Uma análise dos parâmetros de puncionamento na furação de chapas

A furação de chapas realizada por puncionamento pode causar uma conicidade no furo estampado devido à folga entre punção e matriz de corte. A falta de controle dos parâmetros e as variações do diâmetro inicial e final dos furos podem inviabilizar a utilização deste método.

F. Antunes, L. Schaeffer e J. Castelan

Data: 21/12/2016

Edição: CCM Dezembro 2016 Ano XI N^o 140

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Fig. 1 – (a) Demonstração do processo e variação do diâmetro; e (b) diâmetro inicial e final corte (7).

Ao longo da sua vida útil, as chapas metálicas são submetidos a processos de manufatura, como por exemplo, furação, rebordeamento, corte e puncionamento, até serem transformadas em produto final. Segundo Schaeffer⁽¹⁰⁾, no atual contexto industrial o desenvolvimento de novos métodos e técnicas voltadas para a conformação de chapas, bem como o aper feiçoamento dos meios consolidados, torna-se cada vez mais necessário, tendo em vista principalmente a redução dos custos de produção. No caso do processo de corte, por exemplo, um dos fatores que podem levar à sua escolha é a qualidade almejada para a área processada, levando em consideração que regiões expostas ou que sofrem intensas solicitações requerem um maior controle dos parâmetros desse tipo de operação ⁽⁴⁾.

Fig. 2 – (a) Etapas do processo de puncionamento⁽¹²⁾; e (b) componentes básicos do processo adaptado⁽⁶⁾

Quanto ao processo de puncionamento, a folga entre punção e matriz é um dos parâmetros de maior relevância, em que o mau dimensionamento de ambas as partes pode levar a uma série de problemas como, por exemplo, desgaste excessivo das partes ativas das ferramentas, grande esforço dos equipamentos, alto consumo de energia, surgimento e propagação de microtrincas, formação excessiva de rebarbas, entre outros.

Um problema diretamente ligado à furação de chapas grossas é a má qualidade dimensional do furo final. Geralmente, estes furos apresentam um diâmetro inicial diferente do diâmetro final, um tipo de anomalia denominada conicidade, que ocorre devido à diferença de diâmetro entre punção e matriz. Quanto maior for esta folga, maior será a diferença observada nos diâmetros de entrada e saída do furo estampado, como é mostrado na figura 1 (pág. 34).

Etapas do processo

O processo de puncionamento apresenta as seguintes etapas: Primeiramente, há a aplicação de uma determinada força sobre a chapa, ocasionando a sua deformação elástica, ao passo que a segunda fase compreende a deformação plástica. Ao ser obtida a tensão máxima de cisalhamento, iniciase o processo de corte da chapa, em que a área tensionada passa a ter de 5 a 10% da espessura do material e apresenta aparência abrilhantada. Em seguida ocorre o início da nucleação de trincas que se propagam até a ruptura final, conforme a atuação contínua do punção sobre a chapa. A região de ruptura abrupta apresenta aspecto poroso. As etapas desse processo, bem como os componentes básicos envolvidos, podem ser observados na figura 2.

Fig. 3 – Principais partes de uma peça cisalhada: (a) zonas de arredondamento; (b) zona cisalhada; (c) zona fraturada; (d) rebarba; e (e) empenamento. ⁽¹⁰⁾

Fig. 4 – Ferramenta de puncionamento. Adaptado de.⁽⁸⁾

Uma peça submetida ao puncionamento geralmente apresenta zonas de arredondamento, cisalhadas e fraturadas, e em alguns casos há formação de rebarba, como é mostrado na figura 3, de Schaeffer⁽¹⁰⁾.

Fig. 5 – Detalhe da região de conicidade

A zona “a”, região correspondente à deformação elasto-plástica, conhecida como zona de arredondamento ou de indentação, é formada pelo escoamento do material quando este é pressionado pelo punção. No caso dos materiais com características dúcteis, essa região geralmente é maior do que a observada em materiais frágeis devido à sua maior capacidade de deformação. Já a zona de corte “b” apresenta uma superfície vertical com aspecto abrilhantado, a região “c” é onde acontece o desprendimento abrupto do retalho e a região “d”, conhecida pela ocasional formação de rebarba, é diretamente relacionada à folga entre o punção e a matriz (w). Geralmente, quanto maior for a folga entre eles, maior será a rebarba formada no final do processo.

Realizar mais de uma operação em um único passe é a proposta atrelada a alguns tipos de ferramentas. Ainda pouco difundido, este método pode proporcionar a combinação de processos distintos realizados com uma única ferramenta, assim como é mostrado na figura 4, de Marcondes et al. (9), em que a ferramenta realiza a furação e o acabamento final em um único passe.

Na figura 5 (pág. 36) a região alaranjada corresponde à que se pretende remover com a utilização das ferramentas abordadas neste estudo. A parte inicial do conjunto ilustrado nesta imagem é responsável pela furação, que é seguida de alguns incrementos no diâmetro, cuja função é remover a conicidade e proporcionar uma menor variação dos diâmetros de entrada e saída do furo após o processo.

Forças de corte

As forças no processo de puncionamento apresentam valores elevados mesmo no caso da confecção de furos com diâmetros pequenos ou de uso de materiais com pouca espessura, principalmente devido ao aumento do encruamento do material processado durante a sua deformação plástica.

Fig. 6 – Perímetro ou aresta de corte⁽¹²⁾

Fig. 7 – Diagrama“Força x tempo” adaptado de ⁽¹⁴⁾

Segundo Schaeffer⁽¹⁰⁾, a força de corte “Fc” pode ser calculada analiticamente pela equação 1:

Onde: t_c = tensão de cisalhamento (MPa). A_c= área a ser cisalhada (mm²).

A área a ser cisalhada “A_c“ pode ser calculada a partir da equação 2:

Onde: l_c = perímetro ou compricmento da aresta de corte (mm). s = espessura da chapa (mm).

O perímetro ou comprimento da aresta é mostrado na figura 6.

Caso a razão entre o diâmetro do punção e a espessura da chapa seja maior que 2, pode-se considerar a tensão de cisalhamento t_c em função da tensão máxima R_m, como é mostrado na equação 3:

Onde: R_m = tensão de ruptura do material (MPa).

Uma alternativa para a redução das forças de corte é a implementação de ângulos nas pontas dos punções. A confecção de punções com ângulos nas arestas de corte apresenta reduções significativas na força de estampagem, como demonstrado na figura 7.

Folgas entre punção e matriz

A folga entre punção e matriz (w) é um dos fatores de maior importância no processo de puncionamento. Ela pode ser obtida pela diferença entre o diâmetro da matriz (D) e o do punção (d). A figura 8 (pág. 37) e a equação 4 apresentam este parâmetro.

Os valores de folga entre a matriz e o punção são geralmente mostrados como percentuais em relação à espessura da chapa a ser processada. Segundo Boff e Schaeffer⁽⁵⁾, os valores de folga normalmente utilizados em processos de cor te convencionais variam de 5 a 10% da espessura da chapa, e para os processos de corte fino este percentual pode chegar a 1%.

Fig. 8 – Folga entre o punção e a matriz, adaptado de ⁽¹²⁾

Fig. 9 – Folga x espessura da chapa⁽¹²⁾

Para a ASM⁽³⁾ os valores de folga podem variar de 3 a 12,5% da espessura da chapa. Ainda não há consenso sobre o valor de folga ideal entre os autores; portanto, muitas das informações são empíricas e variam de acordo com cada um deles. Alguns valores utilizados são mostrados na figura 9 (pág. 37). A figura 10 (pág. 38) ilustra as três possíveis combinações de folgas: fo lga id eal, em qu e o corte ocorre com o menor esforço possível ; folga insuficiente, em que geralmente é aumentado o e s fo rço da má quina e são realizados cor tes secundários devido ao desencontro das trincas oriundas do punção e da matriz; e folga demasiada, em que é observada a formação de grandes rebarbas, apresentando uma maior deformação plástica.

O tamanho da zona de cisalhamento e da zona de ruptura varia de acordo com a folga entre punção e matriz. Uma chapa de aço ASTM A-36 com espessura de 12,7 mm foi puncionada com um punção de aço AISI D2 com diâmetro de 18 mm, e as folgas utilizadas foram equivalentes a 3%, 8%, 13% e 18%. Os dados obtidos foram plotados em dois gráficos demonstrados nas figuras 11 e 12 (pág. 38).

Fig. 10 – Mecânica do corte de chapas por cisalhamento: a) folga ótima; b) folga insuficiente; e c) folga excessiva. ⁽⁸⁾

Fig. 11 – Zona de cisalhamento e zona de rupturavs folga entre punção e matriz

Pode-se observar na figura 11 e 12 que, conforme a folga aumenta a zona de cisalhamento, a região com aspecto brilhante diminui, e, consequentemente, há um aumento da zona de ruptura, região com aspecto rugoso.

A chapa de aço ASTM A-36 é muito utilizada no setor metalmecânico principalmente na fabricação de torres de transmissão de energia. O aço-ferramenta AISI D2 possui alto teor de carbono e cromo, e é um dos materiais recomendados para a fabricação de punções e matrizes em geral.

As zonas de cisalhamento e de ruptura também podem sofrer alterações em seus tamanhos devido à velocidade de estampagem. Estudos feitos por fabricantes demonstram que pela diminuição da velocidade de estampagem a superfície cisalhada aumenta. Esse efeito pode ser visto na figura 13.

Fig. 12 – Zona de cisalhamento e zona de ruptura vs folga entre punção e matriz em valores percentuais

Fig. 13 – Influência da folga e da velocidade de estampagem na superfície cortada⁽¹⁾

A penetração do punção antes do início da trinca é outro fator que é diretamente influenciado pela folga entre punção e matriz. Este parâmetro pode ser determinado pela simulação numérica. Uma correlação entre o percentual de folga e o de penetração até o início da propagação da trinca é apresentado por Shaik e Quazi⁽¹³⁾ na figura 14 (pág. 39).

Ainda sobre as folgas, as matrizes geralmente possuem um ângulo de saída (θ), que permite a extração da sucata de material gerada após o processo. A queda livre desta sucata evita que ocorra o embuchamento de material na matriz.

Segundo a ASM ⁽³⁾, algumas matrizes podem conter um ângulo de saída (θ), ou folga angular, para que a parte da chapa puncionada, a sucata, caia livremente. Estas folgas variam de 0,5o até 2o a partir da parede vertical da matriz. A figura 15 (pág. 39) ilustra o ângulo de saída (θ).

Conclusão

Este artigo apresenta uma breve revisão sobre o processo de puncionamento e suas principais características, o que abrange aspectos da região cortada, cálculos de força de corte e alguns dos valores de folga que podem ser utilizados.

Fig. 14 Representação esquemática e gráfica da penetração do punção em relação à folga, adaptado de ⁽¹³⁾

Fig. 15 –Ângulo de saída de uma matriz de corte(θ)⁽³⁾

A qualidade da região cortada almejada é um dos fatores mais importantes no que tange à seleção de qual processo utilizar. Outro ponto importante que merece atenção está relacionado às folgas, visto que seu mau dimensionamento pode implicar desgastes prematuros ou até esforços excessivos das máquinas operatrizes. A implementação de pontas chanfradas nas pontas das ferramentas pode levar a uma redução significativa da força de corte.

A zona de cisalhamento diminui com o acréscimo da folga entre o punção e a matriz, diferentemente da zona de ruptura que aumenta. Com a redução da velocidade de estampagem observa-se um aumento da zona cisalhada.

Referências

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