PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO CAP.4: MÉTODOS DE CÁLCULO Prof.º Dr. José Eduardo Salgueiro Lima

Processos de conformação

Métodos de cálculo As hipóteses anteriormente definidas nos capítulos 2 e 3 são hipóteses gerais empregadas na quase totalidade dos métodos desenvolvidos para cálculo de tensões e deformações. As hipóteses particulares de cada método serão proporcionalmente em menor número quanto maior for a precisão do método. Os métodos teóricos e empíricos desenvolvidos para o estudo da conformação são os seguintes:   Energia uniforme ou deformação homogênea Fatia elementar (Slabs) e equilíbrio de elementos Limite superior de energia Simulação Elementos finitos

Processos de fabricação aeronáuticos Prof. José Eduardo Salgueiro Lima

Conformação por Compressão Conformação combinada tração/compressão Conformação de metais Conformação por Compressão Conformação combinada tração/compressão Conformação por tração Conformação por flexão Conformação por cisalhamento *Laminação * Trefilação *Estiramento *Cladeamento *Corte *Forjamento matriz aberta *estampagem *Dobramento *Forjamento matriz fechada *Chunhagem *Extrusão

Estiramento É a operação que consiste na aplicação de forças de tração, de modo a esticar o material sobre uma ferramenta ou bloco (matriz). Mais amplamente utilizado na indústria de aviões para produzir peças de grande raio de curvatura. (normalmente de seção transversal uniforme). Como predominam tensões trativas, grandes deformações de estiramento podem ser aplicadas apenas para materiais muito dúcteis. Para estes materiais, almeja-se altos valores de coeficiente de encruamento. Springback é eliminado em grande parte porque o gradiente de pressão é relativamente uniforme.

Processo de Estiramento Neste processo, a chapa é fixada nas suas extremidades e tracionada sobre uma matriz, que se move numa direção particular (dependendo da máquina).

Equipamento O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráulico (usualmente vertical), que movimenta o punção. Duas garras prendem as extremidades da chapa. Na operação, não existe uma matriz fêmea. As garras podem ser móveis permitindo que a força de tração esteja sempre em linha com as bordas da chapa. Garras fixas devem ser usadas somente para conformação de peças com grandes raios de curvatura, evitando-se com isto o risco de ruptura da chapa na região das garras.

Equipamentos para Estiramento

Exercício 1 Uma chapa de aço 1020, de dimensões iniciais Lo= 1500 mm, bo= 1000 mm e espessura to = 1 mm foi estirada 10% na direção longitudinal. Supondo que a condição de atrito da chapa sobre a matriz durante o processo de deformação indique que o mesmo ocorra sob condição de deformação plana na largura, calcular: a) as dimensões finais da chapa, b) a deformação efetiva, c) a carga para a condição de máxima deformação. Sendo que a curva de encruamento do material é definida como: (kgf/mm²)

Figura exercício 1 No ponto de estricção e=2n

Métodos de cálculo Um método será tão mais preciso quanto mais parcelas de energia forem consideradas durante o cálculo. Num processo de conformação a energia total a soma de três parcelas de energia: W = Wi + Wa + Wr

Energias W é a energia total consumida em um processo de deformação plástica real.   Wi é Energia plástica ou ideal ou de deformação uniforme utilizada para deformar plasticamente o metal até uma geometria requerida a corpo metálico. Wa energia necessária para vencer atrito na superfície de contato metal-ferramenta. Wr energia redundante gasta com o cisalhamento interno no metal, devido à deformação não uniforme, que não contribui para a variação na forma do corpo. Dessas três parcelas, as duas últimas não contribuem para a qualidade do produto final e dependem diretamente da qualidade e da geometria das ferramentas empregadas.

Eficiência ou rendimento (h) A eficiência de um processo pode ser expressa por: Valores típicos de eficiência são de 30 a 60% para a extrusão, e 75% a 90% para a laminação.

Extrusão direta Movimento do material extrudado no mesmo sentido de avanço do embolo

Extrusão indireta Movimento do material extrudado no sentido contrário ao de avanço do embolo. Vantajoso, pois não há atrito do tarugo com o recipiente. Limitado, pois o embolo oco (para barras) ou esbelto (para tubos) não permite a obtenção de produtos com seções reduzidas.  

Método da energia uniforme É o método mais simples e menos preciso de todos, pois assume uma série de hipóteses simplificadoras: Coeficiente de atrito é considerado desprezível; A geometria das ferramentas não afeta o escoamento do material. Essas duas hipóteses fazem com que tanto a parcela de energia de atrito quanto a de trabalho redundante sejam desprezadas. Isto obviamente acarreta um erro nos resultados de forma que esse método serve apenas para uma primeira análise, dando uma ideia da ordem de grandeza dos esforços e tensões. A discrepância com os valores medidos na prática, aumentam com a incidência de fatores que afastam o processo das condições ideais de deformação homogênea, por isto frequentemente procura-se corrigir estas diferenças por meio de coeficientes que consideram os fatores anteriormente desprezados, desta forma o método passa a ser semi-empírico.

Método da energia uniforme na Extrusão a frio Trabalho ideal por unidade de volume(wi) é a área abaixo da curva de escoamento do material

Método da energia uniforme na Extrusão a frio

Método da energia uniforme na Extrusão a frio

Método da energia uniforme na Extrusão a frio Potencia de extrusão P= F.v v = velocidade de extrusão constante de entrada.

Trefilação A trefilação é um processo de conformação plástica de metais realizado a frio, e consiste em forçar a passagem de uma barra através de uma fieira mediante a aplicação de uma força de tração à saída desta fieira. A barra deve ser apontada e inserida através da fieira, sendo em seguida, presa por garras de tração usualmente impulsionadas através de corrente sem fim

Trefilação matriz

Trefilação Método da Energia Uniforme Devido a similaridade dos processos temos as equações para os cálculos muito parecidas com o processo de extrusão a frio. Tensão efetiva média (sunif) Se o material seguir Hollomon temos: Força de tração na Trefilação (T)  Tensão de trefilação(st) deve ser sempre menor que a tensão de escoamento na saída da matriz, para que a deformação plástica não ocorra fora da matriz. Potência de trefilação(P) P=F.v (wattts)

Estampagem

Nomenclatura utilizada na estampagem

Estampagem

Deformação plástica por expansão Deformação plástica de chapa por expansão A deformação plástica de chapa por expansão é fundamentalmente utilizada na estampagem de peças complexas como as que geralmente se podem encontrar na indústria do automóvel (ex. painéis laterais, `capôs', portas, tampas das bagageiras, etc...), as peças são geralmente pouco profundas e, consequentemente, a sua estampagem realiza-se quase sempre numa única operação

Deformação plástica por expansão

Ensaio de embutimento -

Curva CLE – curva limite de estampagem

Deformação plástica de chapa por expansão de uma porta de um veículo automóvel. Representação das deformações do material da porta no plano das extensões principais.

curva CLE As regiões assinaladas na figura são críticas durante a fabricação de uma porta de um automóvel sendo habitual recorrer-se à marcação de grelhas de círculos na superfície das chapas para caracterizar a deformação do material durante a fase de desenvolvimento do processo de fabricação.

Forjamento O termo forjamento utiliza-se para designar a família de processos tecnológicos de deformação plástica na massa para os quais a alteração de forma é realizada através de forças de compressão exercidas por ferramentas atuadas por martelos de queda ou por prensas hidráulicas, mecânicas, ou de fricção. A tecnologia do forjamento permite fabricar peças com dimensões e formas geométricas muito diversificadas numa gama muito variada de materiais metálicos. Indústrias dos transportes (automóvel, aeronáutica, ferroviária e naval), a militar, maquinaria industrial e a de produção de energia. Componente como: as bielas e os pistões dos motores de combustão interna, as rodas dentadas das engrenagens das caixas de velocidades e dos sistemas de transmissão, as rodas dos comboios, as pás e os eixos de turbinas, as pás de leme e os eixos propulsores e transmissores dos navios, os ganchos, olhais dos sistemas de elevação, diversos tipos de ferramentas e utensílios manuais.

Forjamento Merecem destaque de entre as principais características mecânicas dos componentes forjados, a excelente relação entre a resistência mecânica e o peso e elevada resistência à fadiga e aos esforços de impacto. Os processos de forjamento podem ser classificados em função da temperatura a que se realizam: Trabalho a quente, trabalho a morno e a frio. Uma forma alternativa de classificar os processos de forjamento, pode ser feita com base no tipo de ferramental que trabalha a peça.

Forjamento Estabelecendo-se os três grupos a seguir: Forjamento em matriz aberta este grupo é composto pelas operações forjamento em que o escoamento do material não é, ou é apenas ligeiramente constrangido lateralmente. As ferramentas (matrizes) possuem geometrias simples. Forjamento em matriz fechada este grupo é composto pelas operações de forjamento em que o escoamento do material é constrangido lateralmente. As ferramentas possuem a forma negativa da peça a fabricar. Outros tipos de forjamento, este grupo integra as operações de forjamento por compressão axial, por intermédio de rolos, rotativo e orbital.

Representação de algumas operações típicas de forjamento: a) forjamento em matriz aberta (matriz em forma de V), b) forjamento em matriz fechada, c) forjamento por compressão axial, d) forjamento por intermédio de rolos, e) forjamento rotativo e f) forjamento orbital.

Força no forjamento com matriz fechada

Cruzeta

Determinação da geometria equivalente V0=Ap.hm→hm=V0/Ap Ap= área projetada 2.Determinação dos valores médios das deformações e/ou veloc. de deform. 3.Determinação da Tensão efetiva no interior da peça forjada. usar a frio usar a quente

Método da energia uniforme forjamento molde fechado 4.Determinação da pressão média aplicada na ferramenta A pressão média p aplicada pela matriz na fase final da operação de forjamento em matriz fechada pode ser calculada corrigindo o valor da tensão efetiva no interior da peça forjada através do coeficiente Qp, que leva em consideração a complexidade da forma, conforme tabela.

Método da energia uniforme forjamento molde fechado 5.Determinação da força máxima de forjamento

Método da energia uniforme forjamento molde fechado 6.Determinação da energia de forjamento A energia necessária ao forjamento, corresponde a área delimitada pela curva que traduz a evolução da força com o deslocamento da matriz.

Método da energia uniforme matriz fechada – coeficientes de correção Forma geométrica Qp Qe Forma simples pouco confinada lateralmente 1,5 a 2,5 1,2 a 1,5 Forma simples pouco confinada lateralmente e com uma pequena formação de rebarba 3 a 5 2 a 2,5 Forma simples confinada lateralmente e com uma apreciável formação de rebarba 5 a 8 3 Forma complexa, envolvendo nervuras elevadas e almas finas, com apreciável formação de rebarba 8 a 12 4

LAMINAÇÃO A QUENTE • Utilizada para materiais que tenham baixa plasticidade a frio. • Serve como etapa de preparação para laminação final, a frio. • Permite grandes reduções de espessura. • Forças de laminação menores que as da laminação a frio • Produz acabamento superficial pobre. • Resulta em tolerâncias dimensionais largas.

LAMINAÇÃO A QUENTE

Laminação a Quente As temperaturas recomendadas para o reaquecimento antes da laminação são as seguintes: Aço doce: 1250-1350°C Aços de baixo teor de liga: 1250-1300°C Aços de alto teor de liga: 1250°C máx. Aços inoxidáveis austeníticos: 1100-1200°C

Laminação a quente contínua O metal em fundido é laminado a quente continuamente através de uma série de laminadores, dentro do mesmo processo. Normalmente para a produção de chapa de aço.

Laminação a quente

LAMINAÇÃO A FRIO • Requer material com boa plasticidade a frio. • É precedida por laminação a quente. • As reduções de espessura são limitadas pelo encruamento. • As forças de laminação são bem maiores que as da laminação a quente. • Produz acabamento superficial bom ou ótimo. • Resulta em tolerâncias dimensionais mais estreitas que a laminação a quente.

LAMINAÇÃO A FRIO

Sendzimir Nova Tecnologia para Laminação a Frio Quatro colunas

LAMINAÇÃO A FRIO

Relações geométricas

Condições de Laminação

Tensões residuais

1- Método da energia uniforme

2-Método da energia uniforme Determinação da extensão verdadeira de saída

3-Método da energia uniforme Determinação da tensão no interior da região de deformação Utilizar o valor médio da tensão sunif

4-Método da energia uniforme Determinação da força de separação dos rolos(Fs) Fs= sunif.L.w.Qfs QFS ábacos hm=(hi+hf)/2 hm/L>1 a e hm/L<1 b

4-Método da energia uniforme hm/L>1

4- Método da energia uniforme hm/L<1

5-Método da energia uniforme Determinação do momento e da potência de laminação M=Fs.L P= M.w w=velocidade angular dos rolos de laminação

Defeitos de laminação Defeitos em laminação podem ser tanto superficial quanto estrutural: Defeitos superficiais incluem marcas de rolo e de escala. Defeitos estruturais (ver figuras) incluem: 1. Ondas laterais: flexão dos rolos causam afinamento nas laterais, a qual tendem a alongar mais. Desde que os cantos estão restritos pelo material do centro, eles tendem a empenar e formar ondas laterais. 2. Trincas centrais e de canto: 3. Fendilhamento: resultados de deformação não homogênea ou defeitos no lingote fundido. Outros defeitos incluem: tensão residual (em alguns casos tensões residuais são desejáveis).

Exercício Um tarugo de cobre (99,94%) é extrudado a frio de modo a obter uma tensão limite elasticidade igual a 320 MPa. A seção transversal do tarugo extrudado deverá , por imposições de projeto, ser igual a 500 mm². Indique qual deverá ser o valor do diâmetro inicial do tarugo a ser extrudado e calcular a redução de área associada a operação. Determine os valores da pressão e da força de extrusão. Curva tensão efetiva –deformação efetiva a frio (25oC) MPa.

Exercício A porta é fabricada a partir de uma chapa de aço com uma espessura inicial igual a 0.8 mm. A curva limite de estampagem — CLE do aço encontra-se representada no lado direito da figura. Os círculos marcados na superfície da chapa na região crítica assinalada na figura têm um diâmetro inicial igual a 3 mm e após deformação transformam-se em elipses com o eixo maior e o eixo menor medindo respectivamente 3.35 mm e 3.05 mm. Curva elasto plástica do material

Exercício - Figura Curva elasto plástica do material

Exercício a) Determine as deformações principais e1 e e2 na superfície da porta assinalada na figura e proceda à sua representação no plano das deformações principais. b) Obtenha a deformação e3 e o valor da espessura final da chapa na região da porta assinalada na figura. c) Calcule a deformação e a tensão efetivas na região da porta assinalada na figura. d) Determine o valor do quociente s2 / s1 entre as tensões principais na região da porta assinalada na figura considerando que o estado de tensão é plano s3 = 0 e) Calcule o valor das tensões principais na região da porta assinalada na figura.

Exercício Considere a operação de forjamento a quente (1000oC) em matriz fechada que se encontra representada na figura. A pré-forma utilizada na fabricação da flange é num cilindro de Aço AISI 1045 com 25 mm de diâmetro e 35 mm de altura. a) Determine a força que é necessária para forjar a flange numa prensa hidráulica com uma velocidade de atuação constante v = 10 mm/s considerando que a área projetada da peça pode ser aproximada por intermédio de um círculo com 50 mm de diâmetro. Utilize o método da energia uniforme e admita Qp= 3  b) Determine a potência que é exigida à prensa no instante final da operação. c) Determine o tempo que é necessário para forjar uma peça.  Informações adicionais: Comportamento mecânico do Aço AISI 1045 (1000oC):

Exercício Considere a operação de forjamento da cruzeta não simétrica que encontra representada na figura. A pré forma utilizada na fabricação da cruzeta consiste num cilindro de alumínio tecnicamente puro com 14,54 mm de diâmetro e 17,70 mm de altura. A curva tensão extensão do material determinada por ensaios de compressão uniaxial é a seguinte:

Exercício cont.. Pelo método da energia uniforme determinar: A) a força de forjamento considerando que a área projetada da cruzeta pode ser aproximada por um quadrado com 29,5 mm B) A energia para forjar a cruzeta