MAURÍCIO PEDROTTI ALMEIDA
EFEITOS DO SENTIDO DE LAMINAÇÃO E ÂNGULO DE DOBRA NA
CONFORMAÇÃO DE CHAPAS EM MATRIZES COM FORMATO “V”
Panambi 2015
EFEITOS DO SENTIDO DE LAMINAÇÃO E ÂNGULO DE DOBRA NA
CONFORMAÇÃO DE CHAPAS EM MATRIZES COM FORMATO “V”
Projeto de Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Mecânica apresentado como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânica pela Universidade Regional do Noroeste do Rio grande do Sul – UNIJUÍ.
Orientador: Felipe Tusset
Panambi 2015
EFEITOS DO SENTIDO DE LAMINAÇÃO E ÂNGULO DE DOBRA NA
CONFORMAÇÃO DE CHAPAS EM MATRIZES COM FORMATO “V”
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA MECÂNICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Panambi, 08 de dezembro de 2015
Prof. _________Felipe Tusset__________________ __________________________________- Orientador Prof. ________Patricia C. Pedrali_______________ Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. ________Roger Hoffmann_________ (UNIJUÍ) ___________________________________________
Prof. ________Felipe Tusset___________ (UNIJUÍ) ___________________________________________
É com muito orgulho que dedico este trabalho em memória de meus pais Mirajara de Amorim Almeida e Maria de Lourdes Pedrotti Almeida.
e vencer os desafios que me trouxeram até aqui;
A minha esposa Edilce e meu filho Arthur pelo amor, compreensão e suporte em todos os momentos;
Ao meu orientador Professor Eng. Felipe Tusset pela dedicação, prontidão e atenção em todos os momentos em que foi solicitado em todo período acadêmico;
Aos professores e colegas da UNIJUI que sempre auxiliaram nas dificuldades e foram parte fundamental na formação do conhecimento;
À empresa Kepler Weber e demais colegas os quais, possibilitaram o desenvolvimento deste trabalho através da disponibilidade de recursos de material e equipamentos.
moldagem em grande parte passa pelo processo de conformação mecânica, mais especificamente dobra. Novos projetos exigem materiais de maior resistência e menor massa, atendendo as necessidades do projeto, segurança e normas ambientais. Com o surgimento de novos materiais no mercado que atendem estes requisitos, depara-se com inconvenientes durante e depois da conformação. Muitas vezes as propriedades originais são comprometidas implicando na confiabilidade do projeto final. A fim de verificar a influência do processo de dobra nas características iniciais do material será feito estudo de alguns parâmetros e suas influências no comportamento do material antes e após conformação de dobra em diferentes ângulos, ferramenta matriz e espessuras de chapas, também será realizado ensaios de microdureza para avaliar a influência sofrida pela conformação dos materiais avaliados.
Palavras-chave: Dobra de chapas. Microestrutura. Características pós-conformação. Sentido de laminação. Conformação de chapas.
molding mostly goes through the process of metal forming, specifically the process of bending. New projects demand materials with higher resistance and lower mass, meeting the needs of the project, safety and environmental standards. With the occurrence of new materials in the market which meet these requirements, drawbacks during and after the forming may occur. In many occasions, the original properties are compromised, what implies the reliability of the final project. In order to verify the influence of the bending process on the initial characteristics of the material, a study will be carried out regarding some parameters and their influences on the behavior of the material before and after the bending process on different angles, matrix tool and thickness of sheets. Microhardness tests will also be performed to evaluate the influence incurred by the molding of the materials evaluated.
Keywords: Sheet bending. Microstructure. After-molding Characteristics. Direction of rolling. Molding of sheets.
Figura 2: Esforços atuantes em material dobrado ... 19
Figura 3: Tenção e compressão em dobra ... 20
Figura 4: Retorno elástico em dobra ... 21
Figura 5: Prensa mecânica ecêntrica ... 22
Figura 6: Prensa hidráulica ... 23
Figura 7: Ferramenta de corte por estampagem ... 24
Figura 8: Perfis de conjuntos de matrizes e punções para diferentes aplicações ... 25
Figura 9: Ferramenta de estampagem profunda de um copo (simplificada). ... 26
Figura 10: Gráfico da Relação entre r e a razão limite de estampagem ... 30
Figura 11– Modelos de tensões residuais. ... 33
Figura 12: Esquema representativo do método Vickers. ... 34
Figura 13: Organograma da metodologia experimental ... 36
Figura 14: Dimensões planas do corpo de prova ... 37
Figura 15: Corpos de prova ilustrando sentido de corte em relação ao sentido de laminação da chapa ... 37
Figura 16: Sentido de dobra em relação ao sentido de laminação do corpo de prova ... 40
Figura 17: Ângulos de dobra realizados ... 41
Figura 18: Nomenclatura adotada para identificação dos corpos de prova ... 41
Figura 19: Prensa LVD utilizada nos ensaios de dobramento ... 42
Figura 20: (a) Matriz e (b) Punção de dobra LVD e indicações de medidas ... 43
Figura 21: Goniômetro utilizado na inspeção dos ângulos de dobra ... 46
Figura 22: Inspeção dos ângulos de dobramento; (a) 45°, (b) 75° e (c) 90°. ... 46
Figura 23: Da esquerda para a direita: Cortadeira metalográfica, prensa para embutimento e lixadeira ... 47
Figura 24: Microscópio OLYMPUS ... 47
Figura 25: Microdurômetro MITUTOYO ... 48
Figura 26: Pontos de medição de dureza ... 48
Figura 27: Distância entre pontos... 49
Figura 28: Corpos de prova PA-45 (a), PE-45 (b) e SAE1008-TR-45 (c) ... 53
Figura 30: Corpos de prova TR-45 (h), PA-45 (i) e COSAR60-PE-45 (j) ... 54 Figura 31: Corpo de provas ZAR-400-PA-45 ... 55 Figura 32: Gráfico de dureza HV1 do material COS AR-60 para os ângulos de 45° 57 Figura 33: Gráfico de dureza HV1 do material COS AR-60 para os ângulos de 75° 58 Figura 34: Gráfico de dureza HV1 do material COS AR-60 para os ângulos de 90° 59 Figura 35: Gráfico de dureza HV1 do material SAE 1008 para os ângulos de 45° ... 59 Figura 36: Gráfico de dureza HV1 do material SAE 1008 para os ângulos de 75° ... 60 Figura 37: Gráfico de dureza HV1 do material SAE 1008 para os ângulos de 90° ... 60 Figura 38: Gráfico de dureza HV1 do material ZAR-400 para os ângulos de 45° ... 61 Figura 39: Gráfico de dureza HV1 do material ZAR-400 para os ângulos de 75° ... 61 Figura 40: Gráfico de dureza HV1 do material ZAR-400 para os ângulos de 90° ... 62 Figura 41: Amostras ZAR400-PA-45 (a), COSAR60-PA-45 (b), SAE1008-PA-45 (c),
ZAR400-PA-75 (d), COSAR60-PA-75 (e) e SAE1008-PA-75 (f) ... 63 Figura 42: Amostras ZAR400-PA-90 (a), COSAR60-PA-90 (b), SAE1008-PA-90 (c),
ZAR400-PE-45 (d), COSAR60-PE-45 (e), SAE1008-PE-45 (f), ZAR400-PE-75 (g), COSAR60-PE-75 (h) e SAE1008-PE-75 (i) ... 64 Figura 43: Amostras ZAR400-PE-90 (a), COSAR60-PE-90 (b), SAE1008-PE-90 (c),
ZAR400-TR-45 (d), COSAR60-TR-45 (e), SAE1008-TR-45 (f), ZAR400-TR-75 (g), COSAR60-TR-75 (h) e SAE1008-PTR-75 (i) ... 65 Figura 44: Amostras ZAR400-TR-90 (a), COSAR60-TR-90 (b) e SAE1008-TR-90 (c) ... 66
Tabela 2: Informações técnicas SAE 1008 ... 39
Tabela 3: Informações técnicas COS AR-60 ... 39
Tabela 4: Relação de ferramentas, força e velocidade utilizada para material COS AR-60 ... 44
Tabela 5: Relação de ferramentas, força e velocidade utilizada para material SAE 1008 ... 44
Tabela 6: Relação de ferramentas, força e velocidade utilizada para material NBR 7008 ZAR-400 ... 45
Tabela 7: Comparativo entre ângulo desejado e obtido durante o dobramento para material COS AR-60 ... 51
Tabela 8: Comparativo entre ângulo desejado e obtido durante o dobramento para material SAE 1008 ... 52
Tabela 9: Comparativo entre ângulo desejado e obtido durante o dobramento para material NBR 7008 ZAR-400 ... 52
Tabela 10: Resultados dos ensaios de dureza do material COS AR-60 ... 56
Tabela 11: Resultados dos ensaios de dureza do material SAE 1008 ... 56
ASTM American Society for Testing and Materials CNC Comando Numérico Computadorizado
ISO International Organization for Standardization
LN Linha Neutra
NBR Norma Brasileira
NM Norma Mercosul
PA Paralelo
PE Perpendicular
SAE Society of Automotive Engineers
SE Superfície Externa
SI Superfície Interna
Símbolo Descrição Unidade
Al% Alongamento percentual da chapa [%]
C Força de compressão [N]
𝑒
Espessura da chapa [mm]F Força [N]
𝐹
𝑚𝑎𝑥 Força máxima suportada pela ferramenta/metro [kN/m]HV Dureza Vickers [kgf/mm2]
L Comprimento [mm]
𝑙
0Comprimento inicial [mm]
𝑙
𝑓Comprimento final [mm]
P Carga aplicada [N]
R Raio da ponta do punção de dobra [mm]
𝑅
𝑐 Raio de concordância [mm]𝑅
𝑚𝑖𝑛Raio mínimo [mm]
𝑟
Coeficiente de anisotropia [ ]T Força de tração [N]
“V” Abertura da matriz de dobra [mm]
𝛼
Ângulo entre faces internas da matriz de dobra [°]𝛼
0Ângulo inicial antes da liberação da chapa [°]
𝛼
𝑓Ângulo final [°]
𝛽
Ângulo entre faces opostas do punção de dobra [°]𝜀
𝑙 Deformação ao longo do comprimento [mm]𝜀
𝑡 Deformação na espessura [mm]𝜀
𝑤 Deformação na largura [mm]𝜃
Ângulo entre as faces opostas do penetrador [°]𝜔
Largura [mm]𝜔
0Largura inicial [mm]
1 INTRODUÇÃO ... 14
2 OBJETIVO GERAL ... 16
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
3.1 CONFORMAÇÃO ... 17
3.1.1 Classificação dos Processos ... 17
3.1.1.1 Estampagem profunda de chapas ... 18
3.1.1.2 Dobramento de chapas ... 18
3.1.2 Máquinas utilizadas ... 22
3.1.3 Ferramentas ... 23
3.1.3.1 Ferramentas de corte ... 23
3.1.3.2 Ferramentas de dobramento ... 25
3.1.3.3 Ferramentas de estampagem profunda ... 25
3.2 ESTAMPABILIDADE DOS METAIS ... 26
3.2.1 Anisotropia ... 27
3.2.1.1 Coeficiente de anisotropia normal (𝑟): ... 29
3.2.1.2 Coeficiente de anisotropia planar (∆r): ... 29
3.2.2 Deformações plásticas ... 31
3.2.3 Perfil de dureza ... 31
3.2.4 Tensões residuais ... 32
3.3 ENSAIO DE DUREZA VICKERS ... 33
4 MÉTODO DE PESQUISA ... 36
4.1 CORPOS DE PROVA ... 37
4.1.1 Materiais ... 37
4.1.1.1 NBR 7008 ZAR-400 ... 38
4.1.3 Ângulo de dobramento ... 40 4.2 EQUIPAMENTO DE DOBRA ... 42 4.3 FERRAMENTAS DE DOBRA ... 43 4.4 DELINEAMENTO EXPERIMENTAL ... 43 4.5 ANÁLISES ... 45 4.5.1 Análise dimensional ... 45 4.5.2 Análise metalográfica ... 46 4.5.3 Análise de microdureza ... 48 5 RESULTADOS ... 51 5.1 RESULTADOS DIMENSIONAIS ... 51 5.2 RESULTADOS DE MICRODUREZA ... 55 5.3 RESULTADOS DA METALOGRAFIA ... 62 6 CONCLUSÃO ... 67 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 69 ANEXO A... 71 ANEXO B... 72 ANEXO C... 73
1
INTRODUÇÃO
Diante da necessidade de se construir cada vez com o menor custo possível se busca inúmeras alternativas, entre estas se destaca a redução de desperdícios (material, tempo, mão de obra, entre outros). Quando se é alcançado estes objetivos começa a refinar a busca por melhorias, e se inicia uma pesquisa em pontos antes não explorados por serem praticamente imperceptíveis diante de outros que excedem o esperado. Começa então a se perceber que existe uma vasta possibilidade de melhorias, ajustes e adequações nos projetos e processos quando se conhece a matéria prima e seus comportamentos, reduzindo diretamente os custos de fabricação e possíveis problemas no produto ou pós-obra como o rompimento estrutural muitas vezes não identificado como uma alteração das propriedades do material durante o processo de fabricação.
Durante os testes com ferramentas de estampagem, mudanças são frequentemente necessárias, desde ajustes no projeto de matrizes e punções, força aplicada no prensa-chapas, substituição de lubrificantes e até a escolha de um novo material com melhor estampabilidade, a fim de se atingir o grau de satisfação esperado para o produto. Todas essas ações, no entanto, elevam os custos, o que mostra a necessidade de uma melhor avaliação das chapas metálicas juntamente com os parâmetros em questão a serem utilizados, como uma forma de se evitar perdas provocadas pela insuficiência do conhecimento das reais condições de deformação a que os materiais podem ser submetidos.
Desta forma, procura-se cada vez mais pesquisar a influência dos parâmetros nos processos de conformação, permitindo assim conhecer melhor estas variáveis e entender a estampabilidade das chapas utilizadas. A melhoria do processo de estampagem também pode se dar através da melhoria da geometria das ferramentas, com ou sem o uso de lubrificantes, evitando até a substituição de um material por outro de melhor estampabilidade.
Portanto, neste trabalho pretende-se demonstrar através de ensaios de dobramento, dureza e análise metalográfica as influências dos parâmetros externos na qualidade do produto final quando submetido a diferentes estados de tensão. Comprovando que a qualidade do produto não depende unicamente do material,
mas igualmente das condições de fabricação e parâmetros adotados. Para isso, este trabalho será dividido em 5 capítulos. No primeiro capítulo serão definidos os objetivos principais e secundários. No capítulo dois, a revisão bibliográfica a fim de auxiliar e identificar os fatores que influenciam nos processos de conformação, no capítulo três serão definidos os métodos de pesquisa assim como os corpos de prova, equipamentos, ferramentas, os delineamentos que serão estabelecidos e as análises dos métodos aplicados. Os resultados serão expostos em tabelas, gráficos e imagens ampliadas para melhor identificação. Por fim, na conclusão serão discutidos os resultados encontrados e se estes atingiram os objetivos iniciais.
2
OBJETIVO GERAL
Este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento estrutural do material submetido ao processo de conformação por dobra em matrizes com formato “V” sob diferentes condições externas e internas, afim de conhecer o comportamento dos materiais analisados.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Na busca pelos objetivos específicos se faz necessário atingir os objetivos secundários descritos abaixo:
Analisar a influência do ângulo de dobra na microestrutura e microdureza do material na região da dobra;
Comparar a influência do sentido de laminação da chapa quanto à microestrutura e microdureza;
Analisar a influência dos diferentes tipos de material (chapas) nas dimensões obtidas para diferentes espessuras e ângulos de dobra;
Analisar ferramentas e máquinas disponíveis para os processos de estampagem de chapas finas.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Como forma de amparar os estudos apresentados neste trabalho, pesquisas referentes ao tema tornam-se necessárias e ajudam a entender melhor o assunto através do ponto de vista de diferentes pesquisadores.
3.1 CONFORMAÇÃO
Segundo Norberto et al (2006), conformação de chapas é o processo de transformação mecânica que consiste em conformar uma chapa à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção. Na operação ocorrem alongamento e contração das dimensões de todos os elementos de volume. A chapa, originalmente plana, adquire uma nova forma geométrica.
Para ETTORE (2011), Entende-se o processo de conformação dos corpos metálicos como o processo de modificação da forma desse corpo metálico para outra forma definida.
3.1.1 Classificação dos Processos
Os processos de conformação plástica podem ser classificados de acordo com vários critérios:
Quanto ao tipo de esforço predominante; Quanto a temperatura de trabalho;
Quanto a forma do material trabalhado ou do produto final;
Quanto ao tamanho da região de deformação (localizada ou geral); Quanto ao tipo de fluxo do material (estacionário ou intermitente); Quanto ao tipo de produto obtido (semiacabado ou acabado).
Os processos de conformação de acordo com a forma do metal trabalhado, como por exemplo, os processos de conformação de chapas podem ser classificados através do tipo de operação empregada. As principais são: corte em prensa, dobramento e estampagem profunda, que também é conhecida por repuxo ou embutimento.
3.1.1.1 Estampagem profunda de chapas
Estampagem profunda é quando se parte de uma chapa circular, ou disco, e se atinge a forma final de um copo. O disco metálico, por meio da ação do punção na sua região central, deforma-se em direção a cavidade circular da matriz, ao mesmo tempo em que a aba ou flange, ou seja, a parte onde não atua o punção mas somente o sujeitador, movimenta-se em direção a cavidade conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1: Regiões do copo sob estampagem com diferentes estados de tensão
Fonte: FILHO, Etore Bresciani, 2011
Na região da aba ocorre uma redução gradativa da circunferência do disco, à medida que sua região central penetra na cavidade da matriz. Nessa região atuam esforços, na direção das tangentes dos círculos concêntricos a região central, denominados de compressão circunferencial e que tendem a enrugar a chapa. Para evitar esse enrugamento, aplica-se uma tensão de compressão, através do sujeitador, denominada pressão de sujeição.
3.1.1.2 Dobramento de chapas
No dobramento, a chapa sofre uma deformação por flexão em prensas que fornecem a energia e os movimentos necessários para realizar a operação. A forma é conferida mediante o emprego de punção e matriz específicas até atingir a forma desejada. O dobramento pode ser conseguido em uma ou mais operações, com uma ou mais peças por vez, de forma progressiva ou em operações individuais.
Na operação de dobramento, a chapa é submetida a esforços aplicados em duas direções opostas para provocar a flexão e a deformação plástica, mudando a forma de uma superfície plana para duas superfícies concorrentes, em ângulo, com raio de concordância em sua junção.
A Figura 2 mostra os esforços atuantes e a forma adquirida por uma tira submetida a dobramento.
Figura 2: Esforços atuantes em material dobrado
Fonte: MORO, 2006 Onde: LN - Linha neutra SI - Superfície interna SE - Superfície externa Rc - Raio de concordância C - Força de compressão T - Força de tração α - Ângulo de dobra
Quanto menor o raio de dobramento, maior é a tensão desenvolvida na região tracionada. Um excessivo tracionamento provocado por um pequeno raio de dobramento pode vir a romper as fibras externas da chapa dobrada. Define-se o raio interno mínimo de dobra, como o menor valor admissível para o raio para se evitar grande variação na espessura da chapa na região dobrada. Este valor é dado em função do alongamento longitudinal máximo do material e da espessura da chapa
que está sendo dobrada. Para a determinação do raio de dobramento, utiliza-se a Equação (1). 𝑅𝑚𝑖𝑛 =𝐴𝐼%50𝑒 −𝑒2 (1) Onde: 𝑅𝑚𝑖𝑛 - Raio mínimo 𝐴𝑙% - Alongamento % da chapa
𝑒
- Espessura da chapaO dobramento é uma operação onde ocorre uma deformação por flexão. Quando um metal é dobrado, a sua superfície externa fica tracionada e a interna comprimida conforme indicados na Figura 3. Estas tensões aumentam a partir de uma linha interna neutra, chegando a valores máximos nas camadas externa e interna.
Figura 3: Tenção e compressão em dobra
Fonte: MORO, 2006
O alongamento longitudinal máximo é obtido a partir de diagramas tensão x deformação. Este valor de deformação será obtido na tensão limite de resistência. A partir desta tensão, o material sofre estricção, que é a variação na espessura para chapas ou diâmetros para eixos.
Desta forma, uma parte das tensões atuantes na seção dobrada estará abaixo do limite de proporcionalidade (máxima tensão abaixo do qual o material segue a lei de Hooke - região de deformação elástica) e a outra parte supera a este limite, conferindo à peça uma deformação plástica permanente. Uma vez cessado o esforço de dobramento, a parte da seção que ficou submetida a tensões inferiores ao limite de proporcionalidade, por ter permanecido no domínio elástico, tende a retornar à posição inicial anterior ao dobramento. Como resultado, o corpo dobrado apresenta um pequeno retorno elástico ou efeito mola (spring back) que deve ser compensado durante a operação de dobramento.
Figura 4: Retorno elástico em dobra
Fonte: MORO, 2006
Onde:
𝛼0 – Ângulo inicial, antes da liberação da carga 𝛼𝑓 – Ângulo final
Portanto, a operação de dobramento exige que se considere a recuperação elástica do material (efeito mola), para que se tenham as dimensões exatas na peça dobrada. A recuperação elástica da peça será tanto maior quanto maior for o limite de escoamento.
Em alguns casos, é utilizada a prática de se efetuar uma calibragem em estampo específico, já compensado o retorno elástico, para dar as dimensões finais da peça. Este procedimento é viabilizado em produção seriada onde o custo do estampo calibrador pode ser diluído no preço unitário da peça.
3.1.2 Máquinas utilizadas
A maior parte da produção seriada de partes conformadas a partir de chapas finas é realizada em prensas mecânicas ou hidráulicas. Nas prensas mecânicas a energia é geralmente, armazenada num volante e transferida para o cursor móvel no êmbolo da prensa. As prensas mecânicas são quase sempre de ação rápida e aplicam golpes de curta duração, enquanto que as prensas hidráulicas são de ação mais lenta, mas podem aplicar golpes mais longos. As prensas podem realizar o trabalho em uma só operação ou operações progressivas. Algumas vezes pode ser utilizado o martelo de queda na conformação de chapas finas. O martelo não permite que a força seja tão bem controlada como nas prensas, por isso não é adequado para operações mais severas de conformação a Figura 5 mostra uma prensa mecânica.
Figura 5: Prensa mecânica ecêntrica
Fonte: Adaptado de: METALRAIL
As prensas hidráulicas igualmente às mecânicas são de grande versatilidade quanto aos tipos de ferramentas possibilitando grande variação de peças possíveis de serem fabricadas e a complexidade da peça depende principalmente da tecnologia aplicada a ferramenta, no caso de prensas hidráulicas as ferramentas podem ser conectadas a máquina através da parte elétrica, pneumática e hidráulica proporcionando comunicação entre estes proporcionando através de software a
viabilidade de projetos complexos, a Figura 6 mostra uma prensa hidráulica da marca ITURROSPE onde estes recursos estão disponíveis.
Figura 6: Prensa hidráulica
Fonte: IPC-METALMAK
3.1.3 Ferramentas
As ferramentas de estampagem são de três tipos: ferramentas de corte, ferramentas de dobramento e ferramentas de estampagem profunda.
3.1.3.1 Ferramentas de corte
As ferramentas de corte por estampagem, ou comumente denominadas "estampas de corte", são constituídas basicamente de uma matriz e um punção conforme mostrado na Figura 7. A máquina de conformação mais usada é uma prensa excêntrica.
Figura 7: Ferramenta de corte por estampagem
Fonte: CAD.CURSOSGURU
As formas de secções transversais do punção e da matriz determinam a forma da peça a ser cortada. O fio de corte e constituído pelos perímetros externos do punção e pelo perímetro interno do orifício da matriz. Para completar o estampo, existem ainda guias para o punção e para a chapa.
Um parâmetro importante de projeto de ferramenta é a folga entre punção e matriz, determinada em função da espessura e do material da chapa.
O esforço de corte para vencer a resistência do material da peça, associado ao esforço do atrito, faz com que o estampo perca o fio de corte depois de haver produzido um grande número de peças. A partir daí, as peças cortadas começam a apresentar um contorno pouco definido e com rebarbas. É necessário então fazer nova retificação, tempera e afiação do punção e da matriz, para que adquiram outra vez os cantos-vivos.
Uma ferramenta pode produzir de vinte mil a trinta mil peças sem necessidade de retificação (no caso de um punção cilíndrico de pequenas dimensões). Como normalmente é possível realizar até quarenta retificações em um estampo. O número médio de peças produzidas por essa ferramenta é de um milhão.
A distribuição das peças (obtidas por corte) na chapa deve ser feita de modo a haver um maior aproveitamento do material, e a quantidade de peças produzidas
numa única operação de corte (batida da prensa) define uma maior ou menor complexidade da ferramenta.
3.1.3.2 Ferramentas de dobramento
O dobramento é realizado em ferramentas denominadas Matriz e punção. A Figura 8 apresenta estas ferramentas, que se compõe de uma parte superior (punção) e uma inferior (matriz) e podem apresentar diferentes formatos para possibilitar a obtenção das características do projeto. As máquinas de conformação podem, nesse caso, ser prensa excêntrica ou prensa hidráulicas viradeira.
Figura 8: Perfis de conjuntos de matrizes e punções para diferentes aplicações
Fonte: ACOKORTE
Durante a operação de dobramento, deve-se evitar que a chapa sofra um alongamento excessivo, o que provocaria uma variação em sua espessura. Para que isso não ocorra, é necessário um controle rigoroso das ferramentas e uma regulagem exata do curso da prensa.
3.1.3.3 Ferramentas de estampagem profunda
A Figura 9 apresenta uma ferramenta de embutimento de um copo. O disco ou esboço que se deseja embutir é colocado sob o sujeitado (ou prensas-chapas), o
qual prende a chapa pela parte externa. O punção está fixado no porta-punção e o conjunto é fixado a parte móvel da prensa. A matriz é fixada na base, que, por sua vez, é fixada na mesa da prensa.
Figura 9: Ferramenta de estampagem profunda de um copo (simplificada).
Fonte: FILHO, Etore Bresciani, 2011
A máquina de conformação é uma prensa excêntrica para peças pouco profundas ou uma prensa hidráulica para embutimento mais profundo.
3.2 ESTAMPABILIDADE DOS METAIS
Estampabilidade é a capacidade que a chapa metálica tem de adquirir a forma de uma matriz, pelo processo de estampagem, sem se romper ou apresentar qualquer outro tipo de defeito de superfície ou de forma. A avaliação da estampabilidade de uma chapa metálica depende de muitos testes, tais como: ensaios simulativos (tipo Erichsen, Olsen, Fukui, etc.), ensaios de tração (obtendo-se o limite de escoamento e de resistência, a razão elástica, o alongamento total até a fratura, o coeficiente de encruamento, os coeficientes de anisotropia normal e planar), ensaios de dureza, medida da rugosidade do material, metalografia, etc.
COMPONENTES DA FERRAMENTA:
1 - SUPORTE DE PUNÇÃO 2 – PUNÇÃO 3 - PRENSA CHAPAS OU SUJEITADOR 4 – MATRIZ 5 - SUPORTE DA MATRIZ
D - DISCO (PEÇA INICIAL NO PROCESSO)
Ainda assim, a análise é incompleta, pois nas operações reais de estampagem ocorre uma combinação complexa de tipos de conformação. A estampabilidade torna-se função não somente das propriedades do material, mas também das condições de deformação e dos estados de tensão e de deformação presentes.
Segundo BARBOSA (2009), as relações entre tenção e deformação são complexas no dobramento. Dessa forma deve-se considerar primeiro a deformação e a tenção na região elástica.
O conhecimento da camada abaixo da superfície é de grande importância na manufatura, visto que pode afetar diretamente a vida do componente em serviço. O material processado sofre efeitos adversos, ao qual alteram suas características.
Usualmente, as alterações são de origens mecânicas, térmicas, químicas, elétricas ou metalúrgicas. Como alterações citam-se: deformações plásticas, alterações de dureza na borda do material, tensões residuais, entre outros.
3.2.1 Anisotropia
Durante os processos de conformação de chapas, grãos cristalinos individuais são alongados na direção da maior deformação de tração. O alongamento é consequência do processo de escorregamento do material durante a deformação. Nos materiais policristalinos os grãos tendem a girar para alguma orientação limite devido a um confinamento mútuo entre grãos. Este mecanismo faz com que os planos atômicos e direções cristalinas dos materiais com orientação aleatória (materiais isotrópicos) adquiram uma textura, uma orientação preferencial (tornando-se anisotrópicos).
Um material isotrópico possui as mesmas propriedades físicas em todas as direções. Já um material anisotrópico tem comportamento não uniforme nas várias direções do material. A distribuição de orientações tem, portanto, um ou mais máximos. Se estes máximos são bem definidos são chamados de orientações preferenciais, que irão ocasionar variações das propriedades mecânicas com a direção, ou seja, anisotropia. Um modo de avaliar o grau de anisotropia das chapas quando deformadas plasticamente é através do coeficiente de anisotropia. Por definição, o coeficiente de anisotropia ou coeficiente de Lankford (𝑟) é a razão entre
a deformação longitudinal verdadeira na largura (𝑤) e na espessura (𝑡) de um corpo de prova de tração (em chapa), após determinada deformação longitudinal pré-definida. O coeficiente de anisotropia ou de Lankford é calculado através da Equação (2). 𝑟 =𝜀𝑤 𝜀𝑡 (2) Onde: Ɛω – Deformação na largura; Ɛt – Deformação na espessura; r – Coeficiente de anisotropia.
Por erros na medição de Ɛ𝑡, e como ∆𝑉 = 0, usa-se valor de Ɛ𝑡 conforme Equação (3).
𝜀𝑡 = −(𝜀𝑤+ 𝜀𝑙) (3)
Onde:
Ɛl – Deformação ao longo do comprimento. Resultando assim, na Equação (4).
𝑟 = 𝜀𝑤
𝜀𝑤+ 𝜀𝑙 (4)
Ou, conforme apresentado na Equação (5).
𝑟 = ln(𝑤𝑤0 𝑓) 𝑙𝑛 (𝑙𝑙𝑓. 𝑤𝑓 0. 𝑤0) (5) Onde:
𝜀
𝑙 - deformação verdadeira ao longo do comprimento;𝑙
0𝑒𝑙
𝑓 - comprimentos inicial e final, respectivamente.Considerando a anisotropia no plano da chapa, geralmente são definidos dois parâmetros:
Coeficiente de anisotropia normal (𝑟̅): Coeficiente de anisotropia planar (∆r): 3.2.1.1 Coeficiente de anisotropia normal (𝑟̅):
Para cálculo do coeficiente de anisotropia normal utiliza-se a Equação (6).
𝑟̅ =
𝑟
0°+ 2. 𝑟
45°+ 𝑟
90°4
(6)Onde: r0°, r45° e r90° são os valores de r (coeficiente de anisotropia) medidos a 0°, 45° e 90° com a direção de laminação.
Este parâmetro indica a habilidade de uma certa chapa metálica resistir ao afinamento (redução de espessura), quando submetida a forças de tração e/ou compressão, no plano.
3.2.1.2 Coeficiente de anisotropia planar (∆r):
O coeficiente de anisotropia planar indica a diferença de comportamento mecânico que o material pode apresentar no plano da chapa, para cálculo utiliza-se a Equação (7).
∆𝑟 =
𝑟
0°− 2. 𝑟
45°+ 𝑟
90°2
(7)Os valores de 𝑟̅ em aços efervescentes variam entre 0,8 e 1,2. Em aços acalmados ao alumínio, adequadamente produzidos 𝑟̅ pode variar entre 1,5 e 1,8. Em alguns aços Intersticial Free (IF) 𝑟̅ pode ser tão alto quanto 2,2. Na direção oposta, a textura cúbica do cobre ou de aços inoxidáveis austeníticos pode originar 𝑟̅ tão baixo quanto 0,1.
Um material isotrópico tem 𝑟̅ = 1 e ∆r = 0. Nos materiais para estampagem profunda um alto valor de 𝑟̅ é desejado (maior resistência ao afinamento da chapa). A relação entre 𝑟̅ e a razão limite de estampagem é mostrada na Figura 10. Essa é definida como a máxima razão possível entre o diâmetro da chapa e do copo embutido, sem que ocorra falha.
Observação: O texto deste capitulo foi elaborado com base em ETTORE (2011).
Figura 10: Gráfico da Relação entre r e a razão limite de estampagem
Fonte: MORO, 2006
A tendência à formação de “orelhas” na estampagem é função da anisotropia planar. As "orelhas" se formam em duas condições: a 0° e 90° com a direção de laminação, quando o coeficiente de anisotropia planar (∆r) é maior que zero; e a 45° e 135° com a direção de laminação, quando o coeficiente de anisotropia planar é menor que zero.
3.2.2 Deformações plásticas
As deformações plásticas são decorrentes de todos os processos de fabricação na qual haja contato mecânico entre a peça e a ferramenta. Distinguem-se três principais regiões em um material baDistinguem-se: camada superficial externa, como o próprio nome diz é a superfície externa, resultado aparente do processo e que representa a textura e rugosidade do material; camada superficial interna, região onde se observa deformações plásticas decorrentes do movimento de corte promovido pela ferramenta e camada não afetada, representando o material base, o qual não sofreu ação do processo.
A estrutura cristalina do material, o tamanho de grão, a composição química, as inclusões e as impurezas são os principais parâmetros de influência na resposta de deformação. Esta resposta se manifesta no movimento de deslocamento subsuperficial. O deslocamento interage com todos os tipos de defeitos, contornos de grão e vazios. Esses mecanismos constituem a base para o entendimento do endurecimento por deformação e fratura na maioria dos materiais (DEONISIO, 2004, p. 69-70).
As ocorrências de deformações plásticas não são geralmente consideradas um problema de integridade superficial. São difíceis de mensurar e observar visto que ocorrem principalmente na subsuperfície do material num período curto de tempo e um espaço estreito do material da peça. O principal efeito das deformações plásticas é o endurecimento da superfície da peça por encruamento em decorrência das severidades térmicas e mecânicas influentes no processo (OZEL et al, 2010).
3.2.3 Perfil de dureza
Dureza é a medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou risco). Os primeiros ensaios de dureza eram baseados em minerais naturais, com escala construída unicamente em função da habilidade de um material em riscar outro mais macio (CALLISTER, 2008).
O material, de forma macro, possui um perfil de dureza uniforme e homogêneo, e em escalas microscópicas, a dureza do material varia de acordo com a fase em avaliação. Usualmente, os fenômenos encarregados pela alteração de
dureza estão relacionados ao encruamento do material ou a mecanismos de aumento de resistência pela redução de tamanho de grão.
O encruamento é o fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando ele é submetido a uma deformação plástica. De modo contrário, os efeitos de recuperação, recristalização e crescimento de grão agem de forma a reduzir a resistência do material. O tamanho dos grãos, ou diâmetro médio do grão, em um metal policristalino influencia as suas propriedades mecânicas (CALLISTER, 2008).
Portanto o encruamento é uma característica desejada, porém efeitos de recristalização tornam o material frágil, tendo que ser observado a aplicação do item fabricado com suas características estruturais.
3.2.4 Tensões residuais
Mecanismos de geração de tensões residuais podem ser, de forma simplista, representados por três modelos: transformações térmicas de fase, deformações plásticas mecânicas/térmicas e transformações plásticas mecânicas, que podem ser observados na Figura 11. Esses mecanismos ajudam na compreensão das alterações subsuperficiais.
A tensão residual é causada por uma mudança de volume. Se a mudança de fase causa uma diminuição no volume, como mostrado na Figura 11, a camada superficial quer contrair, entretanto, o material base subjacente resiste a este efeito. O resultado é que a superfície fica sobre tensão. Este exemplo produz tensões residuais trativas.
Figura 11– Modelos de tensões residuais.
Fonte: Adaptado de GRIFFITHS, 2001.
Caso contrário, se a transformação de fase causa um aumento de volume, a tensão residual será compressiva. Este é o caso de tratamentos térmicos convencionais em aços. No segundo modelo, o evento unitário calor causa expansão da camada superficial e esta expansão é aliviada (enquanto o calor é mantido) por fluxo plástico, o qual é restrito à camada superficial. Quando o calor é removido, a camada superficial contrai, resultando em uma tensão residual trativa. Tem-se assim também a tensão residual compressiva onde a camada superficial é compactada por alguma forma de ação mecânica. Não há nenhum efeito de calor (GRIFFITHS, 2001).
3.3 ENSAIO DE DUREZA VICKERS
Método introduzido em 1925 por Smith e Sandland, recebeu o nome Vickers porque foi a Companhia Vickers-Armstrong Ltda. que fabricou as máquinas para operarem esse tipo de dureza. O ensaio é aplicável a todos os materiais metálicos com quaisquer durezas, especialmente materiais muito duros, ou corpos de prova
muito finos, pequenos e irregulares. A Figura 12 mostra o esquema de aplicação do método Vickers.
Figura 12: Esquema representativo do método Vickers.
Fonte: Garcia, 2012
É semelhante ao método Brinell, pois também relaciona a carga aplicada com a área superficial da impressão. O penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com um ângulo de 136º entre faces opostas. Esse ângulo foi escolhido em função de sua proximidade com o ângulo formado no ensaio Brinell entre duas linhas tangentes às bordas da impressão e que partem do fundo desta impressão.
Devido à forma do penetrador, esse teste é também conhecido como teste de dureza de pirâmide de diamante. A forma da impressão é a de um losango regular, cujas diagonais devem ser medidas por um microscópio acoplado à máquina de teste; a média dessas duas medidas é utilizada para a determinação da dureza Vickers, que é dada pela equação (8).
𝐻𝑉 =0,102.2. 𝑃. 𝑠𝑒𝑛 (𝜃2)
𝐿2 = 0,189.
𝑃
𝐿2 (8)
Onde P é a carga aplicada (N), L é a média do comprimento das diagonais da impressão (mm) e θ é o ângulo entre as faces opostas do penetrador (θ =136º).
Na prática, a aplicação da relação que calcula dureza Vickers (HV) é desnecessária, já que existem tabelas que fornecem o valor da dureza Vickers a partir das leituras das diagonais da impressão formada. Para esse método de ensaio, a carga pode variar de 49 N a 980 N (5 kgf a 100 kgf) para ensaios com carga normal; de 1,96 N a 49 N (100 g a 5 kgf) para ensaios com carga pequena; e de 0,0098 N a 1,96 N (1 g a 100 g) para ensaios com micro carga, segundo a Norma Brasileira (NBR) Norma Mercosul (NM) International Organization for Standardization (Organização Internacional para Padronização) (ISO) NBR NM ISO 6507-1:2008, enquanto a norma American Society for Testing and Materials (Sociedade Americana de Testes e Materiais) (ASTM) ASTM E92:2003 divide em carga normal entre 9,8 N e 980 N (1 kgf a 120 kgf) e micro carga entre 0,0098 N e 9,8 N (0,1 g a 1000 g). As cargas são escolhidas de tal forma que a impressão gerada no ensaio seja suficientemente nítida para permitir uma boa leitura das diagonais, que deverão estar compreendidas entre limites de 0,011 mm até 1,999 mm (NBR NM ISO 6507-1), sendo comum encontrar tabelas de conversão com valores máximos de diagonais de 0,750 mm. Como o penetrador é indeformável, a dureza obtida independe da carga utilizada, devendo, se o material for homogêneo, apresentar o mesmo número representativo da dureza. Sempre que possível recomendam-se as maiores cargas. A designação da dureza é formada pelo valor da dureza seguido pelo símbolo HV e da carga aplicada e pelo tempo de aplicação de carga se este for diferente dos previstos em normas (10 a 15 segundos para materiais duros e 30 a 60 segundos para materiais moles).
4 MÉTODO DE PESQUISA
Para o desenvolvimento da pesquisa relativa aos efeitos do processo de conformação por dobramento, foi desenvolvida a metodologia experimental exposta na Figura 13.
Figura 13: Organograma da metodologia experimental
Fonte: Autor
Na etapa 1 foram determinados os materiais dos corpos de prova aplicados nos ensaios de dobramento, bem como definidos os perfis desses corpos de prova e os parâmetros de processo aplicados ao equipamento para realização dos ensaios.
A etapa 2 contempla os ensaios, onde inicialmente foram realizadas as dobras conforme parâmetros pré-estabelecidos, embutimento e preparação dos corpos de prova para ensaios metalográficos e microdureza.
Para finalizar na etapa 3 foi feito o tratamento dos dados em forma de tabelas, gráficos e imagens ampliadas afim de melhor condicionar a análise dos resultados baseando-se nas referências bibliográficas e comparativos entre os resultados.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL ETAPA 1 Definição do Material Definição dos Corpos de Provas Definição dos Parâmetros de Dobramento ETAPA 2 Ensaio de Dobramento Preparação das Amostras Ensaios Metalográficos Ensaios de Microdureza ETAPA 3 Tratamento dos Dados Análise dos Resultados
4.1 CORPOS DE PROVA
Para execução dos ensaios de dobramento foram confeccionados corpos de prova no formato retangular com as dimensões conforme indicadas na Figura 14.
Figura 14: Dimensões planas do corpo de prova
Fonte: Autor
4.1.1 Materiais
Em função da demanda de produção da empresa Kepler Weber Industrial S.A. contemplar em sua maioria os materiais SAE 1008 na espessura de 4,75 mm; NBR 7008 ZAR-400 na espessura de 3,00 mm; e COS AR-60 na espessura 2,65 mm. Os corpos de prova com o perfil descrito na Figura 14, foram extraídos levando em conta o sentido favorável, sentido perpendicular e inclinado a 45 graus em relação ao sentido de laminação da chapa. A Figura 15 exemplifica a forma de extração desses corpos de prova.
Figura 15: Corpos de prova ilustrando sentido de corte em relação ao sentido de laminação da chapa
Fonte: Autor 100
4.1.1.1 NBR 7008 ZAR-400
A superfície da chapa apresenta brilho metálico e desenho de “flores” resultantes do livre crescimento dos cristais de zinco durante o processo de solidificação. Possui acabamento convencional, sendo utilizada na maioria das vezes em aplicações sem pintura do segmento de construção civil (telhas, tapamentos laterais etc.), suas principais informações técnicas estão descritas na Tabela 1.
Tabela 1: Informações técnicas NBR 7008 ZAR-400
Norma Técnica Grau Composição Química (% máxima) Propriedades Mecânicas C P S Limite de Escoamento mín. (Mpa) Limite de resistência mín. (Mpa) Alongamento Base de Medida (mm) Valor mín. (%) NBR 7008 ZAR - 400 0,20 0,20 0,04 400 450 50 10
Fonte: CSN, CATALOGO ZINCADO
As propriedades de conformação das chapas zincadas dependem do processo de fabricação empregado, da composição química do aço e da conformabilidade da camada de revestimento. Com relação ao revestimento de zinco, este não afeta significativamente a conformabilidade final das chapas zincadas, uma vez que tanto o revestimento de zinco puro quanto o revestimento de liga Zn-Fe são controlados de modo a se ter uma boa aderência do revestimento, mesmo nas mais severas condições de conformação. As operações de estampagem não são compatíveis com revestimentos espessos. Nas chapas destinadas aos processos de estampagem normalmente são utilizados revestimentos dos tipos Z100, Z140 e Z180.
Além das propriedades mecânicas e das condições de superfície e forma da chapa (rugosidade, aplainamento, dentre outras), as condições de conformação e o projeto do ferramental são decisórias para o sucesso da confecção das peças.
4.1.1.2 SAE 1008
São aços para uso geral e qualidade comercial utilizados em conformação simples. São aços de baixo carbono aplicados principalmente em perfis, tubos soldados, fitas relaminadas, peças estampadas, construção civil e componentes e peças industriais de baixa resistência, suas principais informações técnicas estão descritas na Tabela 2.
Tabela 2: Informações técnicas SAE 1008
Norma Técnica Grau
Composição Química (% máxima) C Mn P S Limite de resistência mín. (Mpa) Alongamento Base de Medida (mm) Valor mín. (%) SAE 1008 0,10 0,50 0,03 0,05 115 - 200 50 36 Fonte: CSN, CATALOGO
Na maioria das especificações, é garantida apenas a composição química dos aços. Outras garantias devem ser atendidas mediante acordo prévio com fornecedores.
4.1.1.3 COS AR-60
São aços indicados para aplicações onde são exigidos elevados níveis de propriedades mecânicas, mantendo boa tenacidade e soldabilidade, suas principais informações técnicas estão descritas na Tabela 3.
Tabela 3: Informações técnicas COS AR-60
Norma Técnica
Gra u
Composição Química (% máxima) Propriedades Mecânicas
C Mn P S Si Al Limite de Escoament o mín. (Mpa) Limite de resistênci a mín. (Mpa) Alongamento Base de Medid a (mm) Valor mín. (%) COS AR-60 60 0,20 1,10 - 1,60 0,030 0,035 0,15 - 0,50 0,02 450 490 - 630 50 22 Fonte: SECCIONAL
Os aços COS AR-60 tem como principais aplicações estruturas em geral, pontes, edifícios, guindastes, vagões, torres de transmissão, implementos agrícolas, comportas, componentes de hidrogeradores, equipamentos de terraplanagem e máquinas industriais. Espessuras de 2,00 mm a 12,70 mm Chapas Finas a Quente (CFQ) e Chapas Grosas a Quente (CGQ),
4.1.2 Posição de dobramento
Para verificar os efeitos do sentido de laminação no ensaio de dobramento, os corpos de prova anteriormente apresentados, foram dobrados em três posições diferentes (paralelo, perpendicular e transversal) em relação ao sentido de laminação da chapa. A Figura 16 ilustra a posição de dobramento em relação ao sentido de laminação.
Figura 16: Sentido de dobra em relação ao sentido de laminação do corpo de prova
Fonte: Autor
Os corpos de prova serão identificados conforme o sentido de laminação, o material e o ângulo de dobra.
4.1.3 Ângulo de dobramento
Com o intuito de verificar os efeitos do ângulo de dobramento em função do sentido de laminação da chapa, foram definidos três tamanhos de ângulos conforme indicados na Figura 17.
Figura 17: Ângulos de dobra realizados
Fonte: Autor
Para melhor identificar e descrever os corpos de prova foi adotado nomenclatura que identificam suas principais características iniciais e finais como mostrado e detalhado na Figura 18.
Figura 18: Nomenclatura adotada para identificação dos corpos de prova
Fonte: Autor
Onde:
A identificação do material irá variar em:
ZAR400 para todas as amostras do material NBR 7008 ZAR-400; SAE1008 para todas as amostras do material SAE 1008;
COSAR60 para todas as amostras do material COS AR-60. O sentido de dobra em relação ao sentido de laminação irá variar em:
PA para todas as amostras com sentido de dobra paralelo; PE para todas as amostras com sentido de dobra perpendicular; TR para todas as amostras com sentido de dobra transversal.
E, o ângulo de dobra irá variar em:
45 para todas as amostras com ângulo de dobra de 45°; 75 para todas as amostras com ângulo de dobra de 75°; 90 para todas as amostras com ângulo de dobra de 90°;
4.2 EQUIPAMENTO DE DOBRA
Para realizar os ensaios de dobramento nos corpos de prova foi utilizada uma prensa hidráulica marca LVD, modelo PPEB-EFL 80T – 2,5m, com capacidade de carga de 800 kN. Essa máquina está equipada com um conjunto de matriz e punção adequados para o experimento. Na Figura 19 está ilustrada a prensa hidráulica utilizada nos ensaios de dobramento.
Figura 19: Prensa LVD utilizada nos ensaios de dobramento
Fonte: DIRECTINDUSTRY
Esta máquina é equipada com um Comando Numérico Computadorizado (CNC) que executa o controle dos movimentos do punção e dos encostos de apoio, bem como o controle dos esforços necessários para a conformação.
4.3 FERRAMENTAS DE DOBRA
Os ensaios de dobramento foram realizados utilizando um conjunto de punção (cunha) e matriz (prisma), acoplados à prensa hidráulica. Essas ferramentas obedecem à configuração disposta nas Figura 20 (a) (matriz) e Figura 20 (b) (punção).
Figura 20: (a) Matriz e (b) Punção de dobra LVD e indicações de medidas
Fonte: Autor
Foi utilizado o mesmo punção para realizar a dobra de todas as amostras, variando apenas a matriz, sendo utilizada uma matriz de abertura (V) de 16 mm para as amostras de 2,65 mm e 3,00 mm, e matriz de abertura (V) de 30 mm para as amostras de 4,75 mm, esta escolha se deu pela necessidade de atingir os ângulos desejados e indicações do equipamento de dobra baseado nas informações do material e ângulos informados ao software.
4.4 DELINEAMENTO EXPERIMENTAL
Com o intuito de alcançar os objetivos do presente trabalho de pesquisa, foi necessário o delineamento experimental disposto nas tabelas a seguir. Foram
realizados ao todo 27 ensaios, distribuídos em função do ângulo e posição de dobramento em relação ao sentido de laminação da chapa, foram observados também as ferramentas necessárias e mais adequada para cada material de acordo com a espessura e ângulo desejado, para esta escolha foi seguido as orientações do fabricante do equipamento de dobra utilizado conforme ANEXO A. A Tabela 4 apresenta os parâmetros utilizados para dobra do material COS AR-60, a velocidade de decida do punção em contato com a peça foi de 10 mm/s.
Tabela 4: Relação de ferramentas, força e velocidade utilizada para material COS AR-60
ENSAIO MATERIAL FERRAMENTA ÂNGULO [°] SENTIDO DE DOBRA FORÇA [KN] VELOCIDADE [mm/s] 1 C O S AR -60 - # 2, 65 mm V 30 30 °, R1 30° 45 TR 240 10 2 PE 240 10 3 PA 240 10 4 75 TR 240 10 5 PE 240 10 6 PA 240 10 7 90 TR 240 10 8 PE 240 10 9 PA 240 10
A Tabela 5 apresenta os parâmetros utilizados para dobra do material SAE 1008 onde a velocidade de decida do punção em contato com a peça foi de 18 mm/s.
Tabela 5: Relação de ferramentas, força e velocidade utilizada para material SAE 1008
ENSAIO MATERIAL FERRAMENTA ÂNGULO [°] SENTIDO DE DOBRA FORÇA [KN] VELOCIDADE [mm/s] 10 SAE 10 08 # 4, 75 mm V 16 30 °, R1 30° 45 TR 240 18 11 PE 240 18 12 PA 240 18 13 75 TR 240 18 14 PE 240 18 15 PA 240 18 16 90 TR 240 18 17 PE 240 18 18 PA 240 18
A Tabela 6 apresenta os parâmetros utilizados para dobra do material NBR 7008 ZAR-400 onde a velocidade de decida do punção em contato com a peça foi de 10 mm/s.
Tabela 6: Relação de ferramentas, força e velocidade utilizada para material NBR 7008 ZAR-400
ENSAIO MATERIAL FERRAMENTA ÂNGULO [°] SENTIDO DE DOBRA FORÇA [KN] VELOCIDADE [mm/s] 19 N BR 70 08 Z AR 40 0 - # 3, 00 mm V 30 30 °, R1 30° 45 TR 240 10 20 PE 240 10 21 PA 240 10 22 75 TR 240 10 23 PE 240 10 24 PA 240 10 25 90 TR 240 10 26 PE 240 10 27 PA 240 10
Para todos os ensaios de dobramento a força utilizada foi de 240 kN, sendo esta a força mínima disponível para o equipamento utilizado, assim como a velocidade utilizada, são parâmetros calculados pelo software do equipamento que considera alguns conceitos de segurança de operação.
4.5 ANÁLISES
Após efetuados os ensaios de dobramento, os corpos de prova foram submetidos a diferentes tipos de análises conforme será indicado na sequência.
Análise dimensional; Análise metalográfica; Análise de microdureza.
4.5.1 Análise dimensional
Os corpos de prova foram inspecionados, em busca do ângulo resultante do processo de dobramento, comparando o planejado com o realizado, para essa inspeção foi utilizado um goniômetro marca Starrett, modelo Nº C19, sua menor
divisão é de 1º (um grau) de propriedade da empresa Kepler Weber Industrial SA e está apresentado na Figura 21.
Figura 21: Goniômetro utilizado na inspeção dos ângulos de dobra
Fonte: Autor
Os ângulos foram conferidos em todas as amostras e listados conforme leitura comparando o ângulo desejado com ângulo obtido. A Figura 22 mostra a forma de conferência das amostras nos diferentes ângulos de dobra.
Figura 22: Inspeção dos ângulos de dobramento; (a) 45°, (b) 75° e (c) 90°.
(a) (b) (c)
Fonte: Autor
4.5.2 Análise metalográfica
Para cada corpo de prova utilizado no ensaio de dobramento, foi extraída uma amostra. Essas amostras foram cortadas em uma policorte metalográfica modelo PANCUT – 40 de 2800 rpm, onde é utilizado um disco de corte diamantado. Após o corte as amostras foram embutidas com granalha e baquelite, em prensa para embutimento modelo TEMPOPRESS – 2 de 30 kN. Só então foram lixadas e polidas em lixadeira modelo POLIPAN – 2 de 300 e 600 rpm, estes equipamentos são da
marca PANTEC e são de propriedade do laboratório de metrologia da empresa Kepler Weber Industrial SA e estão apresentados na Figura 23.
Figura 23: Da esquerda para a direita: Cortadeira metalográfica, prensa para embutimento e lixadeira
Fonte: Autor
Essas amostras foram preparadas conforme a norma NBR 13284 que rege a preparação de corpos de prova para ensaios metalográficos. A análise ótica da estrutura foi executada utilizando um microscópio OLYMPUS do Laboratório de Materiais da UNIJUI, com resolução de 50x, 100x, 200x, 500x e 1000x conforme mostrado na Figura 24.
Figura 24: Microscópio OLYMPUS
4.5.3 Análise de microdureza
Utilizando as mesmas amostras preparadas para análise metalográfica, foram efetuadas as medições de microdureza no padrão Vickers, utilizando pré-carga de 1 kg, essas análises foram executadas no Laboratório de Materiais da UNIJUI, utilizando para isso um microdurômetro marca MITUTOYO, modelo MVK-E3. Conforme indicado na Figura 25.
Figura 25: Microdurômetro MITUTOYO
Fonte: Autor
As medições foram realizadas em cada uma das amostras, nos pontos indicados na Figura 26. O ponto P1 contempla a impressão na região não deformada do material, os pontos P2 e P4 contemplam a impressão na região transitória entre as deformações e o estado natural do material e o ponto P3 está localizado na região de maior deformação (centro do raio).
Figura 26: Pontos de medição de dureza
Todas as impressões para medição de microdureza foram posicionados no centro da amostra, procurou-se evitar a linha neutra do material por se tratar de uma região de pouca alteração na dureza por estar entre regiões de tração e compressão resultantes do processo de dobra.
As posições dos pontos de medição de dureza foram distribuídas a partir do ponto central (P3), este posicionamento teve influência direta da matriz de dobra (V), pois esta que determina qual região do material estará dentro da área de conformação. O ponto central (P3) é determinado pelo punção, pois no centro deste, ocorrerá a maior deformação. Afastando-se do centro nas duas direções, as deformações ocorrem de forma simétrica.
Considerando as ferramentas matriz utilizadas, adotou-se valores aproximados para as distâncias de deslocamento do centro para as medidas de dureza nos pontos P2, P4 e P1, a Figura 27 ilustra esta distribuição representada pelas letras L1 e L2.
Figura 27: Distância entre pontos
Fonte: Autor
Os valores determinados para L2 foram de aproximadamente 5 mm para as amostras dos materiais COS AR-60 e NBR 7008 ZAR-400, pois para estes materiais foi utilizado matriz com abertura (V) de 16 mm, desta forma os pontos P2 e P4 ficam
em uma área intermediária entre centro e base de apoio da peça conformada. Para L1 em mesmo material foi considerado duas vezes o valor de L2 garantindo assim que este ponto estaria fora da área de conformação, tendo então, L2 aproximadamente 10 mm.
Para o material SAE 1008 foi utilizado matriz com abertura (V) de 30 mm, e o ponto P3 centralizado dentro deste valor, procurou-se afastar-se os pontos P2 e P4 de forma a ficar em região intermediária entre centro e base de apoio da peça conformada, ficando desta forma o L2 com aproximadamente 7 mm e L1 com 15 mm seguindo o mesmo conceito utilizado para os materiais anteriores.
5 RESULTADOS
Os resultados obtidos nos diferentes ensaios realizados foram listados e serão apresentados através de tabelas e gráficos que serão apresentados a seguir sob os seguintes aspectos:
Resultados dimensionais; Resultados de microdureza; Resultados da metalografia.
5.1 RESULTADOS DIMENSIONAIS
Os resultados no processo de dobra foram satisfatórios considerando os valores obtidos, pois apenas em cinco amostras os ângulos ficaram fora do esperado, estes resultados se devem ao retorno elástico ser mais intenso para as condições descritas na Tabela 7 onde houve alteração nos ângulos obtidos das amostras com sentido de dobra perpendicular ao sentido de laminação. Os resultados apresentados obedecem a resolução do goniômetro utilizado que é de 1° (um grau).
Tabela 7: Comparativo entre ângulo desejado e obtido durante o dobramento para material COS AR-60
ENSAIO MATERIAL ÂNGULO
DESEJADO [°]
SENTIDO DE
DOBRA ÂNGULO OBTIDO [°] 1 C O S AR 60 # 2, 65 mm 45° TR 45 2 PE 47 3 PA 45 4 75° TR 75 5 PE 76 6 PA 75 7 90° TR 90 8 PE 91 9 PA 90
Para o material SAE 1008 (Tabela 8) não ocorreram alterações mensuráveis nos resultados dos ângulos obtidos na dobra.
Tabela 8: Comparativo entre ângulo desejado e obtido durante o dobramento para material SAE 1008
ENSAIO MATERIAL ÂNGULO
DESEJADO [°]
SENTIDO DE
DOBRA ÂNGULO OBTIDO [°] 10 SAE 10 08 # 4, 75 mm 45° TR 45 11 PE 45 12 PA 45 13 75° TR 75 14 PE 75 15 PA 75 16 90° TR 90 17 PE 90 18 PA 90
Para o material NBR 7008 ZAR-400 (Tabela 9) ocorreram alterações nos resultados das amostras com ângulos de dobra de 45° e 75° e sentido de dobra perpendicular ao sentido de laminação.
Tabela 9: Comparativo entre ângulo desejado e obtido durante o dobramento para material NBR 7008 ZAR-400
ENSAIO MATERIAL ÂNGULO
DESEJADO [°]
SENTIDO DE
DOBRA ÂNGULO OBTIDO [°] 19 N BR 70 08 Z AR 40 0 - # 3, 00 mm 45° TR 45 20 PE 46 21 PA 45 22 75° TR 75 23 PE 76 24 PA 75 25 90° TR 90 26 PE 90 27 PA 90
Após processo de dobra as amostras apresentaram algumas alterações macroscópicas nas arestas e superfícies externas ao ângulo de dobra como os
apresentados a seguir. Na Figura 28 (a) pode ser observado uma trinca na aresta externa, esta imagem refere-se a amostra SAE1008-PA-45 onde o ângulo de dobra e o sentido de laminação favorecem esta ocorrência, outros fatores influenciáveis a estas trincas de arestas são as rebarbas resultantes do processo de corte. As imagens da Figura 28 (b) e Figura 28 (c) que representam as amostras SAE1008-PE-45 e SAE1008-TR-45 respectivamente estas trincas não ocorreram de forma macroscópica provavelmente influenciados pelo sentido de laminação, pois é a única variável que diferencia da imagem (a).
Figura 28: Corpos de prova SAE1008-PA-45 (a), SAE1008-PE-45 (b) e SAE1008-TR-45 (c)
(a) (b) (c)
Fonte: Autor
Nas imagens das Figura 29 (d), Figura 29 (f) e Figura 29 (g) as amostras foram dobradas alterando mais uma variável além do sentido de laminação que foi o sentido de corte, estas imagens representam as amostras TR-45, ZAR400-PA-45 e ZAR400-PE-45 respectivamente onde pode ser observado que na imagem da Figura 29 (f) ocorreu trinca na aresta externa ao ângulo de dobra e a ausência desta ocorrência macroscopicamente nas demais amostras, na amostra ZAR400-PA-45 a rebarba causada pelo processo de corte em LASER ficou na superfície externa onde ocorre o alongamento do material, nas demais amostras esta rebarba ficou na superfície interna onde ocorre a compressão do material deixando a superfície externa livre destas irregularidades.
Figura 29: Corpos de prova ZAR400-TR-45 (d), ZAR400-PA-45 (f) e ZAR400-PE-45 (g)
(d) (f) (g)
Fonte: Autor
Para as amostras de material COS AR-60 com dobras de 45° apresentadas na Figura 30 a alternância entre sentido de corte em relação a direção de dobra também foi mantida, porém não ocorreram trincas visíveis nestas amostras, observa-se também neste material uma pouca formação de rebarba comparando com as amostras anteriores.
Figura 30: Corpos de prova COSAR60-TR-45 (h), COSAR60-PA-45 (i) e COSAR60-PE-45 (j)
(h) (i) (j)
Fonte: Autor
Outro fator apresentado na amostra ZAR400-PA-45 com maior evidência foram as descamações na camada zincada na superfície externa ao ângulo de dobra deste material, fator este influenciável pelas variáveis: sentido de laminação e ângulo de dobra, a Figura 31 mostra estas ocorrências.
Figura 31: Corpo de provas ZAR-400-PA-45
Fonte: Autor
Em todas as amostras do material ZAR-400 a ocorrência de princípio de descamação de camada zincada se mostrou presente, mas com maior intensidade na amostra ZAR400-PA-45. As demais amostras (materiais SAE 1008 e COS AR-60) não apresentaram alterações visíveis nas superfícies da peça.
5.2 RESULTADOS DE MICRODUREZA
Os resultados dos ensaios de dureza estão apresentados nas tabelas e gráficos a seguir, os valores encontrados ficaram dentro do esperado com exceção de alguns casos que serão comentados na sequência.
Com os dados obtidos das bases das diagonais e a aplicação da equação (8) utilizada para cálculo de dureza do material chegou-se aos dados apresentados nas tabelas a seguir. A Tabela 10 apresenta os resultados obtidos dos ensaios de dureza Vickers para o material COS AR-60.
Tabela 10: Resultados dos ensaios de dureza do material COS AR-60
ENSAIO MATERIAL ÂNGULO [°] SENTIDO DE DOBRA DUREZA VICKERS [N/ mm2] P1 P2 P3 P4 1 C O S AR -60 - # 2, 65 mm 45° TR 132,318 124,712 176,047 167,645 2 PE 132,318 136,981 344,029 207,637 3 PA 132,318 135,792 152,550 127,889 4 75° TR 139,405 127,889 155,401 151,154 5 PE 136,981 147,078 162,889 147,078 6 PA 136,981 138,185 145,756 143,164 7 90° TR 133,461 139,405 139,405 134,619 8 PE 135,792 152,550 167,645 148,418 9 PA 155,401 132,318 161,349 164,452
A Tabela 11 apresenta os resultados obtidos dos ensaios de dureza Vickers para o material SAE 1008.
Tabela 11: Resultados dos ensaios de dureza do material SAE 1008
ENSAIO MATERIAL ÂNGULO [°] SENTIDO DE DOBRA DUREZA VICKERS [N/mm2] P1 P2 P3 P4 10 SAE 10 08 # 4, 75 mm 45° TR 81,163 75,970 101,524 81,436 11 PE 85,415 83,390 88,129 89,693 12 PA 76,466 87,515 102,292 90,011 13 75° TR 92,948 111,343 101,524 98,538 14 PE 90,330 103,068 98,538 102,292 15 PA 77,729 102,292 105,451 105,451 16 90° TR 73,323 75,234 81,436 71,938 17 PE 92,948 97,812 106,264 90,974 18 PA 94,987 80,891 106,264 91,625
A Tabela 12 apresenta os resultados obtidos dos ensaios de dureza Vickers para o material NBR 7008 ZAR-400.
