UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DeTec – Departamento de Tecnologia
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
SILVANE ANTONIO PORTELLA
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA PARA TESTES DE HIDROCONFORMAÇÃO DE CHAPAS
Panambi 2012
SILVANE ANTONIO PORTELLA
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA PARA TESTES DE HIDROCONFOMAÇÃO DE CHAPAS
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. Claudio Fernando Rios, M. Eng.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pela vida e tudo que ela me proporciona. A minha esposa, aos meus filhos, minha mãe, irmãos e amigos que sempre me apoiaram e me mantiveram motivado para continuar na busca de realizações.
Aos Professores do Curso de Engenharia Mecânica da Unijuí, que me proporcionaram o conhecimento durante o curso de engenharia.
Ao Professor orientador, Dr. Eng. João H. C. de Souza, que foi fundamental na aquisição do conhecimento necessário para a realização do trabalho.
Ao meu colega e amigo Engenheiro Ibson Harter, pelo auxilio durante as simulações em software CAE.
E a Empresa Bruning Tecnometal Ltda. por prover todos os recursos necessários para a fabricação da ferramenta e realização dos ensaios.
RESUMO
A busca por processos de fabricação que permitam a produção de peças metálicas conformadas, atendendo aos requisitos de qualidade do produto, e oferecendo vantagens em relação aos processos existentes, é de grande interesse das empresas deste segmento para continuarem competitivas no mercado. Este trabalho apresenta conceitos sobre princípios de conformação, o estado da arte do processo de hidroconformação de chapas, o projeto e construção de um sistema para testes de utilização do processo de hidroconformação de chapas, a comparação de resultados obtidos neste processo com os resultados de processo convencional de conformação de chapas.
Palavras-chave: Hidroconformação de chapas, processos de conformação, ferramenta, blank, fluido de conformação, ferramenta de hidroconformação, blank para hidroconformação.
ABSTRACT
The search for manufacturing processes that permit the production of shaped metal parts, meeting the qualities requirements of product and offer advantages over existing processes, is of great interest of companies in this segment to remain competitive in the market. This paper presents concepts of principles of forming, the state of the art sheet metal hydroforming process, the project and construction of a system for testing the use of sheet hydroforming process, the comparison of results obtained in this process with the results of process conventional sheet conformation.
Keywords: sheet hydroforming, forming processes, die, blank, fluid conformation hydroforming tool, blank for hydroforming.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Classificação dos processos de fabricação conforme DIN 8580 [2]. ... 19
Figura 2 - Classificação dos processos de conformação de acordo com a norma DIN 8582 [3]. ... 21
Figura 3 - Exemplo de curva tensão x deformação de metal [17]. ... 22
Figura 4 - Curva tensão x deformação de metal usada na conformação [17]. ... 23
Figura 5 - Efeito do “n” no formato da curva de escoamento [18]. ... 25
Figura 6 - Alongamento do grão durante a laminação [19]. ... 26
Figura 7 - Direção dos corpos de prova para ensaio de anisotropia [22]. ... 27
Figura 8 - Desenho esquemático da ferramenta para teste VPB [7]. ... 28
Figura 14 - Classificação dos processos de conformação usando meio líquido [6]. ... 29
Figura 15 - Esquema do processo de hidroconformação de chapa por alta pressão [7]. ... 30
Figura 16 - Maquina horizontal (LFU) para hidroconformação de chapa a alta pressão [9]. .. 32
Figura 17 - Ferramenta projetada por LFU com sistema de múltipla almofada (10 segmentos de prensa chapa) [10]. ... 33
Figura 18 - Desenho esquemático da ferramenta para hidroconformação de chapa por alta pressão desenvolvida por ERC/NSM [7]. ... 34
Figura 19 - Desenho esquemático da ferramenta para hidroconformação de chapa embutimento hidromecânico (HMD) [12]. ... 35
Figura 20 - Exemplo de aplicação do embutimento hidromecânico com redução de etapas no processo [4]. ... 36
Figura 9 - Exemplos de conformação por tração-compressão [3]. ... 37
Figura 10 - Desenho esquemático de ferramenta com prensa-chapa [5]. ... 37
Figura 11 - Desenho esquemático de ferramenta para hidroconformação de chapa [5]. ... 38
Figura 12 - Tensões no processo de embutimento [5]. ... 40
Figura 13 - Mapa falhas X peças boas em função da força do prensa-chapa [17]. ... 43
Figura 21 - Parâmetros que compõem o processo de embutimento [23]. ... 45
Figura 22 - Etapas do embutimento hidromecânico - sistema passivo de pressão [4]. ... 47
Figura 23 - Etapas do embutimento hidromecânico - sistema ativo de pressão [4]. ... 47
Figura 24 - Desenho esquemático da ferramenta para embutimento hidromecânico sistema ativo de pressão [14]. ... 48
Figura 25 - Desenho esquemático da ferramenta para embutimento hidromecânico sistema pressão ‘aumentada’ [15]. ... 49
Figura 26 - Desenho da peça que se pretende produzir para testes. ... 53
Figura 27 - Caixa de entrada das propriedades do material no software CAE... 54
Figura 28 - Dados da geometria da ferramenta no software CAE [Fonte: Arquivo pessoal]. . 55
Figura 29 - Detalhe do projeto punção, matriz e prensa-chapa. ... 58
Figura 30 - Corpo de prova para ensaio de tração de acordo com NBR 6673 e NBR 8164. ... 58
Figura 31 - Resultado ensaio de tração material GMW2M-ST-S CR4 ... 59
Figura 32 – Circuito hidráulico do prensa-chapa [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 67
Figura 33 - Desenho CAD - Parte da ferramenta com cilíndros hidráulicos [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 68
Figura 34 - Desenho CAD - Conjunto superior da ferramenta [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 69
Figura 35 - Desenho CAD - Conjunto intermediário da ferramenta [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 69
Figura 36 - Desenho CAD - Conjunto inferior da ferramenta [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 70
Figura 37 - Ilustração do circuito hidráulico da hidroconformação [Fonte: Arquivo pessoal].71 Figura 38 – Desenho CAD - Conjunto ferramenta completo [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 72
Figura 39 - Desenho CAD - Punção cilíndrico com ponta reta [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 76
Figura 40 - Desenho CAD - Punção cilíndrico com ponta cônica [Fonte: Arquivo pessoal]. . 76
Figura 41 - Simulação CAE - Punção cilíndrico com ponta reta - blank ϕ 160 mm β = 2,3 profundidade de embutimento 70 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 79
Figura 42 - Simulação CAE - Punção cilíndrico com ponta reta - blank ϕ 174 mm β = 2,5 [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 79
Figura 43 - Simulação CAE - Punção cilíndrico com ponta reta - blank ϕ 174 mm profundidade de embutimento (testado)50 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 80
Figura 44 - Simulação CAE - Punção cilíndrico com ponta cônica - blank ϕ 174 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 81
Figura 45 - Peça cilíndrica com fundo reto - blank ϕ 160 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 81
Figura 46 - Peça cilíndrica com fundo reto - blank ϕ 160 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 82
Figura 47 - Peça cilíndrica com fundo reto - blank ϕ 174 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 83
Figura 48 - Gráficos da pressão de hidroconformação [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 84
Figura 49 - Simulação CAE – Punção cilíndrico com ponta reta - blank ϕ 174 β = 2,5 ... 85
Figura 50 - Simulação CAE – Punção cilíndrico com ponta reta - blank ϕ 187 ... 86
Figura 51 - Simulação CAE – Punção cilíndrico com ponta cônica - blank ϕ 174 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 86
Figura 53 - Gráfico de leitura e registro da pressão do fluído durante Teste 4 [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 88 Figura 54 - Peça cilíndrica com fundo reto - blank ϕ 174 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 88 Figura 55 - Peça cilíndrica com fundo reto - blank ϕ 184 mm [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 89 Figura 56 - blank ϕ 160 mm (convencional) X blank ϕ 174 mm (hidromecânico) [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 91
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Conteúdo relativo da composição em massa de cada componente e material do
automóvel - (Unilivre, ano 2005) [11]. ... 16
Tabela 2 - Formula para blank circular diâmetro do [ 4] ... 39
Tabela 3 - Dados de anisotropia e encruamento para alguns materiais [17]. ... 41
Tabela 4 - Composição química (% de massa) [20]. ... 55
Tabela 5 - Propriedades mecânicas aço laminado a frio [20]. ... 55
Tabela 6 - Resultados do ensaio de anisotropia para GMW2M-ST-S CR4 ... 61
Tabela 7 - Resultados do ensaio de coeficiente de encruamento para GMW2M-ST-S CR4... 61
Tabela 8 - Lista de situações simuladas no software CAE [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 62
Tabela 9 - Limites das variáveis a serem testadas [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 63
Tabela 10 - Variação de força no prensa-chapa x diâmetro do Blank [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 67
Tabela 11 - Coleta de resultados dos ensaios [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 77
Tabela 12 - Comparação de resultados peças cônicas [Fonte: Arquivo pessoal]. ... 90
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ERC/NSM Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing HMD Hydromechanical Deep Drawing - Embutimento Hidromecânico CAE Computer Aided Engineering (Engenharia assistida por computador) VPB Viscous Pressure Bulge test
CAD Computer Aided Design (Projeto assistido por computador) MMS Mesa Móvel Superior
CAM Computer Aided Manufacturing (Fabricação assistida por computador) CNC Controle Numérico Computadorizado
SHF Sheet hydroforming - Hidroconformação de chapas THF Tube hydroforming - Hidroconformação de tubos
LISTA DE SÍMBOLOS
E Modulo de elasticidade [N/mm²] σ Tensão de engenharia [N/mm²]
Tensão de escoamento [N/mm²] Al% Alongamento mínimo [%] ε Deformação [-]
ε
Deformação verdadeira [-] ΔR Anisotropia planar [-] Índice de anisotropia a 0° [-] Índice de anisotropia a 45° [-] Índice de anisotropia a 90° [-]Deformação verdadeira na largura [-] Deformação verdadeira na espessura [-]
R Anisotropia normal [-]
n Coeficiente de encruamento [-]
Comprimento instantâneo do corpo de prova [mm]
Comprimento inicial do corpo de prova [mm]
Variação do comprimento do corpo de prova [mm]
Relação máxima de embutimento [-]
Altura final da peça [mm]
Diâmetro máximo do blank [mm]
Diâmetro do punção ou diâmetro interno da peça [mm]
Força de embutimento [N]
Força máxima de embutimento [N]
Diâmetro do punção ou do corpo da peça [mm]
Espessura da chapa [mm]
Resistência à tração do material [N/mm²]
Força de reação do provocada pela pressão do fluido de hidroconformação [N]
Pressão do fluido de hidroconformação [MPa]
Área do punção ou do corpo da peça [mm²]
Força total de embutimento hidromecânico [N] Diâmetro da cavidade da matriz
[mm]
Tensão no prensa-chapa [MPa]
Área do Blank [mm²]
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2.1 DEFINIÇÕES GERAIS ... 18
2.1.1 Técnicas de produção industrial ... 18
2.1.2 Processo de fabricação por conformação... 19
2.2 PROPRIEDADES DO MATERIAL ... 21
2.2.1 Análise das Propriedades mecânicas dos materiais ... 21
2.2.1.1 Tensão de Escoamento ou Limite de Elasticidade; ... 22
2.2.1.2 Limite de Resistência ou Resistência à Tração; ... 24
2.2.1.3 Alongamento; ... 24
2.2.1.4 Coeficiente de encruamento; ... 24
2.2.1.5 Coeficiente de Anisotropia; ... 25
2.2.1.6 Ensaio para hidroconformação. ... 28
2.3 PROCESSOS DE HIDROCONFORMAÇÃO ... 29
2.3.1 Hidroconformação de chapas - sheet hydroforming (SHF) ... 30
2.3.1.1 Hidroconformação de chapas por alta pressão ... 30
2.3.1.2 Prensa para hidroconformação de chapas por alta pressão ... 31
2.3.1.3 Ferramentas para hidroconformação de chapas por alta pressão ... 32
2.3.2 Embutimento hidromecânico – hydromechanical deep drawing (HMD). ... 34
2.3.2.1 Aplicações para embutimento hidromecânico ... 35
2.4 ANALISE DO PROCESSO DE CONFORMAÇÃO ESTUDADO ... 36
2.4.1 Análise do processo de embutimento convencional e embutimento hidromecânico38 2.4.1.1 Relação de embutimento ... 38
2.4.1.2 Força de embutimento ... 42
2.4.1.3 Força de embutimento hidromecânico... 42
2.4.1.4 Força do prensa-chapa ... 43
2.5 PROJETO DE FERRAMENTAS PARA EMBUTIMENTO ... 44
2.5.1 Projeto para o embutimento convencional ... 44
2.5.2 Projeto para embutimento hidromecânico ... 45
2.6 LUBRIFICAÇÃO ... 49
2.7 SIMULAÇÕES POR ELEMENTOS FINITOS ... 50
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 52
4.1ANÁLISE DOS ASPECTOS DIMENSIONAIS... 52
4.1.1 Material da peça ... 55
4.2 PROJETO DO SISTEMA DE EMBUTIMENTO HIDROMECÂNICO ... 56
4.2.1 Cálculo do diâmetro do blank ... 56
4.2.2 Cálculo do diâmetro da cavidade da matriz ... 57
4.2.3 Cálculo da força de embutimento convencional ... 58
4.2.4 Cálculo da força de embutimento hidromecânico ... 60
4.2.5 Simulação de embutimento convencional e hidromecânico em software CAE ... 60
4.2.6 Cálculo da parede do reservatório do fluido de hidroconformação ... 63
4.2.7 Cálculo da força do prensa-chapa ... 65
4.2.8 Cálculo dos cilindros hidráulicos do prensa-chapa ... 65
4.3 DESCRIÇÃO DA FERRAMENTA PARA O EMBUTIMENTO HIDROMECÂNICO 68 4.4 FABRICAÇÃO DA FERRAMENTA ... 72
4.4.1 Fase de projeto Preliminar; ... 73
4.4.2 Fase de detalhamento do projeto; ... 73
4.4.3 Fase de fabricação e montagem; ... 73
4.4.4 Fase de testes de funcionamento. ... 74
4.5 RELATÓRIO DE TESTES ... 74
4.5.1 Equipamentos e meios utilizados; ... 75
4.5.2 Procedimento para testes... 75
5 RESULTADOS ... 78
5.1 RESULTADOS OBTIDOS NO EMBUTIMENTO CONVENCIONAL... 78
5.1.1 Simulação de embutimento convencional em software CAE ... 78
5.1.2 Resultados práticos obtidos no embutimento convencional ... 81
5.2 RESULTADOS OBTIDOS COM EMBUTIMENTO HIDROMECÂNICO ... 83
5.2.1 Simulação de embutimento hidromecânico em software CAE ... 83
5.2.2 Resultados práticos obtidos no embutimento hidromecânico ... 87
5.3 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS ... 89
5.3.1 Comparação dos resultados para conformação de peças cônicas ... 89
5.3.2 Comparação dos resultados para conformação de peças cilíndricas ... 90
6 CONCLUSÃO ... 92
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 94
APÊNDICE B – Fotografia da ferramenta pronta ... 98
APÊNDICE C – Fotografia do Sistema eletrônico utilizado para aquisição de dados e geração de sinais ... 100
APÊNDICE D – Fotogrfia da unidade hidráulica ... 102
ANEXO A – Desenho do corpo de prova para ensaio de tração de acordo com as Normas NBR 6673 e NBR 8164 ... 104
ANEXO B – Relatório Ensaio De Tração – Material: GMW2M-ST-S CR4 ... 106
ANEXO C – Relatório Ensaio De Anisotropia – ... 108
Material: GMW2M-ST-S CR4 ... 108
ANEXO D – Relatório Ensaio Coeficiente de Encruamento ... 111
Material: GMW2M-ST-S CR4 ... 111
1. INTRODUÇÃO
O Brasil está inserido na economia mundial capitalista, possui uma economia aberta ao mercado mundial, ou seja, o Brasil vende e compra produtos de diversos tipos para diferentes nações. Fazer parte da globalização econômica apresenta vantagens e desvantagens, como vantagem, pode-se citar o acesso a produtos com tecnologia, qualidade melhor, e com preços algumas vezes menores que os dos nacionais, uma desvantagem é que as indústrias brasileiras têm que competir com outras de diversos outros países, essa competição às vezes é injusta devido às diferenças cambiais, custo de mão de obra, disponibilidade de matéria prima, entre outros tantos fatores.
Na indústria metal mecânica, como na maioria dos segmentos industriais a busca por alternativas de redução de custo nos processos de fabricação e a manutenção ou ganho na qualidade dos produtos são fatores fundamentais para sobrevivência no mercado. Para melhor entendimento da importância da indústria metal mecânica no ramo de veículos pode ser citado como exemplo o percentual de metal que normalmente contém um automóvel. A Tabela 1 relaciona o conteúdo em massa dos principais componentes e materiais do automóvel produzido no Brasil. Observa-se que os metais são preponderantes em relação aos outros materiais.
Tabela 1 - Conteúdo relativo da composição em massa de cada componente e material do automóvel - (Unilivre, ano 2005) [11].
Componentes / materiais Composição mássica relativa no carro
Metais 82,48% Pneus 4,25% Vidros 3,35% Não metálicos 2,96% Plásticos 1,68% Borracha 1,42% Bateria 1,29% Espuma 1,29% Chicote elétrico 0,52% Óleos 0,42% Tecidos 0,31%
As indústrias do ramo metal mecânico que fabricam componentes para montadoras de automóveis, caminhões, máquinas agrícolas e maquinas do segmento da construção, e ou outros tipos de maquinas e veículos, utilizam os processos de conformação de chapa em um elevado numero de itens. Para estas empresas o domínio das técnicas utilizadas nos processos de conformação torna-se indispensável para melhorar a qualidade do produto, aperfeiçoar o processo produtivo e reduzir os custos de fabricação. Este trabalho tem como principal objetivo o estudo do processo de hidroconformação de chapas.
Hidroconformação é um processo de conformação não convencional que vem ganhando interesse das indústrias por reunir características que atendem muito bem uma grande parte das necessidades das empresas, como exemplo: Aumento da conformabilidade, boa qualidade superficial da peça, boa precisão dimensional, redução do retorno elástico do material comparado ao processo convencional, redução do custo de ferramental por reduzir o número de estágios do processo, entre outros. Atualmente este processo é usado em peças com geometrias complexas, principalmente na fase de implantação de produtos novos e peças protótipos, pela particularidade de não necessitar de uma matriz para formação da peça, neste sistema esta parte da ferramenta é substituída pela pressão hidráulica de um liquido, isto torna o trabalho de desenvolvimento e ajuste do ferramental mais rápido e menos trabalhoso, assim, diminui os custos nesta etapa do projeto.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este trabalho trata do processo de embutimento hidromecânico, que é classificado como um processo de conformação, utilizado principalmente na fabricação de produtos a partir de chapas metálicas planas. Para facilitar o entendimento do trabalho, neste capítulo será feito uma análise das propriedades dos materiais, serão apresentados conceitos básicos sobre: técnicas de fabricação, especialmente os processos de conformação de chapas metálicas, e mais especificamente os processos de hidroconformação, suas principais características, ferramentas e prensas para uso desta técnica, principais aplicações e considerações relevantes para o projeto de sistemas de hidroconformação, com objetivo principal de reunir informações suficientes para o desenvolvimento do projeto do sistema de teste de embutimento hidromecânico.
2.1 DEFINIÇÕES GERAIS
Define-se por fabricação a transformação de um material em estado primitivo em um produto pronto, onde a condução do estado primitivo até o produto pronto deve se proceder com o menor número de estágios intermediários possíveis.
O objetivo das Técnicas de Fabricação é a produção de objetos geometricamente definidos (produtos semiacabados, componentes, conjuntos) e com determinadas propriedades, através de diferentes processos.
2.1.1 Técnicas de produção industrial
• Processamento de materiais: produção de produtos semiacabados, onde a geometria final não está definida, mas com determinadas propriedades mecânicas e determinada composição química.
• Engenharia de Produção: Produção de componentes com determinada geometria e determinadas características, assim como componentes ou sistemas, visando obter o produto final.
De acordo com a classificação da norma DIN-8580- Processos de fabricação [1] os processos de fabricação se dividem em seis grupos principais conforme mostrado na Figura 1:
• Modificação de Forma - com volume constante (grupo 2), com redução de volume (grupo 3), com aumento de volume (grupo 4 e grupo 5).
•Modificação das propriedades - Alteração das propriedades mecânicas sem mudança de forma (grupo 6).
Figura 1 - Classificação dos processos de fabricação conforme DIN 8580 [2].
2.1.2 Processo de fabricação por conformação
Neste trabalho o processo estudado, de acordo com a classificação da norma DIN 8580 (Figura 1), é o processo de fabricação de modificação de forma com volume constante (conformação), que pertence ao grupo 2 desta norma.
Por conformação em geral entende-se a alteração controlada da forma, da superfície e das características do material de um determinado corpo mantendo-se, porém a sua massa e composição do material original.
Vantagens dos processos de conformação: • Excelente resistência dinâmica;
• Altas taxas de produção são possíveis;
• Alto rendimento da matéria-prima (por exemplo, em comparação com a usinagem); • Alta qualidade superficial e dimensional e de forma do componente final;
• Aumento da resistência do material devido à conformação; • Materiais metálicos são totalmente recicláveis;
Podem se classificar os processos de fabricação por conformação pelo tipo de corpo da pré-forma, tipo de solicitação para obter a conformação, e pela temperatura do material durante a conformação.
Quanto ao tipo de pré-forma, obtém-se produtos, pela conformação massiva e pela conformação de chapas. Pela conformação massiva o produto é obtido a partir de corpos com dimensões relativamente proporcionais. Na conformação de chapas, o produto é obtido pela transformação de uma matéria prima metálica plana (chapas até aproximadamente 10 mm de espessura) em peças de variadas formas, onde a espessura original permanece relativamente constante.
Quanto à temperatura a conformação pode ser a frio (Temperatura ambiente), ou a quente (Temperatura a cima de 25º).
Quanto ao tipo de solicitação as técnicas de conformação são classificadas de acordo com a norma DIN 8582 dependendo da direção principal da tensão aplicada [3].
Conformação por compressão;
Conformação por dobra;
Conformação por tração e compressão combinadas;
Conformação por tração;
Conformação por cisalhamento.
A norma DIN 8582 classifica em 17 diferentes tipos os processos de conformação de acordo com o movimento relativo entre a ferramenta e a peça, geometria da ferramenta e geometria da peça (Figura 2).
Figura 2 - Classificação dos processos de conformação de acordo com a norma DIN 8582 [3].
2.2 PROPRIEDADES DO MATERIAL
Conhecer as propriedades do material que será trabalhado é fundamental para que o projeto do sistema para a fabricação da peça tenha êxito. As propriedades mecânicas, a composição química, o tipo de tratamento térmico, ou a operação realizada para se obter a pré-forma da chapa que será processada, concedem ao material algumas características que podem melhorar ou dificultar o processo de conformação da peça. É importante que o projetista considere essas características para determinar o processo e os meios para a conformação da peça.
As propriedades mecânicas dos materiais são determinadas através de ensaios mecânicos, o mais conhecido é o ensaio de tração.
2.2.1 Análise das Propriedades mecânicas dos materiais
Conforme abordado no item anterior, conhecer as propriedades mecânicas do material que será processado é fundamental para o projetista prever o comportamento deste durante o trabalho, essas propriedades são conhecidas através de ensaios mecânicos, obedecem a normas e normalmente são fornecidas pelo fabricante.
As principais propriedades mecânicas dos aços são determinadas a partir do ensaio de tração, limitando-se na maioria dos casos, no valor máximo de limite de escoamento (σε), de
resistência Rm e um alongamento Al % mínimo, Para aços com exigência de maior capacidade de conformação, também são determinados os coeficientes de anisotropia R e encruamento n. [16].
Desta forma são descritas as principais propriedades mecânicas avaliadas nos aços:
2.2.1.1 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 tensão x deformação de metal [17].
A tensão de engenharia (σ) e a deformação em escala natural (ε) são dadas pelas seguintes equações:
(1)
(2)
Onde (A0) corresponde à 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.
(3)
Onde E representa o módulo de Elasticidade ou módulo de Young. É importante salientar que a Equação (3) é válida somente para a parte elástica da deformação do material.
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 de metal usada na conformação [17].
Um material escoa plasticamente quando, através de um dado estado de tensões, uma deformação permanente é gerada, a tensão necessária para iniciar e manter a deformação plástica em um estado de tensões uniaxial chamada de tensão de escoamento. Para esta condição a tensão de escoamento ( ) é expressa por:
(4)
Onde (F) corresponde a força tensora e (A) a área transversal instantânea do corpo de prova.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:
Onde (C) é uma constante, (ε) representa a deformação verdadeira expressa pela equação 6 e (n) o coeficiente de encruamento.
(6)
2.2.1.2 Limite de Resistência ou Resistência à Tração;
Conforme mostrado na Figura 18, a resistência à tração ( ) 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.
2.2.1.3 Alongamento;
Alongamento é considerado o percentual que o material permite se deformar até romper (Figura 19). A deformação ocorre uniforme até iniciar a estricção do material. Em percentual o alongamento é expresso por:
(7)
Onde Δl é a variação do comprimento do corpo de prova durante o ensaio e é o comprimento inicial do corpo de prova.
2.2.1.4 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 uma gradiente de tensões. Como consequência, para materiais com valores baixos de n, sua curva será mais horizontal (Figura 5). [18]
Conforme visto no item 2.5.1.1 Dentre as equações utilizadas para modelar o formato da curva tensão-deformação no regime plástico, a mais utilizada é a equação de Hollomon:
O parâmetro n é conhecido como coeficiente de encruamento e é calculado a partir de dois pontos (1 e 2) da curva tensão-deformação, na região plástica, segundo a equação:
(8)
Figura 5 - Efeito do “n” no formato da curva de escoamento [18].
2.2.1.5 Coeficiente de Anisotropia;
Considerando que é um item relevante para definição dos critérios de escoamento e por isso com grande interferência nos processos de conformação, é necessário que se entenda o que é anisotropia e como ela é importante na conformação de metais.
A anisotropia plástica representa a variação das propriedades mecânicas em função da direção em que as mesmas estão sendo medidas [21]. Nos metais a causa mais importante da anisotropia plástica é a orientação dos grãos, ou seja, a orientação da estrutura cristalográfica. Macroscopicamente a anisotropia possui ligação direta com o processo de fabricação das peças metálicas, especialmente no caso de chapas laminadas, pois é a laminação que alinha os grãos em um determinado sentido, o que gera uma orientação preferencial que irá modificar a capacidade de deformação do material nas diferentes direções em relação à direção de laminação.
Durante o processo de laminação de chapas metálicas ocorre a deformação da microestrutura e se originam grãos mais alongados na direção da laminação. Tudo isto resulta macroscopicamente num aumento de resistência e dureza e num decréscimo da ductilidade do material. Num ensaio de tração, isso se traduz no aumento da tensão de escoamento e do limite de resistência, bem como no decréscimo do alongamento total (Figura 6).
Figura 6 - Alongamento do grão durante a laminação [19].
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 ( ) e a deformação verdadeira na espessura ( ) no teste de um corpo de prova padrão.
(9)
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), estas amostras são submetidas ao teste de tração, e a deformação que ocorre em cada uma durante o ensaio serve de indicador para determinar o índice de anisotropia.
Figura 7 - Direção dos corpos de prova para ensaio de anisotropia [22].
Por isso é comum a representação do parâmetro de anisotropia através de duas formas: anisotropia normal ( ) e anisotropia planar ( ).
(10)
(11)
Onde:- índice de anisotropia a 0° - índice de anisotropia a 45° - índice de anisotropia a 90°
2.2.1.6 Ensaio para hidroconformação.
Altan [7] sugere que para o processo de hidroconformação seja feito um teste de “abaulamento”, ou VPB (Viscous Pressure Bulge test) em um aparato conforme mostra a Figura 8. Neste teste a peça é submetida a uma pressão de um meio viscoso e sofre estiramento biaxial assumindo um formato abaulado, a tensão e a deformação são medidas através de sensores, os dados coletados são utilizados para calcular a tensão de escoamento do material. Este teste fornece segundo o autor, uma melhor determinação das propriedades mecânica da chapa que será processada, por que:
a) As condições de tensões no processo de hidroconformação são biaxiais, similares as do teste de “abaulamento”, enquanto nos ensaios mecânicos convencionais os esforços são uniaxiais;
b) A tensão máxima efetiva alcançável no teste de VPB sem estiramento localizado é muito maior (habitualmente duas vezes) do que no ensaio de tração.
2.3 PROCESSOS DE HIDROCONFORMAÇÃO
O uso de ferramentas de conformação, utilizando um meio líquido para auxiliar no processo, iniciou na década de 40 com a finalidade de produção de artefatos bélicos. Desde a descoberta desta técnica até os dias atuais, diversas variações desse processo foram criadas visando atingir melhores índices de conformação e faixas de tolerâncias mais apertadas.
Até muito recentemente hidroconformação de chapas e de tubos não tinham boa aceitação de uso em processos produtivos de grande escala devido ao longo tempo de ciclo, entretanto devido aos avanços das tecnologias de hidráulica e projetos de prensas inteligentes, o tempo de ciclo reduziu, e esta técnica vem se tornando bastante atrativa. Na Figura 9 apresenta-se uma divisão da hidroconformação, na qual são indicadas as principais variações deste processo.
Figura 9 - Classificação dos processos de conformação usando meio líquido [6].
O processo de conformação com meio líquido está classificado de acordo com a pré-forma de entrada em: hidroconpré-formação de chapa (SHF) e de tubo (THF). Além disso, a hidroconformação de chapa é dividida em hidroconformação de estampagem profunda ou embutimento hidromecânico (HMD), quando usa um punção que tem a forma interna da peça a ser conformada, e hidroconformação de chapa de alta pressão quando usa matriz que tem a forma externa da peça que será conformada, hidroconformação de chapa de alta pressão está ainda classificada em hidroconformação de blank simples e blank duplo, dependendo do número de peças em bruto que será utilizado no processo de conformação [7].
2.3.1 Hidroconformação de chapas - sheet hydroforming (SHF)
O processo de hidroconformação de chapas pode se dar por alta pressão ou por embutimento hidromecânico [8], neste tópico serão analisadas as principais características destes dois sistemas.
2.3.1.1 Hidroconformação de chapas por alta pressão
No processo de hidroconformação de chapas por alta pressão, uma bomba fornece pressão ao meio líquido, a peça é formada contra uma matriz ou um punção, pela alta pressão hidráulica que incide sobre a chapa plana conforme ilustrado na Figura 10, fazendo com que ela assuma a forma desejada conforme a geometria da matriz ou do punção. Partes intermediárias e um prensa chapa controlam o avanço do material e fazem a vedação para não haver vazamento do fluido durante o processo.
Figura 10 - Esquema do processo de hidroconformação de chapa por alta pressão [7]. A conformação no processo de hidroconformação de chapas por alta pressão pode ser dividida em duas fases conforme a Figura 10. Na Fase 1 quando o blank está livre na cavidade
da matriz, a conformação do material é melhor se comparado ao processo de conformação por estampagem convencional, enquanto no processo convencional a deformação está localizada nos raios de canto do punção, no processo de hidroconformação por alta pressão existe apenas o meio fluido em contato com o blank, e melhora as características da peça conformada por hidroconformação em comparação ao processo de estampagem convencional. Na Fase 2 acontece a calibração do material contra a cavidade da matriz pra obter a forma desejada. Uma pressão muita alta é requerida, dependendo do material, da espessura e dos menores raios na geometria da ferramenta.
Hidroconformação por alta pressão é uma alternativa viável para de fabricação de peças feitas com materiais de baixa estampabilidade como aços de alta resistência e ligas de alumínio.
O sucesso do processo Hidroconformação de chapas por alta pressão, requer cuidados em todos os componentes do sistema [7]:
Qualidade da chapa;
Interface entre chapa e ferramenta (lubrificação e fricção);
Projeto da ferramenta para evitar vazamento;
Dimensões da peça que será conformada;
Prensa e ferramenta;
Relação entre pressão do fluido e força do prensa chapa;
Lubrificação do blank.
2.3.1.2 Prensa para hidroconformação de chapas por alta pressão
Prensa e ferramentas para hidroconformação por alta pressão, são projetadas e fabricadas baseadas nas tecnologias usadas para hidroconformação de tubos (THF), entretanto as forças para fechamento da ferramenta, a grande área da chapa e a força do prensa chapa são muito elevadas e devem ser considerada. Um exemplo de projeto de prensa especialmente projetado para este processo foi desenvolvido pela University of Dortmund (LFU) em cooperação com Siempelkamp Pressensysteme (SPS), trata-se de um projeto de prensa para 10.000 toneladas de força e dois diferentes níveis de pressão 315 bar (31,5 MPa) e 2000 bar (200 MPa), para hidroconformação de peças automotivas com grande área conforme mostrado na Figura 8. A prensa foi projetada para atender requisitos de custo, facilidade de
troca da peça, e construção com robustez necessária para suportar as elevadas cargas dinâmicas do processo [7].
A prensa tem dois diferentes estágios de pressão e volume para atingir uma boa velocidade e força de processo, com baixo custo e projeto compacto. No primeiro estagio durante a fase de deformação uma pressão de 315 bar (31,5 MPa) e volume de 100 litros fazem o trabalho de pré-formação da chapa com velocidade relativamente alta, no segundo estágio na fase de calibragem da peça o sistema oferece uma pressão de 2000 bar (200 MPa) e um volume de 5 litros, a entrada de líquido na ferramenta nos dois estágios é através da chapa intermediaria mostrada na Figura 11.
Figura 11 - Maquina horizontal (LFU) para hidroconformação de chapa a alta pressão [9].
2.3.1.3 Ferramentas para hidroconformação de chapas por alta pressão
Na ferramenta convencional para o processo de hidroconformação de chapa de alta pressão mostrada na Figura 10, a força do prensa chapa está sobre o anel de vedação do meio pressurizado, isto dificulta a precisão de aplicação da força requerida do prensa chapa na peça. Uma maneira de resolver este problema é o projeto de ferramenta onde a força de vedação é feita por uma peça intermediaria, enquanto o prensa chapa aplica no blank a força
necessária para garantir as condições ideais para controle do deslizamento da chapa, esta execução de ferramenta é mais complexa, porém permite um melhor controle do processo, um exemplo deste conceito de projeto está mostrado na Figura 12.
Figura 12 - Ferramenta projetada por LFU com sistema de múltipla almofada (10 segmentos de prensa chapa) [10].
Outro conceito de ferramenta possível de ser utilizado usa ação mecânica da prensa para gerar a pressão requerida no processo de hidroconformação de chapa, conforme desenho esquemático da Figura 13. Neste conceito um punção estacionário é montado na mesa da prensa, um prensa-chapa nos pinos da almofada, e a matriz é montada no martelo da prensa. O liquido necessário para a pressão é posto na cavidade formada pelo prensa chapa e punção, a peça é colocada sobre o prensa chapa, o martelo desce e prende a peça no prensa chapa, após a peça presa a continuação do movimento resulta na compressão do liquido entre o blank e o punção fixo, esta pressão faz com que o blank entre na cavidade da matriz, assim se consegue o processo de hidroconformação de chapa por alta pressão através do movimento mecânico puro [7].
Figura 13 - Desenho esquemático da ferramenta para hidroconformação de chapa por alta pressão desenvolvida por ERC/NSM [7].
2.3.2 Embutimento hidromecânico – hydromechanical deep drawing (HMD). No processo de embutimento hidromecânico um blank é posicionado entre a matriz e o prensa chapa conforme mostrado na Figura 14, e é conformado pela ação do punção, neste processo a peça é formada por um meio líquido pressurizado que comprime a peça contra a geometria do punção, ao invés de matriz mecânica fêmea como é no processo convencional. A pressão hidráulica pode ser passiva, gerada pelo avanço do punção, ou ativa gerada por uma bomba hidráulica externa. Este processo resulta em profundidades de estampo maiores que no processo convencional porque o material é forçado contra a superfície do punção pela pressão do liquido. Devido a fricção entre a chapa e o punção a chapa que está aderida ao punção não sofre estiramento durante o processo, resultando em uma parede de espessura uniforme e profunda. HMD pode ser combinada com operações de estampo convencional resultando em redução de estágios de estampo. Este processo é mais vantajoso porque reduz custos e elimina fissuras na peça durante o processo porque o fluido permite liberdade, facilita a conformação de geometrias complexas, proporciona melhor qualidade superficial da peça que está somente em contato com o fluido reduzindo marcas [7].
Figura 14 - Desenho esquemático da ferramenta para hidroconformação de chapa embutimento hidromecânico (HMD) [12].
2.3.2.1 Aplicações para embutimento hidromecânico
O embutimento hidromecânico é um processo com esforços de tensão e compressão de acordo com a norma DIN 8582, que apresenta varias vantagens em comparação ao processo convencional que pode ser aplicado em uma elevada gama de aplicações, em especial em peças com geometria complexas ou não factíveis em apenas uma operação usando embutimento convencional como superfícies abauladas, cônicas e com elevado números de detalhes, este processo também permite uma maior relação de embutimento, que nos processos convencionais é de 2,3, neste processo pode chegar a 2,8 [13]. Estas características permitem que esta técnica elimine número de etapas no processo, reduzindo custo de ferramental e tempo de fabricação. A FIGURA 15 mostra um exemplo de peça onde um processo convencional necessita de 4 etapas diferentes, e que pode ser executado em uma etapa no processo hidromecânico.
Figura 15 - Exemplo de aplicação do embutimento hidromecânico com redução de etapas no processo [4].
2.4 ANALISE DO PROCESSO DE CONFORMAÇÃO ESTUDADO
O processo de conformação estudado neste trabalho está classificado pela norma DIN 8582 conforme mostrado na Figura 2 por conformação com solicitação de tração-compressão à temperatura ambiente.
Varias diferentes técnicas de fabricação podem ser utilizadas na conformação de chapas submetendo a peça aos esforços de tração-compressão. Na Figura 16 tem-se a ilustração de alguns exemplos de técnicas utilizadas.
Figura 16 - Exemplos de conformação por tração-compressão [3].
A técnica de fabricação que será estudada é a de estampagem profunda ou embutimento (deep drawing), este processo permite a conformação de uma chapa plana em um copo oco, usando para isso uma ferramenta acionada pelo movimento e força de uma prensa. A ferramenta conforme desenho esquemático na Figura 17, compreende um punção, uma matriz e um prensa-chapa que é usado para evitar a formação de rugas enquanto a chapa é empurrada para dentro da matriz, este processo pode ser dividido em vários estágios quando se necessita uma grande relação de embutimento [5]. Em casos especiais o punção ou a matriz podem ser fabricados de um material macio.
Figura 17 - Desenho esquemático de ferramenta com prensa-chapa [5].
Há métodos de embutimento que utilizam um meio ativo e uma energia ativa para auxiliar na execução do processo, este meio pode ser solido não deformável como areia, ou
esferas de aço, fluido (óleo, água) e gases, neste processo como no processo convencional de embutimento o trabalho é realizado por uma prensa (Figura 18). Um grande campo de aplicação desta técnica é a de hidroconformação. O embutimento hidromecânico utiliza um meio de pressão hidráulica, geralmente uma emulsão óleo/água, e o trabalho de uma prensa hidráulica de duplo efeito para fechamento e abertura do conjunto ferramenta [5].
Figura 18 - Desenho esquemático de ferramenta para hidroconformação de chapa [5].
2.4.1 Análise do processo de embutimento convencional e embutimento hidromecânico
Nesta seção serão analisados os processos de embutimento com ferramenta convencional e com meio líquido (embutimento hidromecânico), considerando o tipo de peça que se pretende produzir, com a finalidade de obter dados para o projeto e fabricação do sistema.
2.4.1.1 Relação de embutimento
Os processos que serão usados durante os testes e que são objetivo de estudo deste trabalho de conclusão de curso, estão definidos pela norma DIN 5080 como embutimento. Será trabalhado com embutimento convencional e embutimento hidromecânico. Uma análise do processo de embutimento busca o conhecimento das forças necessárias para o processo e a determinação de outras variáveis significativas.
Determinar o tamanho do blank e a relação máxima de embutimento possível são premissas para o inicio do projeto, a partir destes dados podem-se determinar as outras variáveis. A Tabela 2 apresenta a formulação necessária para cálculo do blank a partir do formato final que se pretende obter.
Tabela 2 - Fórmulas para blank circular diâmetro do [ 4]
A Tabela 2 indica que para o formato copo sem abas que será produzido durante os testes, o cálculo para diâmetro do blank (
)
será dado pela formula:(12)
Onde:
Diâmetro do blank
=
diâmetro interno da peça ou diâmetro do punção=
Altura final da peçaOutro fator relevante para dimensionamento são as restrições que o tipo de processo oferece, por isso é importante uma analise das tensões envolvidas e as limitações que estas impõem. No processo de embutimento a peça que está sendo trabalhada sofre esforços de tração e compressão conforme mostra a Figura 19.
Figura 19 - Tensões no processo de embutimento [5].
Para peças cilíndricas existem três diferentes estados de tensão: um na parte externa do blank, um na lateral e um no fundo do copo. A parte externa do blank que está sendo puxada para dentro está sofrendo compressão no sentido tangencial e tração no sentido radial, enquanto a parte do corpo que está dentro da matriz está sendo levada pelo punção e está sofrendo esforço de tração, e o fundo do copo sofre esforços de tração biaxial. Os esforços de compressão tendem a aumentar a espessura da chapa, pois o material que está na parte externa precisa passar por uma região menor para entrar na cavidade da matriz, e tende a formar rugas. Com a finalidade de controlar esta deformação e impedir a formação de rugas é utilizada uma força externa de um prensa-chapa que faz força de compressão no sentido da espessura da chapa, porém é necessário que esta força não seja excessiva para evitar a ruptura do material. Além destes esforços, existem ainda as forças de atrito da peça com a matriz, e da parte externa do blank com o prensa chapa. Este conjunto de fatores somando-se as características do material que está sendo trabalhado limitam 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 anistropia do material. A Tabela 3 abaixo mostra valores de na primeira etapa de embutimento para alguns materiais.
Tabela 3 - Dados de anisotropia e encruamento para alguns materiais [17].
A relação máxima entre diâmetro do blank e diâmetro do punção para a primeira etapa de embutimento é dada pela equação:
(13)
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.
Assim para as etapas posteriores tem-se:
(14) Onde:
=
Relação máxima de embutimento para etapas posteriores;
=
Diâmetro do punção da primeira etapa (ou etapa anterior);O diâmetro máximo do punção para cada etapa subsequente depende da relação de embutimento e do diâmetro do punção da etapa anterior.
2.4.1.2 Força de embutimento
A força necessária para o processo de embutimento é fator relevante para o projeto da ferramenta e para dimensionar a capacidade da prensa onde será feita a operação, esta força depende do tipo de material, da espessura da peça, do diâmetro do punção para peça que será embutida e da relação de embutimento. A força de embutimento (
)
é dada pela equação:(15)
(16)
Onde:
=
Força de embutimento
=
Força máxima de embutimento=
diâmetro do punção ou do corpo da peça=
espessura da chapa=
Resistência à tração do material=
Índice de embutimento
=
Índice de embutimento máximo2.4.1.3 Força de embutimento hidromecânico
Para o caso do embutimento hidromecânico, a pressão do fluido na câmera de hidroconformação também deve ser considerada no calculo da força. Esta força é resultante da pressão do fluido sobre a área transversal do punção, e pode ser determinada pela equação:
(17)
Onde:
=
Pressão do fluido de hidroconformação
=
diâmetro do punção ou do corpo da peçaEntão teremos para o cálculo da força total ( ) a ser considerado processo de embutimento hidromecânico:
(18)
2.4.1.4 Força do prensa-chapa
Conforme citado no item 2.4.3.1, durante o processo de embutimento, o blank está sujeito a tensões de tração e compressão, estes esforços devem ser controlados dentro de limites de resistência do material, caso contrário a peça não resistirá e algumas falhas aparecerão, como trincas, rugas e até o rompimento do blank. A função do prensa-chapa é permitir que a peça deslize sobre a matriz com o mínimo de esforço necessário para evitar a formação de rugas, para isso é necessário que a força deste seja dimensionada de maneira correta.
A força do prensa-chapa deve ser dimensionada de acordo com o tipo de material que está sendo trabalhado e das características do processo que está sendo usado. Na Figura 20 é apresentado um mapa das zonas de falhas X peças boas em função da força do prensa-chapa e do curso do punção. O mapa mostra o comportamento e os resultados de um processo de embutimento, para material e geometria da peça descrita na Figura 20.
2.5 PROJETO DE FERRAMENTAS PARA EMBUTIMENTO
Nas operações de embutimento a conformação pode ser feita por ferramentas convencionais (rígida ou flexível), por um meio ativo (areia, esferas de aço, líquido), ou energia ativa (campo magnético). Nesta seção serão analisados os processos de embutimento com ferramenta convencional e com meio líquido (embutimento hidromecânico).
2.5.1 Projeto para o embutimento convencional
Para o conceito da ferramenta objetivando o processo convencional de embutimento são necessários cuidados durante a fase de projeto para garantir que a ferramenta atenda as necessidades do processo, e permita a obtenção de peças com qualidade, alguns destes cuidados estão listados abaixo:
a) Força correta do prensa-chapa;
b) Acabamento superficial da matriz e do prensa-chapa para garantir baixo atrito do blank;
c) Tratamento térmico da matriz e do prensa-chapa;
d) Acabamento superficial do punção para que o blank tenha mais aderência; e) Concentricidade da matriz com o punção;
f) Concentricidade do blank com o punção e a matriz; g) Extração da peça pronta;
h) Lubrificação; i) Folgas;
j) Sistema de guias dos conjuntos da ferramenta; k) Deformação da ferramenta durante o processo;
l) Dimensionamento das peças que compõem a ferramenta; m) Fixação da ferramenta na maquina;
n) Outros (materiais dos componentes da ferramenta, acesso para colocação e retirada da peça, segurança do operador, etc.).
Além da ferramenta é importante que o projetista considere todos os parâmetros que compõem o processo (Figura 21), isto será fundamental para obtenção de produtos com a qualidade desejada, boa produtividade e longa vida útil da ferramenta.
O aperfeiçoamento do processo depende do conhecimento da influencia de cada um destes parâmetros e também do conhecimento das características do material que será trabalhado. Com estas informações é possível analisar a causa de falhas e tomar as medidas necessárias para fazer a correção, e também onde for possível alterar parâmetros para permitir maior produtividade.
Figura 21 - Parâmetros que compõem o processo de embutimento [23].
2.5.2 Projeto para embutimento hidromecânico
O sucesso da aplicação do embutimento hidromecânico depende do cuidado na elaboração do projeto do sistema e do tipo de material que se pretende conformar, por isso, alguns itens devem ser analisados de maneira muito cuidadosa [7], tais como:
a) Qualidade da chapa que será processada;
c) Projeto da ferramenta para permitir controle de aplicação da força de prensa chapa e permitir a vedação;
d) Relação entre a força do prensa chapa e a pressão exercida pelo fluido; e) Prensa;
f) Dimensões e propriedades da peça que será processada;
Durante o projeto da ferramenta para embutimento hidromecânico devem ser tomados os mesmos cuidados do processo convencional, uma vez que os esforços e as características são na sua essência os mesmos nos dois processos. Porém no embutimento hidromecânico são necessários ser considerados outros itens na ferramenta além dos já mencionados para o embutimento convencional:
a) Vedação entre blank e a matriz para evitar vazamento do líquido; b) Controle de pressão do líquido;
c) Reservatório para o líquido pressurizado abaixo da matriz; d) Reservatório para a descarga do líquido durante o embutimento; e) Enchimento do reservatório entre os ciclos;
f) Limpeza (filtragem) do liquido que retorna para a ferramenta.
O embutimento hidromecânico quanto ao tipo de pressão do meio liquido pode ser classificado como:
Passivo, quando a pressão é gerada pelo avanço do punção que ocupa volume no reservatório do liquido, a pressão é elevada por uma válvula que restringe a saída do líquido do reservatório, o aumento da pressão pressiona a peça contra o punção fazendo com que esta assuma a geometria do punção conforme ilustrado na Figura 22.
Ativo, a pressão é gerada por uma bomba externa que fornece liquido ao reservatório antes do punção ser introduzido na matriz fazendo com que a pressão aumente, o blank é pressionado contra o prensa chapa formando a vedação entre a peça e o prensa chapa o liquido só poderá sair através da válvula de alivio (Figura 24) que regula a pressão no reservatório, quando o punção avança a pressão do líquido pressiona o blank no punção como acontece no processo passivo. Ao mesmo tempo há um pressão pressionando o anel do blank contra o prensa chapa que é igual a pressão na cavidade da matriz [14], o ciclo completo até a conformação da peça está ilustrado na Figura 23.
Figura 22 - Etapas do embutimento hidromecânico - sistema passivo de pressão [4].
Figura 24 - Desenho esquemático da ferramenta para embutimento hidromecânico sistema ativo de pressão [14].
Uma ferramenta (Figura 25) usando a pressão de fluído na parte inferior e também na parte superior do blank foi testada na fabricação de peças utilizando chapas de alumínio de até 1 mm de espessura, e se obteve durante os testes relações de embutimento de 3,5 usando este processo. Neste sistema o fluido pressurizado é também introduzido diretamente para o raio da matriz, de modo que o atrito na matriz é eliminado. Este método também utiliza o fluido pressurizado para pressionar a parede de copo contra o punção, assim o atrito aumentado ajuda a inibir o alongamento. Relações de embutimento de β = 3.3 e β = 3.6 foram alcançados durante testes de embutimento com copos cilíndrico e copos quadrados, respectivamente, a partir de chapas de alumínio de 0,8mm de espessura utilizando uma pressão hidráulica de 25 MPa. A força no prensa chapa é grande e a fuga do fluido também é substancial. A presente técnica fez uso da pressão de fluido para aplicar uma pressão radial na periferia superior do blank. O fluido pressurizado lubrifica as superfícies superior e inferior da ferramenta, e também atinge o raio da matriz. A força do prensa chapa é fornecida automaticamente pela pressão do fluído, e o processo necessita apenas da ação simples de uma prensa. O vazamento de fluído é insignificante e não reduz a força que empurra o blank contra o punção [15].
Figura 25 - Desenho esquemático da ferramenta para embutimento hidromecânico sistema pressão ‘aumentada’ [15].
2.6 LUBRIFICAÇÃO
A lubrificação desempenha um papel essencial para um bom resultado no processo de hidroconformação. A seleção correta do lubrificante pode ser feito por meio de testes que simulam a interface de pressão em condições aproximadas as de produção. O lubrificante determina as condições de deslizamento nas interfaces do blank com o prensa chapa e na matriz, a falta de lubrificante provoca:
a) Uma força excessiva e o rompimento do blank;
b) Atrito excessivo que resulta em danos de acabamento da superfície da peça formada; c) O desgaste das superfícies da matriz e do prensa-chapa.
Lubrificantes utilizados em processos de hidroconformação geralmente falham devido à alta pressão de contato entre a superfície da peça e da matriz. A pressão gerada na interface depende do material, da espessura da chapa e da geometria da matriz. Assim, um único
lubrificante não pode satisfazer as exigências de todos os processos, e por isso é necessária a realização de testes [7].
2.7 SIMULAÇÕES POR ELEMENTOS FINITOS
Para atender as necessidades de desenvolvimento de projetos de peças conformadas com geometrias complexas, com baixo custo e em curto prazo, cada vez mais vem sendo utilizado métodos de simulação por elementos finitos [24]. O método de simulação por elementos finitos permite investigar os processos de deformação plástica com objetivos de:
Estabelecer as relações cinemáticas (forma, velocidades, razões de deformação e deformações) durante todo o processo de conformação.
Estabelecer os limites de conformabilidade, ou seja, determinar se é possível ou não realizar a operação, sem causar danos superficiais ou internos no material, ao final do processo.
Prever as tensões, os esforços e a energia necessária para realizar a operação de conformação. Essas informações são necessárias para o projeto das ferramentas e para a seleção dos equipamentos com capacidades apropriadas (força e energia).
Para auxiliar no estudo do processo de fabricação, foi utilizado neste trabalho o software de simulação de conformação AutoForm Plus, este é um software desenvolvido e comercializado pela AutoForm Engineering GmbH, é utilizado por engenheiros em trabalhos de análise de conformação de peças com geometrias complexas, auxiliando por exemplo na definição do blank, do número de estágios necessários para a fabricação, e visualizar as limitações do material que está sendo estudado. Este software permite de uma forma rápida e precisa estudar os processos de estampagem que a peça será submetida, possibilitando já no projeto visualizar pontos críticos de conformação da geometria.
Para a simulação, são informados dados relevantes como a geometria e espessura da peça, e dados do material como resistência mecânica, anisotropia e coeficiente de encruamento. Com estes dados o software realiza o cálculo da conformação, apresentando resultados como regiões críticas de conformação, variação na espessura, retorno elástico, curva limite de conformação, entre outros dados.
3 OBJETIVOS DO TRABALHO E ESTRATÉGIA DE SOLUÇÃO
Um dos objetivos principais deste trabalho é adquirir conhecimento sobre o processo de hidroconformação de chapas, conhecer as técnicas utilizadas no processo e as aplicações deste que possam ser útil como meio alternativo de produção aos processos convencionais de estampagem.
Para um completo entendimento é necessário um estudo prático do processo e de suas variáveis e a comparação com o processo convencional. Assim, a proposta deste trabalho é o projeto e fabricação de um sistema para testes que permita a fabricação de peças pelo processo de embutimento convencional e embutimento hidromecânico com a finalidade de:
Identificar alguns fatores de influência e parâmetros importantes para a construção de um sistema para hidroconformação de chapas;
Especificar um sistema de hidroconformação;
Conhecer as vantagens, limitações e aplicações do processo;
Comparar com os processos de conformação convencional;
Visualização do princípio de funcionamento do processo;
Realização de experimentos práticos;
Identificar aspectos que teoricamente não são possíveis, como a qualidade da superfície da peça pronta;
A estratégia de solução adotada será:
a) Definir uma geometria para as peças a serem fabricadas;
b) Analisar o processo e o comportamento da peça durante a conformação usando software CAE;
c) Projetar e fabricar o sistema para a conformação das peças pelo processo de embutimento convencional e hidromecânico;
d) Fabricar as peças usando o sistema construído e comparar os resultados obtidos em cada processo.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Para o projeto do sistema é necessário determinar primeiramente o tipo de peça que se pretende fabricar, a partir desta definição é possível desenvolver o projeto levando em consideração os tipos de forças que estarão envolvendo o sistema, e a partir da geometria da peça definir as formas das partes que serão responsáveis pela conformação da chapa.
Para isso é necessário uma abordagem teórica da técnica de conformação utilizada, que consiste em um estudo dos aspectos relevantes que envolvem o processo de embutimento hidromecânico. Assim como no processo de embutimento convencional, vários fatores devem ser avaliados e compreendidos antes da construção da ferramenta, para se chegar às melhores relações entre os parâmetros do processo. Por isto, existe a real necessidade de se verificar alguns aspectos para o desenvolvimento do projeto e para construção do sistema para teste.
A análise teórica do processo consiste em determinar os seguintes aspectos: • Análise dos aspectos dimensionais;
• Análise das propriedades mecânica do material; • Análise do processo de embutimento;
• Análise da profundidade de embutimento; • Análise das forças;
• Análise da folga.
4.1 ANÁLISE DOS ASPECTOS DIMENSIONAIS
Durante a análise dos aspectos dimensionais, busca-se o entendimento das relações entre a peça que será processada e a ferramenta, a geometria, a espessura, e o tipo de material da peça são informações determinantes para permitir o correto dimensionamento da ferramenta.
No sistema para testes de embutimento que será construído pretende se produzir peças com formato de copo, as dimensões finais da peça devem ser consideradas no projeto para a determinação de itens como:
Diâmetro (geometria) do punção;
Diâmetro (geometria) da cavidade da matriz;
Curso de fechamento da ferramenta;
Força no prensa chapa;
Tamanho de blank;
Entrada e saída da peça na ferramenta;
Lubrificação.
Na Figura 26 apresenta-se um desenho com as principais medidas da peça final que será fabricada.
Figura 26 - Desenho da peça que se pretende produzir para testes. [Fonte: Arquivo pessoal]
Para auxiliar na analise do processo de conformação, foi utilizado o software de simulação de conformação AutoForm Plus. Este software permite analisar de forma rápida e com boa precisão o comportamento da peça durante o processo, possibilitando visualizar pontos críticos de conformação da geometria. Para a simulação, são informados dados relevantes como a geometria da peça e dados do material como resistência mecânica, anisotropia e coeficiente de encruamento. Com estes dados o software realiza o cálculo da conformação, apresentando resultados como regiões críticas de conformação, variação na espessura, retorno elástico, curva limite de conformação, entre outros dados.
Na Figura 27 tem-se a ilustração da caixa de entrada dos dados das propriedades mecânica do material, no software de simulação de conformação utilizado para este projeto.
Figura 27 - Caixa de entrada das propriedades do material no software CAE [Fonte: Arquivo pessoal]
A Figura 28 ilustra a geometria da ferramenta informada ao software. As dimensões do punção (Punch), da matriz (Die), e do blank, bem como as variações na pressão do fluido e força no prensa-chapa (Binder) estão de acordo com a Tabela 8.
