Estudo do processo de corte por cisalhamento rotativo

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

RICARDO GUILHERME MÜLLER

ESTUDO DO PROCESSO DE CORTE POR CISALHAMENTO ROTATIVO

Panambi 2012

RICARDO GUILHERME MÜLLER

ESTUDO DO PROCESSO DE CORTE POR CISALHAMENTO ROTATIVO

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: Prof. Roger Schildt Hoffmann, M. Eng.

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar a Deus pela vida que me concede a cada dia e pela oportunidade de realizar mais este importante projeto.

Aos meus queridos pais, Manfredo e Traudi, a toda minha Família e Amigos que sempre me apoiaram e incentivaram a continuar lutando para alcançar os meus objetivos. Em especial a Fernanda, muito obrigado!

Aos Professores do Curso de Engenharia Mecânica da Unijuí, que me desafiaram a cada vez buscar mais conhecimento relacionado ao curso e para a vida.

Ao Professor orientador, Dr. Eng. João Henrique Corrêa de Souza, pelas suas contribuições em relação ao desenvolvimento, andamento e definições da estrutura do trabalho.

A todos Colegas e Amigos do Centro Tecnológico e de Formação Profissional do CEP, pela amizade, companheirismo e colaboração durante o desenvolvimento deste trabalho.

E ao Colégio Evangélico Panambi por permitir a utilização dos recursos do laboratório de projetos para realização de atividades de pesquisa e descrição do trabalho. E pela disponibilidade dos materiais e recursos de usinagem para a construção do protótipo para teste do processo de estampagem rotativa, sem a qual não teria nenhuma experiência prática sobre o processo.

RESUMO

Este trabalho trata do processo de corte por cisalhamento rotativo, que é uma tecnologia inovadora utilizada principalmente para a perfuração contínua de chapas metálicas por cisalhamento. Na revisão bibliográfica serão apresentados conceitos básicos sobre as principais propriedades dos aços laminados, sobre os processos de corte por cisalhamento convencional e não convencionais, em especial sobre o processo de corte por cisalhamento rotativo. Trata ainda de um estudo teórico e prático, afim de realizar um levantamento dos principais fatores que influenciam o processo e os aspectos que envolvem a construção de uma ferramenta requerida neste tipo de processo. Foi realizado o desenvolvimento do projeto detalhado e a construção de um protótipo para teste, onde se avaliou alguns aspectos que não são obtidos teoricamente, como a qualidade da superfície cortada. Os resultados dos experimentos provaram o funcionamento do protótipo e através da variação de alguns parâmetros, foi possível atingir um nível de qualidade da superfície cortada aceitável pela indústria.

PALAVRAS CHAVES: Estampagem, Aços Laminados, Processo de Corte por Cisalhamento Convencional, Processo de Corte por Cisalhamento Rotativo.

ABSTRACT

This work deals with the rotating stamping process, which is an innovative technology, used mainly to the continuous punching of sheet metal by shearing. In the bibliographical review, the basic concepts about stamping processing, cutting processes by conventional and unconventional shearing, and especially about rotating stamping process will be presented. This work also deals with a theoretical and empirical study of the rotating stamping process, in order to evaluate the main factors of influence and the aspects involved in the construction a machine for this process. Detailed design and construction of a test prototype was carried out in order to evaluate some aspects that are not theoretically possible to obtain, such as the quality of the cut surface. The results of the experiments proved the functioning of the prototype and, by varying some parameters, it was possible to achieve a level of quality of the cut surface acceptable by industry.

KEYWORDS: Stamping, Rolled Steels, Cutting Processes by Conventional Shearing, Rotating Stamping Processes.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Classificação dos processos de fabricação conforme DIN 8580. [13]...20

Figura 2 – Principais processos de estampagem. [15]...21

Figura 3 - Exemplo de curva de engenharia de um ensaio de tração. [14] ...23

Figura 4 - Curva tensão x deformação utilizada na conformação. [14] ...24

Figura 5 - Efeito do n na forma da curva de escoamento. [16]...25

Figura 6 - Alongamento do grão durante a laminação. [2] ...26

Figura 7 - Sentido de laminação da chapa metálica. [2]...27

Figura 8 – Classificação dos processos de separação conforme DIN 8588. ...28

Figura 9 – Princípio do processo de corte por cisalhamento. [12]...28

Figura 10 – Processos de Separação conforme DIN 8588. [5] ...29

Figura 11 – Exemplos com linha de seção de corte fechada e aberta. [5] ...29

Figura 12 - Diferentes formas de corte por cisalhamento conforme DIN 8588. [5]....31

Figura 13 - Elementos básicos de uma ferramenta de corte por cisalhamento. [9]...32

Figura 14 - Seqüência das etapas do processo de corte por cisalhamento. [15] ...32

Figura 15- Representação esquemática do modelo adotado para estudo do corte por cisalhamento. [8] ...33

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] ...34

Figura 17 - Morfologia da superfície de uma peça obtida através de corte por cisalhamento.[8] ...35

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] ...35

Figura 19 - Formação da zona de penetração (esquerda) e início da fissuração (direita). [8] ...36

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]...37

Figura 21 - Representação da folga e das principais dimensões da ferramenta de corte. [15] ...38

Figura 22 - Gráfico para determinação da folga entre punção e matriz, em função do tipo de material e da espessura da chapa. [3]...40

Figura 23 - Morfologia da superfície cortada em função do valor da folga entre o punção e a matriz. [8]...41

Figura 24 - Sentido da folga a) folga dada no punção b) folga dada na matriz. ...42

Figura 25 - Evolução da força de corte com o deslocamento do punção, durante as fases de repuchamento e penetração. [8] ...43

Figura 26 - Evolução da força de corte com o deslocamento do punção no corte por cisalhamento. [8] ...43

Figura 27 - Representação da área a ser cisalhada de uma peça com furo. ...44

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] ...46

Figura 29 - Comprimento de corte para o corte plano e corte inclinado. [9]...47

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] ...48

Figura 31 - Representação esquemática dos tipos de desgaste que se verificam nos punções e nas matrizes de corte por cisalhamento. [8] ...48

Figura 32 - Influência da folga na qualidade de corte, força de corte e desgaste da ferramenta. [15] ...49

Figura 33 - Ferramenta de corte simples. [17]...50

Figura 34 - Ferramenta de corte progressivo. [17] ...50

Figura 35 - Ferramenta de corte total. [17]...51

Figura 36 - Prensa mecânica de simples ação. [2]...52

Figura 37 - Prensa Hidráulica. [2]...52

Figura 38 - Remoção da apara pelo processo shaving. [8] ...53

Figura 39 - Representação esquemática do processo de corte fino. [12] ...54

Figura 40 - Guilhotina. [17] ...55

Figura 41 - Guilhotina rotativa. [23] ...55

Figura 42 - Demonstração das características cinemáticas das ferramentas de corte rotativo em conformidade com a norma DIN 8588. [10] ...56

Figura 44 - Máquinas rotativas para processamento de papel. [24]...57

Figura 45 - Modelos de máquinas fabricadas pela empresa Baust Gruppe. [20] ...59

Figura 46 - Exemplo de peças fabricadas pelo processo de corte rotativo. [20] ...59

Figura 47 - Linha de produção convencional para fabricação de perfilados. [9] ...60

Figura 48 - Linha de produção de perfilados com unidade de corte rotativo. [9] ...60

Figura 49 - Elementos básicos de um sistema de corte rotativo. [9] ...62

Figura 50 - Representação esquemática das ferramentas de corte e seus elementos básicos. [9] ...63

Figura 51 - Fases do processo de corte rotativo. [10] ...64

Figura 52 - Distância entre furos de um chapa plana...66

Figura 53 - Representação da distância angular entre os punções. ...67

Figura 54 – Representação do sistema de transmissão por engrenagens. ...68

Figura 55 – Posicionamento dos rolos. ...69

Figura 56 - Cinemática da ferramenta de corte rotativo. ...70

Figura 57 - Representação da área de corte para o processo convencional. ...71

Figura 58 - Representação da área de corte para o processo rotativo. ...72

Figura 59 - Representação da área de corte em cada fase do processo.[9]...73

Figura 60 – Variação da área de corte na entrada do punção em relação a espessura da chapa para diferentes valores de raio dos rolos. ...74

Figura 61 – Representação da profundidade de corte. ...75

Figura 62 – Variação da profundidade de penetração em relação a posição angular dos rolos para diferentes espessuras de chapas. ...76

Figura 63 - Variação da profundidade de penetração em relação a posição angular dos rolos para diferentes valores de raio dos rolos. ...77

Figura 64 - Peça com furo retangular...78

Figura 65 - Corte convencional com punção plano. ...79

Figura 66 - Corte convencional com punção inclinado...79

Figura 67 – Perímetro ativo da lateral do punção com aresta inclinada...80

Figura 68 - Esquema de forças atuantes no momento do contato do punção na chapa. ...81

Figura 69 - Desenvolvimento da força de corte para diferentes valores do raio dos rolos. ...84

Figura 70 - Representação das forças de corte. ...85

Figura 71 - Desenvolvimento da força tangencial para diferentes valores de raio dos rolos. ...86

Figura 72 - Desenvolvimento da força radial para diferentes valores de raio dos

rolos. ...86

Figura 73 - Desenvolvimento do torque para diferentes valores de raio dos rolos....87

Figura 74 - Desenvolvimento da potência para diferentes valores de raio dos rolos.88 Figura 75 - Desenvolvimento da folga dinâmica no processo de corte rotativo. ...89

Figura 76 - Desenvolvimento da folga de corte. a) na entrada e b) na saída do punção. ...90

Figura 77 - Concepção da peça para o projeto em perspectiva isométrica...91

Figura 78 - Detalhamento da peça para o projeto. ...92

Figura 79 - Concepção final do protótipo do sistema de estampagem rotativa. ...92

Figura 80 - Vista explodida dos principais componentes do protótipo...93

Figura 81 - Subconjunto da estrutura. ...94

Figura 82 - Montagem do subconjunto do eixo motor. ...95

Figura 83 - Montagem do eixo movido. ...96

Figura 84 - Detalhamento da matriz e punção de corte. ...97

Figura 85 - Montagem final com vista em corte e detalhe da centragem dos rolos...98

Figura 86 - Sistema de alinhamento da chapa e extração. ...98

Figura 87 - Torquímetro Gedore com faixa de medição de 0 a 30 kgf.m, resolução 1 kgf.m. ...99

Figura 88 - Acionamento do protótipo com auxílio do torquímetro. ...99

Figura 89 - Centro de Usinagem Hermle, utilizado para fabricação do protótipo. ...100

Figura 90 - Peças usinadas e pré-montadas para a montagem final. ...101

Figura 91 - Montagem dos eixos motor e movido. ...101

Figura 92 - Pré-montagem da estrutura do protótipo com os rolamentos. ...102

Figura 93 - Montagem final do protótipo...102

Figura 94 - Ajuste da centragem entre punção e matriz e sincronismo dos rolos. ..103

Figura 95 - a) Material cortado em tiras, b) Entrada do material no túnel guia...106

Figura 96 - c) Torque aplicado com auxílio do torquímetro, d) Saída da chapa perfurada. ...106

Figura 97 - Resultados do corte das chapas. ...108

Figura 98 - Representação de cada fase no momento do corte...109

Figura 99 - Gráfico representativo da tendência do comportamento do torque durante o processo...109

Figura 100 - Sucesso do corte com profundidade de penetração positiva...110

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Produção de chapas (laminados planos) em comparação a outros

produtos siderúrgicos (siderurgia brasileira) em 10³ t. [21] ...21

Tabela 2 - Dimensão conjunta do repuchamento e da penetração, para valores de folga ideal (valores em porcentagem da espessura). [8]...38

Tabela 3 - Folgas por lado em função do material e do tipo de superfície a obter, conforme morfologia ilustrada na Figura 23. [8] ...39

Tabela 4 - Tensão de ruptura ao cisalhamento para diferentes materiais. [8]...45

Tabela 5 - Comparação unidade de corte rotativo com prensas de alta velocidade. [9] ...61

Tabela 6 - Lista dos componentes e elementos de máquina do protótipo. ...94

Tabela 7- Tipos de chapas utilizadas no experimento. ...104

Tabela 8 – Dimensão da profundidade de penetração do punção na matriz. ...104

Tabela 9 - Tabela parcial para preenchimento dos resultados dos experimentos...105

Tabela 10 – Legenda da Tabela dos Experimentos. ...105

Tabela 11 - Resultados obtidos para a chapa de aço ao carbono. ...107

Tabela 12 - Resultados obtidos para a chapa alumínio. ...107

Tabela 13 - Comparação entre o torque calculado e medido...108

Tabela 14 - Medição da variação do torque em cada fase do processo com auxilio do torquímetro. ...108

Tabela 15 - Comparação da força de corte máxima do processo rotativo e convencional. ...110

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CAD Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador) CAE Computer Aided Engineer (Engenharia Assistida por Computador) CAM Computer Aided Manufacturing (Fabricação Assistida por Computador) CEP Colégio Evangélico Panambi

CNC Computer Numeric Control (Comando Numérico Computadorizado) CTFP Centro Tecnológico e de Formação Profissional

DIN Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemão para Normalização) UNIJUI Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul SAE Society of Automotive Engineers (Sociedade dos Engenheiros

LISTA DE SÍMBOLOS e σ Tensão de escoamento [N/mm²] % Al Alongamento mínimo [%] ε Deformação [-] ϕ _{Deformação verdadeira [-]} R ∆ Anisotropia planar [-] o R₀ Índice de anisotropia a 0° [-] o R 45 Índice de anisotropia a 45° [-] o R_{90 Índice de anisotropia a 90° [-]} w

ϕ

Deformação verdadeira na largura [-]

t

ϕ

Deformação verdadeira na espessura [-]

W Trabalho de corte [-]

R Anisotropia normal [-]

n Coeficiente de encruamento [-]

s

C Coeficiente da espessura da chapa [-]

w

Q _{Coeficiente de correção aplicado à força máxima de corte [-]}

z Número de punções e matrizes [-]

c

V _{Velocidade de avanço da chapa [m/s]}

p

V _{Velocidade periférica ou tangencial [m/s]}

l Comprimento instantâneo do corpo de prova [mm]

0

l Comprimento inicial do corpo de prova [mm]

l

f Folga de corte unilateral [mm]

s Espessura da chapa [mm]

s

l _{Perímetro de corte [mm]}

sa

l _{Perímetro ativo de corte [mm]}

s

r Raio do rolo porta punção [mm]

m

r Raio do rolo porta matriz [mm]

p

r _{Raio primitivo das engrenagens [mm]}

a Distância entre eixos dos rolos [mm]

av

X Deslocamento na direção X [mm]

av

Y Deslocamento na direção Y [mm]

i Distância entre os furos da chapa [mm]

r Raio dos rolos [mm]

h Profundidade de penetração [mm]

e

f Folga de corte estática [mm]

d

f _{Folga de corte dinâmica [mm]}

d Diâmetro do punção [mm]

1

d Diâmetro da matriz [mm]

0

A _{Área transversal inicial [mm²]}

A Área transversal instantânea [mm²]

c A Área de corte [mm²] m R Limite de resistência [N/mm²] σ Tensão [N/mm²] c

τ

Tensão de ruptura ao cisalhamento [N/mm²]

R

σ Tensão de ruptura do ensaio de tração uniaxial [N/mm²]

k Tensão de corte crítica [N/mm²]

n F _{Força normal} [N] t F Força tangencial [N] r F Força radial [N] c F _{Força de corte [N]}

t Posição angular dos rolos [º]

β Espaçamento angular dos punções e matrizes [º]

α Ângulo de contato ou de ataque [º]

γ _{Ângulo de saída do cavaco [º]}

ω Velocidade angular [rad/s]

n Rotação [rpm]

C Constante de correção [-]

E Módulo de Elasticidade ou módulo de Young [N/mm²]

P Potência [W]

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO...17

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...19

2.1 PROCESSOSDEESTAMPAGEM...19

2.2 PROPRIEDADESMECÂNICASDOSAÇOSLAMINADOS ...22

2.3 PROCESSOSDECORTEPORCISALHAMENTO...28

2.3.1 Processo de Corte por Cisalhamento Convencional ...31

2.3.2 Processo de Aparamento ou Shaving ...53

2.3.3 Processo de Corte Fino ou de Precisão ...54

2.3.4 Outros Processos de Corte por Cisalhamento ...54

2.4 PROCESSODECORTEPORCISALHAMENTOROTATIVO ...56

3. OBJETIVOS DO TRABALHO E ESTRATÉGIA DE SOLUÇÃO ...65

4. ABORDAGEM TEÓRICA DO PROCESSO DE CORTE ROTATIVO...66

4.1 ANÁLISEDOSASPECTOSDIMENSIONAIS ...66

4.2 ANÁLISEDOSMOVIMENTOS ...69

4.3 ANÁLISEDAÁREADECORTE...71

4.4 ANÁLISEDAPROFUNDIDADEDEPENETRAÇÃO...75

4.5 ANÁLISEDAFORÇADECORTE...78

4.6 ANÁLISEDAFOLGADECORTE ...89

5. DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO PARA TESTES...91

5.1 PROPOSTADAGEOMETRIADAPEÇAAESTAMPAR ...91

5.2 PROJETODETALHADOEESPECIFICAÇÃODOSCOMPONENTES ...92

5.3 FUNCIONABILIDADEDOPROTÓTIPO ...99

5.4 CONSTRUÇÃODOPROTÓTIPO...100

5.5 AJUSTESETESTEDOFUNCIONAMENTODOPROTÓTIPO...103

5.6 PLANEJAMENTODOSEXPERIMENTOS ...104

6. RESULTADOS ...107

7. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS ...112

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...114

APÊNDICE A - DESENHO DETALHADO DO PROTÓTIPO PARA TESTE...117

APÊNDICE B – TABELA COMPLETA DOS EXPERIMENTOS...120

ANEXO A - CATÁLOGO DO ROLAMENTO 6005-2Z - EMPRESA SKF...122

ANEXO B - CATÁLOGO DO AÇO FERRAMENTA VC 131 - EMPRESA VILLARES ...124

1. INTRODUÇÃO

Os processos de transformação de chapas metálicas, conhecidos como processos de estampagem, permitem a fabricação de uma ampla diversidade de produtos, cujo campo de aplicação abrange um leque muito grande de indústrias metal-mecânica. A região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul se destaca como fabricante de peças a partir do corte e conformação de chapas de aço e alumínio, fornecendo componentes para as montadoras de carros de passeio, caminhões e ônibus de várias marcas. A região também se destaca pela maior concentração industrial voltada para equipamentos de secagem, armazenamento e transporte de grãos do país.

Os principais objetivos da indústria de processamento de chapas metálicas é minimizar custos, melhorar a qualidade do produto, aperfeiçoar o processo produtivo e aumentar a produtividade. Estes objetivos são possíveis com o estudo e a busca constante de novas tecnologias. Tendo essa visão, o presente trabalho tem o objetivo principal estudar o processo de corte por cisalhamento rotativo. Um processo inovador e muito pouco aplicado industrialmente, principalmente pela variedade de produtos que podem ser fabricados por este processo.

O processo de corte por cisalhamento é aplicado principalmente em linhas de perfilação completa (roll-forming) , onde se combinam os processos de perfuração e perfilação de forma contínua. Este processo é ideal para perfuração de chapas por cisalhamento e é um equipamento compacto caracterizado pela alta produtividade, com baixa potência e custo reduzido. Atualmente existem empresas fabricantes destes equipamentos nos Estados Unidos e Alemanha. Estes equipamentos de perfuração são baseados em um par de rolos que giram sincronizados em sentidos opostos com mesma velocidade. Os punções e as matrizes que se encontram fixos aos rolos realizam o corte da chapa por cisalhamento. Nestes sistemas o punção penetra na matriz de modo angular e progressivamente conforme o movimento dos

rolos, diminuindo assim a força de corte comparado com o sistema convencional de perfuração.

O processo de corte rotativo caracteriza-se pelo movimento de rotação da ferramenta de corte, que é diferente do conceito do corte por cisalhamento convencional, onde o corte ocorre pelo movimento de translação da ferramenta. A grande vantagem deste processo de perfuração de chapas em relação aos processos convencionais é que processo é realizado de forma contínua e pode ser acoplado em perfiladores, adquirindo a velocidade que o perfilado demanda. A estampagem rotativa é um conceito em estudo que se apresenta como uma inovadora tecnologia para as indústrias que buscam substituir os processos convencionais de perfuração, para aumentar a produtividade e reduzir os custos.

Destes princípios parte a idéia deste trabalho, que tem como objetivo principal o estudo do processo de corte por cisalhamento rotativo. Como primeiro passo, pretende-se neste trabalho fazer um estudo teórico do processo, a fim de permitir:

• Identificar alguns fatores de influência e parâmetros importantes para a construção de uma máquina de corte rotativo;

• Especificar um sistema de corte rotativo;

• Conhecer as vantagens, limitações e aplicações do processo;

• Comparar com os processos de corte por cisalhamento convencionais; • Disseminar a tecnologia junto às empresas metal-mecânica.

Após o estudo teórico pretende-se desenvolver o projeto detalhado e a construção de um protótipo para testes, a fim de permitir:

• A visualização do princípio de funcionamento do processo; • A realização de experimentos práticos;

• Identificar aspectos que teoricamente não são possíveis, como a qualidade da superfície cortada;

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Este trabalho é relacionado ao processo de corte por cisalhamento, que é classificado como um processo de estampagem, utilizado principalmente na fabricação de produtos a partir de chapas metálicas planas. Para facilitar o entendimento do trabalho, neste capítulo serão apresentados conceitos básicos sobre: as principais propriedades mecânicas dos aços laminados, o processo de corte por cisalhamento convencional, os processos de corte por cisalhamento não convencionais e em especial o processo de corte rotativo, que é o principal assunto deste trabalho.

2.1 PROCESSOS DE ESTAMPAGEM

Os processos de fabricação mecânica são importantes atividades tecnológicas que promovem a alteração da geometria, das propriedades e da forma dos materiais, desde a matéria-prima até a forma do produto final.

O ciclo de fabricação de um produto envolve uma sucessão de operações ou processos de fabricação, em que cada um contribui para que o material se aproxime da forma final desejada. Para efetuar cada uma das operações de transformação do material é necessário uma combinação de máquinas, ferramentas, energia e trabalho manual. [1]

Os processos de fabricação são classificados e divididos em grupos de acordo com a norma alemã DIN 8580 – Processos de Fabricação [4]. Conforme descrito na norma DIN 8580, os processos de fabricação estão dividos em três grupos principais, segundo o tipo de processamento: criação de forma, alteração da forma e alteração das propriedades do material. Dentro dos três grupos principais estão distribuídos os processos de manufatura em seis grupos, conforme representado na Figura 1. [13]

Figura 1 – Classificação dos processos de fabricação conforme DIN 8580. [13]

O processo de estampagem é o processo de conformação mecânica que permite a fabricação de peças com uma superfície não planificável a partir de uma chapa metálica plana. A estampagem em sua essência compreende todas as operações executadas sobre chapas, incluindo operações de corte e de deformação plástica.

De acordo com a classificação da norma DIN 8580 (Figura 1), o processo de estampagem pertence a dois grupos de modificação de forma:

• ao grupo 2 dos processos de conformação (volume constante), • e ao grupo 3 dos processos de separação (redução do volume).

O processo de estampagem pode ser dividido em quatro operações principais, conforme mostrado na Figura 2.

A estampagem é um dos processos mais importantes existente, principalmente pela sua abrangência de produtos fabricados através de chapas, como por exemplo, capôs de carro, painéis, lataria de implementos e máquinas agrícolas, peças para eletrodomésticos, entre outros. [2]

Figura 2 – Principais processos de estampagem. [15]

A importância econômica dos processos de estampagem comparada com outros processos de fabricação é visível analisando a produção de chapas (laminados planos) nos últimos anos no Brasil. Atualmente toda chapa é produzida através de processos de laminação a frio ou a quente, e representa aproximadamente 20% da produção siderúrgica do país, conforme os dados estatísticos do desempenho mensal do setor, apresentados na Tabela 1. [21]

Tabela 1 – Produção de chapas (laminados planos) em comparação a outros produtos siderúrgicos (siderurgia brasileira) em 10³ t. [21]

Os aços laminados a frio são gerados a partir da redução a frio, aplicados ao produto laminado a quente, sendo posteriormente recozidos (tratamento térmico). Os produtos assim obtidos apresentam dimensões que podem variar de 0,20 a 3,00 mm de espessura e larguras compreendidas entre 700 e 1.830 mm, fornecidos como bobina ou chapa.

Os aços laminados a quente são obtidos com espessura entre 1,80 mm e 16,00 mm e largura entre 715 mm e 1.870 mm. As bobinas laminadas a quente podem ser processadas no laminador de encruamento para obtenção de características especiais ou cortadas em chapas. [22]

2.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS LAMINADOS

Para que o projetista possa prever o comportamento do material em condições de trabalho é imprescindível que tenha em mãos os parâmetros de comportamento ou propriedades mecânicas dos materiais, determinados através de ensaios mecânicos. Os ensaios mecânicos são aplicados para aferir as diferentes propriedades especificadas em norma, sendo o mais comum o ensaio de tração que avalia a resistência mecânica e a ductilidade.

As propriedades mecânicas dos aços, limitando-se, na maioria dos casos, no valor máximo de limite de escoamento (σ_e), de resistência (R ) e um alongamento _m ( Al %) mínimo. Para aços com exigência de maior conformabilidade, também são determinados os coeficientes de anisotropia ( R ) e encruamento ( n ). [22]

Desta forma são descritas as principais propriedades mecânicas avaliadas nos aços:

• Tensão de Escoamento ou Limite de Elasticidade

A tensão de escoamento mostrada no exemplo de curva de engenharia de um ensaio de tração (Figura 3) é a carga que delimita a faixa elástica do material, ou seja, o limite de carga em que as deformações ainda são reversíveis.

Figura 3 - Exemplo de curva de engenharia de um ensaio de tração. [14]

A tensão de engenharia (σ ) e a deformação em escala natural (ε) são dadas pelas seguintes equações:

0 A F = σ (1) 0 0 l l l− =

ε

(2)

onde (A0) corresponde a área transversal inicial, ( F ) uma força tensora, (l ) comprimento instantâneo do corpo de prova e (l0) o comprimento inicial do corpo de prova.

Para a maioria dos metais o comportamento elástico é linear, portanto a relação tensão x deformação é expressa pela equação:

ε σ = E.

(3)

onde (E) representa o módulo de Elasticidade ou módulo de Young.

Para conformação é importante a faixa da curva onde ocorre a deformação plástica antes de iniciar a estricção do material (Figura 4).

Figura 4 - Curva tensão x deformação utilizada na conformação. [14]

Para esta condição a tensão de escoamento (σ_e) é expressa por:

A F

e =

σ

(4)

onde ( F ) corresponde a força tensora e ( A ) a área transversal instantânea.

É importante salientar que a Equação 3 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 seguinte equação:

n C

ϕ

σ

= .

(5)

onde (C) é uma constante, (ϕ) representa a deformação verdadeira expressa pela Equação 6 e (n) o coeficiente de encruamento.

0 ln l l = ϕ (6)

• Limite de Resistência ou Resistência à Tração

Conforme mostrado na Figura 3, a resistência à tração (R_{m) é a carga máxima} atingida durante o ensaio do material. A partir deste ponto a deformação começa a se localizar sob a forma de estricção.

• Alongamento

Alongamento é considerado o percentual que o material permite se deformar até romper (Figura 3). A deformação ocorre uniforme até iniciar a estricção do material. Em percentual o alongamento é expresso por:

100 . % o l l Al = ∆ (7)

Onde l∆ é a variação do comprimento do corpo de prova durante o ensaio e 0

l é o comprimento inicial do corpo de prova.

• Coeficiente de encruamento

O coeficiente de encruamento é caracterizado pela propensão do aço aumentar sua resistência durante a deformação. Quanto maior o valor de n, maior a resistência a estricção e maior o retorno elástico do material. A inclinação da curva real desse material será maior e mais uniforme será a distribuição das deformações na presença de um gradiente de tensões. Como conseqüência, para materiais com valores baixos de n, sua curva será mais horizontal (Figura 5). [16]

• Coeficiente de Anisotropia

Durante o processo de laminação de chapas metálicas ocorre a deformação da microestrutura e se originam grãos mais alongados na direção da laminação (Figura 6).

Figura 6 - Alongamento do grão durante a laminação. [2]

Na maioria dos casos, no entanto, existe uma tendência dos grãos terem certos planos cristalográficos ou direções, claramente alinhadas com a direção da primeira conformação. Como resultado, alguns materiais permitem uma deformação mais fácil em algumas direções do que em outras. A forma total da curva tensão-deformação, e propriedades como tensão de escoamento, força de tração e taxa de encruamento, são afetadas por esta orientação cristalográfica.

O índice de anisotropia plástica ( R ) é definido como a razão da deformação verdadeira na largura (

ϕ

w) e a deformação verdadeira na espessura (

ϕ

t) no teste de

um corpo de prova padrão.

0 0 ln ln t t w w R t w ₌ = ϕ ϕ (8)

O parâmetro de anisotropia pode ser obtido para diferentes direções na chapa. Normalmente, amostras são removidas de chapas a 0º, 45º e 90º da direção de laminação (Figura 7). [2]

Figura 7 - Sentido de laminação da chapa metálica. [2]

Por isso é comum a representação do parâmetro de anisotropia através de duas formas: anisotropia normal (R) e anisotropia planar ( R∆ ).

(

)

4 . 2 ₄₅0 ₉₀0 0 R R R R = o + + (9)

(

)

2 . 2 ₄₅0 ₉₀0 0 R R R R= o − + ∆ (10) onde: o R 0 - índice de anisotropia a 0° o R₄₅ - índice de anisotropia a 45° o R₉₀ - índice de anisotropia a 90°

2.3 PROCESSOS DE CORTE POR CISALHAMENTO

No grupo três da norma alemã DIN 8580, sob o título de modificação de forma, encontram-se classificados os processos de corte ou separação - DIN 8588.

Segundo a definição do termo, separação entende-se a mecânica de divisão de peças sem a criação de cavacos (não cortantes). De acordo com a norma DIN 8588 – Processos de Separação, este processo é dividido em corte por cisalhamento, corte por faca, corte por esmagamento, rasgar e quebrar, conforme representado na Figura 8. [5]

Destes, o corte por cisalhamento é o mais importante na aplicação industrial.

Figura 8 – Classificação dos processos de separação conforme DIN 8588.

O corte por cisalhamento é conhecido na prática como corte brusco e é a separação de peças entre duas lâminas de corte passando uma pela outra. Este processo é também conhecido nas indústrias como puncionamento, corte por arrombamento ou estampo, utilizando como ferramenta principal de corte o punção e a matriz, conforme representado na Figura 9. [12]

Os demais processos de separação de materiais estão representados na Figura 10.

Figura 10 – Processos de Separação conforme DIN 8588. [5]

A norma DIN 8588 classifica ainda os processos de separação conforme o formato da linha de seção de corte, seção aberta ou seção fechada em si mesma, conforme os exemplos representados na Figura 11. [5]

Conforme visto anteriormente o corte por cisalhamento é um processo de estampagem caracterizado pela operação pela qual o material, normalmente chapa metálica, é completamente cortado ou separado, por uma solicitação superior a sua resistência à ruptura. O corte por cisalhamento é um dos processos tecnológicos mais usados para cortar chapas, e normalmente antecede algum outro processo de estampagem, como dobramento e repuxo [2].

Este processo de fabricação caracteriza-se também por ser realizado habitualmente a frio, recorrendo-se ao corte a morno somente quando a espessura for elevada ou quando o comportamento mecânico do material for frágil. No caso do corte de chapas de aço, dependendo da tensão de ruptura do material e das características geométricas do perímetro de corte, a espessura máxima que geralmente é cortada por este processo varia entre os 6 e 8 mm. No que se refere às peças produzidas a resistência mecânica não sofre alteração relevante, a precisão dimensional e o acabamento são bons e o custo relativamente baixo. [8]

A norma DIN 8588 classifica as diversas maneiras de se efetuar o corte por cisalhamento, tomando a posição da linha de seção de corte da peça e a maneira como o corte é processado, de forma contínua ou com uma única batida de prensa, como critério de distinção dos processos. Na Figura 12 estão representadas as diferentes maneiras de efetuar o corte por cisalhamento. [5]

Igualmente, existem classificações originadas das indústrias especializadas nos processos de corte, que podem ser descritas como:

• Processo de corte convencional; • Processo de aparamento ou Shaving; • Processo de corte fino ou de precisão.

Figura 12 - Diferentes formas de corte por cisalhamento conforme DIN 8588. [5]

2.3.1 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 repreencontra-sentado na (Figura 16-b), localizando-encontra-se o pólo na interencontra-seção 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. Obtem-serva-tem-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 velocidade de deslocamento, tornando possível, assim, obter, desde uma velocidade constante durante o processo de conformação até mesmo variar a mesma conforme avança a estampagem da peça. Com este tipo de prensa podem-se estampar diversos tipos de peças, e em especial, realizar a estampagem profunda ou embutimento. Para se usada para corte necessita proteção contra golpe de aríete. [2]

2.3.2 Processo de Aparamento ou Shaving

O processo de shaving ou aparamento pode considerar-se um processo de acabamento de elevada precisão, sendo usado como operação complementar do corte por cisalhamento convencional, para remover as irregularidades superficiais características deste tipo de corte. A morfologia das superfícies obtidas por este processo caracteriza-se por ter uma única zona lisa, brilhante e com dimensões precisas. O procedimento para obter peças com esta qualidade superficial é o seguinte: faz-se em primeiro lugar o corte por cisalhamento convencional, deixando-se um excesso de material adequado para a operação deixando-seguinte de shaving, em seguida a peça é submetida à operação de aparamento numa ferramenta própria, onde o conjunto punção/matriz é montado praticamente sem folga e com as dimensões finais requeridas para a peça (Figura 38). [8]

2.3.3 Processo de Corte Fino ou de Precisão

O corte fino ou de precisão é um processo de corte por cisalhamento de precisão, como o próprio nome o indica. Relativamente ao shaving, que é utilizado como processo complementar de acabamento, o corte fino produz peças na forma final com superfícies lisas e polidas, sem irregularidades características do corte por cisalhamento convencional. Antes da operação de corte, o material é fixado através de um prendedor de chapas com elemento de fixação na matriz inferior. Durante o processo de corte, a chapa é submetida a um esforço inferior adicional de um contrapunção com a força. Neste instante é executada a operação de corte. Após a operação de corte a retirada do restante da chapa do punção é feito pelo mesmo elemento prendedor de chapas. O contrapunção executa a operação de extração da peça cortada da matriz inferior. Para o corte fino há necessidade de um equipamento especial com três ações (Figura 39).[8]

Figura 39 - Representação esquemática do processo de corte fino. [12]

2.3.4 Outros Processos de Corte por Cisalhamento a) Processo de Corte por Guilhotina ou Tesoura

A guilhotina é um tipo de prensa de corte linear e tem como característica a inclinação de sua faca. Dispõe de uma lâmina inferior fixa na base da máquina e uma lâmina superior móvel, que desce para fazer o corte das chapas sem deixar rebarbas. Essa lâmina, também conhecida por faca de corte, é a principal ferramenta da guilhotina. Essas máquinas podem ser mecânicas ou hidráulicas, e são muito velozes, utilizadas para corte de chapas com linha de seção de corte aberta (Figura 40).

Figura 40 - Guilhotina. [17]

b) Processo de Corte por Guilhotinas Rotativas

Esse processo de corte rotativo faz o corte de bobinas de chapas em tiras de forma contínua, conhecido por Slitter, é amplamente utilizado nas indústrias de alto volume de operações de estampagens, e que, naturalmente, precisam reduzir a largura do material fornecido pela siderúrgica. As facas de corte são em forma de anéis e são dispostas sempre alternando, superior e inferior, e lateralmente, de modo que o sentido de rebarba de cada tira fique para o mesmo lado. As tiras cortadas são rebobinadas no final da linha para serem utilizadas no processo seguinte de estampagem (Figura 41).[23]

2.4 PROCESSO DE CORTE POR CISALHAMENTO ROTATIVO

O processo de corte rotativo caracteriza-se pelo movimento de rotação da ferramenta de corte, que é diferente do conceito do corte por cisalhamento convencional, onde o corte acorre com o movimento de translação da ferramenta. Uma ferramenta de corte rotativo consiste basicamente de um rolo porta punções e de um rolo porta matrizes. Entre os rolos a chapa de metal em tira é introduzida e o par punção e matriz realizam o corte através do encravamento na chapa. Os rolos giram em sentidos opostos realizando o corte sincronizado através de uma transmissão por engrenagens (Figura 43).

O processo de corte rotativo segundo a norma alemã DIN 8588 – Processos de Separação é considerado como um processo de corte por cisalhamento. Este processo não possui uma classificação definida, mas através da forma como o corte é realizado, pode ser considerado como uma mistura do processo de corte convencional e do processo de corte por guilhotina rotativa ou Slitter (Figura 42).

Figura 42 - Demonstração das características cinemáticas das ferramentas de corte rotativo em conformidade com a norma DIN 8588. [10]