52
PROCESSOS DE ESTAMPAGEM
1. Introdução
Por estampagem entende-se o processo de fabricação de peças, através do corte ou deformação de
chapas em operação de prensagem a frio. Emprega-se a estampagem de chapas para fabricar-se
peças com paredes finas feitas de chapa ou fita de diversos metais e ligas. As operações de
estampagem podem ser resumidas em três básicas: corte, dobramento e embutimento ou repuxo.
repuxo
corte
dobramento
A estampagem da chapa pode ser simples, quando se executa uma só operação, ou combinada.
Com a ajuda da estampagem de chapas, fabricam-se peças de aço baixo carbono, aços inoxidáveis,
alumínio, cobre e de diferentes ligas não ferrosas.
Devido às suas características este processo de fabricação é apropriado, preferencialmente, para as
grandes séries de peças, obtendo-se grandes vantagens, tais como:
• Alta produção
• Reduzido custo por peça
• Acabamento bom, não necessitando processamento posterior.
• Maior resistência das peças devido à conformação, que causa o encruamento no material.
• Baixo custo de controle de qualidade devido à uniformidade da produção e a facilidade para a
detecção de desvios.
Como principal desvantagem deste processo, podemos destacar o alto custo do ferramental, que só
pode ser amortizado se a quantidade de peças a produzir for elevada.
2. Operações de estampagem
• Corte:
Consiste em separar-se de uma chapa, mediante golpe de prensa, uma porção de material com
contorno determinado, utilizando-se ferramental apropriado denominado estampo de corte
• Dobra:
Como seu nome indica, consiste em obter uma peça formada por uma ou mais dobras de uma
chapa plana. Para isto, é utilizada uma ferramenta denominada estampo de dobra.
• Embutimento ou repuxo:
Esta operação tem como finalidade obter peças em forma de recipientes, como canecas, caixas e
tubos; obtidas pela deformação da chapa, a golpes de prensa e empregando ferramental especial
denominado estampo de repuxo.
3. Nomenclatura básica da ferramenta de estampagem
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53
• Punção: é o elemento da ferramenta que provoca a perfuração através de movimento e força
transmitidos pela prensa.
• Matriz: é o elemento da ferramenta que fica fixo na base da prensa e sob o qual se apóia a chapa.
• Folga: é o espaço existente entre o punção e a matriz na parte paralela de corte.
• Alívio de ferramenta: é o ângulo dado à matriz, após a parte paralela de corte, para permitir o
escape fácil da parte cortada.
porta-punção
punção
colunas guias
extrator
guia
matriz
4. Operações de corte
As operações de corte de chapas de metal são obtidas através de forças de cisalhamento aplicadas
na chapa pêlos dois cantos da ferramenta criando tensões internas que, ultrapassando o limite de
resistência ao cisalhamento do material, provocam a ruptura e finalmente a separação.
O corte é realizado fundamentalmente em três etapas:
a) Deformação plástica
b) Redução de área
c) Fratura
Quando o punção pressiona a chapa, o material começa a deformar-se até que o limite elástico seja
ultrapassado, então o material deforma-se plasticamente e penetra na matriz, formando uma calota
na parte inferior.
Com a manutenção da aplicação da força pelo punção, o metal continua a penetrar na matriz,
reduzindo a área na região do corte (extricção).
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54
Aí se inicia a fratura, que começa no canto de corte do punção, para logo em seguida iniciar-se no
canto de corte da matriz. Com o aumento da penetração do punção, a fratura prolongar-se-á e as
duas fraturas, eventualmente, encontrar-se-ão, quando, então, podemos dizer que o corte ocorreu
por cisalhamento puro.
Caso isto não aconteça, a parte compreendida entre as duas fraturas iniciadas por cisalhamento será
"rasgada", por esforço de tração.
As partes rompidas por cisalhamento terão um acabamento liso e brilhante, enquanto que a parte
rasgada por tração terá um acabamento áspero e sem brilho.
punção
trincas
chapa
matriz
ruptura
tração
cisalhamento
4.1.Folga entre o punção e a matriz
A folga entre o punção e a matriz tem uma função muito importante, pois dela depende o aspecto da
peça acabada, a força necessária para o corte e o desgaste da ferramenta.
Quando a folga é correta, os inícios das fraturas que começam no canto de corte do punção e da
matriz, depois de prolongarem-se, encontrar-se-ão no mesmo ponto, produzindo uma peça sem
rebarbas.
Essa folga depende do material, bem como de sua espessura.
Segundo Oehler, a folga ideal pode ser obtida através das seguintes fórmulas empíricas:
(
Para chapas de até 3 mm de espessura: f = 0,01 × e − 0,015) ×
Para chapas com mais de 3 mm de espessura: f = 0,005 × e ×
Ks
Ks
onde: e = espessura da chapa e Ks = tensão de ruptura ao cisalhamento do material.
4.2.Força necessária para o corte
O esforço de corte é obtido multiplicando-se a área da seção a ser cortada pela resistência ao
cisalhamento do material.
Como a área da seção a ser cortada é igual à espessura da chapa multiplicada pelo perímetro de
corte, podemos dizer que:
Fc = e.L.Ks
L
e
A seguir damos o valor de Ks para alguns metais.
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Onde:
Fc = Força de corte (Kgf)
e = espessura da chapa (mm)
L = perímetro de corte (mm)
Ks = tensão de ruptura ao
cisalhamento (Kgf/mm2)
55
Na falta do valor exato Ks pode ser tomado como sendo 0,8 da tensão de ruptura à tração do
material.
Metal.
Aço, 0,1%C
Aço, 0,2%.
Aço, 0,3%.
Aço, 0,4%
Aço, 0,6%
Aço, 0,8%
Aço, inoxidável
Alumínio 99 e 99,5
Prata e Monel (liga de níquel)
Bronze
Cobre
Estanho
Zinco
Chumbo
Ks (Kgf/mm2)
recozido
24
30
36
45
55
70
50
7a9
28 a 36
33 a 40
18 a 22
03
12
02
Ks (Kgf/mm2)
encruado
32
40
48
56
72
90
56
13 a 16
45 a 56
40 a 60
25 a 30
04
20
03
4.3.Força de sujeição
Algumas vezes a tira a ser cortada fica presa através de um sujeitador ou prensa- chapa ligado ao
mecanismo do punção e acionado pela pressão dada por molas.
Podemos considerar que, para condições médias de folga e afiação das ferramentas, o esforço de
sujeição varia de 5 a 12% do esforço de corte e na prática, quando não se conhece o valor exato,
utiliza-se 10%. Assim, nesse caso, a força total de corte será igual a 1,1.Fc
sujeitador com molas
4.4. Redução da força de corte
Muitas vezes é interessante procurar-se diminuir o esforço de corte, com o intuito de minimizar a
necessidade de grandes prensas. Isto pode ser feito através de um ângulo no punção ou na matriz,
de maneira a diminuir a área de resistência ao corte.
A redução do esforço de corte pode ser demonstrada conforme segue:
O trabalho requerido para cortar uma chapa de metal pode ser calculado pela fórmula básica:
Trabalho = Força x distância em que a forca atua
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56
No caso do punção de face reta, à distância percorrida pelo punção para executar o corte será igual à
espessura da chapa (e).
Portanto: Tc1 = Fc1 x e
No caso do punção de face angular à distância percorrida pelo punção para executar o corte
completo será igual a (e + c), conforme desenho
Assim: Tc2 = Fc2 x (e + c)
Como o trabalho para executar o mesmo corte não varia, (Tc1 = Tc2) e como a distância percorrida
pelo punção com face angular é maior, para manter-se a igualdade, a força de corte, neste caso,
necessariamente, terá que ser menor.
Tc2 = Fc2 x (e + c)
Tc1 = Fc1 x e
Tc1 = Tc2
(e + c) > e
Portanto: Fc2 < Fc1
O ângulo de inclinação dado na face do punção não deve ultrapassar a 18 graus.
4.5. Exercícios de aplicação
a) Desejamos cortar,simultaneamente,dez discos de 30 mm de diâmetro, em chapa de aço carbono
para estampagem, com 0,1% C, de 2 mm de espessura.
Calcular o valor da força total de corte.
Solução : Fc = e x L x Ks × 10
L = π × d da tabela Ks = 24 Kgf/mm2
Assim: Fc = 2 × π × 30 × 24 × 10 = 45240kgf
b) No problema anterior, calcular o ângulo que deveria ter a face do punção para que pudéssemos
cortar 10 discos, simultaneamente, usando-se uma prensa de 30tf.
Solução:
Tc1 = Fc1 × e = 45240 × 2 = 90480kgf . mm
Tc 2 = Fc 2 × ( e + c)
Tc1 = Tc 2 = 90480
Fc 2 = 30000kgf
Portanto: 90480 = 30000 × ( 2 + c) . Assim: c = 1,02
Portanto: tgα =
30
1,02
α
1,02
= tg 0,034 = 1,947 ⇒ α = 10 56′
30
4.6. Estudo do "layout" para o melhor aproveitamento das chapas
Podemos obter uma importante economia de material, particularmente quando se tratar de grandes
séries de peças, se estudarmos, cuidadosamente, a posição que deve ocupar a peça na tira de
chapa. Além do aspecto relativo à redução de retalhos e sobras em geral, muitas vezes é importante
considerar-se também o sentido de laminação da chapa, para obter-se uma resistência mecânica
adequada da peça.
Um bom arranjo da peça na tira também pode contribuir para um aumento de produtividade, bom
acabamento das peças, ao mesmo tempo que pode propiciar o uso de ferramentas mais simples.
Para termos a melhor disposição possível da peça na tira devemos seguir as seguintes regras:
• Separação entre as peças
A separação que deve deixar-se entre peças ou entre essas e as bordas da tira varia de acordo com
a espessura da chapa e o formato da peça.
É importante observar que o retalho de chapa deve manter sempre a rigidez, pois caso contrário
haverá problemas de posicionamento da tira na ferramenta com conseqüentes interferências,
produtos incompletos, engripamentos da ferramenta, etc.
Normalmente adotam-se como distanciamentos mínimos os que se seguem:
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57
S = distância ou sobra de material
e = espessura da chapa
S = 2 x e: se os lados de duas peças consecutivas
são paralelos, portanto a separação das peças é
constante.
S = e: quando a separação mínima entre duas
peças é somente num ponto, (por exemplo,
formatos circulares).
O mesmo critério é empregado para distância
mínima entre as bordas da tira e a peça.
Qualquer que seja e, sempre devemos ter S > 0,5
mm.
Em alguns casos, quando o formato da peça permite, pode-se conseguir um aproveitamento máximo
não se deixando retalho entre as peças, conforme mostra a figura abaixo.
• Modos de disposição das peças na tira
A princípio a disposição das peças na tira é feita através de uma das seguintes formas:
Reta
• Inclinada
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58
• Invertida
A disposição invertida exige que a tira do metal passe duas vezes pela mesma ferramenta, sendo
que da segunda vez a tira deve ser invertida.
Outra alternativa é dispor de uma ferramenta equipada com dois punções, para corte simultâneo das
duas peças. Essa solução acarretará aumento no preço da ferramenta e na exigência de prensas
mais potentes para execução do corte.
• Múltipla
Para descobrir-se qual a melhor disposição para determinada peça, o método mais prático, se não
tivermos acesso a um software adequado, é o de recortar-se modelos da peça em cartolina e
distribuí-los de várias formas sobre papel milimetrado, até encontrar-se a disposição que seja a mais
econômica.
Para tanto devemos considerar: área efetiva
ocupada pela peça, perdas nos extremos da tira,
custo da ferramenta, produtividade, etc.
Em determinados casos pode ser altamente
vantajoso alterar-se o desenho da peça de forma a
melhorar-se substancialmente o aproveitamento
da tira. Veja o exemplo ao lado, onde uma
pequena alteração, que não influiu na aplicação da
peça resultou numa melhor utilização da chapa.
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59
Outras vezes, as
peças são mais
complexas e há
necessidade de
operações
sucessivas para
obtenção da
peça. Aí também
um bom estudo
de layout pode
levar a uma
economia
expressiva de
material,
conforme mostra
o exemplo ao
lado.
Repare que a
peça 1 está
sendo produzida
a partir do retalho
da peça 2.
2
1
4.7. Exercícios de aplicação
a) Calcular qual das disposições: Paralela, oblíqua ou invertida apresenta o melhor aproveitamento
da tira de chapa (menor área ocupada), para a fabricação da peça abaixo.
• Solução:
Disposição paralela
P = 17 + 2 = 19mm
L = 2 + 30 + 2 = 34mm
A = 19 × 34 = 646mm 2
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60
Disposição inclinada
a = 52 + 52 = 7,07mm ⇒ P = 2 + 7,07 = 9,07
d = 30 × sen 45 = 21,21mm → f = 17 × sen 45 = 12,02mm
∴ L = 1 + 21,21 + 12,02 + 1 = 35,23
A = L × P = 35,23 × 9,07 = 319,54mm 2
Disposição invertida
P = 17 + 2 = 19mm
L = 2 + 30 + 2 + 5 + 2 = 41mm
A=
L × P !9 × 41
=
= 389,50mm 2
2
2
Assim, nesse exercício, o melhor aproveitamento dá-se na disposição inclinada.
5. Operações de dobramento
Consiste na deformação da chapa ou tira, de forma a obter-se uma ou mais curvaturas através da
aplicação de esforços de flexão. Dizemos, então, que o material está submetido a um estado duplo
de tensão.
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61
5.1. Características da operação de dobramento
Como todo material submetido à flexão, a chapa dobrada é solicitada por tração no lado externo da
dobra e por compressão no lado interno, caracterizando o estado duplo de tensão.
Assim sendo, as tensões a que está sujeito o material são decrescentes das faces externas em
direção ao núcleo da peça e, como as mesmas são de sentido inverso haverá uma linha onde essas
tensões se anulam, que é chamada de linha neutra (L.N.).
Esta linha é importante na operação de dobramento, pois como aí a tensão é zero ela não sofre
alteração de comprimento durante a deformação, o que não acontece com as partes que estão sendo
tracionadas e comprimidas que, aumentam ou diminuem de comprimento, respectivamente, após a
operação.
É através da linha neutra que se calculam as dimensões do desenvolvimento (“blank”), ou seja, da
tira antes do dobramento.
Quando se inicia o dobramento, a linha neutra está localizada no centro da espessura da tira e,
conforme operação vai sendo executada, sua tendência é deslocar-se em direção ao lado interno da
curvatura (lado da compressão).
5.2. Determinação da posição da linha neutra (LN).
Como valores práticos para localização da LN,em função da espessura da chapa, podemos citar:
espessura da chapa (e)
posição em relação ao
lado interno da dobra
até 2 mm
1 2. e
3 7. e
1 3. e
acima de 2 mm até 4 mm
acima de 4 mm
• Determinação experimental da linha neutra:
•
Para determinação exata da posição da LN, é necessário fazer-se o dobramento de uma tira de
chapa, de comprimento L e espessura e conhecidos, com um raio r de dobramento desejado, como
mostra a figura abaixo.
e
L
l
h
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R
62
2πR
+b
4
b=h−e−r
Assim, teremos: L = a +
onde: a = l − e − r
R = raio na L. N .
Multiplicando a expressão por 2 vem:
2 L = 2 a + πR + 2 b ⇒ R =
2( L − a − b)
π
Chamando-se à distância da linha neutra à face interna da dobra de x, vem:
R= r+x⇒ x = R−r⇒ x =
2( L − l − h)
π
−r
• Exemplo de aplicação:
Determinar a distância entre a LN e a face interna da dobra de uma tira de aço de 100 x 20 x 3 mm,
que uma vez dobrada, ficará com as dimensões indicadas a seguir:
2πR
+b
4
onde: a = 48 − 3 − 5 = 40 b = 58 − 3 − 5 = 50
100 = a +
R = raio na L. N .
2(100 − 40 − 50)
⇒R=
π
x = R − r , assim:
x=
2( 100 − 50 − 40)
π
− 5 = 1,3mm
5.3. Cálculo do desenvolvimento
Para obter-se uma peça dobrada temos que partir de um esboço plano, cortado com dimensões
adequadas, denominado desenvolvimento da peça. Este desenvolvimento é calculado, baseado na
linha neutra da peça, pois essa não muda de comprimento após a deformação da chapa.
Assim, para o cálculo do desenvolvimento, basta determinar o comprimento da mesma.
• Exemplo de aplicação
Calcular o desenvolvimento da peça desenhada a seguir, construída em chapa de 2 mm de
espessura.
Como a espessura da chapa é de 2 mm, podemos considerar a LN no centro da chapa (LN = 1/2.e)
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63
Cálculo do desenvolvimento:
AB = 8 - (3 + 2) = 3 mm
BC = 2πR/4 = 1/2.π. (3 +1) = 6,28mm
CD = 15 - (5 + 5) = 5 mm
DE = BC = 6,28 mm
EF = 40 - (3 + 2) = 35 mm
FG = 2πR/2 = π. (5 + 1) = 18,84 mm
Portanto, o desenvolvimento terá o seguinte comprimento:
L = 3 + 6,28 + 5 + 6,28 + 35 + 18,84 = 74,40 mm
5.4. Deformação durante o dobramento
No dobramento de tiras de seção retangular, os lados do retângulo são formados pela largura da tira
e pela sua espessura. Quando chapas espessas são dobradas com raios de curvatura pequenos,
este retângulo é distorcido para um trapézio, onde o lado interno à curvatura tem suas dimensões
aumentadas, devido aos esforços de compressão e o lado externo tem suas dimensões diminuídas,
devido aos esforços de tração.
5.5. Raio mínimo de dobramento
Quanto menor o raio de dobramento maiores serão as tensões a que o material ficará submetido.
Para que não haja início de trinca ou esmagamento, as tensões máximas de tração e compressão
atingidas nas partes externas e internas da curvatura nunca devem atingir a tensão limite de ruptura.
Assim, o raio mínimo de dobramento deve ser limitado de forma a evitar esta ocorrência.
Existem fórmulas empíricas para a determinação do raio mínimo, mas na prática utilizam-se valores
obtidos experimentalmente. Para o aço doce recomenda-se Rmin > e, onde e é a espessura da
chapa.
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64
5.6. Retorno elástico (Spring back)
No dobramento sempre deve ser levado em conta o fato que, após cessado o esforço do punção
sobre o material, haverá um certo retorno da peça dobrada, ficando a dobra com um ângulo maior
que o obtido no momento da pressão da ferramenta.
Esse retorno é devido à componente elástica do material, pois a deformação plástica permanente é
conseguida apenas nas fibras mais externas do material, permanecendo às próximas à linha neutra
no estado elástico.
O ângulo de retorno depende, principalmente, do material, de sua espessura e do raio de curvatura
Normalmente ele varia de 1°a 10° e, para ter-se uma idéia de seu valor, convém realizar-se um
ensaio prévio de dobra.
Portanto, as ferramentas de dobra devem ser feitas com ângulo que compensem esse retorno.
Nos dobramentos de perfis "U" o fundo é feito levemente côncavo para compensar a ação elástica do
material.
5.7. Folga entre punção e matriz
A folga entre o punção e a matriz deve ser igual à espessura da chapa, a menos que a chapa vá ser
submetida a um efeito de cunhagem, o que aumentará significativamente as forças necessárias para
o dobramento. Como a espessura da chapa pode variar dentro das tolerâncias de usina, isto deve ser
considerado no dimensionamento da folga. Normalmente costuma- se acrescentar 10% da espessura
para compensar essas tolerâncias. Usando-se esse critério a folga será igual a 1,1 e
5.8. Força de dobramento
Para o cálculo da força necessária para realizar-se um dobramento é preciso saber como será
realizado o mesmo pois, conforme o desenho da ferramenta, haverá uma variação nessa força.
Assim sendo apresentaremos três tipos básicos de dobramento mostrando o roteiro que deve ser
seguido para determinação dessa força. Para qualquer outro tipo de dobramento não analisado aqui,
o roteiro a ser seguido é o mesmo.
O cálculo da força de dobramento é feito baseado nos carregamentos padrões de uma viga,
conforme visto em resistência dos materiais.
Assim, para calcularmos a força de dobramento devemos associar o tipo de dobramento com um
correspondente carregamento de uma viga.
A seguir mostramos o cálculo da força de dobramento (FD ) para dobras em "V", "L" e "U".
Dobramento em "V"
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65
Da resistência dos materiais vem:
Mfmax =
Onde:
Fd l Fd × l
× =
2 2
4
Mfmax = momento fletor máximo Fd = força de dobramento
l = comprimento livre entre apoios na matriz.
Por outro lado sabemos também que: Mf = W .σf
Onde:
W = módulo de resistência, que depende do formato da seção que está sendo dobrada.
σf = tensão de flexão do material, considerada normalmente como sendo duas vezes a tensão de
ruptura à tração do material.
b. e 2
, onde:
Para o caso de seções retangulares, como a de uma chapa: W =
6
b = largura da tira
e = espessura da tira
b. e 2
. σf
Substituindo, temos: Mf =
6
Fd . l b. e 2
Igualando-se teremos:
. σf
=
4
6
Portanto: Fd =
b. e 2 . σf
1,5. l
Dobramento em "L"
Da resistência dos materiais vem:
Mfmax = Fd . l
Onde: l =comprimento livre entre o punção e o engastamento da tira na matriz.
Da mesma forma que no exemplo anterior temos:
b. e 2
Mf = W .σf e, para tiras de chapas: W =
6
b. e 2
. σf
Igualando-se teremos: Fd . l =
6
Quando l = e vem: Fd =
• Dobramento em "U"
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b. e.σf
6
b. e 2
Portanto: Mf =
. σf
6
b. e 2 . σf
Portanto: Fd =
6. l
66
Este tipo de dobramento pode ser considerado como um duplo dobramento em "L", com l = e
Assim: Fd = 2.
b. e. σf b. e. σf
=
6
3
Exemplos de aplicação:
a) Calcular a força necessária para o dobramento em "U" de uma tira de chapa de aço de
σf = 50 kgf mm 2 , de largura 120 mm e de espessura 2 mm.
• Solução:
Fd =
b. e.σf 120 × 2 × 50
=
= 4000kgf
3
3
b) Calcular a força necessária para o dobramento em "V" de uma tira de chapa de aço de
σf = 50 kgf mm 2 , de largura 120 mm e de espessura 2 mm.
• Solução:
Para executarmos este tipo de dobramento é necessário saber-se o comprimento livre entre apoios
(l), que depende do projeto da ferramenta. Recomenda-se l entre 15 a 20 x e, onde e é a espessura
da chapa.
Para o presente problema adotaremos = 15 e, portando: l = 15 x 2 = 30 mm.
b. e 2 . σf 120 × 2 2 × 50
=
= 533,33kgf
1,5. l
1,5 × 30
5.9. Sujeitador
Assim: Fd =
Nas operações de dobramento poderá haver a necessidade de manter-se a tira de chapa presa
firmemente, para evitar que a mesma desloque-se durante a operação.
Sujeitador
Para isso, poderá ser usado um prensa-chapa ou sujeitador de ação por molas. Normalmente, o valor
dessa força de sujeição pode ser considerado como sendo 0,3 Fd.
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67
6. Operação de embutimento ou repuxo
6.1. Introdução
A operação de repuxar consiste em obter-se um sólido, de forma qualquer, partindo-se de um
desenvolvimento de uma chapa plana.
O estudo do fluxo do metal nesta operação é bastante complexo, pois aparecem estados duplos e
triplos de tensão.
As possibilidades de repuxar começam no limite elástico e terminam um pouco antes do limite de
ruptura. Portanto, quanto maior for a diferença entre o limite elástico e o de ruptura, maiores serão as
possibilidades de repuxar determinado aço.
A chapa de aço para operações de repuxar deve ter um limite elástico bastante baixo (18 a
2
2
21 kgf / mm ) uma carga de ruptura a mais elevada possível (35 a 42 kgf / mm ), com um coeficiente de
alongamento em torno de 33 a 45%.
Nesta operação, ao contrário das precedentes, praticamente todo o volume da peça sofre tensões e é
encruado, exceto o fundo da peça, que serviu de apoio à face do punção.
De forma geral, o encruamento melhora a qualidade do produto acabado. Por exemplo, partes de
carroceria de automóvel, onde são feitas deformações com a finalidade específica de encruar a
chapa, aumentando a resistência a rupturas, a deformações.
Por outro lado, encruamentos excessivos devem ser evitados, pois isso tornará a peça frágil.
A figura acima mostra as tensões a que está sujeita uma peça repuxada. Enquanto as paredes
verticais estão sendo tracionadas, a área plana do desenvolvimento está tendo sua circunferência
reduzida através da atuação de forças de compressão.
Como, geralmente, a chapa é fina, as forças de compressão tendem a flambar a chapa na zona
plana, o que origina ondulações e rugas nesta área.
Para evitar-se este fenômeno utilizam-se prensa-chapas, o que implica no aparecimento de forças de
atrito entre este e a chapa que está sendo repuxada.
6.2. Determinação do desenvolvimento de uma peça embutida
Para esta determinação é necessário conhecer-se tanto o formato como as dimensões do
desenvolvimento.
Para peças de seção circular sabe-se que o formato do desenvolvimento é um círculo. Caso
contrário, sua determinação nem sempre é fácil, exigindo cálculos por computador ou sendo muitas
vezes calculado por aproximação ou de forma experimental.
As dimensões do desenvolvimento, são calculadas baseado na igualdade das áreas superficiais do
desenvolvimento e da peça. Como a espessura da chapa praticamente não varia e o volume do
material permanece constante durante o processo, podemos concluir que a área da superfície da
peça é igual a do desenvolvimento.
Assim temos: Speça = Sdesenvolvimento
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68
Para o cálculo da área da superfície da peça repuxada devem ser utilizadas as dimensões na linha
neutra, como visto para a operação de dobramento.
6.3. Exemplos de aplicação para peça com seções circulares
a
)Calcular o desenvolvimento da seguinte peça:
Solução:
Desprezando-se o raio de curvatura, a área
da superfície da peça vale:
πd 2
+ πdh
Sp =
4
Como a peça tem seção circular o seu
desenvolvimento é um círculo de diâmetro D.
Assim:
πD 2
Sd =
4
Igualando-se
as
áreas
teremos:
πD
πd
=
+ πdh
4
4
2
Portanto: D = d + 4dh
2
2
b) Calcular o desenvolvimento da seguinte peça:
• Solução:
Para a determinação das áreas de superfícies complexas devemos decompô-las em uma série de
áreas simples.
Assim, para a peça do problema teremos:
π 2 . r. d
π 2 .5.70
2
− 2. π . r =
− 2. π .52 = 1570,10mm 2
S1 =
2
2
S 2 = π . d . h = π .60.40 = 7539,82mm 2
S 3 = 2.π . r 2 = 2.π .302 = 5654,86mm 2
Sp = S1 + S 2 + S 3 = 1570,10 + 7539,82 + 5654,86 = 14764,78mm 2
Como a peça tem seções circulares, seu desenvolvimento será um círculo
Assim:
Sd =
π . D2
14764,78 × 4
= 14764,78mm 2 ⇒ D =
= 137,11mm
π
4
A seguir são dadas algumas áreas de superfície
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6.4. Exemplo de aplicação para peça de seção retangular
Para o cálculo do desenvolvimento neste caso, a peça, desenhada abaixo, deve ser decomposta em
regiões com raios (cantos) e regiões de dobramentos em linhas retas.
Onde existem raios, a forma de cálculo do desenvolvimento é similar ao de uma peça cilíndrica e nas
partes retas calcula-se como se fosse o desenvolvimento de uma peça dobrada.
Cálculo do desenvolvimento
Inicialmente é desenhado o retângulo ABCD de lados = a1 = a - 2r e b1 = b- 2r
A partir de cada um dos lados deste retângulo devem ser marcadas as distâncias Π.r/2 + h1, onde h1
=h-r.
Desta forma obtemos a seguinte figura:
Π.r/2
h1
Para completar o desenvolvimento devemos traçar, a partir dos pontos ABCD quatro quartos de
círculo com diâmetro D, que corresponde ao diâmetro do desenvolvimento de um cilindro de raio R.
com cantos arredondados no fundo, de raio r e altura h.
Assim,teremos:
D = 4 R 2 + 8R(h1 + 0,57r )
onde: h1= h - r
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70
As concordâncias necessárias para evitar-se cantos vivos, que ocasionariam defeitos nas peças são
feitas sem alteração da área total do desenvolvimento, conforme mostra o croqui abaixo.
6.6. Força de embutimento
Não é fácil calcular o esforço necessário para a operação de embutimento de uma peça, pois são
muitos os fatores que interferem, tais como: tipo de material, espessura da chapa, profundidade do
embutimento, raios da matriz e do punção, acabamento superficial dos mesmos, lubrificação, etc.
Porém, é certo que a força de embutimento deve ser menor que a necessária para o corte do fundo
da peça.
Assim, praticamente, podemos dizer que a força de embutimento (Fé) pode ser obtida multiplicandose a força de corte (Fc) por um coeficiente m, menor que 1, tabelado em função da relação d/D.
Portanto, para corpos cilíndricos teremos: w ′ ≅
w
Chapas de aço para repuxo profundo
d/D
m
0,55
1,00
0,575
0,93
0,60
0,86
0,65
0,72
0,70
0,60
0,75
0,50
0,80
0,40
6.5. Embutimento progressivo
Quando a peça a ser embutida possui a altura muito grande em relação às dimensões do fundo, não
é possível obtê-la em uma só operação, pois o esforço de embutimento seria tão grande que a chapa
seria rompida.
Para contornarmos este problema devemos recorrer ao embutimento em etapas progressivas.
No caso de peças cilíndricas, a seqüência para determinação do número de etapas e dos vários
diâmetros intermediários inicia-se pelo cálculo do diâmetro do desenvolvimento (D).
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71
A relação entre o diâmetro da peça (d) e o diâmetro do desenvolvimento (D) é que irá determinar se a
peça pode ser executada em uma única operação ou se serão necessários embutimentos
intermediários.
A relação d/D para que a peça possa ser obtida em uma única operação varia com a resistência à
tração do material, com a espessura da chapa, com a pressão do prensa-chapa, com a força de atrito
e com coeficiente de alongamento do material.
É claro, também, que folgas, raios e ângulos da ferramenta, bem como seu acabamento são de
fundamental importância para a operação de repuxo.
Para condições médias são admitidos os fatores K1 e K2 relacionados abaixo. K1 é o fator que deve
ser usado na primeira operação, quando o material ainda não sofreu qualquer encruamento e K2 é o
fator que deve ser usado nas operações subseqüentes.
Assim, teremos:
D.K1 = d1
d1.K2 = d2
d2.K2 = d3
d(n-1).K2 = dn
Valores de K1 e K2 para repuxo progressivo
Material
Aço para repuxo
Aço para repuxo profundo
Aço inoxidável
Alumínio
Cobre
Latão
Zinco
K1
0,60 a 0,65
0,55 a 0,60
0,50 a 0,55
0,53 a 0,60
0,55 a 0,60
0,50 a 0,55
0,65 a 0,70
K2
0,80
0,75 a 0,80
0,80 a 0,85
0,80
0,85
0,75 a 0,80
0,85 a 0,90
6.7. Exemplo de aplicação
Desejamos obter um recipiente cilíndrico, de aço para repuxo profundo, com 20 mm de diâmetro por
30 mm de altura (ambas as medidas feitas na linha neutra da peça).
Calcular o número de embutimentos necessários e os respectivos diâmetros intermediários.
• Solução:
a) Cálculo do diâmetro de desenvolvimento
D = d 2 + 4dh ⇒ D = 20 2 + 4 × 20 × 30 ⇒ D = 53mm
b) Cálculo da relação d/D
2
14764,784
π.D
×
2
Sd= =14764,78m
mD
m
⇒= =137,11m
4
π
Como 0,38 é menor do que 0,55 há necessidade de embutimento progressivo.
c) Da tabela vem: K1 = 0,56 e K2 = 0,75
Assim:
d1 = 0,56 x 53 = 30 mm
d2 = 0,75 x 30 = 22,5 mm
d3 = 0,75 x 22,5 = 17 (diâmetro mínimo)
Portanto teremos um total de três operações com d1 = 30 mm, d2 = 22,5 mm e d3 = 20 mm.
6.8. Força no prensa - chapa
A pressão do prensa-chapa é fundamental para um bom embutimento, pois a pressão quando
excessiva provoca a ruptura do material e quando insuficiente favorece a formação de rugas na peça.
A pressão ideal depende do material e da espessura da chapa sendo que quanto menor for a
espessura maior deverá ser a pressão.
De forma geral podemos tomar a força no prensa chapa como sendo 30% da força de embutimento.
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6.9. Folga entre punção e matriz
A folga deverá ser tal que permita o escoamento uniforme da chapa sem que haja formação de rugas
ou diminuição na sua espessura.
Na prática admite-se: para o aço: f = 1,2. e; para o cobre, latão e alumínio: f = (1,1 a 1,15). e.
Onde e é a espessura da chapa.
7. Prensas para estampagem
7.1. Prensas mecânicas
O princípio de acumulação de energia que está presente quando se levanta a massa de um martelo
pode também ser aplicado às prensas mecânicas. Neste caso a energia é armazenada em um
volante e, ao contrário do martelo onde toda energia acumulada é gasta de uma só vez, na prensa
ela deve ser despendida apenas em parte.
Uma redução de velocidade do volante da ordem de 15% para operação contínua e de 25% para
uma única pancada, é estimada como a máxima permitida, sem que o motor elétrico que toca o
volante seja afetado.
A Força máxima de projeto definida para uma determinada prensa é um valor compatível com os
esforços que pode suportar sua estrutura e as peças móveis que fazem a transmissão de forças.
Forças acima desta começam por comprometer a rigidez estrutural causando desgastes prematuros
e perda de precisão das ferramentas e finalizam pelo aparecimento de fissuras e quebra de peças da
prensa.
Para melhor entendimento analisemos o exemplo a seguir:
Suponhamos uma prensa excêntrica com carga máxima de placa - P = 100.000 Kgf e trabalho
nominal - An = 560 m Kgf.
a) Se a força P = 100.000 kgf for exercida numa distância W = 5,6 mm teremos: A1 = 100.000 x
0,0056 = 560 m Kgf
Assim estaremos solicitando a prensa nos seus limites máximos de força e energia.
b) Se a força P = 100.000 kgf for exercida numa distância W = 3,0 mm teremos:
A2 = 100.000 x 0,0030 = 300 m kgf
Estamos usando o limite de força, mas não de energia.
c) Se usamos o limite de energia An = 560 m.kgf numa distância W = 3,0 mm teremos:
P3 =560/0,003 = 186.700 kgf
Neste caso como a máxima força permitida é de 100.000 Kgf, a prensa foi severamente
sobrecarregada Na verdade a queda de velocidade do volante está dentro do limite aceitável pois não
foi ultrapassado o limite de energia e, portanto, não há sinais externos de sobrecarga.
Entretanto, todas as partes do sistema de transmissão de forças, bem como a estrutura da prensa
estão sob risco de falha.
Sérias sobrecargas desta natureza ocorrem com freqüência quando prensas são carregadas para
uso de grandes forças em pequenas distâncias, tais como em trabalhos de cunhagem ou
timbramento.
O mais grave é que esta sobrecarga não é percebida. Por esta razão as prensas mecânicas devem
ser providas de mecanismos de segurança tais como embreagens e pinos que se partem quando
determinada carga é atingida, desconectando o sistema motor da prensa e evitando a sobrecarga.
Outra forma de sobrecarga da prensa aparece quando se usa mais energia do que o permitido. É
claro que este tipo de sobrecarga pode estar associado com o anterior quando forças muito grandes
atuam em pequenas distâncias e, neste caso, as conseqüências são bastante danosas. Entretanto,
quando a força permissível não é ultrapassada o problema é bem menor do que se costuma supor.
Admitamos que, no exemplo acima, o volante seja levado a uma parada durante a execução de um
trabalho numa distância W = 100 mm (0,1 m). O total de trabalho disponível no volante (A = 1560
m.Kgf) terá sido consumido, mas a força exercida neste período será:
P = A / W = 1560 / 0,1 = 15.600 kgf, bem abaixo da máxima permissível
Neste caso apenas o motor elétrico que toca o volante foi sobrecarregado e, se o fato é esporádico,
provavelmente não será comprometido.
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73
Em operações continuas, uma prensa de maior capacidade deverá ser usada, embora a força exigida
seja pequena. Sobrecargas desta natureza acostumam ocorrer em operações de repuxo profundo e
extrusão.
7.1.1. Prensas excêntricas
Nestas prensas, o volante acumula uma quantidade de energia, que cede no momento em que a
peça a cortar, dobrar ou embutir, opõe resistência ao movimento. No eixo do volante há um
excêntrico que funciona por meio de uma biela, transmitindo movimento alternativo ao cabeçote, que
desliza por guias reguláveis, onde se acopla o conjunto superior do estampo. O conjunto inferior é
fixado à mesa, por meio de parafusos e placas de fixação.
NOMENCLATURA
1 - Volante
2 - Guias do cabeçote
3 - Excêntrico
4 - Biela
5 - Mesa regulável
6 - Volante regulador
• Prensas excêntricas de simples efeito
São aquelas que possuem um único cabeçote, onde é montada a ferramenta
• Prensas de duplo efeito
NOMENCLATURA
1 - Excêntrico
2 - Biela
3 - Guias
4 - Chapa a embutir
5 - Matriz
6 - Prensa-chapa
7 - Punção
8 - Cabeçote interno
9
Cabeçote
externo
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São as que realizam ações distintas e sucessivas através do uso de dois cabeçotes. O interno, cujo
movimento é retardado, um quarto de volta do externo é movido por um excêntrico, como nas
prensas de simples efeito e nele é, geralmente, fixado o punção de embutir. O externo é movido por
um excêntrico que aciona o prensa-chapa e o cortador, em alguns casos.
• Prensas excêntricas inclináveis
Estes tipos de prensas são geralmente utilizados nos estampos de duplo efeito e sua mesa dispõe de
um disco central com ação de mola, permitindo o funcionamento do expulsor adaptado nos
estampos. O ângulo de inclinação da prensa varia de 25o a 30o, para permitir uma boa visão do
estampo ao operador e facilitar a saída das peças, em combinação com um bico de ar comprimido
que as dirige a uma calha, de onde caem num recipiente.
NOMENCLATURA
1 - Conjunto do Estampo
2 - Pedal Acionador
3 – Motor
4 - Parafuso de Inclinação
5 – Calha
6 - Recipiente
• Parâmetros de funcionamento das prensas excêntricas
É importante neste tipo de prensa a relação entre a
posição do cabeçote e o movimento angular do eixo do
excêntrico.
Na figura a posição do cabeçote em relação à mesa da
prensa (w') é relacionada com o movimento angular do
eixo do excêntrico.
Para efeitos práticos podemos considerar w ′
≅w
Assim teremos:
r−w
r
w
⇒ w = r (1 − cos α )
r=
1 − cos α
cos a =
r=
H
H
⇒ w = (1 − cosα )
2
2
onde: r é o raio de giro do excêntrico; H o braço de
manivela; P.M.S. é o ponto morto superior e P.M.I. é o
ponto morto inferior.
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• Exemplo de aplicação:
Um eixo-manivela com braço de 100 mm comanda uma prensa cujo cabeçote faz contato com a peça
a 6,7 mm acima do ponto morto inferior (PMI) da manivela. Qual é o ângulo do eixo nesta posição?
• Solução:
cosα =
H 2 − w 100 2 − 6,7
=
= 0,8660 ⇒ α = 30°
H 2
100 2
• Velocidade do cabeçote
A velocidade C do cabeçote está relacionada com a velocidade periférica do ponto de conexão da
biela com o eixo excêntrico.
Assim:
C=
π .r.n
sen α [ mm / s] , sendo n a rotação em rpm
30
• Exemplo de aplicação:
Determinar a velocidade do cabeçote de uma prensa com: H = 100, W = 6,7 mm e n = 80 rpm.
• Solução:
cosα =
C=
H 2 − w 100 2 − 6,7
=
= 0,8660 ⇒ α = 30°⇒ sen α = 0,5
H 2
100 2
π . H 2 .n
π .50.80
× 0,5 ⇒ C = 209mm / s
sen α =
30
30
• Força e capacidade
No exemplo abaixo veremos como calcular a força e o trabalho para determinada operação de
estampagem.
a) Um disco de diâmetro d = 165 mm deve ser cortado de uma chapa de aço para repuxo profundo
com Ks = 29 Kgf/mm2 ; e = 2 mm
• Solução:
•
Fc = π.d. e. Ks = π. 165 . 2 . 29 = 30 t
O trabalho para executar-se este corte é dado por: A = X.Fc.e , onde X é um fator que relaciona a
efetiva força despendida durante o corte. X varia entre 0,4 a 0,7 para operação de corte. Para o aço
X=0,6.
Portanto: A = 0,6 x 30.000 x 0,002 ⇒ A = 36 m.kgf
b) Usaremos agora a mesma chapa para obtermos uma peça repuxada cilíndrica com diâmetro d =
148 mm, e altura h = 82 mm, partindo-se de um desenvolvimento em forma de disco de D = 256 mm
• Solução:
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76
Fé = π.d.e.Ks. m
d/D = 0,58, portanto m = 0,92 ⇒ Fé = π x 148 x 2 x 37 x 0,92= 31654 kgf
Para repuxo : A = X Fé h, sendo que para o aço X = 0,75
Portanto : A = 0,75 x 31654 x 0,082 ⇒ A= 1947 mkfg
Dos exemplos acima podemos observar que, embora para os dois trabalhos (corte e repuxo) a força
seja a mesma, o trabalho necessário é 51 vezes maior no segundo caso, o que exigirá uma prensa
de capacidade bem superior para a operação de repuxo.
• Momento ou torque da prensa
Admitindo-se que a força P age no ponto de conexão entre a biela e o girabrequim, a mesma está a
uma distância a do ponto O, produzindo um momento no eixo - Md = P x a ou Md = P x r x sen α
Portanto:
P=
Md
r .senα
As prensas são projetadas de forma que as máximas forças apareçam entre a posição 30o e o PMI
Neste espaço (0o a 30o) a força permissível não pode ser ultrapassada, entretanto, não há perigo se
o momento o for. Porém, entre 30o e 90o a força será limitada pelo máximo momento permissível.
Para melhor compreensão vejamos o exemplo abaixo:
Temos uma prensa com H = 180 mm e P = 50t (α= 30o)
Qual será o valor de P disponível para execução de um trabalho numa distância w = 60 mm?
• Solução:
cosa =
r − w 180 2 − 60
=
⇒ α = 70°
r
180 2
Md = 50000 × 180 2 × sen 30° = 2.250.000kgf
P70′ ° =
Md
2250
=
⇒ P70′ = 26,6tf
H 2 × sen 70° 90 × 0,9397
Muitas vezes as prensas mecânicas excêntricas são ajustáveis, podendo ter alterada a distância a,
adaptando-se melhor às exigências do serviço a ser executado.
Outras vezes a força permissível é dada a 20o ao invés de 30o. Neste caso a força para um dado
torque será sempre superior a da prensa idêntica com P a 30o.
• Capacidade An
A capacidade de armazenagem de energia de uma prensa é dada pelo peso G, pelo diâmetro de giro
D e pela velocidade de rotação n de seu volante. Como o volante não deve ser parado, mas apenas
ter reduzida sua velocidade (no - ni), a energia disponível para determinado serviço pode ser dado
por:
−
An = no ni
2
7100
2
×G×D
2
nx
Após a execução do trabalho, a energia remanescente será: Ax =
• Exemplo de aplicação:
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no 2
× An
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Uma prensa com An = 800 mKgf tem um volante girando a 60 rpm. Após determinado serviço a nova
rotação do volante é de 30 rpm
Qual a capacidade da prensa neste momento?
• Solução:
2
Ax = nx
no 2
2
× An
Ax = 30
60 2
× 800 ⇒ Ax = 200mkgf
7.1.2 Prensas de fricção ou parafuso
Nesse tipo de prensa, em contraste com as excêntricas, o total
da energia do volante é usado em uma determinada operação.
A magnitude da força exercida é função da distância sobre a
qual ela é aplicada.
Grandes forças podem ser exercidas quando as distâncias a
serem percorridas são extremamente pequenas.
A força indicada na placa da prensa não é a máxima possível,
mas não deve ser excedida sob risco de danos à estrutura e
peças móveis da prensa, bem como à ferramenta de estampo.
Se, para a execução de determinada operação não for
consumida toda energia acumulada no volante, a energia
remanescente será convertida em deflexão da estrutura, do
fuso e da ferramenta.
A conseqüência poderá ser um repentino aumento da carga
que, muitas vezes, causa danos de grande monta.
Por esta razão é importante determinar-se o intervalo de
tempo requerido p/ acelerar o volante, de forma que a energia
acumulada seja compatível c/ a necessidade do serviço a ser
realizado.
(A descrição do funcionamento dessa prensa encontra-se no
capítulo de Forjamento)
7.2 Prensas hidráulicas
Estas prensas têm seus movimentos feitos através de pressão de óleo e são utilizadas, geralmente,
para os estampos de grandes dimensões. Podem competir com as prensas mecânicas, desde que
tenham as mesmas vantagens (alta velocidade de trabalho e autonomia). A bomba de êmbolo
rotativo, de alimentação variável, apresenta a característica de conferir ao curso da prensa, a
velocidade máxima quando a pressão é mínima e a velocidade mínima quando a pressão é máxima.
Portanto, o cabeçote da prensa desce rapidamente, sem exercer nenhuma pressão. Em seguida,
inicia-se a estampagem da chapa previamente colocada sobre a matriz inferior e, como
conseqüência, a velocidade diminui e a prensa desenvolve toda a pressão requerida para execução
da estampagem.
Terminada a ação, o cabeçote retorna até a posição superior em grande velocidade. É evidente,
portanto, que a bomba oferece meios capazes de conferir ao curso do cabeçote, várias velocidades,
em função da pressão necessária.
É comum entre as prensas hidráulicas além das de simples efeito, as de duplo e até triplo efeito.
• Parâmetros de funcionamento das prensas hidráulicas
Para embutimentos pequenos, existem também prensas hidráulicas rápidas.
Em prensas hidráulicas é feito uso do princípio da pressão hidrostática ou seja:
Quando a pressão p age sobre uma superfície de área A, obtém -se a força P, tal que: P = pxA
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78
As pressões empregadas nestas prensas
podem alcançar até 300 Kgf/cm2.
A força exercida no cabeçote da prensa
depende do trabalho a ser executado, a
pressão p irá aumentando conforme a
solicitação de maior carga. A força máxima
pode ser limitada conforme desejado através
da regulagem de uma válvula de alívio que
limita a pressão.
Diferentemente das prensas mecânicas a
força não depende da distância (w) a ser
percorrida pelo cabeçote. Por outro lado não
há como exceder a força máxima permissível,
devendo a mesma ser suficiente para a
execução da operação ou esta não se
completará.
A potência N requerida para uma prensa
hidráulica depende do volume de fluido
hidráulico que flui por segundo V, da pressão
p e das perdas mecânicas, hidráulicas e
elétricas do sistema η.
N=
V×P
η
Bibliografia Específica
FRANCO, Egberto, LINO, Jorge da Costa, KAMEI, Koyo et al. Estampagem dos Aços. São Paulo:
Associação Brasileira de Metais
PROVENZA, Francesco. Estampos I, II e III. São Paulo: Pro -Tec, 1996.
SCHULER, Louis. Metal Forming Handbook. 4. ed. Stuttgart: Ernst Klett,
YOSHIDA, Américo. Ferramenteiro (Corte-Dobra-Repuxo). São Paulo: Oren.
BRITO, Osmar de. Estampos de Corte. São Paulo: Hemus.
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