São Paulo, 27 de outubro de 2020

ARTIGOS

22 de maio de 2020

Estampagem Como Processo de Fabricação

Editoria Serrametal

Como são alguns processos de estampagem de chapas metálicas na indústria, e quais os tipos de aços utilizados.

A estampagem de metais é uma área muito estudada a fim de reduzir custos e promover os melhores produtos. A estampagem se baseia em aplicar uma força sobre uma chapa metálica (normalmente aço de baixa liga) e moldá-la ao formato desejado.

Existem alguns procedimentos que são mais utilizados, tais como: estampagem profunda ou repuxo profundo, estampagem envolvendo corte e dobramento. Para isso, são utilizados punções e matrizes de corte e dobra. Tais processos podem ocorrer a quente ou a frio, sendo mais comum a frio.

Os aços para matrizes e punções mais utilizados são: AISI D2, D6, O1, M2, Toolox 33  e Toolox 44  estes são aços para trabalho a frio – correspondendo aços de alto carbono e elevado teor de elementos de liga. Entretanto também é utilizado o aço AISI H13 para conformação a quente.

Conceitos relevantes:

  • 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;
  • Resistência Mecânica – Resistência da chapa a ser moldada ou a resistência da ferramenta, como a matriz ou o punção, para que possa conformar a chapa.
  • Efeito Mola – Alguns materiais possuem a propriedade de voltar ao estado original após ser conformado, para chapas estampadas, isso não pode ocorrer.
  • A Espessura da Chapa – Isso é um fator muito relevante. Normalmente, quanto maior a espessura da chapa, mais resistência ela apresenta. Deve-se verificar o projeto da ferramenta de acordo com a chapa a ser estampada.
  • Tratamento térmico – Este deve ser realizado de acordo com a peça que irá ser estampada. O aço para a estampagem possui parâmetros únicos, ou seja, para cada aço utilizado serão aplicados parâmetros de têmpera e revenimento diferentes.

Visão geral das matrizes de estampagem

As Figuras 1 e 2 mostram de maneira geral as principais partes de uma prensa para estamparia:

Fig. 1 – Modelo básico de uma prensa para estampagem Projetista de Máquinas – PRO-TEC – PROVENZA, FRANCESCO.

 

Fig. 2 – Partes importantes de uma prensa para estamparia [4].

 

Parâmetros de estampagem e propriedades dos materiais

Segundo o Centro de Informação Metal Mecânico (CIMM), para verificar a estampabilidade de uma chapa, muito testes são utilizados, por exemplo: Simulação (tipo Erichsen, Olsen, Fukui, etc.), ensaios de dureza, medida da rugosidade do material, metalografia, ensaios de tração, com algumas propriedades como: alongamento até a fratura, o coeficiente de encruamento, os coeficientes de anisotropia normal e planar, etc. [1].

As operações reais de estampagem ocorrem uma combinação complexa de tipos de conformação e forças aplicadas, assim como forças externas e vibrações [2]. A estampabilidade não é apenas gerada pelas propriedades do material, mas sim unida das condições de deformação (como se dará o processo de estampar), estados de tensão e de deformação presentes [2].

Para os processos que envolvem conformação de chapas, grãos do aço são alongados na direção da deformação por tração [1]. O alongamento ocorre pelo processo de escorregamento do material durante a deformação [3].

Com isso, os planos atômicos e direções cristalinas dos materiais apresentam orientação de maneira aleatória (materiais isotrópicos) ou orientação preferencial (anisotrópicos). A deformação induzida pela força da ferramenta na chapa de aço proporciona uma orientação à chapa estampada, tornando-a anisotrópica.

Os materiais isotrópicos possuem propriedades físicas em todas as direções e anisotrópico tem propriedades diferentes em diferentes direções. Ou seja, quando se deforma uma chapa, as propriedades mecânicas no sentido que o punção aplicou uma força são diferentes se observar as propriedades no sentido ortogonal ao movimento da estampagem. Chapas deformadas plasticamente apresentam um coeficiente de anisotropia [3].

O coeficiente de anisotropia mostra os diferentes comportamentos mecânicos que o material pode apresentar, nos diferentes planos da chapa [3]. A anisotropia é uma propriedade considerada indesejável em materiais para estampagem não profunda, pois existe a chance de formação de orelhas.

Para a estampagem profunda, a anisotropia é muito relevante, pois nesta operação não pode ocorrer à diminuição significativa da espessura do material, logo a sua resistência a deformação no sentido da espessura da chapa deve ser alta.

Outro parâmetro que deve ser levado em conta é o coeficiente de encruamento (n), para definir a capacidade de deformação plástica do material. Quanto maior o coeficiente de encruamento, maior a deformação real que o material pode suportar, por exemplo, de fraturar. Esse parâmetro revela o quanto à chapa pode ser deformada, junto com a tensão de ruptura e o limite de escoamento.

O alongamento de um material é uma propriedade dos materiais em geral, que, para estampagem profunda, é muito importante e depende diretamente do coeficiente de anisotropia [5]. Para materiais com alto coeficiente de anisotropia, a deformação causa um aumento da resistência mecânica e modificação no tamanho/forma do grão, fazendo o material resistir cada vez mais à deformação [5], tornando-se mais duro e menos tenaz.

Em materiais que apresentam pequeno coeficiente, a deformação causa diminuição da espessura da chapa e perda da resistência mecânica.
Uma ferramenta utilizada para a verificação de como é o comportamento das chapas estampadas é a curva limite de conformação (CLC), que apresenta o limite entre as deformações que podem ocorrer e as catastróficas (onde ocorre a fratura) [5].

A espessura, direção de laminação, atrito da ferramenta com a chapa estampada, etc, influenciam diretamente no posicionamento da CLC, que pode deslocar a curva ou mais para cima ou mais para baixo, isto é, aumentando ou diminuindo a estampabilidade do material.··.

A Figura 3 mostra um exemplo da CLC:

Fig. 3 Curva típica para uma chapa de aço a ser conformada [6]
  • Espessuras: Quanto maior, mais deformações. Ocorre o deslocamento da curva para cima;
  • Atrito: Quanto menor o coeficiente de atrito (pode ser colocado óleo lubrificante para diminuí-lo), mais severas serão as deformações e, consequentemente, as curvas “sobem”;
  • Direção de laminação: Se o material é cortado na direção de laminação, apresenta mais deformações e, quando cortados de forma perpendicular à direção de laminação, apresenta mais resistência a deformações.

Partes da Máquina de Estamparia

Agora serão apresentadas algumas partes das máquinas utilizadas para estamparia, assim como os aços para punção e matriz utilizados, por exemplo.

A Figura 4 mostra de maneira esquemática peças mais relevantes de uma prensa de estampo:

Fig. 4 Peças para estamparia [2]

Espiga e Placa Superior

A placa superior e a espiga, são os elementos que sustentam o conjunto móvel do estampo, servem para centralizar todo o conjunto na prensa, e quando o estampo não utiliza espiga, a placa superior é utilizada para a fixação na máquina com calços. Os aços mais indicados são: 1020 a 1040 ou Toolox 33.

A Figura 5 mostra essa parte da máquina.

Fig. 5 esquema de onde se encontra a espiga e a placa superior na prensa [4].

Placa de Choque

A placa de choque é uma peça que recebe os choques (batidas) da cabeça dos punções quando eles furam, cortam ou conformam a chapa. A placa de choque é utilizada quando a força do punção, dividida pela área de apoio da cabeça do punção, for maior que a tensão de compressão do material conformado. A espessura da placa de choque normalmente pode variar entre 5 a 8 mm. O material indicado é aço SAE 1040 a 1070, temperada e retificada, ou Toolox 33.

A Figura 6 mostra onde ela está localizada no equipamento.

Fig 6 Esquema de onde se localiza a placa de choque [4]

Porta Punção

A porta punção tem a função de manter os punções no lugar e serve como guia e sustentação do punção. Os materiais mais utilizados para porta punção são os aços SAE 1040 a 1070 ou Toolox 33. A espessura do porta-punção é, no mínimo, de 0,25 (25%) do comprimento do punção.

A Figura 7 apresenta um esquema de onde é utilizado o porta punção.·.

Fig 7 Esquema de onde se localiza o porta punção [4]

Placa Guia

A placa guia, como o próprio nome já diz, é uma guia para os punções, onde ela é uma espécie de “caminho” por onde os punções passam para poder cortar ou conformar a chapa. A placa guia é normalmente fixada por parafusos tipo Allen. Os aços mais utilizados são os de baixa liga SAE 1010 a 1040 ou o Toolox 33.

Pino Guia

A função do pino guia é guiar as partes superiores e inferiores do estampo, para que com o movimento de subida e descida, não ocorra o deslocamento das partes. Normalmente se utiliza o aço SAE 1010/1020 Cementado – Temperado e Revenido 60-62 HRC, ou Aço SAE 8620 Cementado – Temperado e Revenido 60-62 HRC. Também é possível utilizar o aço Toolox 44 com tratamento superficial.

Matriz

A matriz tem como objetivo moldar a chapa que está sendo estampada e dar a forma adequada a ela. A matriz segura à chapa, enquanto o punção atua aplicando uma força sobre essa chapa. As matrizes podem ser inteiriças ou seccionadas. Na fabricação da matriz, deve-se considerar o ângulo de escape, a espessura da chapa, o perfil e a folga entre o punção e a matriz.

O material utilizado para sua construção são os aços especiais, ou aços ferramenta. O punção aplica uma força na chapa que se distribui ao longo da matriz, e se não tiver espessura suficiente, acaba trincando. Por isso é imprescindível que a matriz apresenta boa tenacidade. Os aços mais utilizados, em geral, para a matriz são:


Placa Base

A placa base serve de apoio à placa matriz e é fixada por parafusos e pinos guias. Tem como finalidade eliminar o choque direto entre a matriz e a mesa.  Ela fixa o conjunto à mesa da prensa.

Os lados de uma placa base servem para fixar o estampo na mesa da prensa e na sua parte inferior, normalmente, se faz um canal para retirada de retalhos. Os materiais mais utilizados para placa base são os aços 1020 a 1040 ou Toolox 33.

Punção

O punção é utilizado para o corte e conformação da chapa, trabalhando no sentido perpendicular à face da matriz. É construído com peça inteiriça, normalmente a 90° do movimento, mas pode ter a sua superfície inferior inclinada a fim de reduzir a força de corte. O punção aplica uma força na chapa, na região onde há o orifício da matriz.

Para realizar um bom corte, o punção e a matriz devem ter uma folga de acordo com o projeto. Os punções de corte inclinado podem diminuir a força de corte em até 60%, assim como o escalonamento dos punções. São utilizados os seguintes aços para o punção (a dureza depende do tipo de chapa a ser conformada ou cortada)


Faca de Avanço

A faca limita o passo da tira. É como um punção com largura equivale ao passo da matriz. As facas de avanço são utilizadas em peças de espessura de 0,2 a 4 mm. As facas de avanço cortam parte da chapa que não será utilizada para o produto final. Podem ser utilizados os seguintes aços:


Suporte

O suporte é um apoio, produzido com aço da baixa liga, como o SAE 1020, fixado na parte de baixo do estampo, no lado da saída do material e é utilizado para apoiar as tiras/chapas em caso de estampos progressivos ou na estampagem de peças de dimensões grandes.

Outras partes da máquina de estampar

Nas prensas para estampagem (ou estamparia) é utilizada uma quantidade maior de peças, além das que foram apresentadas aqui, mas de maneira geral, estas foram as principais partes que sempre foram motivos para dúvidas. Por fim, são apresentadas mais algumas peças utilizadas no processo de estampagem de metais.

A Figura 8 apresenta mais algumas peças relevantes.

Fig 8 – locais de algumas peças na prensa.

Prensa Chapa, Sujeitador ou Pino Extrator: serve para pressionar e manter a chapa na posição correta no momento do corte dobra ou repuxo. Após o corte, o pino extrator retira o material que ficou na matriz. Isso depende do tipo de operação de estampagem utilizada.

Molas: são utilizados alguns tipos de molas – Molas Helicoidais de compressão, Molas de Plastiprene, Cilindros de Nitrogênio, Cilindros Controlados (inteligentes) e Cilindros SPC. Mola: atua junto ao pino extrator, serve para dar a força ao pino.

Limitador, Arruela e Parafuso: são usados no conjunto de tirante. Limitador: com a arruela e o parafuso, são utilizados para limitar a abertura da mola e deixa-la livre para atuar.

Buchas: Servem para evitar o desgaste das colunas. Material utilizado é o aço SAE 8620 (cementado e temperado para dureza de 58-62 HRC).

 

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Referências

[1] https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6487-a-estampabilidade-dos-materiais-metalicos#.XoH6ZIhKjIU

[2] Prof. Eng. Mec.Norberto Moro, Téc. Mec. André Paegle Auras.CONFORMAÇÃO MECÂNICA II – Extrusão, Trefilação e Conformação de Chapas. FLORIANÓPOLIS, 2006. (Apostila de processos de fabricação – CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA, GERÊNCIA EDUCACIONAL DE METAL MECÂNICA, CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA INDUSTRIAL).

[3] CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.

[4] Projetista de Máquinas – PRO-TEC – PROVENZA, FRANCESCO

[5] Folle, L. F.; Arruda, R. P.; Marca, D.; Schaeffer, L. “Escolha do lubrificante correto torna mais precisa a curva-limite de conformação.” Corte & Conformaçãode Metais, Abril 2008.

[6] https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6602-o-que-sao-as-curvas-limite-de-conformacao#.XoImMIhKjIU