PL3_Tecnologia_Embutidura_Corte PDF

Processos de Fabrico II CONFORMAÇÃO PLÁSTICA Tecnologia de Embutidura Mestrado em Engenharia Mecânica 2022-2023 Ana Reis / Rui Amaral / Daniel Cruz / Gonçalo Soares / Lara Castanheira / Sara Miranda DEMec Departamento de Engenharia Mecânica Processos de Fabrico II Introdução Metalurgia dos mat...

Processos de Fabrico II CONFORMAÇÃO PLÁSTICA Tecnologia de Embutidura Mestrado em Engenharia Mecânica 2022-2023 Ana Reis / Rui Amaral / Daniel Cruz / Gonçalo Soares / Lara Castanheira / Sara Miranda DEMec Departamento de Engenharia Mecânica Processos de Fabrico II Introdução Metalurgia dos materiais Líquido Billet Barras Secções Placas Chapas Bandas Materiais Especiais Solidificação Conformação Plástica Em Massa Conformação Plástica Em Chapa Processos Especiais Fundição Laminagem Forjamento Extrusão Quinagem Maquinagem Tratamentos Térmicos Corte Embutidura Pulvero metalurgia Soldadura Acabamento ADS Montagem DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 2 Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 3 Definição de Embutidura Processos de Fabrico II  A Embutidura é um processo tecnológico de obtenção de peças ocas por deformação plástica de chapas planas;  As peças obtidas por embutidura são caraterizadas por possuírem “superfícies não planificáveis”;  É esta caraterística que distingue a Embutidura de outros processos de conformação plástica, tais como a Quinagem.  Exemplo demonstrativo: folha de papel com o intuito de ser obterem diferentes formas geométricas:  Facilmente se obtêm dobragens múltiplas, ou até superfícies cónicas, sem necessidade de romper a folha, dado que a superfície pode ser planificada;  No entanto, para o caso de superfícies com mais do que uma curvatura, como no caso do copo cilíndrico (com fundo), ou uma forma esférica, tal não é possível, a não ser que a área diminui-se em algumas zonas (compressão) e aumenta-se noutras (estiramento). ADS DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 4 Processos de Fabrico II Elementos básicos de uma ferramenta  Numa primeira análise, as ferramentas básicas de um processo de embutidura podem-se classificar em dois tipos:  simples efeito;  duplo efeito;  Os elementos principais de uma ferramenta são:  o punção, que provoca a entrada do material na matriz;  a matriz, que apoia o esboço a embutir;  o cerra-chapas, que comprime e planifica os bordos do esboço, durante todo o processo de embutidura, impedindo assim a formação de rugas. Simples efeito Duplo efeito DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 5 Elementos básicos de uma ferramenta Processos de Fabrico II  Numa primeira análise, as ferramentas básicas de um processo de embutidura podem-se classificar em dois tipos:  simples efeito;  duplo efeito;  Os elementos principais de uma ferramenta são:  o punção, que provoca a entrada do material na matriz;  a matriz, que apoia o esboço a embutir;  o cerra-chapas, que comprime e planifica os bordos do esboço, durante todo o processo de embutidura, impedindo assim a formação de rugas. Duplo efeito Simples efeito A – Punção B – Matriz C – Cerra-Chapas D – Rugas DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 6 Processos de Fabrico II Principais Fases de Embutidura Punção Deslocamento cerra-chapas Cerra-chapas Esboço Altura peça Matriz Extrator Fase 1 - Alimentação da chapa/esboço Fase 2 – Descida do cerra-chapas Fase 3 – Descida do Fase 4 – Subida do punção e entrada do esboço na matriz punção/cerra chapas e extração da peça  Após a produção por embutidura de uma peça, esta pode ser adicionalmente alterada por outro processo.  Exemplo: copo cilíndrico produzido a partir de um esboço plano, pode ser posteriormente processado por um processo de estiramento adicional, estiramento reverso ou extrusão.  Em todos os processos de embutidura, a força de conformação é aplicada sobre a superfície inferior da peça embutida através do punção. A partir daí é transferida para o perímetro na zona de deformação, entre a matriz e o cerra-chapas. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 7 Processos de Fabrico II Solicitações na peça embutida 𝛔𝐫 − 𝐓𝐞𝐧𝐬ã𝐨 𝐑𝐚𝐝𝐢𝐚𝐥 𝛔𝐭 − 𝐓𝐞𝐧𝐬ã𝐨 𝐓𝐚𝐧𝐠𝐞𝐧𝐜𝐢𝐚𝐥 Flange 𝛔𝐭 𝛔𝐫 𝛔𝐫 𝛔𝐫 𝛔𝐭 Parede do copo Tração Compressão Região do punção DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 8 Processos de Fabrico II Modos de deformação Embutidura por extensão (drawing): Embutidura por expansão (stretching):  A chapa sofre um alongamento positivo (tração e aumento de comprimento) numa direcção do plano da chapa e um alongamento negativo (compressão e diminuição de comprimento) na direção perpendicular à anterior;  A chapa sofre alongamentos positivos (tração e aumento de comprimento) em todas as direções do plano da chapa;  Um exemplo de referência é o copo cilíndrico, em que um esboço de diâmetro D e espessura t é comprimido pelo cerra-chapas contra a matriz. • o punção força a chapa a entrar na matriz existindo um afastamento/folga s (clearance) entre punção/matriz (em geral s>t);  A conformabilidade do material pode ser descrita pelo valor máximo da relação D/d, sendo esta chamada de Relação Máxima de Embutidura (RLE): •  Abas da chapa restringidas: • • forças cerra-chapas elevadas; uso de freios  Deformações positivas no plano da chapa: • deformações negativas segundo espessura  Conformabilidade depende da capacidade do material redistribuir deformação, a qual está relacionada com: • • coeficiente de encruamento n expoente de taxa de deformação m LDR – Limiting Drawing Ratio Embutidura por extensão de um copo cilíndrico Embutidura por expansão com punção esférico e utilização de freios DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 9 Relação Máxima de Embutidura - RLE Processos de Fabrico II  A RLE é influenciada por muitos fatores e pode ser aumentada por: • Diminuição do atrito com o cerra-chapas; • Diminuição do atrito com a matriz; • Aumento do atrito com o punção; • Aumento relativo do rácio entre a espessura do esboço e o seu diâmetro; • Aumento do rácio entre o raio do punção e diâmetro do punção • Diminuição relativa do diâmetro do punção (rácio entre o diâmetro do punção e espessura do esboço); • Utilização de um material com maior coeficiente de encruamento; • Aumento da anisotropia normal; • Diminuição da anisotropia planar. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 10 Processos de Fabrico II Cálculo da dimensão do esboço  Um dos aspetos mais importantes no projeto de uma peça embutida está relacionado com a determinação das dimensões da chapa (esboço) a colocar na ferramenta de modo a conseguir o componente desejado com a utilização da menor quantidade de matéria prima  Para atingir este objetivo, existem metodologias clássicas distintas: • • cálculo analítico baseado em hipóteses simplificativas; métodos experimentais iterativos.  O cálculo analítico é facilmente aplicável a peças ocas de formas geométricas regulares ou de secção circular.  Para as peças complexas e irregulares, nem sempre se pode efetuar um cálculo analítico aproximado. Nestes casos, recorre-se a métodos experimentais que consistem em cortar um primeiro esboço sobredimensionado e de forma iterativa se vai chegar ao esboço conveniente. Operação de conformação Esboço inicial Peça final DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 11 Cálculo da dimensão do esboço - peças cilíndricas Processos de Fabrico II Cálculo analítico (geométrico)  Os cálculos geométricos para a determinação do esboço são sempre aproximados e baseiam-se na equivalência das superfícies (no caso de chapas finas) ou na igualdade dos volumes (no caso de chapas grossas);  Seja D o diâmetro do esboço, d o diâmetro da peça embutida, h a sua profundidade e S a superfície do esboço. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 12 Embutidura em múltiplas etapas Processos de Fabrico II  A embutidura de peças profundas, exige grandes deformações plásticas, que só são conseguidas com forças de embutidura elevadas.  A força máxima admissível para executar um embutido tem um limite superior, que depende da espessura da chapa, das suas características mecânicas e da área resistente em jogo.  Se a força aplicada ultrapassar um determinado limite, surgem roturas no fundo do embutido ou nas suas paredes laterais.  Solução: Embutir a peça em várias operações ou etapas, que progressivamente vão dando à peça a forma final pretendida, sem nunca ultrapassar o limite máximo de força admissível. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 13 Processos de Fabrico II Embutidura em múltiplas etapas  Dificuldade: determinação do número de etapas ou "passes" necessários e na definição das formas a atingir em cada uma destas etapas, de modo a otimizar este procedimento;  Preço final da peça é proporcional ao número de etapas necessárias para a sua execução; • Tempos de fabrico, preço das ferramentas, montagem e desmontagem de ferramentas na prensa, transporte das peças de uma prensa para outra, stocks em curso de fabrico, etc.).  De um modo geral, uma grande redução de diâmetros entre etapas, permite reduzir o número de operações, mas os riscos de rotura são maiores.  Determinaçaõ do número de etapas (peças cilíndricas)  1º Método  2º Método DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 14 Embutidura em múltiplas etapas – peças cilíndricas Processos de Fabrico II 1º Método  Este método consiste em definir, para cada etapa, uma relação entre a altura do embutido, h, e o seu diâmetro, d, admitindo que em cada etapa se mantém o princípio da área constante.  O valor máximo de h para peças embutidas numa só etapa é o seguinte: • Peças de pequena dimensão: ℎ = 𝑘ℎ𝑑 ∙ 𝑑, com 𝑘ℎ𝑑 = 1/2 • Peças de grande dimensão: ℎ = 𝑘ℎ𝑑 ∙ 𝑑, com 𝑘ℎ𝑑 = 1/3  Para peças com relações h/d superiores a estes valor é necessário proceder a mais do que uma etapa, sendo a relação entre h e d dada, para cada etapa n, no caso de peças de pequenas dimensões, por: • 1ª Etapa ( n = 1 ): ℎ(1) = 1 ∙ 𝑘ℎ𝑑 ∙ 𝑑 = 1/2 ∙ 𝑑(1) em que h(1) é a altura do embutido na primeira etapa e d(1) é o seu diâmetro • 1 2ª Etapa ( n = 2 ): ℎ(2) = 2 ∙ ∙ 𝑑 2 2 = 𝑑(2) em que h(2) é a altura do embutido na primeira etapa e d(2) é o seu diâmetro 1 • 3ª Etapa ( n = 3 ): ℎ(3) = 3 ∙ ∙ 𝑑 • 4ª Etapa ( n = 4 ):ℎ(4) = 4 ∙ ∙ 𝑑 2 1 2 3 3 4 = ∙𝑑 2 3 =2∙𝑑 4 DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 15 Embutidura em múltiplas etapas – peças cilíndricas Processos de Fabrico II 1º Método  Generalizando, a altura do embutido para a etapa n é dada por: ℎ(𝑛) = 𝑛 ∙ 𝑘 ℎ𝑑 ∙𝑑 𝑛  O número de etapas necessário para executar uma peça é pois dado por: 𝑛= ℎ 𝑘ℎ𝑑 𝑑  O diâmetro em cada etapa é dado por (devido à área constante): 𝑑(𝑛) = 𝐷 1 1 + 4 ∙ 𝑛 ∙ 𝑘ℎ𝑑 DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 16 Embutidura em múltiplas etapas – peças cilíndricas Processos de Fabrico II 2º Método  Este método consiste em definir, para cada etapa, uma relação entre os diâmetros dos sucessivos embutidos intermédios d(1), d(2), d(3), d(4), ..., d(n), e o diâmetro do esboço D, admitindo que em cada etapa se mantém o princípio da área constante. O número de etapas é determinado quando o valor de d(n) for inferior a d. • 1ª Etapa ( n = 1 ): 𝑑(1) = 𝑘 ∙ 𝐷 em que d(1) é o diâmetro do embutido na primeira etapa, e k uma constante dada em tabelas • 2ª Etapa ( n = 2 ): 𝑑(2) = 𝑘 ′ ∙ 𝑑(1) em que d(2) é o diâmetro do embutido na segunda etapa e k' uma constante dada em tabelas • 3ª Etapa ( n = 3 ): 𝑑(3) = 𝑘 ′ ∙ 𝑑(2) • 4ª Etapa ( n = 4 ): 𝑑(4) = 𝑘 ′ ∙ 𝑑(3)  Generalizando, o diâmetro do embutido na etapa n, é dada por: 𝑑(𝑛) = 𝑘 𝑘 ′ 𝑛−1 ∙𝐷  A altura da peça em cada etapa n, é dada por: ℎ(𝑛) = 2 𝐷2 − 𝑑(𝑛) 4𝑑(𝑛) DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 17 Embutidura em múltiplas etapas – peças cilíndricas Processos de Fabrico II 2º Método Esquema de 4 etapas para 1 componente cilíndrico Coeficientes de redução k e k' para embutidura de peças cilíndricas em várias etapas [Provenza 1982] DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 18 Exercício 1 Processos de Fabrico II  Pretende-se fabricar um recipiente cilíndrico em chapa de aço para embutidura com 20 mm de diâmetro, 60 mm de altura e 1.5 mm de espessura. Admitindo que a espessura do recipiente permanece uniforme após estampagem e igual à espessura inicial da chapa: a) Indique as dimensões do esboço plano; b) Indique, justificando, se existe necessidade de proceder a uma embutidura múltipla, e indique o número de passos e as dimensões intermédias. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 19 Processos de Fabrico II Força de Embutidura - Fe 𝐅𝐞 = 𝟐 ∙ 𝛑 ∙ 𝐫𝐦𝐞𝐝 ∙ 𝐭 ∙ 𝛔𝐫 Tensão radial junto à parede vertical do embutido 𝛔𝐫 𝒓𝟏 =𝒓𝒎𝒆𝒅 = 𝟏. 𝟏 𝝈𝒚𝒎𝒆𝒅 ∙ 𝒍𝒏 𝒓𝒕 𝒓𝒎𝒆𝒅 𝐅𝐞 = 𝟐 ∙ 𝛑 ∙ 𝐫𝐦𝐞𝐝 ∙ 𝐭 ∙ 𝛔𝐫 = 𝟐 ∙ 𝛑 ∙ 𝐫𝐦𝐞𝐝 ∙ 𝐭 ∙ 𝟏. 𝟏 𝝈𝒚𝒎𝒆𝒅 ∙ 𝒍𝒏 𝒓𝒕 𝒓𝒎𝒆𝒅  Fatores que determinam a tensão radial junto à parede vertical : • encruamento do material • alteração do raio do esboço  Normalmente, a tensão aumentará inicialmente até atingir um ponto máximo, seguida de uma diminuição. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 20 Força de Embutidura - Fe Processos de Fabrico II Conclusões Práticas: 1. Em cada instante t, a tensão radial é nula na extremidade da chapa (condições fronteira) (r1 = rt) e máxima junto às paredes verticais do embutido (r1 = rmed) ; 2. A Força de Embutidura (e tensão radial) é máxima no início da deformação ( rt = r = ro ); 3. A Força de Embutidura diminui gradualmente até chegar a um valor mínimo, que é igual a zero se o esboço for totalmente embutido ( rt = rmed , ln1=0) (embutido sem aba); 4. Quanto maior for o diâmetro do disco ou “esboço”, r0 , maior é a Força de Embutidura; 5. Quanto menor for o diâmetro do Punção ( rmed ) maior é a Força de Embutidura; 6. A relação entre o Diâmetro do Esboço e o Diâmetro do Punção (r0 /rmed) determina a Força de Embutidura; 7. Força de embutidura em cada instante Fe σr σr σr max σr Se esta Força for excessiva e as paredes verticais do embutido não suportarem esta solicitação, dá-se o fenómeno típico de “Rotura da parede ou Rotura do Fundo do σr  0 Copo”. DEMec σr Departamento de Engenharia Mecânica 21 Processos de Fabrico II Força de Embutidura - Fe Força de Embutidura máxima, Siebel, 1977 𝐅𝐞 = 𝟐 ∙ 𝛑 ∙ 𝐫𝐦𝐞𝐝 ∙ 𝐭 𝝁∙𝝅 𝒆𝟐 𝒓𝑭𝒆𝒎𝒂𝒙 𝟏. 𝟏 𝝈𝒚𝒎𝒆𝒅 ∙ 𝒍𝒏 𝒓𝒎𝒆𝒅 C A 𝝁 ∙ 𝑭𝒄𝒄 𝒕 + + 𝝈𝒚𝒎𝒆𝒅 𝝅 ∙ 𝒓𝑭𝒆𝒎𝒂𝒙 ∙ 𝒕 𝟐 ∙ 𝒓𝒄𝒎 B D A - Força de Deformação Plástica (calculada anteriormente) – von Mises B - Força devido ao atrito entre a aba, a matriz e o cerra-chapas C - Força devido ao atrito na zona do raio de concordância da matriz D - Força devido à dobragem da chapa ao entrar na matriz DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 22 Exercício 2 Processos de Fabrico II  Pretende-se realizar uma peça embutida de aço carbono com 1.5 mm de espessura com a geometria apresentada na figura. Dimensões: h=100 mm, d1=42 mm e d2=60 mm. a) Estime o valor do diâmetro inicial do esboço; b) Sabendo que os fatores de redução do material são de k=0.55 e k'=0.7, determine o número de etapas necessário para embutir o componente. Especifique os diâmetros e correspondentes alturas do embutido. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 23 Exercício 3 Processos de Fabrico II  Pretende-se realizar uma peça embutida de geometria cilíndrica com as seguintes dimensões: altura=100 mm e diâmetro=42 mm. Sabendo que os fatores de redução do material são de k=0.6 e k'=0.8, determine o número de etapas necessário para embutir o componente. Especifique os diâmetros e correspondentes alturas do embutido para cada uma das etapas. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 24 Exercício 4 Processos de Fabrico II  Considere um esboço de alumínio com 100 mm de diâmetro e 1,2 mm de espessura. Despreze o encruamento do material e considere a tensão efetiva constante igual a 350 MPa. Pretende-se embutir um copo cilíndrico com 50 mm de diâmetro médio. Considere que a espessura se mantém constante. A força do cerra-chapas é de 30 kN e o coeficiente de atrito é 0,1. a) Qual é a altura final? b) Qual é o valor aproximado da força máxima da punção? DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 25 Processos de Fabrico II CONFORMAÇÃO PLÁSTICA Tecnologia de Corte Mestrado em Engenharia Mecânica 2022-2023 Ana Reis / Rui Amaral / Daniel Cruz / Gonçalo Soares / Lara Castanheira / Sara Miranda DEMec Departamento de Engenharia Mecânica Processos de Fabrico II Introdução Metalurgia dos materiais Líquido Billet Barras Secções Placas Chapas Bandas Materiais Especiais Solidificação Conformação Plástica Em Massa Conformação Plástica Em Chapa Processos Especiais Fundição Laminagem Forjamento Extrusão Quinagem Maquinagem Tratamentos Térmicos Corte Embutidura Pulvero metalurgia Soldadura Acabamento ADS Montagem DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 27 Processos de Fabrico II Definição de Tecnologia do Corte  A Tecnologia do Corte consiste em separar um contorno de um produto plano (uma chapa ou banda);  A operação é conduzida numa prensa, por intermédio de uma ferramenta cujos elementos fundamentais são os punções e as matrizes;  O Corte em prensa é o processo tecnológico mais económico e mais rápido para a obtenção de peças planas em grande, média ou mesmo pequena série;  A operação de corte é constituída por diferentes fases: 1) 2) 3) 4) 5) Contacto entre o punção e a chapa; Ligeira flexão no início da deformação; Deformação plástica e abertura de fendas; Separação completa do material; Extração da peça ou sobra e inversão do movimento do punção. (1) (2) (3) (4) (5) DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 28 Processos de Fabrico II Elementos básicos de uma ferramenta de corte  Os elementos principais de uma ferramenta são: • matriz - placa que serve de apoio para o elemento que se quer cortar; • punção - elemento que perfura a chapa; A - Punção B - Matriz C - Chapa a cortar D - Peça obtida por corte  É habitual designar por corte por arrombamento as operações em que a peça que sai pela matriz é a peça final ou estampa, e por puncionamento as operações em que a peça final fica sobre a matriz e pelo seu furo sai o desperdício ou rombo;  Esta não é somente uma diferença formal, pois a génese do corte obriga a que as ferramentas tenham que ser dimensionadas de modo diferente;  Entre o punção e a matriz existe uma folga que estabelece uma diferença de cotas entre as superfícies laterais do punção e da matriz. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 29 Processos de Fabrico II Produção de uma peça pelo processo de corte Corte Corte em comprimento Tipo de operações Puncionamento Entalhar/arrombar/rebordar Calibragem Corte de rebordo ADS DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 30 Processos de Fabrico II Corte  O corte é a obtenção de uma peça ou esboço extraída de uma banda ou chapa, segundo um contorno fechado;  O esboço raramente é um produto acabado; sofre geralmente outras operações de conformação (embutidura, puncionagem, dobragem, etc.) na mesma ferramenta (ferramenta progressiva) ou em fases posteriores. Banda/chapa Peça Sobra Batente Sobra DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 31 Processos de Fabrico II Corte em comprimento  O corte em comprimento consiste em separar uma porção da chapa segundo um contorno não fechado que ocupa toda a largura da banda (com ou sem desperdício). Com desperdício Sem desperdício Banda/chapa Peça Furo Banda/ chapa Furo Furo Peça Furo Desperdício Batente Batente Linha de corte associada ao desperdício de material DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 32 Processos de Fabrico II Corte em comprimento  O corte em comprimento consiste em separar uma porção da chapa segundo um contorno não fechado que ocupa toda a largura da banda (com ou sem desperdício). Sem desperdício Com desperdício A – Batente Fixo B – Banda C – Desperdício D – Peça DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 33 Corte Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 34 Processos de Fabrico II Puncionamento  Puncionamento é uma operação em tudo semelhante ao corte, mas é a parte exterior que se conserva (isto é a peça a produzir).  O termo perfuração designa por vezes as operações de puncionamento de pequenos diâmetros (1 a 3 vezes a espessura da chapa) num esboço ou em plena chapa (exemplo: chapas perfuradas, peneiras, etc). Peça Banda/chapa Desperdício DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 35 Puncionamento Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 36 Entalhar, arrombar e rebordar Entalhar Arrombar Processos de Fabrico II Rebordar Banda/chapa/componente Entalhar: consiste em cortar uma zona parcial de metal no bordo de uma chapa ou banda. Arrombar: consiste em cortar segundo uma linha não fechada sem retirar matéria. Rebordar: consiste em formar uma gola, quer por furação da chapa quer sobre um perfil já formado. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 37 Entalhar, arrombar e rebordar Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 38 Processos de Fabrico II Calibragem  Calibragem é uma operação de acabamento de elevada precisão, sendo usado como operação complementar do corte ou puncionamento, para remover as irregularidades superficiais caraterísticas deste tipo de processo;  O material é submetido a uma operação de calibração através de uma ferramenta própria onde o conjunto punção/matriz é montado praticamente sem folga (no máximo 2% da espessura do material) e com as dimensões finais requeridas para a peça;  Nesta operação, a quantidade de material removida é muito pequena. Peça Desperdício DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 39 Processos de Fabrico II Corte de rebordo  O corte de rebordo ou rebarbagem é uma operação secundária realizada para redefinir o contorno de um componente previamente conformado;  Consiste em retirar um excedente de material em torno de uma peça previamente conformada, sendo a última operação de conformação;  Após conformação, as golas ou rebordos nunca são regulares;  A aresta da ferramenta corta segundo um bordo não perpendicular à superfície da chapa. Desperdício Área de corte Área de corte Peça DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 40 Conceção de uma Ferramenta de Corte Processos de Fabrico II  Tipos de Ferramentas de Corte • Ferramentas de Corte Simples • Ferramentas Combinadas; • Ferramentas Progressivas; • Ferramentas “Transfer”.  A conceção de uma ferramenta é guiada por: • a importância da série: uma ferramenta complexa e dispendiosa só se justifica para grandes séries; • o tipo de material a trabalhar e a sua espessura; • a qualidade exigida: precisão e aspeto; • o perfil a cortar ou puncionar; • a cadência, a forma da peça a trabalhar (banda, folha, peça já conformada) e alimentação (alimentação em banda manual ou dispositivos transfer); • a facilidade de afiar, montar, desmontar e de manutenção da ferramenta. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 41 Ferramentas Combinadas Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 42 Ferramentas Combinadas Processos de Fabrico II  As ferramentas combinadas apresentam a particularidade de executar várias operações (como corte, puncionamento, embutidura, dobragem, etc) num único movimento de descida da corrediça da prensa ou travessão móvel;  A principal desvantagem deste tipo de ferramentas reside no custo elevado, devido ao grande número de elementos que a compõem, sendo a sua utilização mais económica em produção de grandes séries, quando comparada com a utilização de várias ferramentas ou a produção em várias etapas;  Asseguram uma boa reprodutibilidade de dimensões e as peças são planas durante as operações, não só porque são fixas por encostadores, mas também porque não há deslocamento da peça entre duas operações;  Se a realização da peça exigir um maior número de operações num espaço reduzido, a utilização de uma ferramenta combinada não é prática. Neste caso, as operações serão feitas em várias ferramentas ou numa ferramenta progressiva. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 43 Ferramentas Progressivas Processos de Fabrico II  Este tipo de ferramentas de corte progressivo consiste num combinação de ferramentas de corte que permite executar simultaneamente várias operações.  As operações de corte são sequenciais, à medida que a banda ou tira de chapa vai entrando na prensa; entre cada descida da corrediça, dá-se o deslocamento da banda designado por passo ou avanço da ferramenta.  Numa primeira fase executam-se os cortes interiores, enquanto que na segunda fase são feitos os cortes exteriores e, por conseguinte, a separação da peça da banda metálica. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 44 Ferramentas Progressivas Processos de Fabrico II  Características: • Custo bastante elevado; • Cadências muito elevadas (600 golpes/minuto ou mais (1500 golpes/minuto)) no caso de peças pequenas (de alguns centímetros); • Produção: séries médias e grandes; • Ferramentas mais sofisticadas; • Alimentação automática; • Posicionamento da banda na ferramenta com auxilio a facas de avanço ou por pilotos/centradores; • Intervenção na ferramenta (afiamento, reparação, modificação) é delicada e dispendiosa; DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 45 Ferramentas Progressivas Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 46 Ferramentas Progressivas Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 47 Ferramentas Transfer Processos de Fabrico II DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 48 Ferramentas Transfer Processos de Fabrico II  O termo “transfer” designa uma sucessão de operações diferentes em várias ferramentas colocadas numa mesma prensa, em que: • a matéria prima entra a partir de bobines, e o 1º posto corta a chapa (a chapa também pode já estar cortada quando entra no 1º posto da prensa); • a chapa passa de posto para posto por intermédio de pinças, para ser submetida a diferentes operações de conformação.  As prensas utilizadas para estas ferramentas são geralmente concebidas especialmente para este tipo de utilização;  São geralmente em arcada e dispõem de uma mesa longa (o que obriga geralmente à existência de 2 bielas) e de um dispositivo de avanço; o custo do conjunto é bastante elevado, pelo que é empregue principalmente para grandes produções;  O sistema “transfer” é mais flexível do que as ferramentas progressivas, na medida em que por um lado as regulações podem ser feitas em cada posto, independentemente dos seguintes, e por outro lado as peças podem ser de maiores dimensões. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 49 Elementos de uma Ferramenta A – Espiga ou nariz B – Cabeçote ou base/bloco superior C – Placa de choque D – Porta Punção E – Punção F – Colunas de guias ou cavilhas G – Buchas ou casquilhos H – Pinos de fixação I – Parafusos de fixação Processos de Fabrico II J – Extrator ou placa de guia K – Guias da chapa ou calços de guia L – Matriz M – Base inferior ou bloco inferior DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 50 Utilização da matéria-prima Processos de Fabrico II  Um desperdício injustificado de material eleva o custo do produto final;  É necessário fazer um estudo preliminar antes do projecto de uma ferramenta de corte de modo a minimizar as sobras ou aparas;  O estudo deve ter em conta: • A possibilidade do corte da chapa ser realizado em duas fases distintas, por alteração da posição da chapa em relação à ferramenta de corte (rotação de 180º no sentido longitudinal ou transversal); • Possibilidade de alteração da configuração da peça.  Algumas configurações das peças permitem mesmo o aproveitamento sem retalhos de chapa. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 51 Dimensionamento de Furos e Peças – Folga Processos de Fabrico II  A folga “J” corresponde à distância que separa o punção da matriz e exprime-se geralmente em percentagem (%) da espessura do material a trabalhar;  Para determinar o diâmetro do punção e da matriz, é necessário ter em conta que: • No caso da obtenção de um furo, a dimensão do punção determina a sua dimensão e forma, portanto, a folga deve ser adicionada à abertura da matriz; • No caso da obtenção de um componente, a sua dimensão é determinada pela matriz, devendo a folga ser subtraída às dimensões do punção.  A abertura da matriz contém geralmente uma parte ativa com altura “h”, seguida de uma zona que se destina a facilitar a evacuação das peças cortadas que pode ser formada por: • uma zona de algumas décimas de milímetro superior à parte ativa; • uma zona cónica com um ângulo de saída de 2 a 3°. J - Folga h - Altura da zona ativa DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 52 Processos de Fabrico II Folgas – exemplos Exemplo 1 Pretende-se cortar discos de chapa metálica com diâmetro Da. Para efetuar esta operação as ferramentas devem ter as seguintes dimensões: • O punção deverá ter um diâmetro de Da – 2*j; • A matriz deverá ter um diâmetro Da. Exemplo 2 Pretende-se executar furos de diâmetro Db em várias peças de chapa. Para efetuar esta operação as ferramentas devem ter as seguintes dimensões: • O punção deverá ter um diâmetro Db; • A matriz deverá ter um diâmetro Db + 2*j. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 53 Processos de Fabrico II Mecânica do Corte  A operação de corte pode ser dividida em três fases distintas: • Esmagamento - o punção encosta à chapa, apoiada sobre a matriz, e esmaga o material forçando-o a sair pelo furo da matriz; Desenvolvem-se deformações elásticas seguidas de deformações plásticas. • Corte - continuando a descida do punção, o material esmagado é submetido a uma forte tensão de corte; • Ruptura - a partir de um certo ponto, dá-se o fenómeno de ruptura que faz com que uma parte metálica se separe da outra. Esmagamento Corte Ruptura [1] Jorge Rodrigues and Paulo Martins. “Tecnologia da Deformação Plástica – Vol.II’ Escolar Editora, 1995. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 54 Processos de Fabrico II Mecânica do Corte  A morfologia da superfície de uma peça obtida por corte é constituída por quatro zonas distintas • Faixa de deformação ou Repuxamento; • Faixa de corte puro ou Penetração: • Superfície vertical, regular, polida e brilhante; • Faixa arrancada ou Cone de Rotura: • Superfície cónica, irregular e rugosa e baça; • Rebarba: • Dimensão determinada pela folga e desgaste das ferramentas. Rebarba Faixa arrancada Faixa de corte puro Faixa de deformação DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 55 Processos de Fabrico II Folgas  A folga controla de forma direta: • • • P - Punção J - Folga a qualidade do produto; o aspeto do produto; a duração das ferramentas. M - Matriz  Qualidade da superfície obtida em função do valor da folga: α • Tipo I: A folga excessiva provoca um repuxamento/"arqueado“ grande, um cone de rotura muito aberto e uma rebarba demasiado marcada. Estas folgas estão associadas a trabalhos de pouca precisão ou em operações em que a superfície obtida não afeta a utilização da peça; • Tipo III: Corresponde à folga ideal em que a superfície de corta apresenta um equilíbrio entre as diferentes zonas que a constituem; • Tipo V: A folga demasiado pequena, provoca um aumento considerável da taxa de desgaste das ferramentas, em especial no caso de materiais duros. Podem no entanto ser adequadas para materiais macios como alumínio, latão, etc. α Tipo I α Tipo III Tipo V DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 56 Processos de Fabrico II Folgas  A determinação da folga ótima pode ser bastante complexa e o valor recomendado depende do tipo e da espessura do material;  No entanto, outros fatores podem influenciar este processo, a saber: • • a forma da consolidação plástica (coeficiente de encruamento, por exemplo); a particularidade de alguns materiais colarem às ferramentas (alumínio) ou terem tendência para gripar (aços inoxidáveis). Material Aço elevado teor carbono Aço macio Aço inoxidável Cobre Duro Macio Bronze fosforoso Latão Duro Macio Alumínio Duro Macio Magnésio Chumbo Tipo I 23 21 23 Folga - percentagem da espessura (%) Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V 18 15 12 12 9 6.5 2 13 10 4 1.5 25 26 25 11 8 13 4 6 11 3.5 3 4.5 1.25 0.75 2.5 24 21 10 9 7 6 4 2.5 0.8 1 20 17 16 22 15 9 6 9 10 7 4 7 6 3 2 5 1 1 0.75 2.5 DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 57 Processos de Fabrico II Força de corte  A determinação dos esforços de corte é importante para: • a escolha adequada da prensa; • a determinação da repartição das ferramentas na prensa, quando esta recebe várias ferramentas, ou a centragem do esforço resultante numa ferramenta combinada.  Cálculo da força de corte • As forças de corte são calculadas através de uma fórmula empírica: 𝐹𝑐 = 𝑝 ∙ 𝑡 ∙ 𝑅𝑐 FC - força de corte necessária p - perímetro da peça cortada t - espessura da chapa RC - resistência ao corte A resistência ao corte Rc depende do material a trabalhar, mas é geralmente calculado da seguinte forma: 𝑅𝑐 = 𝐶 ∙ 𝜎𝑟 em que 𝝈𝒓 é a tensão de rotura do material e C uma constante. Material C Alumínio 0.6 – 0.75 Cobre, latão 0.65 – 0.7 Aço 0.7 – 0.8 Aço inoxidável 0.75 – 0.8 DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 58 Processos de Fabrico II Trabalho de corte  Outro dos parâmetros fundamentais para a escolha de uma prensa é o trabalho de corte que, num gráfico força vs. deslocamento do punção, corresponde à área abaixo da curva;  O seu valor não pode ser calculado pelo produto da força máxima de corte pela espessura do material a cortar, uma vez que a força de corte não é constate ao longo do curso;  Nestas condições é habitual calcular-se o trabalho de corte através da seguinte expressão: 𝑊 = 2ൗ3 𝐹𝑐 ∙ 𝑡  De salientar que quando as arestas de corte perdem o afiamento, o valor do trabalho de corte aumenta significativamente, podendo em alguns caos, crescer cerca de 20% em relação ao valor de referência. 𝑡 DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 59 Exercício 1 Processos de Fabrico II  Pretende-se produzir por corte a peça com a geometria e dimensões representadas na figura seguinte. A peça tem a espessura de 2 mm e o material em Latão 70/30, cuja tensão de rotura é de 300 MPa.  Determine as dimensões nominais dos punções e matrizes, admitindo que o valor da folga seja 4% da espessura do material. . DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 60 Exercício 2 Processos de Fabrico II  Considere a operação de corte por arrombamento destinada a fabricar a peça que se encontra representada na figura. A peça deverá ser fabricada numa liga de Alumínio a qual será fornecida em chapas com 2 mm de espessura.  Informações adicionais: Comportamento mecânico da liga de Alumínio: σr = 110 MPa a) Determine o valor da força de corte, admitindo que a solução escolhida para o fabrico da peça consiste na produção de uma peça em cada golpe da prensa; b) Calcule o trabalho que é necessário para efetuar o corte da peça; DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 61 Exercício 3 Processos de Fabrico II  Uma empresa recebe uma encomenda para produzir 500.000 peças com a geometria representada na figura seguinte. Porém, o fabrico destina-se apenas ao corte dos dois furos circulares, já que a matéria-prima é fornecida sob a forma de chapas com o corte exterior definido.  As chapas têm uma espessura de 3 mm, sendo o material uma liga de Alumínio AI 6061 T6 com as características mecânicas dadas na tabela seguinte.  Sabendo que a opção de fabrico consiste no corte dos dois furos em simultâneo e que se dispõe de uma prensa com uma capacidade nominal de 500 kN, com uma cadência de 90 golpes/min. a) Calcule a força e a energia necessária ao fabrico dos dois furos. Verifique se os cortes podem ser efetuados na prensa mecânica disponível; b) Dimensione os punções e as matrizes, assumindo que a folga é 7% da espessura. DEMec Departamento de Engenharia Mecânica 62