ANOTAÇÕES PARA UM PROJETO DE ESTAMPO
Estampabilidade é a capacidade que a chapa metálica
tem de adquirir a forma de uma matriz, pelo processo de estampagem sem se
romper ou apresentar qualquer outro tipo de defeito de superfície ou de forma.
A avaliação da estampabilidade de uma chapa
metálica depende de muitos testes, tais como: ensaios simulatidos (tipo
Erichsen, Olsen, Fukui, etc.), ensaios de tração (obtendo-se o limite de
escoamento e de resistência, a razão elástica, o alongamento total até a
fratura, o coeficiente de encruamento, os coeficientes de anisotropia normal e
planar), ensaios de dureza, medida da rugosidade do material, metalografia,
etc.
Ainda assim, a análise é incompleta, pois nas
operações reais de estampagem ocorre uma combinação complexa de tipos de
conformação. A estampabilidade torna-se função não somente das propriedades do
material, mas também das condições de deformação e dos estados de tensão e de
deformação presentes.
Durante os processos de conformação de chapas,
grãos cristalinos individuais são alongados na direção da maior deformação de
tração. O alongamento é conseqüência do processo de escorregamento do material
durante a deformação. Nos materiais policristalinos os grãos tendem a girar
para alguma orientação limite devido a um confinamento mútuo entre grãos.
Este mecanismo faz com que os planos atômicos e
direções cristalinas dos materiais com orientação aleatória (materiais
isotrópicos) adquiram uma textura, uma orientação preferencial (tornandose
anisotrópicos).
Um material isotrópico possui as mesmas
propriedades físicas em todas as direções. Já um material anisotrópico tem
comportamento não uniforme nas várias direções do material.
A distribuição de orientações tem, portanto, um ou
mais máximos. Se estes máximos são bem definidos são chamados de orientações
preferenciais, que irão ocasionar variações das propriedades mecânicas com a
direção, ou seja, anisotropia. Um modo de avaliar o grau de anisotropia das
chapas quando deformadas plasticamente é através do coeficiente de anisotropia.
O coeficiente de anisotropia planar indica a
diferença de comportamento mecânico que o material pode apresentar no plano da
chapa.
O coeficiente de encruamento (n) é um
importante parâmetro para se definir a capacidade de deformação plástica do
material, já que este valor é igual à deformação real no ponto de início da
estricção. Quanto maior o coeficiente de encruamento, maior a deformação real
que o material pode suportar antes da estricção e consequentementemaior a sua
capacidade de deformação plástica sem ocorrer estricção ou mesmo a fratura.
A anisotropia cristalográfica tem menor influência
sobre operações de pouca conformação. Inicialmente, esta propriedade foi
considerada indesejável em materiais destinados a operações de estampagem,
devido à chance de formação de orelhas.
Mas é ainda mais importante no que se refere à
estampagem profunda, uma vez que nesta operação não se deseja a diminuição
significativa da espessura do material.
A capacidade de alongamento de um material é
importante para operações de estampagem profunda, e depende diretamente do coeficiente
de anisotropia normal.
Em materiais com elevado coeficiente de anisotropia
normal, a deformação localizada causa um incremento rápido da resistência
mecânica e o material se torna capacitado a resistir cada vez mais à
deformação.
Mas em materiais de pequeno coeficiente, a
deformação localizada causa estricção (redução de seção) e uma perda da
resistência mecânica.
Para determinar se uma peça pode ser estampada sem
falhas é utilizada a curva limite de conformação (CLC), que indica a fronteira
entre as deformações permissíveis e catastróficas a que o material estará
sujeito durante a estampagem.
O comportamento das deformações de um componente
estampado é comparado com a CLC do material em questão, qualquer combinação
situada abaixo da curva significa deformações que o material pode suportar e,
conseqüentemente, as localizadas acima serão referentes a deformações que o
material não suportará.
Fatores como espessura, direção de laminação,
atrito, entre outros, influenciam o posicionamento da CLC, podendo deslocar a
curva mais para cima ou mais para baixo, isto é, aumentando ou diminuindo a
estampabilidade do material.
· Espessuras: maiores espessuras geram maiores
deformações, isto é, há um deslocamento da curva para cima;
· Atrito: quanto menor o coeficiente de
atrito, maiores serão as deformações e, conseqüentemente, mais acima estarão as
curvas;
· Direção de laminação: corpos-de-prova
cortados na direção de laminação apresentam maiores deformações e, quando
cortados de forma perpendicular à direção de laminação, têm menores
deformações.
Espiga e Placa
Superior
A placa superior e a espiga, são os elementos que
sustentam o conjunto móvel do estampo, serve para centralizar todo o conjunto
na prensa, e quando o estampo não utiliza espiga a placa superior serve para a
fixação na máquina por intermédio de calços, para seu dimensionamento pode ser
usado o mesmo material da placa base. O material indicado é o aço (1020 a
1040).
Placa de Choque
A placa de choque tem a função de receber choques produzidos pela cabeça dos
punções no momento em que eles furam ou cortam a chapa, torna-se necessária a
sua aplicação, quando a força do punção dividida pela área de apoio da cabeça
do punção for superior à tensão de compressão do material do cabeçote, a
espessura da placa de choque pode variar dentro da faixa de 5 a 8 mm. O
material indicado é aço (1040 a 1070), temperada e retificada.
Porta Punção
A
placa porta punção, tem a função de manter os punções nos seus devidos lugares,
possui rebaixos ou escariados que servem de alojamento para a cabeça do punção servindo
como sustentação e guia. O material indicado é aço ( 1040 a 1070 )
Placa Guia
A placa guia tem a função de guiar os punções cortadores e cunhas nas
cavidades cortantes da matriz e também de soltar a tira que se prende nos
punções, a placa guia é fixada por parafusos tipo allen. O material indicado é
o aço (1010 a 1040). A espessura do porta-punção é primordial, sendo
considerado no mínimo 0,25 do comprimento do punção.
Pino guia
Sua função é guiar o
conjunto superior e inferior do estampo para que não ocorra nenhum deslocamento
entre si.
Material: Aço SAE
1010/1020 Cementado – Temperado e Revenido 60-62 HRC., ou Aço SAE 8620
Cementado – Temperado e Revenido 60-62 HRC.
Matriz
A placa matriz é o inverso do punção podem ser inteiriça ou seccionada,
na confecção da placa matriz deve ser considerado o ângulo de escape, a
espessura, o perfil e a folga entre o punção e a matriz. O material indicado
para sua construção são os aços especiais. A força proveniente do punção se
distribui ao longo dos gumes da matriz de forma que se não tiver espessura
suficiente, acabará estourando. Material indicado é VC 131 temperado.
Placa base
A placa base, é a parte do estampo que fixa o conjunto à mesa da prensa,
serve de apoio à placa matriz é fixada por parafusos e pinos guias tem a função
de eliminar o choque direto entre a matriz e a mesa, as partes laterais da
placa base servem de base para fixar o estampo na mesa da prensa e deve ser
observado para não ficar nos lados de entrada ou saída da tira, na sua parte
inferior normalmente faz-se um canal em toda sua extensão para retirada de
retalhos para este dimensionamento, não se tem uma regra geral, mas sim
utiliza-se o bom senso. O material indicado para placa base é o aço (1020 a
1040).
Punção
O punção tem como finalidade executar o corte introduzindo-se nos
orifícios da matriz, e trabalha perpendicular à face da matriz. É feito de uma
peça inteiriça quando de forma simples, normalmente a superfície inferior é
completamente plana, contudo pode ter a sua superfície inferior inclinada para
casos que necessite reduzir a força de corte. Para se obter um bom corte o
punção e a matriz devem ter uma folga adequada, pois dessa folga depende a
qualidade do produto. Os punções com fio de corte inclinado diminuem a força de
corte em até 60% e outro artifício para reduzir a força de corte é o
escalonamento dos punções. Material indicado é Aço VC 131.
Faca de avanço
A faca de avanço tem com finalidade limitar o passo da tira é um punção
cuja largura equivale ao passo da matriz, as facas de avanço se aplicam em
peças de espessura de 0,2 até 4mm.
Suporte
O suporte é um simples apoio
confeccionado com material comum (ABNT 1020), fixado na parte inferior do
estampo no lado oposto da entrada do material e é utilizado para apoiar a tira
em caso de estampos progressivos ou na estampagem de peças de dimensões
elevadas.
Tratamento térmico
O tratamento térmico do aço refere-se a processos
de temperatura e tempo controlados que aliviam tensões residuais e/ou modificam
propriedades do material, tais como dureza (resistência), ductilidade e
tenacidade.
Outras operações mecânicas ou químicas são às vezes
agrupadas sob o título de tratamento térmico. As operações comuns de termo
tratamento são recozimento, têmpera, revenido e cementação em caixa
(endurecimento superficial).
Recozimento
Quando um material é trabalhado
a frio ou a quente, tensões residuais são introduzidas e, como resultado,
normalmente ele apresenta uma dureza maior devido a essas operações de
trabalho, que mudam sua estrutura de maneira que ele não mais seja representado
pelo diagrama de equilíbrio. Normalização e recozimento completo são operações
de aquecimento que lhe permitem transformar-se de acordo com o diagrama de
equilíbrio. O material a ser recozido é aquecido a uma temperatura 100°F acima
da temperatura crítica, aproximadamente. Ele é então mantido nessa temperatura
pelo tempo necessário, para que o carbono seja dissolvido e difundido. Assim, o
objeto pode esfriar devagar, geralmente no mesmo forno em que foi tratado.
Quando a transformação estiver completa, pode-se dizer que houve um recozimento
completo também. O recozimento é usado para amolecer um material e torná-lo
mais dúctil, bem como para abrandar as tensões residuais e refinar a estrutura
de grão.
O termo recozimento inclui o
processo chamado normalização. As peças a serem normalizadas
podem ser tratadas a uma temperatura ligeiramente mais alta do que no
recozimento completo. Isso produz uma estrutura de grão mais grosseira, que é
mais facilmente usinada se o material for um aço de baixo carbono. No processo
de normalização, a peça é resfriada em ar calmo, à temperatura ambiente. Sendo
que esse resfriamento é mais rápido que o resfriamento lento usado no
recozimento completo, menos tempo é disponibilizado para o equilíbrio, e o
material fica mais duro que o aço completamente recozido. A normalização é
frequentemente
usada como uma operação final de tratamento para
aço. O resfriamento em ar calmo equivale a uma têmpera lenta.
Têmpera
O aço eutectóide completamente
recozido consiste inteiramente em perlita, que é obtida da austenita sob
condições de equilíbrio. Já um aço hipoeutectóide completamente recozido
consistiria em perlita mais ferrita, ao passo que um aço hipereutectóide, na
condição completamente recozida, consistiria em perlita mais cementita. A
dureza do aço de um dado conteúdo de carbono depende da estrutura que substitui
a perlita quando o recozimento completo não é realizado.
A ausência de recozimento completo indica uma taxa
mais rápida de esfriamento. Essa taxa é o fator que determina a dureza. Uma
taxa de esfriamento controlado é chamada têmpera. Uma têmpera
branda é obtida por esfriamento em ar calmo, o que, como vimos, é obtido pelo
processo de normalização. Os dois meios mais amplamente empregados para têmpera
são água e óleo. A têmpera a óleo é muito lenta, mas previne trincas causadas
pela rápida expansão do objeto em tratamento. A têmpera em água é usada paia
aços carbono, bem como para aços médio carbono e aços de baixa liga.
A efetividade da têmpera depende do fato de que,
quando a austenita é esfriada, não se transforma em perlita instantaneamente,
mas requer um tempo para iniciar e completar o processo. Sendo que tal
transformação cessa por volta de 800°F, ela pode ser prevenida ao esfriar
rapidamente o material a uma temperatura menor. Quando esse material é
resfriado rapidamente a 400°F, ou menos, a austenita é então transformada em
uma estrutura chamada martensita. A martensita é uma solução
sólida supersaturada de carbono em ferririta e é a forma mais dura e forte do
aço.
Se o aço for esfriado rapidamente a uma temperatura
variando entre 400 e 800°F e nela for mantido por tempo suficiente, a austenita
será então transformada em um material comumente chamado de bainita. A
bainita é uma estrutura intermediária entre a perlita e a martensita. Embora
existam várias estruturas que podem ser identificadas entre as temperaturas
dadas, dependendo da temperatura empregada, são elas coletivamente conhecidas
como bainita. Pela escolha dessa temperatura de transformação, praticamente qualquer
variação de estrutura pode ser obtida. Tal variação aplica-se a todas as
formas, desde a perlita grosseira até a martensita fina.
Revenimento
Depois de um espécime de aço ser completamente
endurecido, ele se torna muito duro e frágil, apresentando tensões
residuais altas. O aço é instável e tende a se contrair à medida que envelhece.
Essa tendência aumenta quando o espécime está sujeito a cargas externas, uma
vez que as tensões resultantes contribuem ainda mais para essa instabilidade.
Tais tensões internas podem ser aliviadas por um processo de aquecimento
modesto denominado alívio de tensão, ou por uma combinação de
alívio de tensão e amolecimento chamada revenido. Após o
espécime ter sido completamente endurecido, ao ser temperado além da temperatura
crítica, por um certo período de tempo ele é reaquecido a uma temperatura
abaixo daquela, podendo então esfriar em ar calmo. A temperatura à qual ele é
reaquecido depende da composição e do grau de dureza ou tenacidade desejado.8
Essa operação de reaquecimento liberta o carbono preso na martensita, formando
cristais de carboneto. A estrutura obtida é denominada martensita
revenida. Nesse momento, ela é essencialmente uma dispersão superfina
de carboneto(s) de ferro em perlita de grão fino.
ENDURECIMENTO DE
CAMADA
O propósito do
endurecimento de camada (cementação) é produzir uma superfície externa dura em
um espécime de aço de baixo carbono e, ao mesmo tempo, reter a ductilidade e a
tenacidade no núcleo. Isso é feito aumentando-se o conteúdo de carbono na
superfície. Tanto materiais carbonantes sólidos quanto líquidos ou gasosos
podem ser utilizados. O processo consiste na introdução da peça a ser carbonada
em um material carbonante por um período de tempo definido e a uma temperatura
definida, dependendo da profundidade da camada desejada e da composição da
peça. Esta última pode então ser temperada diretamente a partir da temperatura
de carbonação e revenida, ou, em alguns casos, deve passar por um tratamento
térmico duplo, a fim de assegurar que o núcleo e a camada estejam em condições
apropriadas. Alguns dos processos de endurecimento superficiais mais úteis são
o carbonante de pacote, o carbonante gasoso, a nitretação, a cianetação, o endurecimento
por indução e o endurecimento por hama. Nos últimos dois casos, o carbono não é
adicionado ao aço em questão, geralmente um aço de médio conteúdo de carbono
(p. ex., SAE/AISI1144).
Dureza
A resistência de um material à
penetração por uma ferramenta pontiaguda é denominada dureza. Embora
existam muitos sistemas de medida de dureza, consideraremos aqui apenas os dois
de maior uso.
Os ensaios de dureza
Rockwell são descritos pelo método de dureza da norma E-18 da ASTM, e
as medidas são rápida e facilmente tomadas; além disso, eles têm boa
reprodutibilidade e a máquina de ensaio lhes é de fácil uso. De fato, o número
de dureza é lido diretamente de um mostrador. As escalas de dureza Rockwell são
designadas como A, B, C, etc. Os indentadores são descritos
como um diamante, uma bola de diâmetro de 1/16 in e um diamante para as
escalas A, B e C,respectivamente, em que a carga aplicada é de
60,100 ou 150 kg. Assim, a escala Rockwell B, designada
como RB, utiliza uma carga de 100 kg e um indentador nº 2, que
é uma bola de diâmetro de 1/16 in. A escala Rockwell C, Rc, utiliza
um cone de diamante, que é o indentador nº 1, e uma carga de 150 kg. Os números
de dureza assim obtidos são relativos. Por tal razão, uma dureza Rc
= 50 tem significado somente em relação a um outro número de dureza
usando a mesma escala.
A dureza Brinell é um outro ensaio de uso bastante
generalizado. Nele, a ferramenta de indentação por meio da qual a força é
aplicada é uma bola e o número de dureza HB é tido como igual à carga aplicada,
dividido pela área da superfície esférica da indentação. Dessa forma, as
unidades de HB são as mesmas que aquelas de tensão, embora sejam raramente
usadas. O ensaio de dureza Brinell demanda mais tempo, sendo que HB deve ser
computado a partir dos dados de ensaio. Ambos estão empírica e diretamente
relacionados à resistência à tração do material ensaiado. Isso significa que a
resistência das peças poderia, se desejado, ser testada, peça por peça, durante
a manufatura.
Definição da prensa
Prensas são máquinas utilizadas na conformação e corte de
materiais diversos, onde o movimento do martelo (punção) é proveniente de um
sistema hidráulico/pneumático (cilindro hidráulico/pneumático) ou de um sistema
mecânico, onde o movimento rotativo é transformado em linear através de
sistemas de bielas, manivelas ou fusos.
Para a escolha adequada de uma prensa é preciso seguir
algumas características:
· Tipo;
· Força
máxima em toneladas;
· Percusos;
· Distancia
entre mesa e cabeçote;
· Potência
do motor;
· Dimensões
externas.
A classificação destas prensas é feita observando o funcionamento e os
movimentos.
As maquinas se distinguem:
· Prensas
mecânicas
· Prensas
hidráulicas
· Prensas
de simples ação
· Prensas
de dupla ação
· Prensas
de tripla ação
· Pela
sua Função
· Pelo
seu comando
Prensa mecânica
excêntrica de engate por chaveta
As prensas excêntricas
mecânicas de engate por chaveta têm como características o curso
limitado, energia constante e força variável do martelo em função da altura de
trabalho. Podem ter o corpo em forma de “C” ou em forma de “H”, com transmissão
direta do volante ou com redução por engrenagens, com mesa fixa ou
regulável, horizontal ou inclinada.
O volante, movimentado por um motor elétrico, está
apoiado ne extremidade de um eixo, através de uma bucha de engate onde se
encaixa uma chaveta rotativa (meia cana). Em sua outra extremidade o eixo está
fixado em uma bucha excêntrica, alojada em uma biela, responsável pela
transformação do movimento rotativo em movimento linear.
Quando acionada, através de um pedal elétrico,
pneumático ou hidráulico, ou comando bimanual (é proibido o uso de pedais ou
alavancas mecânicas), um dispositivo mecânico ou pistão hidráulico movimenta um
pino em forma de “L”, puxando uma mola que faz com que a chaveta rotativa seja
acoplada à bucha de engate, transmitindo o movimento de rotação ao conjunto
eixo/bucha excêntrica, transformado em movimento linear pela biela, realizando
o trabalho de descida e subida do martelo.
As prensas mecânicas excêntricas de engate por
chaveta, uma vez acionadas, possuem ciclo completo de trabalho, que consiste no
movimento do martelo a partir de sua posição inicial, no Ponto Morto Superios
(PMS), até o Ponto Morto Inferior (PMI), e retorno à posição inicial do ciclo,
não sendo possível comandar a parada imediata do martelo após iniciado o seu
movimento de descida.
Este é o tipo de prensa que utilizaremos para
estampar nosso produto, por seu menor custo e baixa complexidade construtiva,
sendo largamente encontrada em estamparias onde são requeridos maior precisão e
repuxos pouco profundos.
André Magalhães De Oliveira, Erick Dos
Santos Fabienski e
Hamilton Britto in: Projeto
Conceitual para uma Ferramenta de Estampo
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