Conformação de Chapas

Conformação

de Chapas

Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica

MT-717: Introdução a materiais e processos de fabricação

Dr. Ronnie Rego Dr. Alfredo R. de Faria

2

Fechamentos

5.

Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas

4.

Conformabilidade

3.

Processos Convencionais de Conformação de Chapas

2.

Introdução

1.

3

[Aulas #4 e #5] Processos de Conformação Mecânica

Laminação Trefilação

Extrusão Forjamento

4

[Aulas #6 e #7] Plasticidade

Equações de Levy-Mises

Critério de Escoamento

Anisotropia

      + − =       + − =       + − = ( ) 2 1 , ) ( 2 1 , ) ( 2 1 2 1 3 3 3 1 2 2 3 2 1 1 σ σ σ σ ε ε σ σ σ σε ε σ σ σ σε ε d d d d d d

5

[Aula#1] Processos de Conformação Mecânica

Esforço no material

Movimento da ferramenta Movimento do material

Forjamento _{Laminação Extrusão}

Trefilação

Dobramento

Cisalhamento

Alteração de forma com volume e massa conservados

Estiramento Embutimento

(Estampagem profunda)

6

Aplicações na Indústria Aeronáutica

7

Chapas conformadas em toda a estrutura da aeronave

8

9

10

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso

Plasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó F dx

11

Conceituação dos processos de conformação de chapas

Objetivos Específicos:

1. Prover definições fundamentais sobre as convencionais tecnologias para processos de conformação de chapas

2. Introduzir os conceitos de conformabilidade, para avaliação de desempenho das tecnologias discutidas

3. Apresentar novas alternativas (processos não convencionais) à conformação de chapas

12

1.

DIETER, G. E. Mechanical Metallurgy - SI Metric Edition. Mc Graw-Hill Book Co., Singapore, 1988.

2.

HOSFORD, W.F.; CADDELL, R.M. Metal Forming Mechanics and Metallurgy. Prentice-Hall Inc., Toronto, 1983.

3.

DOEGE, E.; BEHRENS, B. Handbuch Umformtechnik – Grundlagen, Technologien, Maschinen. Springer, Berlin, 2010.

4.

BRESCIANI FILHO, E.; ZAVAGLIA, C.A.C.; BUTTON, S.T.; GOMES, E.; NERY, F.A.C.

Conformação Plástica dos Metais. 4.ed. Editora da Unicamp, Campinas, 1991.

5.

TSCHAETSCH, H. Metal Forming Practise. Springer, Berlim, 2006.

Processos de Fabricação I (MTP-34): Literatura de Referência

13

Fechamentos

5.

Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas

4.

Conformabilidade

3.

Processos Convencionais de Conformação de Chapas

2.

Introdução

1.

14

Processo de produção de

produtos de diferentes formatos

a partir de chapas planas

Resultado da integração de

estiramento e contração localizados

Em geral conduzido por indução de estados de tração

Redução de seção não é o objetivo primário e deve ser monitorado para evitar falhas (estricção)

15

Processo de produção de

produtos de diferentes formatos

a partir de chapas planas

Alta qualidade geométrica Elevadas propriedades

mecânicas e microestruturais Baixo Custo

– Alta Produtividade

16

Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas

A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem

Conformação de Chapas

A B C D E F

17

Processo de conformação de uma chapa definido pela cavidade formada

entre o encontro de um punção contra sua matriz

Estampagem Simples: Profundidade pequena (menor que metade do Ø_BLANK) Estampagem Profunda (Embutimento): Alta relação profundidade/diâmetro

Conformação de Chapas: Estampagem

BEAD PUNÇÃO MATRIZ PRENDEDOR ANTI-RUGAS CHAPA (BLANK) ANEL FIXADOR

18

Processo de conformação de

uma chapa definido pela

cavidade formada entre o

encontro de um punção

contra sua matriz

1. Punção: parte dinâmica do

ferramental

2. Matriz: Parte estacionária

do ferramental

3. Prendedor Anti-Rugas (sujeitador): promove o

atrito que garante o estado trativo no flange do blank

19

Processo de conformação de

uma chapa definido pela

cavidade formada entre o

encontro de um punção

contra sua matriz

Aplicações em segmentos de alta produtividade – Processo rápido – Ferramental de elevado custo – Vantajoso face à

soldagem, fundição, etc.

– Indústria automotiva, aeronáutica,

metalomecânica, etc.

20

Estampagem a Quente: promove aumento da ductilidade

Menor força de laminação, Maiores deformações; Alta variação dimensional

Estampagem a Frio: promove aumento do encruamento e refinamento de grão Menores deformações; Maior resistência mecânica, Baixa variação dimensional

21

Mecanismo do Processo

(exemplo: blank circular)

Ação do punção: chapa se

deforma na direção da cavidade da matriz; flange movimenta em direção à cavidade.

1.

Flange:

Compressão circunferencial

– Tendência a rugas

– Pressão de sujeição: permitir movimento (↓) sem

aparecimento de rugas (↑) Tração: estiramento radial

Atrito entre blank e ferramental

22

Mecanismo do Processo

(exemplo: blank circular)

2.

Região de Dobramento:

Estado de tração na região externa ao dobramento

Estado de compressão na região interna ao dobramento

Atrito entre blank e ferramental

23

Mecanismo do Processo

(exemplo: blank circular)

3.

Lateral:

Tração ao longo da lateral (estiramento)

Compressão perpendicular à superfície (afinamento)

Atrito entre blank e ferramental

24

Mecanismo do Processo

(exemplo: blank circular)

4.

Fundo do Copo:

Compressão exercida pela extremidade do punção

Transmitido ao copo por tração na direção radial

Atrito entre blank e ferramental

25

Mecanismo do Processo

(exemplo: blank circular)

26

Estampagem progressiva:

Múltiplos estágios sequenciais de conformação e corte

Ferramental com diferentes geometrias: conformação gradual

Conformação de Chapas: Estampagem

27 1. Forma e dimensões da chapa

2. Taxa de Estampagem

3. Máquina de conformação (Tipo de prensa)

4. Geometria do ferramental

5. Pressão Anti-rugas (Força no anel fixador)

6. Material e sua microestrutura (propriedades mecânicas)

7. Lubrificação

8. Temperatura de trabalho

9. Velocidade do processo

10. Força de estampagem

Estampagem: Fatores de Influência

Quantificação por

relações geométricas

28

29

Estampagem: Fatores de Influência

P

D

D

₀

=

30

Equipamento: Prensa Mecânica

Limitada pelo curso

Conversão de movimento rotativo em alternativo

Mais rápido e menor custo; Menores cargas de trabalho; menor precisão

31

Equipamento: Prensa Hidráulica

Limitado pela carga

Pressão hidráulica acumulada movimenta pistão em cilindro

Controle da velocidade, maior precisão, maiores cargas; Mais lento e mais caro

32

Geometria do Ferramental

Raios do punção e da matriz Folga entre punção e matriz

33

Geometria do Ferramental

Geometria do bead

34

Estampagem: Fatores de Influência

D_P

D₀

35

Microestrutura do material

Anisotropia planar: formação de orelhas nas bordas da chapa

Estampagem: Fatores de Influência

36

Estampagem: Fatores de Influência

Força de Estampagem

P: Carga total no punção D_p: diâmetro do punção

D₀: diâmetro inicial do blank h: espessura do blank

σ₀: escoamento médio do blank H: força no anel fixador

μ: coeficiente de atrito

B: força para dobrar e endireitar blank

37

Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas

A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem

Conformação de Chapas

A B C D E F

38

Processo em que esforços são aplicados em duas direções para promover

deformação via flexão, resultando em duas superfícies concorrentes

Conformação de Chapas: Dobramento

39

Processo em que esforços são aplicados em duas direções para promover

deformação via flexão, resultando em duas superfícies concorrentes

40

Conformação de Chapas: Dobramento

Dobramento livre Dobramento em V

Dobramento em U

Dobramento com ressalto no punção

Dobramento em matriz de deslizamento

Os ângulos da curvatura são determinados pelo curso do punção. É exigido o controle exato do curso do punção para obter o ângulo desejado da curvatura.

No dobramento em V (V-bending), a folga entre o punção e a matriz é constante (igual à espessura da chapa

O dobramento em U é feito em dois eixos paralelos de dobramento na mesma operação. Uma almofada é usada para forçar o contato da chapa com o fundo do punção.

No dobramento com ressalto na ponta do punção a tensão compressiva é aplicada à região de dobra para aumentar a

quantidade de deformação plástica. Isto reduz o efeito mola (springback).

Conhecido também como flangeamento. O comprimento do flange pode facilmente ser mudado e o ângulo da curvatura pode ser controlado pelo curso do punção.

41

Equipamento: Prensas dobradeiras, dobradeiras manuais e ferramental

42

Fatores de influência

Capacidade elástica do material Raio interno mínimo

Comprimento a ser desenvolvido Forças de operação

Conformação de Chapas: Dobramento

Raio interno mínimo

– Definição: mínimo valor de raio para

que não haja trincas no processo

– Varia com material e histórico de

43

Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas

A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem

Conformação de Chapas

A B C D E F

44

Processo de obtenção de formas geométricas específicas através da

penetração de um punção ou lâmina contra a chapa

Compressão se converte em tensão de cisalhamento (esforço cortante)

Deformação plástica até a ruptura: separação brusca de uma porção da chapa

Conformação de Chapas: Corte

45

Processo de obtenção de formas geométricas específicas através da

penetração de um punção ou lâmina contra a chapa

Compressão se converte em tensão de cisalhamento (esforço cortante)

Deformação plástica até a ruptura: separação brusca de uma porção da chapa

Conformação de Chapas: Corte

46

Tipos de processos e equipamento:

1. Por lâmina de corte (shearing, tearing): Guilhotina

Conformação de Chapas: Corte

47

Tipos de processos e equipamento:

1. Por lâmina de corte (shearing, tearing): Guilhotina

2. Por punção e matriz (punching, blanking): Prensa mecânica ou hidráulica

Conformação de Chapas: Corte

48

Mecanismo do Processo

1. Aproximação da lâmina ou punção

2. Penetração da lâmina ou punção

3. Conversão da compressão em

tensão de cisalhamento

4. Deformação até a ruptura

Conformação de Chapas: Corte

49

Efeito da deformação na superfície cisalhada

Conformação de Chapas: Corte

REPUXO ZONA DE RUPTURA ALTURA DA REBARBA CISALHAMENTO Rebarba

50

Folga entre lâminas

Corte: Fatores de Influência

Influência da folga na superfície fraturada: valor percentual relativo à espessura da chapa

51

Folga entre

lâminas

Efeito do material Efeito sobre a deformação (microdureza)

52

Folga entre lâminas: Corte Convencional x Corte Fino (Fine Blanking)

Corte fino: folga micrométrica + controle da velocidade de corte

Corte: Fatores de Influência

53

Força de corte / Potência do equipamento

54

Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas

A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem

Conformação de Chapas

A B C D E F

55

Processo de aplicação de força trativa para estirar o material sobre uma

ferramenta com a forma do produto final

Conformação de Chapas: Estiramento

56

Processo de aplicação de força trativa para estirar o material sobre uma

ferramenta com a forma do produto final

Conformação de Chapas: Estiramento

57

Mecanismo do Processo

Chapa é inicialmente acomodada sobre o punção (bloco modelo)

Pistão hidráulico: movimenta o punção (bloco modelo) contra a chapa

– Não há matriz (fêmea) no ferramental

Garras prendem extremidades da chapa, para garantir a deformação plástica

Conformação de Chapas: Estiramento

58

Processo de aplicação de força trativa

para estirar o material sobre uma

ferramenta com a forma do produto

final

Deformação plástica sem compressão

– Previne a formação de rugas na parte interna da chapa

Conformação de Chapas: Estiramento

DOBRAMENTO

59

Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas

A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem

Conformação de Chapas

A B C D E F

60

Passagem de chapa entre

três rolos para produzir

formatos curvados

Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável

61

Passagem de chapa entre

três rolos para produzir

formatos curvados

Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável Pode ser aplicado a

materiais diferentes de uma chapa (tubo e perfis)

62

Passagem de chapa entre

três rolos para produzir

formatos curvados

Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável Pode ser aplicado a

materiais diferentes de uma chapa (tubo e perfis)

Ajuste de curvatura e

espessura da chapa:

aproximação dos rolos

63

Passagem de chapa entre

três rolos para produzir

formatos curvados

Curvaturas cilíndricas, cônicas ou de raio variável Pode ser aplicado a

materiais diferentes de uma chapa (tubo e perfis)

Ajuste de curvatura e espessura da chapa: aproximação dos rolos

Aeronáutica: revestimentos

e cintas de emenda da fuselagem

64

Produção de produtos de diferentes formatos a partir de chapas planas

A. Estampagem B. Estiramento C. Repuxamento D. Dobramento E. Corte F. Calandragem

Conformação de Chapas

A B C D E F

65

Chapa é conformada contra um molde em movimento rotativo pela ação

de compressão de um rolete

66

Chapa é conformada contra um molde em movimento rotativo pela ação

de compressão de um rolete

Ferramental: madeira, plástico ou metal: Baixo custo

Equipamento: ferramental é fixado a um torno, em alta rotação: Processo lento

67

Chapa é conformada contra um molde em movimento rotativo pela ação

de compressão de um rolete

68

Chapa é conformada contra

um molde em movimento

rotativo pela ação de

compressão de um rolete

Produtos repuxados – Luminárias, Panelas, Fundos de Tanques, Componentes de satélites

69

1.

Rugas

2.

Estricção

3.

Springback

Conformação de Chapas: Tipos de Falha

1

1

3

2

70

Deformação Excessiva: Deformação Plástica

Instabilidade Plástica

A partir de dP = 0 e σ = P/A

Do conceito de Volume constante:

Do conceito de deformação

Portanto:

71

Minimizar risco de geração de

estricção: redução da força de sujeição

Extremo → Possibilidade de formação de rugas no flange

72

Além das trincas e rugas…

Conformação de Chapas: Tipos de Falha

Excesso de Metal no Raio Afinamento

Localizado

Copo muito profundo Raio do punção

pequeno

Chapa muito fina Folga insuficiente entre punção e matriz

Orelhas

Anisotropia planar excessiva

Texturização

73

Springback (Efeito Mola)

Retorno elástico da chapa após liberação da força de conformação

– Principalmente em Estampagem e Dobramento

Conformação de Chapas: Tipos de Falha

74

Springback (Efeito Mola)

Retorno elástico da chapa após liberação da força de conformação

– Principalmente em Estampagem e Dobramento

Conformação de Chapas: Tipos de Falha

(h)

75

76

Conformação de Chapas: Tipos de Falha

77

Falhas em ferramental de estampagem

78

Fechamentos

5.

Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas

4.

Conformabilidade

3.

Processos Convencionais de Conformação de Chapas

2.

Introdução

1.

79

Como então avaliar e predizer o limite para que não haja falhas?

Ensaios de Estampabilidade: Avalia a capacidade de a chapa ser conformada

sema a aparição de falhas

– Swift

– Olsen/Erichsen

– Fukui

– Nakazima

Curva Limite de Conformação: Registra o limite para a aparição de falhas, em

função das deformações principais no ponto

Conformabilidade

80

Ensaio

Swift

Punção Cilíndrico

Não há grande força de fixação

– Apenas deformação de embutimento

Resultado avaliado

– Maior diâmetro do copo sem que haja ruptura ou estricção localizada

81

Ensaio

Olsen / Erichsen

Punção Esférico Fixação forçada

– deformação de

estiramento Resultado avaliado

– Erichsen: Altura na ruptura

– Olsen: Carga na ruptura Olsen e Erichsen também divergem quando aos valores de diâmetro da esfera

– Olsen: pol (America)

– Erichsen: mm (Europa)

82

Ensaio

Fukui

Punção Esférico

Grande abertura entre fixações

– Estiramento + Embutimento

Desenvolvimento de copo cônico como resultado

83

Ensaio

Nakazima

Punção semi-esférico Utilização de borracha

– Elimina atrito entre chapa e ferramenta

Várias chapas de mesma altura e espessura, mas de larguras diferentes

Resultado: profundidade até a ruptura

84

Ensaios de Estampabilidade

Desafio associado à capacidade de reproduzirem condições reais de estampagem

Ainda contribuem para má reprodutibilidade:

– Pressões diferentes de fixação

– Diferença de rugosidade das matrizes e dos

punções

– Qualidade diversificada do lubrificante

Conformabilidade: Ensaios de Estampabilidade

Estiramento [%] 10 20 30 E m b u ti m e n to [ % ] 10 20 30 SWIFT FUKUI OLSEN / ERICHSEN

85

Curva Limite de Conformação (Diagrama de Keeler-Goodwin)

Forma gráfica de registro da combinação de deformações que leva à falha no processo de conformação de chapas

86

87

88

Diferentes posições para os diferentes estados de deformação

89

Diferentes posições para os diferentes estados de deformação

90

Indicação do estado de

deformações de

diferentes pontos em

chapa estampada

91

Pode ser explorada como registro

da evolução do processo

92

Indicação do estado de

deformações de

diferentes pontos em

chapa estampada

93

94

Fechamentos

5.

Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas

4.

Conformabilidade

3.

Processos Convencionais de Conformação de Chapas

2.

Introdução

1.

95

Estampagem incremental

Conformação por Elastômero

Hydroforming

96

Estampagem incremental

Movimento progressivo de uma ferramenta de ponta hemisférica ou esférica

sobre uma chapa, seguindo uma trajetória pré-definida

Processos Não Convencionais

97

Estampagem incremental

Movimento progressivo de uma ferramenta de ponta hemisférica ou esférica

sobre uma chapa, seguindo uma trajetória pré-definida

Processos Não Convencionais

98

Estampagem incremental

Deformação superior aos típicos limites de conformabilidade

– Carregamento é majoritariamente na direção normal

– Elementos em flexão bidirecional: carregamento não-monotônico

Processos Não Convencionais

99

Estampagem incremental

Profundidades elevadas Formatos flexíveis

100

Estampagem incremental

Processo lento

Alto custo do equipamento (CNC ou braço robótico)

101

Estampagem incremental

Conformação por Elastômero

Hydroforming

102

Conformação por Elastômero

Pressão hidráulica expande um lençol de borracha contra as chapas metálicas, forçando-as contra as cavidades das matrizes

– “Prensa de Borracha”

Processos Não Convencionais

Elastômero

Blank (peça planificada)

Mesa da máquina

103

Conformação por Elastômero

Versatilidade: Fabricação de chapas com geometrias complexas

Processos Não Convencionais

104

Conformação por Elastômero

Baixo Custo:

– Apenas uma ferramenta de geometria dedicada é necessária

– Diferentes espessuras a partir do mesmo ferramental

Processos Não Convencionais

105

Conformação por Elastômero

Um dos principais processos da indústria aeronáutica no Brasil

Processos Não Convencionais

“Prensa de Borracha” da Embraer 1- Diafragma de Borracha (Membrana)

2- Mesa Superior

3- Chapa 4- Punção

106

Conformação por Elastômero: Fabricação de Tubos

107

Estampagem incremental

Conformação por Elastômero

Hydroforming

108

Hydroforming (Hidroconformação)

Combinação de deslocamento de pistão e pressão hidráulica para a conformação até a sua forma final (chapa encontra matriz)

Conformação de corpos ocos em complexas geometrias

Processos Não Convencionais

109

Hydroforming

(Hidroconformação)

Combinação de deslocamento de pistão e pressão hidráulica para a conformação até a sua forma final (chapa encontra matriz)

110

Hydroforming (Hidroconformação)

Assim como na conformação por elastômero:

– Processo promove maior uniformização das tensões ao longo da chapa

Processos Não Convencionais

111

Hydroforming (Hidroconformação)

Assim como na conformação por elastômero:

– Esforços de atrito são minimizados

Processos Não Convencionais

112

Hydroforming (Hidroconformação)

Conformação de corpos ocos em complexas geometrias: Tubos

Processos Não Convencionais

113

Fechamentos

5.

Processos Não-Convencionais de Conformação de Chapas

4.

Conformabilidade

3.

Processos Convencionais de Conformação de Chapas

2.

Introdução

1.

114

Objetivos Específicos

Definições Fundamentais 1 Conformabilidade 2 Processos Não-Convencionais 3 BEAD PUNÇÃO MATRIZ PRENDEDOR ANTI-CHAPA (BLANK) ANEL FIXADOR

115

Processos de Fabricação: Estrutura do Curso

Plasticidade Fundamentos da Conformação Tecnologias de Conformação Processos Não-Convencionais Comportamento mecânico Tipos de Falhas Análise de tensão e deformação Relações plásticas Escoamento plástico Classificação Modelos preditivos Influências: atrito, temperatura; taxa de deformação e anisotropia. Ensaios de conformabilidade Trefilação Laminação Forjamento Extrusão Estampagem Estiramento Repuxamento Soldagem a Ponto Metalurgia do Pó F dx