão são feitos para comparação dos resultados com o ensaio de tração, bem como das curvas de tensão-deformação nos dois ensaios.
Para evitar danos nas placas da máquina, recomenda-se inserir, em todo ensaio de compressão, entre as placas e o corpo de prova duas placas de aço finas, com uma seção transversal aproximadamente igual à do corpo de prova.
O ensaio de compressão é mais utilizado em metais frágeis, onde a fase elástica é muito pequena, de modo que não há possibilidade de se determinar com precisão as propriedades relativas a essa fase.
As dimensões dos corpos de prova influem no tipo de fratura. No caso de ferro fundido, usa-se geralmente corpo de prova cilíndrico, com um comprimento igual a duas ou três vezes o diâmetro. Em todo o caso, o comprimento não deve ser muito grande para evitar a flambagem, nem muito curto para que não haja muito atrito com as placas da máquina.
Para os ferros fundidos, onde a ductilidade é muito pequena, a propriedade mais importante é o limite de resistência à compressão que difere em valor do limite de resistência à tração, sendo geralmente maior que esse. Geralmente o limite de resistência à compressão é oito vezes o mesmo limite à tração para os materiais frágeis, não sendo defeitos internos existentes nos mesmo. [34]
Para se determinar os valores da tensão, deformação e módulos de elasticidades utilizam-se as mesmas equações do ensaio de tração.
1.6 Ensaio de fadiga
O limite de resistência determinado pelo ensaio de tração é função da carga máxima atingida durante o teste, após o qual ocorre a ruptura do material. Ficou então estabelecido que o material não se rompa com uma carga menor que aquela, quando submetido a esforços estáticos. Entretanto quando são aplicados esforços dinâmicos, repetidos ou flutuantes a um material metálico, o mesmo pode romper-se com uma carga bem inferior à carga máxima atingida na tração ou compressão. Nesse caso tem-se uma ruptura por fadiga do material. [34] A ruptura por fadiga que surge em componentes estruturais, quando submetidos à tensões dinâmicas, é provocada pela nucleação mais ou menos lenta de trincas de fadiga, por isso que o processo de fadiga é geralmente dividido em quatro fases ou estágios [42], conforme pode ser visto na Figura 29.
Figura 29 – Processo de fadiga dos materiais.
Fonte: [42].
As duas primeiras fases constituem o período de iniciação da trinca, seguida do crescimento macroscópico que constitui o período de propagação da trinca, podendo conduzir à ruptura final. O começo e o fim de cada período não são facilmente definidos à exceção da
ruptura final. A duração de um componente estrutural à fadiga define-se assim, pelo número de ciclos de aplicação da carga até a ruptura, englobando o período de iniciação, propagação e até a sua ruptura. (Figura 30)
Figura 30 – Duração de um componente estrutural à fadiga.
Fonte: [42].
A superfície de fratura por fadiga pode ser reconhecida geralmente a partir do aspecto da sua superfície a qual apresenta duas regiões bem distintas. Uma primeira região (a), lisa de aspecto sedoso e brilhante, resultante da ação da fricção que se verifica entre as superfícies durante a propagação da fenda através da secção do material e uma segunda região (b) de aspecto grosseiro e irregular [42] conforme pode ser visto na Figura 31.
Figura 31 – Aspectos da ruptura por fadiga.
Como a falha por fadiga se dá no ponto de alta tensão localizada, qualquer descontinuidade, seja ela acidental (falha de fundição) ou intencional (rasgo de chaveta, furo para pino, escalonamento de diâmetro) poderá iniciar tal tipo de exteriorização.
1.6.1 Tipos de ensaios de fadiga
Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de número de ciclos. O teste é interrompido assim que o corpo de prova se rompe.
O ensaio é realizado de diversas maneiras, de acordo com o tipo de solicitação que se deseja aplicar: torção, tração-compressão, flexão e flexão rotativa. [43]
O ensaio mais usual, realizado em corpos de prova extraídos de barras ou perfis metálicos, é o de flexão rotativa. Este consiste em submeter um corpo de prova a solicitações de flexão, enquanto o mesmo é girado em torno de um eixo, por um sistema motriz de contagiros numa rotação determinada e constante, conforme pode ser visualizado na Figura 32.
Figura 32 – Exemplo de um ensaio de fadiga por torção e flexão.
Fonte: [44].
Outro ensaio de fadiga muito usado em materiais frágeis como o ferro fundido é o ensaio de tração-compressão. Este consiste em submeter um corpo de prova a aplicações de cargas alternadas de tração e compressão até que ocorra a sua ruptura e o número de ciclos é registrado em um contador.
A Figura 33 apresenta uma máquina eletromagnética para ensaios de fadiga de tração-compressão.
Figura 33 – Máquina para ensaio de fadiga tração-compressão.
Fonte: [44].
1.6.2 Corpos de prova
Os ensaios de fadiga podem ser realizados com três espécies diferentes de corpos de prova: a própria peça, produtos acabados e corpos de prova para ensaios. A forma do corpo de prova usinado varia muito de acordo com o tipo de solicitação e com as diversas normas propostas para o ensaio de fadiga. Em geral os corpos de prova são de seção circular ou retangular dependendo do produto, tendo na parte útil uma bi conicidade ao longo de seu comprimento com uma lado grande e contínuo, ficando o centro dessa parte útil com uma dimensão mínima. O grande raio usado evita uma concentração de tensão pela ausência de mudança brusca de seção. A Figura 34 apresenta alguns modelos de corpos de prova utilizados em ensaio de fadiga
Figura 34 – Desenhos esquemáticos de corpos de prova, em (a) para ensaio de fadiga por flexão rotativa e (b) para ensaio de fadiga por tração-compressão.
1.6.3 Consequências da fadiga sobre os ferros fundidos
O desempenho da fadiga de um ferro fundido, em particular depende da quantidade, tamanho e forma do componente da grafita livre. Os ferros fundidos podem ser classificados em dois tipos: ferro fundido nodular e ferro fundido cinzento. Cada um desses tipos possui um comportamento diferente. [41]
A) Ferro fundido nodular
Em um teste de fadiga sofrendo uma carga de tração pode-se observar o desprendimento de nódulos de grafita sobre a matriz circundante. Trincas de fadiga iniciam-se não só a partir dos nódulos, mas também de imperfeições de fundição, tais como, inclusões, poros, micro trincas e grupos de grafita de forma irregular. Estas irregularidades iniciam trincas em um estágio mais cedo na vida dos nódulos. Como resultado, a qualidade da peça fundida terá uma grande influência sobre a vida de fadiga das peças fundidas de ferro fundido nodular. Mesmo com uma vida longa, as trincas são observadas muito cedo na vida de ferro fundido nodular. [41] A Figura 35 apresenta a microestrutura típica de um ferro fundido nodular.
Figura 35 – Microestrutura de um ferro fundido nodular.
Fonte: [41].
B) Ferro fundido cinzento
A grafita em um ferro fundido cinzento é muito ramificada e interligada dentro de uma estrutura de células eutéticas. Estas estruturas celulares são compostas de flocos afiados que
fornecem um caminho fácil para a fratura, bem como áreas de alta concentração de tensões. Trincas se iniciam no primeiro ciclo de carregamento sobre os flocos orientados perpendicularmente a tensão de tração aplicada. Como o ferro fundido cinzento já contém trincas, ele não é muito sensível ao entalhe. [41] A Figura 36 apresenta a microestrutura típica de um ferro fundido cinzento.
Figura 36 – Microestrutura de um ferro fundido cinzento.
Fonte: [41].
1.7 Absorção de vibrações
O ruído é uma forma de manifestação da vibração, fenômeno este que pode além de produzir poluição sonora, reduzir a vida útil dos materiais fadigando-os. Pesquisas estão sendo realizadas sobre a capacidade dos materiais em absorver vibrações e o descobrimento de meio para reduzir tal fenômeno.
Existem duas formas de um material absorver vibrações. A primeira e mais simples é o atrito externo (sistema de absorção de energia por fricção) e a segunda, mais complexa, o amortecimento interno ou atrito interno (característica dependente do material) que se manifestam por uma resistência à deflexão periódica. Como exemplo deste caso pode-se citar as aplicações típicas de ferros fundidos como bases para máquinas, enquanto que um aço não consegue absorver praticamente em nada as vibrações.
O amortecimento se origina do fato de a migração de átomos, de defeitos e de energia térmica serem processos dependentes do tempo.
Define-se capacidade de amortecimento como habilidade de um material absorver vibrações, resultantes de tensões cíclicas, por fricção interna, transformando a energia
mecânica em calor. Este amortecimento é medido pelo método Foeppl-Pertz onde se mede a duração relativa de um impulso vibratório torcional conferido a um corpo de prova. A Figura 37 apresenta a diferença do efeito de amortecimento sobre o ferro fundido e o aço. [45]
Figura 37 – Efeito de amortecimento de vibração, em (a) para ferro fundido e em (b) aço.
Fonte: [45].
A maior capacidade de amortecimento do ferro fundido em relação ao aço é atribuída aos veios de grafita, as quais por não apresentarem resistência mecânica, constituem espécie de vazios na estrutura do material, o que permite deformação plástica do material localizado ao redor dos veios, sob tensões nominais menores em outros casos. [45]
1.8 Máquinas para estampagem
A conformação de chapas pode ser feita utilizando-se prensas mecânicas ou hidráulicas.
A) Prensa Hidráulica
As prensas hidráulicas utilizam fluidos para aplicar pressão a um cilindro hidráulico. Esta pressão resulta na movimentação do pistão hidráulico, sendo que a velocidade e a carga podem ser facilmente ajustadas por meio de um sistema de controle adequado. As prensas hidráulicas, em geral, operam com velocidades relativamente baixas, o que permite que a taxa de deformação da peça seja baixa.
A Figura 38 apresenta um diagrama esquemático das prensas hidráulicas, onde são apresentadas suas principais características. Na ilustração, a pressão hidráulica é fornecida à parte superior da prensa, causando a movimentação para baixo do pistão hidráulico e do cursor superior. [39]
Figura 38 – Visão geral de uma prensa hidráulica.
Fonte: [39].
O conceito primário usado para fornecer energia a este equipamento é que o nível de pressão num sistema fechado é constante. Este tipo de prensa tem pistões e fluido dentro que é deslocado pelo movimento dos pistões internamente. O fluido força seu caminho de volta para o espaço movendo o pistão para fora. A potência adicional é criada por meio do movimento do fluido, que se limita ao sistema. [15]
Para a estampagem profunda, são preferidas as prensas hidráulicas de dupla ação, pois estas conferem ao processo condições de velocidade de deformação controlada e constante, e uma maior uniformidade na aplicação da pressão de sujeição. Além disso, apresentam uma larga faixa de capacidade de conformação e podem também apresentar grandes espaços para a colocação da ferramenta de conformação e distâncias elevadas entre a mesa inferior e superior da prensa. A capacidade da prensa é determinada comumente em função do cálculo da máxima força necessária à fabricação de uma peça. [5]
B) Prensas Mecânicas ou Excêntricas
As prensas excêntricas (Figura 39) possuem um sistema mecânico onde o movimento rotativo é transformado em linear através de sistemas de bielas, manivelas ou fusos.
A energia elétrica alimenta o motor, quer através de uma correia gira o volante. Como o volante é pesado, uma grande quantidade de energia cinética é armazenada com o movimento rotacional do volante. Acoplado ao volante há um pinhão de engrenagens, que pode engatar movimento com a embreagem. A embreagem é acoplada com uma engrenagem com eixo excêntrico. Ao se acionar a embreagem ocorre o acoplamento entre o pinhão e a engrenagem da embreagem permitindo o movimento rotacional desta engrenagem, ou seja, a energia do motor é transferida para a engrenagem.
A embreagem é acoplada a um eixo excêntrico. Quando a engrenagem da embreagem é rotacionada, o eixo também é rotacionado. O eixo excêntrico converte o movimento rotacional em linear quando acoplado a uma biela, produzindo a movimentação linear do martelo através de guias. A matriz superior está fixada ao martelo.
Figura 39 – Visão geral de uma prensa mecânica.
A velocidade do martelo é senoidal em função do tempo, com velocidades nulas nos extremos da distância de golpe e velocidade máxima na meia distância. Perto do limite inferior da distância de golpe, a matriz superior tem contato com a peça de trabalho. A energia linear do movimento do martelo é convertida em energia de deformação na peça de trabalho, fazendo com que haja escoamento da peça de trabalho para as cavidades das matrizes. [16]
Este tipo de prensa é comumente utilizado para as mais variadas operações de corte, dobrar, calibragem e para processo de estampagem onde se permitem velocidades de trabalho maiores.
1.9 Ferramentas para estampagem de pequeno porte
Ferramentas para estampagem de pequeno porte possuem características bem definidas e distintas, visto que comumente são projetadas com a utilização de placas metálicas relativamente finas.
A seguir são apresentadas algumas ilustrações e imagens de ferramentas utilizadas para a conformação de chapas. A Figura 40 ilustra uma ferramenta utilizada para dobrar um perfil.
Figura 40 – Ferramenta para dobrar.
Fonte: [17].
A Figura 41 apresenta um exemplo de ferramenta de corte nas quais as folgas de corte devem estar bem dimensionadas e para seu perfeito funcionamento a ferramenta deve estar muito bem guiada e alinhada.
Figura 41 – Ferramenta para cortar.
Fonte: [17].
Pode-se observar na Figura 42 um exemplo de uma ferramenta de estampagem, onde se realiza a conformação em dois estágios. Verificam-se claramente os diversos detalhes dos punções e matrizes, na qual se pode visualizar o formato do produto a ser conformado.
Figura 42 – Ferramenta de estampagem.
Fonte: [27].
Muitas peças produzidas em ferramentas de conformação necessitam de um alto índice de produtividade, e para se conseguir atingir tal nível, é necessária a utilização de uma
