Aplicação da Simulação Numérica
na Indústria de Componentes
Estampados
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Relatório apresentado com vista à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica
Marco Luís Leal Azevedo
Orientador na Gestamp Portugal: Eng.º Ricardo Ribeiro
Orientador na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto: Prof. Abel Santos
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Resumo
Os processos de conformação plástica são de grande importância para a obtenção de componentes, sobretudo na indústria automóvel. No entanto nem sempre é fácil prever o comportamento que determinadas peças terão aquando da sua fabricação, e qualquer erro no projeto do processo de uma peça estampada normalmente resulta em reparações demasiado caras e morosas, levando a que a peça deixe de se tornar rentável ou ainda a atrasos no cliente que poriam em causa a reputação da empresa de estampagem e também a relação com os seus clientes.
Num mundo em que há uma constante inovação dos materiais e em que as exigências sobre a qualidade e tempo de colocação do mercado crescem quase exponencialmente, é necessário que, no projeto de obtenção de peças estampadas, os erros sejam minimizados logo no arranque do projeto.
As ferramentas de simulação numérica têm tido um papel fundamental na minimização desses erros e na diminuição do tempo que as peças estampadas levam a chegar ao mercado, uma vez que, com um projeto mais acertado logo à partida, os tempos de ensaio e de arranjo de ferramentas serão minimizados.
Neste trabalho são expostos três casos de estudo da aplicação da simulação numérica na indústria de componentes estampados que foram analisados dentro da empresa Gestamp Portugal LDA, uma empresa dedicada ao fabrico de componentes estampados e soldados para a indústria automóvel.
Como primeiro caso de estudo, foi usada a simulação numérica para a obtenção da área mínima necessária para a realização de um componente e qual a sua orientação na banda de chapa usada na ferramenta progressiva.
No segundo caso de estudo foi analisada a capacidade de realização de um componente num só passo de embutidura.
Por fim, no terceiro caso de estudo, foi analisada uma linha de ferramentas usadas numa linha de prensas e foram também testadas soluções para os problemas que foram surgindo nas simulações numéricas.
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Abstract
Metal forming processes are of great importance to obtaining parts, especially in the automotive industry. However it is not always easy to predict the material behavior during forming, which may result in defective parts or repairs, too expensive and time-consuming. As a consequence such parts will have the possibility of becoming non-profitable and its delays will affect the company's reputation as well as the relationship with customers.
In a world where a constant innovation in materials and processes exist, the demands on quality and time-to-market is growing almost exponentially, being of major importance that project and design of stampings will have any errors minimized at the very start of the design stage.
The numerical simulation tools have played a key role in minimizing these errors and decreasing the time it takes the stampings to hit the market, since accurate design will minimize developing time and testing, as well as arrangement of tools.
This work exposed three case studies of the application of numerical simulation in the industry of stamped components that were studied within the company Gestamp Portugal LDA, a company dedicated to the manufacture of stamped and welded components for the automotive industry.
As the first case study, the numerical simulation was used to obtain the minimum area necessary for the manufacturing of a component and its orientation in the band of sheet used in the progressive tool.
In the second case study we analyzed the ability of realization of a component in one single stamping step.
Finally, in the third case study, we analyzed a line of tools used in press line and were also tested solutions to problems that arose in the numerical simulations.
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Agradecimentos
À Gestamp Portugal por permitir que esta dissertação fosse desenvolvida nas suas instalações e por disponibilizar todos os meios técnicos e económicos necessários;
Ao Departamento de Projetos por disponibilizar a ajuda necessária sempre que surgiam dúvidas e ao seu diretor, Eng.º José Tiago Rocha, por me incluir nos projetos e nas reuniões do departamento;
Ao pessoal do Departamento de Recursos Humanos pela simpatia e companheirismo; A todos os colaboradores da Gestamp Portugal que participaram ativamente na minha formação dentro da empresa pela sua dedicação e por tudo que aprendi;
Ao Prof. Abel Santos pela disponibilidade e empenho para que esta dissertação se realizasse;
À minha família por fazerem de mim quem eu hoje sou;
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Índice
1 – Introdução ... 1
1.1 - Apresentação da Gestamp Portugal LDA ... 1
1.2 - Simulação Numérica de Operações de Embutidura ... 3
1.3 - Objetivos ... 4
1.4 - Estrutura ... 5
2 - Fundamentos de Conformação Plástica de Chapa ... 6
2.1 - Introdução ... 6
2.2 - Puncionamento ou corte de chapa ... 8
2.3 - Dobragem ... 8 2.4 - Embutidura ... 9 2.4.1 - Modos de Deformação ... 10 2.5 – Prensas ... 11 2.5.1 – Natureza de acionamento ... 11 2.5.2 – Forma da Estrutura ... 13
2.5.3 - Tipo/número de corrediças ou carros ... 14
2.6 – Ferramentas ... 15
2.6.1 - Ferramentas para Trabalho Peça a Peça ... 15
2.6.2 - Ferramentas Progressivas ... 16
2.6.3 - Ferramentas Transfer ... 16
3 – Materiais usados na Indústria Automóvel ... 18
3.1 – História da chapa de aço na indústria automóvel. ... 18
3.2 - Impacto Energético e Ambiental ... 23
4 – Casos de estudo de componentes de indústria automóvel obtidos por conformação plástica e seus processos. ... 27
4.1 – Determinação do Esboço Ótimo para a Realização de Componentes. ... 28
4.1.1 – Componente a estudar. ... 28
4.1.2 – Cálculo da área mínima de chapa consumida. ... 29
4.1.3 – Resultados ... 34
4.2 – Análise de Capacidade de Realização de um Componente Embutido. ... 35
4.2.1 – Componente a estudar. ... 35
4.2.2 – Modelo inicial de embutidura. ... 36
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4.2.4 – Embutidura do componente em duas etapas. ... 40
4.2.5 – Resultados finais. ... 42
4.3 – Estudo das Ferramentas de um Processo de Embutidura. ... 44
4.3.1 – Componente em estudo. ... 44
4.3.2 – Simulação do processo. ... 45
4.3.3 - Resultados da simulação ... 50
4.3.4 - Alterações ao Processo Original ... 55
4.3.5 – Resultados Finais Obtidos ... 55
5 - Conclusões e Trabalhos Futuros ... 59
Referências ... 60
Anexos ... 61
Anexo A – Realização de expositor para componentes fabricados na Gestamp Portugal LDA. ... 61
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1 – Introdução
Esta dissertação foi desenvolvida em ambiente empresarial na Gestamp Portugal. Nas secções seguintes, para além da apresentação da empresa serão introduzidos os temas aqui abordados.
1.1 - Apresentação da Gestamp Portugal LDA
A Gestamp Portugal Lda. Faz parte da Corporación Gestamp, uma multinacional da União Europeia, líder nos sectores do aço, componentes de automóvel, armazenamento e logística.
Figura 1 - Instalações da Gestamp Portugal LDA.
A Corporación Gestamp centra a sua atividade industrial em três linhas de negócio: Componentes Automóveis (Gestamp Automoción)
Centros de Serviço de Aço (Gonvarri)
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A Gestamp Portugal faz parte do grupo Gestamp Automoción, que se de dica ao desenho, desenvolvimento e fabrico de componentes e conjuntos metálicos para o sector automóvel, tendo atualmente uma forte presença mundial (América, Europa e Ásia).
A Gestamp Portugal LDA está intimamente ligada à Gestamp Vigo, uma vez que foi a partir desta empresa que foi criada a Gestamp Portugal LDA. Foi no ano de 1995 que, devido ao número crescente de pedidos, que a Gestamp Vigo sentiu a necessidade de ampliar as suas instalações fabris, e, num ato estratégico assente na grande proximidade geográfica e no bom relacionamento entre Portugal e Espanha, foi fundada a Gestamp Portugal (na altura com a designação Gestamp Lap Portugal que viria a mudar para a designação atual em 1999) em Vila Nova de Cerveira.
A fábrica encontra-se dividida em 8 UAP’s (Unidades Autónomas de Produção), em que 3 encontram-se dedicadas a operações de estampagem, 2 a operações de soldadura manual por resistência (pedestal), 2 onde se encontram as células de soldadura por resistência e MIG/MAG e uma dedicada à montagem de pedaleiras.
Figura 2 - Layout das instalações fabris da Gestamp Portugal LDA.
Com isto podemos concluir que o grosso do que é produzido na Gestamp Portugal é obtido a partir de processos de estampagem e de soldadura.
Para processos de estampagem, as tecnologias presentes na Gestamp Portugal são:
Uma linha robotizada constituída por 6 prensas de 300 t 12 prensas automáticas de 630/400/250 t
Uma prensa transfer de 630 t 4 prensas manuais de 300/125/80 t
Uma prensa automática e transfer de 1250 t
Figura 3 - Algumas das prensas presentes na Gestamp Portugal LDA.
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Para os processos de soldadura as tecnologias presentes são:
9 células de soldadura MIG/MAG 8 células de soldadura por resistência 3 máquinas de soldadura por resistência
25 máquinas manuais de soldadura por resistência (pedestal)
É também de salientar a constante melhoria de processos já existentes e a sua conjugação de modo a reduzir os tempos de fabricação das peças e, por consequência, os seus custos, como é o caso do encastrado, da roscagem e da soldadura em prensa; e ainda a introdução de processos inovadores, tais como a estampagem de peças com formatos ou bobines de espessura vaiável, a partir de Tailor Welded Blanks (formatos soldados com duas espessuras distintas) ou de Tailor Rolled Blanks (formatos que, aquando da sua laminagem, lhes é dada uma espessura variada), a soldadura Laser à distância (Laser Remote Welding) e a Soldadura Híbrida.
1.2 - Simulação Numérica de Operações de Embutidura
Atualmente o método dos elementos finitos é aplicado à análise e ao estudo de fenómenos e problemas muito diversos. Estes vão desde: estudo de sistemas vibratórios; análise do comportamento de materiais; resolução de problemas de condução de calor e de mecânica dos fluidos; eletricidade e magnetismo; impacto; conformação plástica de materiais; estruturas metálicas e/ou não metálicas; dimensionamento de grandes estruturas (barragens, pontes, etc.); hidrodinâmica e aerodinâmica; etc.
Na modelação do comportamento de materiais, o método dos elementos finitos permite considerar uma grande diversidade de comportamentos e modelos constitutivos, tais como, por exemplo, elasticidade linear (lei de Hooke), plasticidade, viscoplasticidade, hiperelasticidade, termoelasticidade, superfícies de cedência, modelos de dano, etc.
Um sistema que envolva muitos componentes e materiais com comportamentos distintos é um exemplo de um sistema complexo cuja análise beneficia da utilização de métodos numéricos como o método de elementos finitos. A simulação de impacto em automóveis ou outros meios de transporte é um desses casos. Tomemos, como exemplo, um modelo de uma porta de automóvel utilizado para simular numericamente um choque lateral e estudar a capacidade quer de absorção de energia quer de proteção dos passageiros de diversos sistemas de proteção inseridos na porta.
Figura 4 - As duas tecnologias de soldadura predominantes na Gestamp Portugal, por resistência e MIG/MAG.
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Figura 5 - Modelo geométrico de uma porta de automóvel (modelo tridimensional, modelo em elementos finitos e porta deformada após impacto) [Dias 2010].
Na área dos processos tecnológicos, o método dos elementos finitos constitui uma abordagem de uso alargado e de extrema eficiência no auxilio ao projeto de ferramentas, na previsão de defeitos de peças finais a obter e no ajuste de parâmetros de fabrico de peças metálicas, de entre outras aplicações, em processos convencionais de transformação, tais como a estampagem e a extrusão, ou em processos com implementação em larga escala mais recente, tal como a hidroformagem, por exemplo [Dias 2010].
Figura 6 - Resultado da simulação numérica do embutido de um copo cónico (malha de elementos finitos do componente final e representação dos valores de deformação plástica equivalente) [Dias 2010].
1.3 - Objetivos
Esta dissertação tem como principal objetivo estudar as aplicações e os desenvolvimentos que a simulação numérica permite dentro de uma empresa dedicada à estampagem de componentes para a indústria automóvel e avaliar a importância deste tipo de simulações para a qualidade e rentabilidade final dos componentes embutidos.
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1.4 - Estrutura
Este documento encontra-se organizado da seguinte maneira:
No primeiro capítulo é apresentada a empresa em que foi desenvolvida a dissertação, referindo a sua história e as tecnologias nela existentes. Além disto, é ainda introduzido o tema da simulação numérica de operações de embutidura.
No segundo capítulo são explicados os fundamentos por detrás das operações de conformação plástica. Nele são referenciadas as operações principais de conformação plástica, bem como as ferramentas que as tornam possíveis.
No terceiro capítulo é apresentada a evolução da utilização da chapa de aço na indústria automóvel e como esta enfrentou os desafios que se foram apresentando ao longo do tempo, bem como uma perspetiva do futuro destes materiais.
No quarto capítulo são abordadas as aplicações e o estudo feito sobre a utilização de software de simulação numérica para a resolução de diferentes problemas que surgem na indústria de estampagem de componentes.
No quinto capítulo são apresentadas as conclusões desta dissertação e algumas sugestões para trabalhos futuros.
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2 - Fundamentos de Conformação Plástica de Chapa
2.1 - Introdução
É definido com o termo embutido o conjunto de operações com as quais, evitando o surgimento de rugas, uma chapa plana é submetida a uma ou mais transformações a fim de se obter uma peça que possua uma forma geométrica própria, seja esta plana ou com volume; por outros termos, a chapa é submetida a uma deformação plástica. A realização prática destas operações é conseguida através do uso de dispositivos especiais denominados Matrizes ou Punções e aplicados, segundo a sua finalidade, em máquinas denominadas Prensas.
As operações de embutidura de chapa estão geralmente subdivididos em: Corte
Dobragem Embutidura
As primeiras duas são efetuadas geralmente a frio, enquanto que o embutido pode ser feito a frio ou a quente, segundo as necessidades técnicas requeridas.
As peças em que a realização é possível através do estampado a frio são obtidas a partir de um dos seguintes:
Formatos de chapa com dimensões normalizadas;
Formatos de chapa obtidas através do corte em cisalha a partir de formatos de dimensões normalizadas;
Bobines de largura fixa, segundo medidas e tolerâncias normalizadas.
Enquanto que os formatos são usados em prensas denominadas Transfer (o formato é transportado manualmente ou com recurso a robôs de uma prensa para a outra ou de uma operação para a seguinte) as bobines são usadas nas chamadas prensas Progressivas (a chapa é movida automaticamente com recurso a alimentadores de uma operação para a seguinte segundo um determinado passo).
As prensas Transfer são usadas para produções de pequenas e médias séries, já as Progressivas são indicadas para a produção de grandes séries.
Foram referidas três operações como sendo as principais (corte, dobragem e embutido), e para se obter uma peça acabada às vezes basta recorrer a uma só destas operações, de um modo particular a operação de corte. No entanto nem sempre é possível alcançar a geometria final pretendida com uma só fase de trabalho, porque, geralmente e consoante os casos, impõe-se a necessidade de recorrer a pelo menos duas das operações referidas:
Cortar → Dobrar Cortar → Embutir
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Estes pares de fases podem ser apenas aparentes, uma vez que qualquer um deles pode ser subdividido num determinado número de operações auxiliares e semelhantes, de modo a definir todo o processo operação por operação.
O ciclo de estampado, composto de uma sucessão ordenada de operações que transformam parte de uma chapa plana numa peça de forma definida, depende de diversos fatores:
A forma da peça final obtida: esta impõe, de um modo fundamental, um certo
número de operações diretamente proporcional á complexidade da mesma; ou seja, quanto mais simples é uma peça oca tanto mais pequeno será o número necessário de operações para obtê-la. Por exemplo, para se produzir uma taça simples podem ser suficientes apenas duas operações: o corte do disco de chapa e a sua embutidura.
As dimensões da peça: influenciam igualmente na determinação do número de
operações necessárias; por exemplo, para produzir uma taça bastante profunda em relação ao seu diâmetro, são necessárias, além da operação de corte do disco de chapa, duas ou mais operações de embutido.
A qualidade do material que constitui a chapa trabalhada: influencia também o
número de operações necessárias para se obter a peça, uma vez que um disco de chapa muito plástica, ou seja que permite grande deformação, permite um embutido profundo, enquanto que outro disco com igual diâmetro e espessura mas constituído de chapa menos macia admite um embutido menos profundo; ou seja para ser obtida a mesma peça é necessário um maior número de operações. Para a determinação do ciclo de embutidura todos estes fatores são considerados simultaneamente, ainda que não haja uma relação direta entre eles.
A escolha da máquina (prensa) com a qual se deve efetuar determinado trabalho faz-se de acordo com a forma e dimensões da peça a produzir e também com o número de operações para esta ser realizada.
No momento de estudar a fases de trabalho, também devem ser previstas as suas condições térmicas, ou seja, se este se realizará a frio ou a quente. Regra geral, só se efetuam trabalhos a quente em casos em que a peça, ao mudar de forma, sofre uma transformação considerável, na qual deve ser tida em conta a espessura da chapa. Em outras palavras, nem sempre é possível obter a frio e numa só fase de transformação uma peça aceitável. A capacidade de realização e o bom resultado de uma transformação plástica a frio de uma chapa está diretamente relacionado com a forma final da peça e a espessura da chapa que a constitui. Uma chapa grossa (> 7 mm) de aço semiduro e duro requer um estampado a quente. Durante o projeto do ciclo de trabalho de um determinado elemento é bom prever a possibilidade e o modo de construir as matrizes, uma vez que, adotando métodos de trabalho simples e eficazes, pode obter-se o máximo de rendimento com o mínimo de operações [Rossi 1971].
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2.2 - Puncionamento ou corte de chapa
O corte é uma operação mecânica, na qual, mediante ferramentas aptas para o corte, se separa uma parte metálica de outra, obtendo-se uma figura específica.
É uma operação que se encontra relacionada com os fenómenos de conformação plástica. Numa primeira fase o punção, no movimento de encontro à matriz, exerce pressão sobre a chapa, originando mesmo uma forma côncava. De seguida o punção, não encontrando resistência por parte da matriz, continua o seu movimento levando a uma expansão lateral do meio plástico. Então o esforço de compressão converte-se num instante num valor igual ao da resistência de corte; o que provoca uma separação brusca entre o material que se encontra sob o punção e o resto da chapa. Seguidamente o material separado cai para o fundo da matriz, concluindo assim o trabalho de corte [Rossi 1971].
Figura 7 - Esquema de uma operação de puncionamento [Rossi 1971].
2.3 - Dobragem
É a operação mais simples a seguir à de corte e ocupa um lugar importante no ciclo produtivo, uma vez que muitos objetos, depois de terem sofrido uma primeira operação de corte, são normalmente submetidos a uma ou mais fases de dobragem.
Durante este tipo de operações torna-se necessário evitar que a chapa sofra um alargamento, uma vez que isto levaria a uma variação da espessura da chapa. Assim esta operação consiste em variar a forma de um objeto de chapa sem que a espessura do material que o constitui seja alterada, de forma a que todas as secções se mantenham constantes.
Para que não se originem variações de espessura torna-se necessário um estudo das ferramentas e uma afinação exata do curso que estas vão ter.
Para a generalidade das operações de dobragem é necessário ter em conta os seguintes fatores: o comprimento da dobra e se esta é obtida numa quinadora ou se é possível que esta seja realizada através de ferramentas montadas em prensa (para elementos relativamente curtos). A ser possível que a dobra se realize em prensa devem evitar-se as
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esquinas vivas; para tal é aconselhável que se fixe os raios de curvatura interiores para um valor igual ou superior ao da espessura da chapa a ser dobrada, de modo ao evitar que se estire excessivamente a fibra exterior e garantir que se obtém uma dobra sem roturas.
Uma vez concluída a operação de dobragem, a peça tende a regressar à sua forma inicial, e tanto maior será esse efeito quanto mais duro for o material que constitui a chapa. Este fenómeno deve-se à elasticidade presente nos materiais. Por este motivo, ao construírem-se as ferramentas, é fixado um ângulo de dobragem mais acentuado para que, quando se cessa a pressão sobre a peça, esta possua o ângulo de dobragem desejado [Rossi 1971].
Por vezes, antes de concluir a execução da peça, é necessário efetuar mais fases de dobragem, que podem realizar-se com várias ferramentas ou com apenas uma; tal depende:
Da forma da peça, ou das possibilidades de execução que esta permite Da quantidade de peças que pretendemos obter.
Figura 8 - Exemplo de uma operação de dobragem [Rossi 1971].
2.4 - Embutidura
A embutidura é um processo tecnológico de obtenção de peças ocas por deformação plástica de chapas planas. De um modo geral, as peças obtidas por embutidura são caracterizadas por possuírem superfícies não planificáveis. É esta característica que distingue a embutidura de outros processos de conformação plástica.
Nestas operações a chapa plana é obrigada a tomar a forma da matriz por meio de um punção, não se devendo, teoricamente, modificar a sua espessura. Disto resulta que a superfície da peça produzida tem de ser equivalente à da chapa plana utilizada, o que não se verifica com exatidão na prática.
Numa primeira análise podemos classificar as ferramentas básicas de um processo de embutidura em dois tipos:
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Ferramentas de simples efeito: ferramenta em que a chapa simplesmente é forçada pelo punção a entrar e tomar a forma da matriz;
Ferramentas de duplo efeito: ferramentas em, que durante o embutido, a chapa se encontra restringida por um cerra-chapas.
A diferença fundamental entre a ferramenta de simples efeito e duplo efeito reside pois na existência de cerra-chapas na ferramenta de duplo efeito, que é sem dúvida a mais corrente [Santos 2005].
2.4.1 - Modos de Deformação
Existem dois tipos fundamentais de modos de deformação em embutidura:
Embutidura por extensão - neste modo de deformação a chapa sofre um alongamento positivo (tração e aumento de comprimento) numa direção do plano da chapa e um alongamento negativo (compressão e diminuição de comprimento) na direção perpendicular à anterior.
Embutidura por expansão - neste modo de deformação a chapa sofre alongamentos positivos (tração e aumento de comprimento) em todas as direções do plano da chapa.
Os dois modos principais de deformação em embutidura dependem diretamente da ação do cerra-chapas. Assim, se não existir cerra-chapas ou a pressão deste for insuficiente, o modo de deformação é, fundamentalmente, por extensão. Se a pressão do cerra-chapas for suficientemente elevada de modo a impedir o deslizamento da chapa entre a matriz e o cerra-chapas, o modo de deformação é, fundamentalmente, por expansão. Para conseguir o efeito de bloqueamento, é vulgar utilizar-se, para além de uma pressão do cerra-chapas, saliências na matriz ou no cerra-chapas, designados freios, que podem restringir ou impedir o deslizamento da chapa
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Os dois modos de deformação em embutidura descritos anteriormente têm uma influência determinante na espessura final do produto obtido. Assim, na deformação em expansão a espessura final da peça é, necessariamente, inferior à da chapa que lhe deu origem.
Figura 10 - Exemplo de aplicação de um freio.
Na deformação por extensão, como geralmente é o caso das paredes laterais e do fundo do embutido cilíndrico, a espessura destas zonas é igual à espessura inicial da chapa, enquanto que na gola, devido às tensões de compressão existentes na zona, a espessura da chapa tende a aumentar.
2.5 – Prensas
Denomina-se de prensa uma máquina-ferramenta que fornece a energia necessária para as operações de conformação plástica de chapa metálica de modo a se obter uma peça final com uma geometria característica.
Estas prensas são caracterizadas principalmente por uma força nominal que determina a sua rigidez estrutural; ou seja, esta força nominal é a máxima que uma dada prensa consegue realizar sem que haja o risco de esta se danificar ou deformar a sua estrutura. Este é um dos fatores que determina qual o tipo de peças que serão executadas em determinada prensa [ASM 1988].
As prensas podem ser classificadas segundo: A natureza do acionamento
A forma da estrutura
O tipo/número de corrediças ou carros
2.5.1 – Natureza de acionamento
As prensas para conformação plástica de chapa podem ser acionadas ou mecânica ou hidraulicamente.
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Tabela 1 - Comparação entre prensas hidráulicas e mecânicas [ASM].
Força Capacidade Compriment o do curso
Velocidade do Carro
Controlo Usos preferenciais
Mecânica Varia dependendo da posição do carro Máximo praticável ~54MN (6000 tf)
Limitado Mais elevada que nas prensas hidráulicas pode variar. Máxima a meio do curso. Normalmente é necessário percorrer todo o curso antes do recuo. Operações em que é requerida máxima pressão perto do fim do curso. Operações de corte como o corte de formatos e para embutidos relativamente pouco profundos.
Bom para altos níveis de produção e para operações com ferramentas transfer e progressivas Hidráulica Relativament e constante (não depende da posição do carro) 445 MN (50 000 tf) ou mais Capaz de cursos longos (2.5 m) Baixas velocidades de trabalho com avanços e recuos rápidos. Velocidade constante ao longo do curso. Ajustável: o carro pode recuar em qualquer posição.
Operações que requerem uma pressão uniforme ao longo do curso.
Operações de embutido profundo, ensaio de ferramentas, embutidos de peças com geometria irregular, operações que requerem forças elevadas e variadas e operações que requerem cursos variáveis ou parciais.
2.5.1.1 - Prensas Mecânicas
Na grande maioria das prensas a energia provem de um volante de inércia e é depois aplicada ao carro por meio de alavancas, engrenagens ou excêntricos durante o curso de trabalho do carro. O volante gira continuamente e é solicitado, por meio de uma embraiagem, unicamente quando é necessário uma batida da prensa.
Em algumas prensas mecânicas de muito grande porte, o motor está diretamente ligado ao veio da prensa, eliminando a necessidade de um volante de inércia e de uma embraiagem [ASM].
2.5.1.2 - Prensas Hidráulicas
Pressão hidrostática exercida sobre um ou mais pistões fornece a energia necessária para uma prensa hidráulica. A grande maioria das prensas hidráulicas possui uma bomba de volume e pressão variáveis de modo a permitir que estas tenham um rápido movimento de subida e descida. Também permite uma velocidade de trabalho baixa mas a elevadas pressões de trabalho.
A capacidade de uma prensa hidráulica depende do diâmetro dos pistões hidráulicos e na máxima pressão hidráulica que lhe foi classificada, sendo esta ultima em função da pressão da bomba e dos mecanismos relacionados. No entanto uma bomba de elevada pressão executa um trabalho a uma menor velocidade. Por norma todas as corrediças são controladas por um só sistema de bombeamento.
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Devido à sua construção, as prensas hidráulicas podem ser construídas segundo as exigências do cliente a um custo relativamente baixo. Podem ser concebidas com um variado número de corrediças e de movimentos, ou podem até incluir circuitos hidráulicos independentes para variadas ações independentes. Pode-se ainda executar ações auxiliares dentro da estrutura da prensa através de cilindros independentes. Para ser possível ter tais ações auxiliares numa prensa mecânica seria necessário recorrer a excêntricos, que são caros e complexos.
As prensas hidráulicas têm por norma um curso de trabalho maior do que o existente nas prensas mecânicas, e a força pode ser constante ao longo de todo esse mesmo curso. Possuem um curso, que pode ser ajustado, para uma ou mais corrediças, podendo ainda existir a presença de acumuladores de modo a permitir uma abertura ou fecho da corrediça a uma velocidade superior [ASM].
Figura 11 – Exemplos de uma prensa mecânica (à esquerda) e de uma prensa hidráulica (à direita).
2.5.2 – Forma da Estrutura
Quanto à forma da sua estrutura, as prensas encontram-se classificadas, de uma maneira global, dentro de dois grandes grupos: prensas de colo de cisne e prensas de duplo montante.
Dentro destes dois tipos os detalhes de construção podem ser muito variados [ASM].
2.5.2.1 - Prensas de Colo de Cisne
A forma característica destas prensas (em C) permite que o acesso à área de ferramenta seja muito facilitado de qualquer um dos lados da prensa, tal como da frente, de modo a facilitar a mudança de ferramentas ou a colocação de uma nova bobine/formato de chapa.
As peças são normalmente expelidas por uma abertura existente na mesa de prensa ou pela parte traseira da prensa caso, esta seja aberta.
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A construção da prensa em colo de cisne tem uma grande desvantagem: a abertura frontal torna-se mais aberta com a carga de trabalho causando um deslocamento angular entre as duas superfícies da ferramenta, o que irá provocar um desalinhamento entre punções e matrizes resultando num desgaste prematuro das ferramentas.
Podem ser usados tirantes de modo a minimizar este problema. Apesar de limitar o acesso quando a ferramenta se encontra a trabalhar (para alimentação de formatos ou troca de posto), estes tirantes podem ser removidos temporariamente para a troca de ferramentas; ainda assim é uma solução que não resolve o problema na totalidade [ASM].
2.5.2.2 - Prensas de Duplo Montante
As prensas de duplo montante possuem uma rigidez muito superior à permitida pelas prensas de colo de cisne, no entanto esta configuração vai dificultar o acesso à messa de prensa e, consequentemente, os trabalhos que tenham de ser feitos nesta.
A configuração das prensas de duplo montante permite que sejam usados uma grade variedade de tamanhos de mesas e carros na prensa. Estas prensas vão de valores capacidade de 180 kN (20 tf) e dimensão de 510x380 mm até valores de 36 MN (4000 tf) de capacidade e 915x455 de dimensão [ASM].
Figura 12 - Prensa hidráulica em colo de cisne e prensa mecânica de duplo montante.
2.5.3 - Tipo/número de corrediças ou carros
As prensas mecânicas e hidráulicas podem ter um, dois ou três corrediças e são denominadas de simples, duplo ou triplo-efeito, respetivamente. Cada uma das corrediças pode mover-se e ser controlada separadamente.
A maior parte das prensas que se utilizam atualmente, sejam hidráulicas ou mecânicas, utilizam uma corrediça de simples efeito, uma vez que o efeito de cerra-chapas obtido com as
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corrediças de duplo efeito, é conseguido com a utilização de ferramentas que usam molas e/ou cilindros a gás para o mesmo efeito. As prensas com corrediça de triplo efeito são de uso exclusivo para peças que necessitem de contra embutidos pouco profundos [ASM].
2.6 – Ferramentas
As ferramentas usadas nas operações de conformação plástica apresentam as mais variadas configurações, tendo, no entanto, sempre como finalidade a obtenção de uma peça embutida com a máxima qualidade e ao menor custo. Na procura de produzir uma peça quase no seu estado final utilizam-se conjuntamente as tecnologias de embutidura, de dobragem e de corte. Estas ferramentas, na maioria dos casos muito complexas, aumentam a dificuldade da realização de classificação simples das ferramentas [Santos 2005].
Apesar de haver muitos critérios para a classificação das ferramentas para as operações de conformação plástica de chapa metálica, vamos focar-nos na sua caracterização quanto às operações que estas realizam. Segundo este critério as ferramentas podem dividir-se em três grandes grupos:
Ferramentas para Trabalho Peça a Peça Ferramentas Progressivas
Ferramentas Transfer
2.6.1 - Ferramentas para Trabalho Peça a Peça
Nestas ferramentas é efetuada uma única operação em cada golpe da prensa, sendo necessária uma ferramenta para cada operação de uma dada peça. Assim, para que uma peça em que seja necessário mais do que uma operação, as peças terão de ser deslocadas de prensa em prensa, ou então será necessária a troca de ferramenta de cada vez que se deseje efetuar uma nova operação até que seja concluída a produção.
16 2.6.2 - Ferramentas Progressivas
Este tipo de ferramenta executa várias operações de embutidura, de corte, de puncionagem, etc., numa determinada sequencia e apenas numa única ferramenta. Quando a peça que pretendemos obter exige várias operações é habitual utilizarem-se ferramentas progressivas. Neste tipo de ferramenta as operações são sequenciais, à medida que a chapa (em banda ou em formato) vai entrando na prensa. Entre cada descida da corrediça, dá-se um deslocamento da banda, que é designado por “passo ou avanço da ferramenta”. Nesta sequência de operações, a peça vai-se mantendo agarrada à banda (esqueleto) até à última operação da ferramenta onde se executa a separação da dita peça, ficando esta com o seu contorno final [Santos 2005].
Figura 14 - Exemplo de uma ferramenta progressiva e a banda de chapa representativa das operações nela realizadas existente na Gestamp Portugal.
2.6.3 - Ferramentas Transfer
O termo transfer designa uma sucessão de operações diferentes em várias ferramentas colocadas numa mesma prensa, em que:
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1. A matéria-prima entra a partir de bobines e no 1º posto dá-se o corte da chapa podendo ainda conjuntamente executar uma outra operação (a chapa pode também já vir cortada quando entra no 1º posto da ferramenta).
2. A chapa ou embutido intermedio passa de posto para posto por meio de pinças ou braços de robot para ser submetida às diferentes operações de conformação. As prensas utilizadas para estas ferramentas são geralmente concebidas especialmente para este tipo de utilização e podem também ser designadas de transfer. São geralmente em arcada e dispõem de uma mesa longa (o que obriga geralmente á existência de duas bielas) e de um dispositivo de avanço. O custo do conjunto é bastante elevado, pelo que é empregue principalmente em grandes produções [Santos 2005].
Figura 15 - Pinças CNC usadas para deslocar uma peça de um posto de operação para o seguinte dentro da ferramenta transfer.
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3 – Materiais usados na Indústria Automóvel
3.1 – História da chapa de aço na indústria automóvel.
A indústria automóvel é o mercado mais importante para a chapa de aço e tem proporcionado o maior estímulo e desafio para o desenvolvimento de novos produtos, novas formas de usá-los e uma maior consistência do produto. Apesar da concorrência das ligas de alumínio e dos plásticos, o aço manteve-se como o material predominante para a carroçaria do automóvel e componentes estruturais, devido à sua boa formabilidade, alto módulo de elasticidade, facilidade de soldadura e custo relativamente baixo. Vários tipos de aço já compreendem 50-60% do peso dos veículos.
No entanto, desde os anos 1970, ocorreram alterações significativas na seleção de aços para a construção automóvel:
1. A necessidade de reduzir o consumo de combustível e as emissões de fumos, mantendo o desempenho estrutural.
2. A necessidade de melhorar o desempenho de corrosão para ser capaz de proporcionar aos clientes melhores garantias contra a deterioração estrutural e cosmética.
3. A necessidade de melhorar a segurança dos passageiros.
Um menor consumo de combustível pode claramente ser conseguido por uma eficiência do motor melhorada, mas também tem sido conseguida através da redução do peso do veículo. Figura 15 mostra, para os 30 melhores carros europeus registados, como os quilômetros percorridos por litro aumentam com a diminuição do peso, mas também mostra que, para um determinado peso, houve um aumento geral na distância percorrida no período 1982-1992 devido a outras razões. Claramente, um carro com um peso reduzido e, portanto, um consumo de combustível baixo, será atrativo de um ponto de vista económico, mas também irá conduzir a uma redução na formação dos denominados gases de efeito de estufa, como o CO2, que podem levar
ao aquecimento global.
Figura 16 - Variação de consumos em km por litro de combustível com o peso do veículo [Llewellyn 2000].
Quilómetros por litro de combustível
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Durante os anos 1970, aços com valores de resistência mais elevados foram introduzidos nos Estados Unidos para os elementos estruturais ou relacionados com a segurança, tais como reforços para para-choques, vigas laterais da porta e âncoras do cinto de segurança. Estes componentes foram fabricados principalmente a partir de aços laminados a quente, tratados com nióbio e micro-ligados que proporcionaram uma relação custo / resistência / peso favorável em comparação com a menor resistência do aço não ligado ou de qualquer outra tira de aço disponível no momento. Além disso, seu uso exigia apenas pequenas alterações nos métodos de fabricação e nas instalações. Infelizmente, uma vez que estes eram componentes novos, a sua utilização inevitavelmente levou a um aumento no peso do veículo. Mais recentemente aços com maior resistência e de menor calibre têm sido utilizados para alguns destes componentes para remover algum do peso adicional que tinha sido introduzido. Estes têm incluído os aços de muito alta resistência, com uma resistência à tração superior a 1000 MPa, reforçado por uma elevada taxa de produto de transformação, e aços que desenvolvem a sua muito alta resistência, por tratamento térmico e de têmpera após a formação. As crises do petróleo de 1973 e 1979 provocaram os estímulos iniciais para a redução de peso em si. A carroçaria é montada a partir de grandes painéis e constitui cerca de 25-30% do peso total de um carro de tamanho médio, logo este é o componente mais pesado do veículo. Era assim evidente que a redução do peso do corpo pode ter um impacto significativo sobre o peso total do carro acabado. Foi percebido que isto pode ser feito através da substituição do aço pelo alumínio ou pelo plástico, mas a penalização seria ao aumento do custo. Foi geralmente aceite que a utilização de aço de alta resistência, que permitiria manter o desempenho dos componentes com uma espessura reduzida, era a única maneira de obter uma redução tanto do peso como dos custos.
Os aços micro-ligados mencionados anteriormente foram adequados para o uso em partes estruturais relativamente simples, mas a sua formabilidade reduzida e aumento retorno elástico (springback) quando comparados com aços macios de menor resistência impediu a sua utilização para os painéis de grande porte, que em geral envolviam operações difíceis de conformação. Além disso, a deformabilidade de qualquer aço diminui com a redução da espessura. Qualquer diminuição da espessura, por conseguinte, só agrava a perda de maleabilidade que surge a partir do aumento de força.
A reação da indústria automóvel em todo o mundo foi solicitar aços com um aumento relativamente pequeno na força sobre o aço macio, com a perda de formabilidade reduzida a um mínimo, mantendo os valores de r elevado. O primeiro desses aços eram os aços refosforados que, como indicado anteriormente, mantinham os maiores valores de r e os valores mais elevados de alongamento do que teria sido obtido a partir de qualquer micro-liga de aço de resistência similar. Aços com resistência mínima de 180, 220, 260 e 300 N/mm2 estão disponíveis na Europa, embora as referências com a resistência mais baixa são as que têm sido mais comummente usadas. Os aços refosforados iniciais foram recozidos e baseados numa composição calmada a alumínio, mas uma tendência mais recente tem sido a de recozimento de diferentes tipos de aço de forma contínua, quer por uma linha de recozimento contínuo, ou numa linha de galvanização a quente. Os aços revestidos com imersão a quente, geralmente com um revestimento galvanneal (galvanizado a quente combinado com recozido) para a indústria automóvel, tendem a basear-se numa composição do tipo IF para ser mais
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compatível com um ciclo de recozimento contínuo. Esses aços, como mencionado anteriormente, podem também ser uma solução sólida reforçada com boro, manganês e silício, bem como uma pequena adição de fósforo para reduzir os problemas que de outra forma seriam associados a níveis elevados de fósforo.
Os aços reforçados por solução-sólida criados ao ligar uma composição calmada a alumínio ou de base num IF, são suficientemente moldáveis para permitir painéis difíceis de serem produzidos sem estiramentos ou roturas locais, mas ainda têm sido sujeitos a um maior retorno elástico do que o existente num aço macio de menor resistência. A tendência, portanto, tem sido a utilização de aços endurecidos por envelhecimento. Estes aços têm geralmente um índice mínimo de endurecimento de 40 N/mm2. Logo, é possível, com um aço endurecido por envelhecimento, atingir valores de formabilidade e retorno elástico equivalentes aos de um aço não envelhecido, mas com o desempenho em serviço de um aço de grau mais elevado.
Muitas aplicações de aços endurecidos por envelhecimento visam proporcionar uma resistência plástica melhorada a mossas, principalmente em peças ligeiramente deformadas com baixa curvatura, como capôs e tampos de bagageira. Drewes e Engl apresentaram uma relação entre o limite de elasticidade, espessura da chapa e a carga necessária para dar a mesma profundidade residual de 0,2 mm de mossa, tal como ilustrado na Figura 16. Isto pode ser usado para calcular que redução na espessura pode ser obtida para a mesma resistência a mossas recorrendo a um maior limite de elasticidade. As curvas para aços refosforados, micro-ligados e endurecidos por envelhecimento produzem efeitos semelhantes para a mesma espessura da chapa de aço, mas no aço de dupla fase dá-se um efeito diferente, devido à elevada taxa de encruamento.
Figura 17 - Efeito do limite de elasticidade e da espessura de chapa na resistência a mossas (F0.2 = carga que produz uma mossa de 0.2 mm de profundidade remanescente) [Llewellyn 2000].
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Figura 17 dá um resumo do desenvolvimento histórico da utilização de aço de alta resistência em carros a partir de um ponto de vista europeu.
Figura 18 - Evolução dos aços de alta resistência laminados a frio para aplicação em carroçarias de automóveis até ao ano 2000 [Llewellyn 2000].
A redução de peso, até agora, tem sido feita principalmente pela substituição de aços mais grossos para mais finos, sem qualquer mudança importante no conceito de design. Recentemente, um grande projeto foi iniciado, com a fase 1 patrocinada por 32 grandes empresas siderúrgicas de todo o mundo, para maximizar a redução de peso utilizando os processos de fabricação existentes e tipos de aço que estão disponíveis. O projeto conhecido como o projeto ULSAB (ultra light steel auto body), tem como objetivo conceber um body-in-white [BIW - componentes de chapa metálica da carroçaria de um carro que foram soldadas mas antes de partes móveis (portas, capôs guarda-lamas), do motor, subconjuntos do chassis, ou acabamento (vidros, cadeiras, estofados, eletrônicos, etc.) serem adicionados e antes de pintar] com as mesmas características de desempenho ou superiores às de projetos existentes, mas com um peso reduzido. A fase 1 do projeto foi concluída e o progresso foi revisado.
Uma marca de um referência de projetos existentes foi obtida tomando-se os valores médios ao longo de vários projetos existentes, adequados e de médio porte, e normalizando-se os números tendo em conta a diferença de tamanho do veículo. As principais características de desempenho a ser considerados são a rigidez estática à torção, a rigidez à flexão estática e o primeiro modo BIW. Esta última é a frequência de ressonância de vibração do corpo e deve ser tão elevada quanto possível, para o conforto dos passageiros. Tabela 1.14 dá as propriedades esperadas para um corpo de tamanho médio típico, no período pós-2000, após serem feitas razoáveis novas melhorias dos tipos existentes de desenho. Ela compara-as com as metas para o projeto ULSAB e os números que foram alcançados. Vê-se que o principal objetivo foi o de obter uma redução de 20% de peso de 250 para 200 kg, enquanto mantém ou melhora a performance do corpo. É evidente que os objetivos de desempenho tenham sido
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alcançados confortavelmente, mas o objetivo da redução de peso não foi completamente conseguida.
Tabela 2 - Resultados do progresso do projeto ULSAB no fim da fase 1 [Llewellyn 2000].
Valores representativos para período após 2000 Valores de performance alvo Valores obtidos Massa 250 kg 200 kg 205 kg Rigidez torsional estática 13 000 N.m/O >13 000 N.m/O 19 056 N.m/O Rigidez à flexão estática 12 200 N/mm >12 200 N/mm 12 529 N/mm
Primeiro modo BIW 40 Hz >40 Hz 51 Hz
A abordagem para o design tem sido uma holística. Assim, as partes da carroçaria foram aumentadas em peso para serem feitas maiores reduções em outro lugar. A hidroconformação tem vindo a ser usada para fazer secções do tejadilho, que não poderiam ser facilmente feitas utilizando técnicas convencionais de conformação. A rigidez à torção e à flexão da estrutura tem sido melhorada por ligações soldadas, mas algumas das juntas contínuas também têm sido realizadas por meio de soldadura laser. A redução da complexidade da estrutura tem sido conseguida pela utilização de Laser Welded Blanks, evitando assim a necessidade de membros de reforço adicionais. O custo estimado da produção foi dado como 154 dólares menos do que para um típica BIW de medio porte e representa uma economia de 14%. Já foi dito, por conseguinte, que haveria um caso para a fabricação de um corpo ULSAB mesmo que não fosse prevista nenhuma economia em peso.
É interessante notar que os aços com um limite de elasticidade acima de 210 MPa foram especificados para dois terços das partes no desenho ULSAB e uma proporção elevada do aço utilizado também é revestida com um ou outro dos revestimentos de proteção de corrosão disponíveis. É evidente, portanto, que a proteção contra a corrosão, bem como o desempenho mecânico, tem sido um aspeto importante do desenho. Vários corpos de aço estão a ser construídos para confirmar e demonstrar o design e desempenho da fase 1. Estes foram exibidos em todo o mundo em 1998 [Llewellyn 2000].
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No entanto já estão previstas ainda mais inovações para os aços a aplicar na indústria automóvel, uma vez qua as exigências de segurança são ainda maiores (sendo necessários mais sistemas de segurança quer ativos quer passivos), que vão aumentar o número de componentes e o peso global da viatura, mas também as exigências ambientais têm nos dias de hoje um enorme peso (um veiculo mais pesado tende a consumir mais combustível, como referido anteriormente). Com esta pressão sobre a redução do peso total dos veículos e com a contínua pesquisa existente sobre os aços, prevê-se que, entre 2017 e 2025 suja uma nova geração de aços de alta resistência para a indústria automóvel, com mais altas resistências mecânicas e maiores taxas de deformação [Autosteel].
Figura 20 - Aços previstos para utilização na indústria automóvel [Autosteel].
3.2 - Impacto Energético e Ambiental
À medida que as grandes potências começam a aplicar as novas fontes de energia verde, torna-se necessário que as indústrias siderúrgicas se adaptem para novos métodos de produção que tirem proveito dessas mesmas fontes de energia limpas.
A indústria siderúrgica tem continuamente reduzido a sua necessidade de energia, minimizando assim a pegada no meio ambiente. Desde 1990, a intensidade de energia para fazer uma tonelada de aço foi reduzida em 27 por cento.
Devido a esses avanços, os processos siderúrgicos que usamos hoje estão a aproximar-se dos limites definidos pelas leis da física. Para fazer novas reduções no consumo de energia e emissões de CO2, novos processos são obrigatórios.
Entre 1990 e 2009, a indústria siderúrgica norte-americana reduziu a intensidade de CO2 por tonelada de aço produzido em 35% e 30% a intensidade energética como resultado de
investimentos voluntários em P & D e nova tecnologia consequente.
Hoje, a indústria siderúrgica norte-americana opera com o menor consumo de energia por tonelada de aço produzido no mundo.
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Figura 21 – Consumo de energia por tonelada de aço produzido na indústria siderúrgica Norte Americana (fonte: American Iron and Steel Institute)
Entre 1990 e 2009, a indústria siderúrgica norte-americana reduziu a intensidade de CO2 por tonelada de aço produzido em 35% e 30% a intensidade energética como resultado de
investimentos voluntários em P & D e nova tecnologia consequente.
Hoje, a indústria siderúrgica norte-americana opera com o menor consumo de energia por tonelada de aço produzido no mundo.
Os esforços para alcançar melhorias incrementais no uso de energia e redução de emissões de CO2 continuarão, no entanto, a fim de fazer grandes reduções em futuras
reduções energia/CO2, novos métodos de produção de aço irão requer um pensamento
completamente novo e inovador.
Figura 22 - Intensidade de resíduos de CO2 na produção de aço Norte-Americana.
O aço é parte integrante de uma sociedade moderna que tem uma alta qualidade de vida. Desde os carros que conduzimos, às pontes que cruzamos, as embalagens dos alimentos que comemos, os dipositivos que utilizamos nos edifícios que vivemos e trabalhamos. Todos
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estes aços serão reciclados e voltam a aparecer como produtos ainda melhores assegurando um futuro seguro.
Reciclagem é a conexão de sustentabilidade do aço. O aço é infinitamente reciclável, o que significa que pode ser reciclado várias vezes sem perda de desempenho.
Tabela 3 - Comparação de valores energéticos e de caris ambiental do aço e do alumínio.
Energia GJ/t Potencial para Aquecimento Global t-CO2 eq/t SO2 eq kg/t Alumínio 155 11,06 50,43 Aço 21,6 2,01 5,118
Como, mais e mais atenção está a ser dada ao impacto do ciclo de vida dos materiais há um foco renovado sobre a Avaliação do Ciclo de Vida para bens de consumo. Sejam as latas das quais comemos ou dos carros que conduzimos, o impacto de questões de produção de materiais interessa.
O aço é o material mais reciclado do planeta, mais do que todos os outros materiais combinados. O gráfico abaixo revela uma taxa de reciclagem global de aço extremamente alta, que, em 2008, situou-se em mais de 83%.
Figura 23 - Taxa anual de reciclagem do aço.
As propriedades metalúrgicas surpreendentes do aço permitem que seja reciclado continuamente, sem degradação do desempenho, de um produto para o outro.
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As fontes para sucata de aço são abundantes, mas são classificados em três categorias principais: sucata caseira, sucata rápida e sucata obsoleta.
Sucata caseira é a sucata que é produzida a partir de dentro da própria fábrica e está disponível em algumas semanas. Sucata rápida é sucata que é produzida a partir de fabricação de produtos de aço, e está disponível em poucos meses. Sucata obsoleta é produzida a partir de produtos de aço no final de suas vidas e podem passar décadas antes que esta sucata esteja disponível (exemplo: A Ponte Golden Gate).
Mesmo quando dois de cada três toneladas de aço novo são produzidas a partir de aço velho, ainda é necessário continuar a usar algumas quantidades de materiais virgens. Isso é verdade porque para muitos produtos de aço permanecem em serviço, como bens duráveis por décadas e a demanda por aço em todo o mundo continua a crescer.
Além da sucata de aço em si, a indústria siderúrgica há muito tempo recicla os seus subprodutos: carepa, escórias siderúrgicas, água e outros líquidos de processamento. Do mesmo modo, as poeiras e lamas do fabrico de aço são processadas de modo a que os outros metais, tais como o zinco, possam ser recuperados e reutilizados.
O aço é o motor que impulsiona a reciclagem de muitos bens de consumo, como pode ser visto pela taxa de reciclagem de cerca de 100 por cento dos automóveis, a mais de 80 por cento da taxa de reciclagem de aparelhos e a mais de 60 por cento da taxa de reciclagem de embalagens de aço [Autosteel].
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4 – Casos de estudo de componentes de indústria automóvel
obtidos por conformação plástica e seus processos.
A utilização de técnicas de simulação numérica na conceção de processos de fabrico tem experimentado uma aceitação crescente na indústria nas últimas décadas. A aplicação de métodos computacionais continua, porém, ainda muito limitado nas etapas mais tardias de ensaio e produção do processo de desenvolvimento. Isto é principalmente devido ao fato de as técnicas de simulação atualmente aplicadas ainda se baseiam em simplificações importantes dos sistemas de produção reais.
Estender a aplicação de técnicas de simulação para as fases posteriores do processo de desenvolvimento é uma tarefa desafiadora e exige uma melhoria substancial dos modelos usados atualmente. Mesmo pequenas modificações feitas nas superfícies ativas da ferramenta durante ensaio são conhecidas por terem um grande impacto sobre a qualidade e robustez do processo. Uma descrição muito precisa da condição de contacto entre as ferramentas e o formato, incluindo o comportamento elástico das ferramentas, é, portanto, necessária. Além disso, o comportamento dependente da temperatura dos materiais do formato, bem como de lubrificantes, têm de ser modelados com precisão, de modo a aproximar às condições de produção real.
Uma outra área de investigação nova é a melhoria da robustez do processo, durante a produção através do uso de sistemas de controlo de adaptação. Sistemas não destrutivos de medição podem ser combinados em algoritmos de controlo especialmente concebidos para detetar e evitar falhas durante a produção. Além dos métodos baseados no método de elementos finitos, as abordagens mais computacionalmente eficientes baseadas em metamodelos, estão atualmente a ser investigados. A modelagem precisa das condições reais de produção também é decisiva para o sucesso da implementação de tais sistemas.
Os requisitos mencionados nas áreas de ensaio e de controlo do processo adaptativo colocam nos frente a frente com novos desafios [IDDRG].
Figura 24 - Soluções de software para simulação numérica que acompanham todas as etapas de desenvolvimento do produto.
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Nesta dissertação foi procurado expor quais os casos em que a simulação numérica se tornou uma ferramenta que permitiu de maneira fácil e rápida uma resolução que, de outra maneira, seria demasiado morosa ou demasiado empírica.
4.1 – Determinação do Esboço Ótimo para a Realização de
Componentes.
Uma vez que a matéria-prima representa cerca de 60% do preço final de uma peça, é muito importante que o desperdício seja minimizado de modo a que nos tornemos mais competitivos quando estas peças forem orçamentadas.
Também será importante obtermos as dimensões que o esboço terá na banda de chapa para podermos determinar o preço da ferramenta que permitirá o fabrico de uma determinada peça.
4.1.1 – Componente a estudar.
A peça a estudar trata-se de uma peça simples dobrada com um pequeno embutido no centro, quatro furos no plano horizontal e um num plano vertical. O material que a constitui é um aço JSH270C, semelhante ao aço EN DD11, e tem uma espessura de 2,3 mm.
Figura 25 - Peça a estudar vista nos dois softwares usados, Catia e AutoForm. Tabela 4 - Composição química do aço JSH270C [Keytometals].
Elemento Máximo C 0,1500 Mn 0,6000 P 0,0500 S 0,0500 Si 0,0500 Ti 0,1000 B 0,1000 Al 0,1000 Nb 0,1000
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Tabela 5 - Propriedades mecânicas do aço JSH270C [Keytometals].
Min. Max.
Espessura de chapa: 1,2 ≤ t < 1,6 (t=espessura)
Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 205 325
Resist. à tração Rm (MPa) 270 -
Alongamento A (%) 35,0 49,0
Espessura de chapa: 1,6 ≤ t < 2,0 (t=espessura)
Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 195 315
Resist. à tração Rm (MPa) 270 -
Alongamento A (%) 36,0 50,0
Espessura de chapa: 2,0 ≤ t < 2,5 (t=espessura)
Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 185 305
Resist. à tração Rm (MPa) 270 -
Alongamento A (%) 37,0 51,0
Espessura de chapa: 2,5 ≤ t < 3,2 (t=espessura)
Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 185 305
Resist. à tração Rm (MPa) 270 -
Alongamento A (%) 37,0 51,0
Espessura de chapa: 3,2 ≤ t < 4,0 (t=espessura)
Limite de escoamento Rp0,2 (MPa) 175 295
Resist. à tração Rm (MPa) 270 -
Alongamento A (%) 38,0 52,0
4.1.2 – Cálculo da área mínima de chapa consumida.
Para calcularmos a área mínima de chapa necessária para a realização da peça em estudo, recorremos a uma das ferramentas do software AutoForm, denominada Blank Generator. Com este software apenas necessitamos de importar uma superfície que caracterize a peça na totalidade, fazer com que o AutoForm reconheça as suas fronteiras e furos, tapar esses mesmos furos (uma vez que a peça só será furada depois de conformada) e posicionar a peça de maneira correta (a direção de trabalho no AutoForm é sempre no eixo dos ZZ e no sentido negativo, é essencial que a peça esteja colocada em relação aos eixos de
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prensa consoante o que aconteceria na realidade) para que este nos calcule um formato representativo da área necessária para que uma dada peça seja realizada.
Figura 26 - Tratamento da superfície da peça no AutoForm.
Figura 27 - Ferramenta Blank Generator antes e depois do cálculo do planificado.
Após todos os dados introduzidos, estamos em condições para iniciar o cálculo de área. Como podemos ver pala figura, a área resultante é de 20.6x103 mm2.
Falta agora perceber como este formato se irá posicionar na banda de chapa que irá ser alimentada na ferramenta de maneira a que seja obtida uma ótima utilização de chapa, ou seja, de modo a minimizar o desperdício. Para tal podemos também usar o AutoForm, bastando para isso escolhermos o separador “Embed Nest”.
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Neste separador foi pedido que fossem organizados os formatos para uma peça por golpe. O AutoForm forneceu uma solução que ele próprio calculou, automaticamente, como sendo aquela em que o desperdício seria minimizado; no entanto este software não reconhece por onde se deseja levar a peça a ser conformada, e nem sempre nos fornece uma solução factível. Quando tal acontece, como foi o caso, devemos recorrer ao modo semiautomático, que nos permite ajustar o angulo das peças de maneira a que estas deixem livre a zona pela qual as pretendemos agarrar.
Na Figura 27 está apresentada uma solução após ajustamento dos ângulos de posicionamento do formato. Esta solução permite um aproveitamento de chapa muito aceitável (≈67%), no entanto tem um valor de passo muito elevado (cerca de 241 mm).
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Figura 29 - Resultado para o posicionamento dos formatos obtido automaticamente.
Figura 30 - Nova solução que liberta a zona pela qual queremos levar a peça.
Este valor de passo dever ser tido em conta, uma vez que este vai influenciar diretamente o comprimento final da ferramenta que será criada para a realização da peça. Para se obter uma estimativa do comprimento de ferramenta basta multiplicarmos o valor de passo obtido (241 mm) pelo número de operações necessárias para realizar a peça (neste casso, e prevendo que o processo se vai realizar numa ferramenta progressiva, o mínimo seria de 13 operações); com estes valores podemos estimar que, posicionando a peça desta maneira, seria necessária uma ferramenta de 3133 mm de comprimento. Este valor de
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comprimento de ferramenta, quando muito elevado, conduz a um preço de ferramenta, também ele, bastante alto (uma vez que o comprimento da ferramenta influencia mais o seu custo final do que a largura) e pode mesmo não haver prensas nas instalações fabris que consigam albergar uma ferramenta tão comprida.
Com isto em mente, teremos então de procurar uma solução que consiga satisfazer estas duas necessidades, garantir que podemos levar a peça amarrada ao esqueleto por onde pretendemos e também tornar o passo o mais pequeno possível sem que isto interfira demasiado com a utilização de chapa.
Após novas tentativas chegamos à solução apresentada na Figura 30. Nesta nova solução houve uma redução na utilização de chapa (passou para cerca de 56%) e houve um aumento de cerca de 100 mm na largura de banda, no então valor de passo foi reduzido em 76 mm, o que leva a uma redução no comprimento da ferramenta de cerca de 988 mm.
Falta agora acrescentar ao desenho da banda as folgas mínimas para os punções de corte, de dobra e também para a grade à qual se vão agarrar as peças até à separação no último passo da ferramenta progressiva.
Figura 31 - Resultado que permite levar a peça e não provoca um passo demasiado longo.
Teoricamente deve ser garantida uma margem mínima de 8 mm para os punções de corte, de 20 mm para os punções de dobra, de modo a que estes tenham um mínimo de robustez e não sejam danificados, ou mesmo partidos, durante o trabalho em prensa, e uma largura mínima de grade de 18 mm.
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Figura 32 - Folgas que devem ser aplicadas de modo a garantir a robustez dos punções e a presença da grade.
4.1.3 – Resultados
Após todos os cálculos efetuados e após terem sido em conta todas as condições mínimas para que seja possível obter a peça com a máxima qualidade e robustez, chegamos a uma banda que terá de largura 265 mm e de passo 180 mm, que resultaria numa ferramenta com um mínimo de 988 mm de comprimento.
Figura 33 - Aspeto final da banda de chapa representativa do passo e da largura.
Assim foi possível prever o consumo de chapa que esta peça irá necessitar e qual a messa de prensa mínima para que esta se realize de uma maneira rápida e eficiente. Com estes dados mais certos logo no momento da primeira orçamentação, vamos fazer com que esta se torne mais competitiva.
Apos termos obtido o formato mínimo da chapa, poderemos partir para simulações do processo idealizado, de modo a garantir com certeza que o processo idealizado permite que as peças saiam com a qualidade requerida; tal como será feito na etapa seguinte.
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4.2 – Análise de Capacidade de Realização de um Componente
Embutido.
Em algumas peças, sobretudo componentes embutidos, não é possível afirmar com certeza que a sua realização é possível com um só passo, ou mesmo que seja possível realizar de todo. E mesmo naquelas que se podem realizar, por vezes podemos deixar ao cliente sugestões que permitiram que estas peças se realizem mais facilmente e dando uma maior robustez a todo o processo.
Por estes motivos torna-se essencial, em alguns casos, prever o comportamento do material e verificar a capacidade de sucesso na realização do componente. Assim a proposta apresentada será não só competitiva, mas também a mais robusta possível.
4.2.1 – Componente a estudar.
A peça em estudo é constituída pelo material HX300LAD com um revestimento zincado.
Para realização desta peça (foram definidas as seguintes etapas de processamento) foi idealizado o seguinte processo:
1. Embutidura 2. Corte procurado 3. Dobragem da aba 4. Realizar os furos
5. Rebordar o furo da face superior
O que pretendemos descobrir é se o embutido, de 44,5 mm de profundidade, será possível tem possibilidades de ser realizado) realizar num (única etapa) só passo. Esta dúvida surgiu por se tratar de um material relativamente resistência / capacidade de deformação para um embutido relativamente grande.
