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I
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Escola de Engenharia
Programa de Pós
-
Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais
PPGEM
ESTUDO
DO PROCESSO DE ESTAMPAG
EM INCREMENTAL EM CHAPA DE
ALUMÍ
NIO PURO
Anderson Daleffe
Dissertação para obtenção do título de Mestre em Engenharia
Porto Alegre
2008
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Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
II
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Escola de Engenharia
Programa de Pós
-
Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e dos Materiais
PPGEM
ESTUDO
DO PROCESSO DE ESTAMPAG
EM INCREMENTAL EM CHAPA DE
ALUMÍ
NIO PURO
Anderson Daleffe
Dissertação para obtenção do título de Mestre em
Engenharia
Trabalho realizado no Centro de Tecnologia da Escola de Engenharia da UFRGS, dentro
do Programa de Pós
–
Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais
–
PPGEM, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em En
genharia.
Área de Concentração: Processos de Fabricação
Porto Alegre
200
8
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III
Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do título de Mestre em
Engenharia, área de concentração Processos de Fabricação e aprovada em sua forma final,
pelo
Orientador e pela Banca Examin
adora do Curso de Pós
-
Graduação.
Orientador: Prof. Dr. Lírio Schaeffer
Banca Examinadora:
Prof. Dr.
Alexandre Rocha (PPGEM/UFRGS)
Prof. Dr. Eng. Alberto Moreira Guerreiro Brito
(Escola de Engenharia/UFRGS)
Prof.
Dr.
Eng.
André F
elippe Vieira da Cunha (POSMEC
/UFSC)
Prof. Dr
. Carlos Pérez Bergmann
Coordenador do PPGEM
IV
Dedico a Andrez
a
e Gilmar
pela paciência, apoio e motivação.
V
AGRADECIMENTOS
A todos que colaboraram direta ou indiretamente na elaboração deste Trabalho, o
meu reconhecimento. Ao Professor Dr. Lírio Schaeffer, pelo estímulo, dedicação e atenção;
ao LdTM e à Faculdade SATC pelo apoio logístico e tecnológico; ao CNPq pelo apoio ao
projeto de estampagem incremental no Laboratório de Transformação Mecânica –
LdTM/UFRGS.
E ao colega Jovani Cas
telan
pelo apoio técnico, pelas sugestões e observações
valiosas.
VI
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
................................................................
................................
...............
IX
LISTA DE TABELAS
................................................................
................................
..............
XI
LISTA DE ABREVIATURAS
................................
...............................................................
XII
LISTA DE SÍMBOLOS E UNIDADES
................................
................................
................
XIII
RE
SUMO
................................
................................
...............................................................
XIV
ABSTRACT
................................
................................
................................
............................
XV
OBJETIVOS
................................
................................
................................
..........................
XVI
1
INTRODUÇÃO
................................
................................................................
.....................
17
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
................................
................................
..............................
19
2.1
Estampagem
................................................................
................................
...................
19
2.2
Processo
de Estampagem
................................................................
..........................
20
2.2.1. Processo de Embutimento
................................................................
.....................
20
2.2.2
Processo
de Estiramento
................................................................
.........................
21
2.3 Histórico da Estampagem Incremental
................................
................................
..........
22
2.3.1 Máquinas para Estampagem Incremental
...............................................................
22
2.3.2 Robôs Manipulando Ferramentas para Estampagem Incremental
.........................
23
2.3.3 Modelo de Ferramentas Usadas na Estampagem com R
obôs
................................
24
2.3.4 Robô
................................
................................................................
.......................
25
2.4 Máquina Dedicada a Estampagem Incremental
................................
.............................
26
2.5 Descrição do Processo de Estampagem Incremental
................................
.....................
28
2.5.1 Ferramentas de Estampagem Incremental
................................
..............................
30
2.5.2 Lubrificação
................................................................
................................
............
31
2.5.2.1 Tipos de lubrificantes
................................................................
..........................
32
2.
5.3 Profundidade da Estampagem Incremental
................................
............................
32
2.5.4 Pontos Críticos
................................
................................
................................
.......
33
2. 5.5 Características do Acabamento da Superfície Estampada
................................
....
34
2.5.6 Parâmetros Importantes
................................................................
..........................
35
2.5.7 Aplicações Industriais
................................
................................
............................
35
2.5.8 Geometria de Peça Estampagem Incremental
................................
........................
38
2.5.9 Vantagens do Processo
................................................................
...........................
39
VII
2.6 Estampagem Incremental com Ponto Simples (SPIF)
................................
...................
39
2.7 Limites de Geometria
................................
................................
................................
.....
40
2.8 Limites do Material
................................
................................
................................
........
41
2.8.1 En
saio de Tração
................................
................................
................................
....
43
2.9 Desenvolvimento do Dispositivo para Estampagem Incremental
................................
.
45
3
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
................................
................................
.............
46
3.
1 Experimento Preliminar
................................
................................................................
.
46
3.1.1 Máquina Utilizada para Estampagem Incremental
................................
................
46
3.1.2 Dispositivo Prensa Chapas
................................................................
.....................
48
3.1.3 Ferramenta de Estampagem
................................
................................
...................
48
3.1.4 Fixação do Dispositivo Prensa Chapas no Centro de Usinagem CNC
..................
49
3.1.5 Fixação da Chapa no Dispositivo Prensa Chapas
................................
..................
50
3.2 Ensaios Realizados
................................
................................
................................
.........
50
3.2.1 Projeto da Peça a ser Estampada
................................
................................
............
51
3.2.2 Resultado do Ensaio Preliminar
................................
................................
.............
52
3.
3 Parâmetros de Estampagem Coletados
................................
................................
..........
53
3.3.1 Velocidade de Estampagem
................................
................................
...................
54
3.3.2 Profundidade de Estampagem no Eixo Z
...............................................................
54
3.3.3 Rotação da Ferramenta de Estampagem Incremental
................................
............
54
3.3.4 Aquecimento da Ferramenta e da Chapa de Alumínio
................................
...........
54
3.3.5 Lubrificante Utilizado na Estampagem
................................................................
..
55
3.3.6 Excentricidade da Ferramenta
................................
................................
................
55
3.3.7 Rugosidade Superficial da Chapa de Alumínio
................................
.....................
56
4
CARACTERIZAÇÃO DA CHAPA DE ALUMÍ
NIO
................................
..........................
58
4.1 Determinação das Propriedades Mecânicas da Chapa de Alumínio
..............................
58
4.2 Definição das Características Mecânicas
................................
................................
.......
58
4.3 Tensão de Escoamento
................................
................................................................
...
60
4.4 Ensaio Metalográfico
................................
................................
................................
.....
61
4.5 Análise Química
................................................................
................................
.............
62
5
ANÁLISE DOS ENSAIOS
................................
................................
................................
....
63
5.1 Testes de Estampagem
................................
................................................................
...
63
5.
1.1 Teste de Estampagem Nº1
................................................................
......................
63
5.1.2 Teste Estampagem Nº2
................................................................
...........................
64
VIII
5.1.3 Teste de Estampagem Nº3
................................................................
......................
65
5.
1.4 Teste de Estampagem Nº4
................................................................
......................
66
5.1.5 Teste de Estampagem Nº5
................................................................
......................
66
5.1.6 Teste de Estampagem Nº6
................................................................
......................
67
5.1.7 Teste de Estampagem Nº7
................................................................
......................
67
5.1.8 Teste de Estampagem Nº8
................................................................
......................
68
5.1.9 Teste de Estampagem Nº9
................................................................
......................
68
6
ANÁLIZE DE RESULTADOS E DISCURSÕES
................................................................
70
6.1 Análise das Propriedades Mecânicas
................................
................................
.............
71
6.2 Medição e Cálculo da Deformação Através da Visioplasticidade
................................
.
72
6.3 Cálculo do Índice de Anisotropia
................................
................................
...................
76
6.4 Análise dos Testes de Estampagem Mudando o Diâmetro das
Ferramentas
.................
77
6.5 Comparação dos Testes Através das Fotos
................................
................................
....
78
7
CONCLUSÃO
................................
................................................................
.......................
82
8
CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE ESTAMPAGEM INCREMENTAL
.........................
83
9
SUGESTÕES
................................
................................................................
.........................
85
10
BIBLIOGRAFIA
................................................................
................................
.................
86
ANEXO 1: DISPOSITIVO PARA USINAGEM DE CORPO DE PROVA
...........................
92
ANEXO 2: FOTOS DAS FERRAMENTAS USADAS NOS TESTES PRÁTICOS
..............
94
ANEXO 3: PROJETO DO DISPOSITIVO PRENSA CHAPAS
................................
.............
96
ANEXO 4: FERRAMENTAS MONTADAS NA MÁQUINA CNC
................................
......
99
IX
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Estampagem combinada, embutimento 1, estiramento 2
.
................................
.......
21
Figura 2: Operaçã
o de estiramento por tração
.
................................
................................
.......
22
Figura 3: Dispositivo
de estampagem para robótica .
................................
..............................
24
Figura 4: Ferramentas de
estamp
agem utilizadas na robótica
.
................................
...............
24
Figura 5: Robô usad
o na estampagem incremental .
...............................................................
25
Figura 6: Chapa
girando durante o processo
................................
................................
...........
26
Figura 7: Máquina dedica
da a estampagem incremental
.
................................
.......................
27
Figura 8:
Esquema de fixação da chapa .
................................
................................
.................
28
Figura 9: Estampagem de geometrias complexas
.
................................................................
..
29
Figura 10: Estampagem livre
, sem ponto de apoio
.
................................................................
29
Figura 11: Ferramentas para atuação no eixo
Z, com diâmetros dif
erentes
.
..........................
30
Figura 12: Exemplo de possíveis ferramentas
.
................................
................................
.......
30
Figura 13: Ferrament
a no processo de estampagem
.
................................
..............................
31
Figura 14: Ferramenta utilizando como lubr
ificante graxa convenc
ional
.
.............................
31
Figura 15: Profundid
ade do punção de estampagem
.
................................
.............................
33
Figura 16: Ruptura da chapa duran
te o processo de estampagem
.
................................
.........
34
Figura 17
: Aplicações médicas da ISF
.
................................
................................
..................
36
Figur
a 18: Exemplo de estampagem
.
................................................................
......................
36
Figur
a 19: Exemplo de estampagem
.
................................................................
......................
37
Figura 20: Painel decorativo, produzido através da técnologia ISF
.
................................
......
37
Figura 21: Tipos de peças
.
................................
................................
................................
......
38
Figu
ra 22: Descrição
do caminho da ferramenta
.
................................
................................
...
39
Figura 23: Estampagem in
cremental com ponto simples
.
................................
......................
40
Figura 24
: Lei dos senos equação 2.1
.
................................................................
....................
41
Figura 25: Curvas tensão x deformação do alumínio
.
................................
............................
42
Figura 26: Curva tensão
–
deformação de engenharia
.
................................
...........................
44
Figura 27: Idealização inicial d
o dispositivo prensa
-
chapas
.
................................
..................
45
Figura 28: Centro de usinagem discovery modelo 4022, romi com comando MACH9.
........
46
Figura 29: Dispositivo
prensa chapas.
................................................................
.....................
48
Figura 30: Ferramenta de estampagem incremental.
...............................................................
48
X
Figura 31: Ferramenta presa no mandril.
................................
................................
.................
49
Figura 32: Montagem do prensa chapas na máquina CNC.
................................
....................
49
Figura 33: Chapa sendo presa no dispositivo prensa chapas.
................................
..................
50
Figura 34: Projeto da peça a ser estampada.
................................
................................
............
51
Figura 35: Fotos da peça já estampada vista superior.
................................
............................
52
Figura 36: Fotos da peça já estampada vista inferior.
................................
..............................
52
Figura 37: Medição da chapa conformada.
................................
................................
..............
53
Figura 38: Coleta da temperatura durante o processo de estampagem
incremental.
...............
55
Figura 39: Aplicação de lubrificante no processo de estampagem incremental.
.....................
55
Figura 40: Medição da excentricidade da ferramenta.
................................
.............................
56
Figura 41: Medição da rugosidade da chapa a ser estampada.
................................
................
56
Figura 42: Desenho do corpo de prova.
................................................................
...................
59
Figura 43: Corpo de prova usinado.
................................................................
.........................
59
Figura 44: Curva tensão de engenharia pela deformação
................................
........................
60
Figura 45: Curva de escoamento do alumínio puro (99,33% Al).
................................
...........
61
Figura 46: Análise metalográfica do alumínio l
aminado.
................................
........................
61
Figura 47: Ferramenta de estampagem incremental.
...............................................................
64
Figura 48: Nova ferramenta utilizada no ensaio.
................................
................................
.....
64
Figura 49: Foto do teste de Nº8.
................................
................................
..............................
71
Figura 50: Grade de círculos feita através da técnica de silk
-
scre
en (serigrafia).
...................
72
Figura 51: Método de medição dos círculos.
................................
................................
...........
73
Figura 52: Medição realizada nos círculos.
................................
................................
.............
74
Figura 53: Tipos de def
ormação de chapas metálicas.
................................
...........................
74
Figura 54: Gráfico de rugosidade em função dos diâmetros das ferra
mentas.
........................
78
XI
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Dados técnicos do centro de
usinagem CNC Fanuc MSC
-
521
..............................
23
Tabela 2: Características do centro de usinagem discovery 4022.
................................
..........
47
Tabela 3: Características da máquina CNC.
................................
................................
............
47
Tabela 4: Analise da inclinação do ângulo de parede da peça estampada.
..............................
70
Tabela 5: Valores de rugosidade de acordo com os
diâmetros da ferramenta.
........................
77
Tabela 6: Fotos dos ensaios.
................................
................................
................................
....
78
XII
L
ISTA DE ABREVIATURAS
ISF
Incremental Sheet Forming
CNC
Comando Numérico Computadorizado
SATC
Associação Beneficente da Indústria Carbonífera de Santa Catarina
UFRGS
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
IST
Instituto Superior Técnico de Lisboa
CLC
Curva Limite de Conformação
RPM
Rotações Por Minuto
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnica
3D
Três dimensões
CAD
Computer Aided Design
CAM
Computer
Aided Manufacturing
SPIF
Single Point Incremental Forming
XIII
L
ISTA DE SÍMBOL
OS
E UNIDADES
[º]
Ângulo de parede de chapa na estampagem
.
E
[N/mm
2
]
Módulo de elasticidade
.
9045
0
,, RRR
Índice de anisotropia
segundo a direção da laminação
.
Deformação verdadeira
.
[N/mm
2
]
Tensão de escoamento convencional
.
xyz ,,
[
N/mm
2
]
Tensões nas direções
z, y
e
x.
eq
[
N/mm
2
]
Tensão equivalente
.
kf
[
N/mm
2
]
Tensão
de escoamento em função da deformação
.
l
[mm]
Alongamento do corpo de prova no ensaio de tração
.
l
[mm]
Variação do comprimento.
0
l
[mm]
Comprimento inicial do corpo de prova
.
1
l
[mm]
Dimensão final do corpo de prova, na direção do estiramento
.
2
l
[mm]
Dimensão final do corpo de prova, transversal ao estiramento
.
p
a
[mm]
Passo vertical
.
321
,,
Deformações principais
.
Fx, Fy, Fz
[N]
Força de conformação em cada eixo ortogonal
.
0
S
[
mm
2
]
Área inicial da seção da chapa
.
1
S
[
mm
2
]
Área final da seção da chapa
.
0
d
[mm]
D
iâmetro inicial
do
círculo de visioplasticidade.
a
[mm]
D
iâmetro final transversal
do círculo de visioplasticidade.
b
[mm]
D
iâmetro final longitudinal
do círculo de visioplasticidade.
R
z
[
m]
Rugosidade média
.
t
[mm]
Espessura da
chapa
.
t
0
[mm]
Espessura inicial da chapa
.
t
1
[mm]
Espessura final da chapa
.
[mm]
Diâmetro da ferramenta
.
e [%]
Deformação
específica residual convencional
.
XIV
R
ESUMO
O presente trabalho estuda o processo de estampagem incremental em chapas de
alumínio puro
,
descrevendo as ferramentas e um suporte prensa chapas. Estuda e pesquisa
bibliograficamente
e experimentalmente
o processo de estampagem incremental
.
O trabalho apresenta os procedimentos de caracterização utilizados para deter
minar
os limites do processo, aplicáveis para chapas de
0,5
mm de espessura em alumínio puro. A
caracterização da chapa, juntamente com o
ens
aio mecânico de tração e os testes práticos de
estampagem fornecerão um panorama da estampagem incremental, para algumas situações
diversas sobre o tema
. Para a exe
cução dos testes práticos
foi fabricado
um
dispositivo
prensa
chapas e um punção, matriz incremental e ferramenta de estampagem i
ncremental
, também
foram feitas
adaptações na máquina CNC
, centro de usinagem
CN
C com três eixos
.
Palavras
-chave: Ferramenta de Estampagem Incremental, Matriz Incremental,
Estampagem Incremental.
XV
ABSTRACT
This paper studies the process of incremental sheet forming, in plates the aluminum
pure, describing the tools and support a press plates. Studies and literature search and
experimentally the process of stamping incremental.
The work presents the characterization of procedures used to determine the limits of
the process, applicable to plates of 0.5 mm thick pure a
luminum.
The characterization of the
plate, along with mechanical traction test and practical tests of printing provide an overview
of incremental printing, for some different situations on the subject. For the practical
implementation of the tests was a device manufactured press plates and a puncture, matrix
and incremental tool for stamping incremental, were also made adjustments in the CNC
machine, CNC machining center with three axles.
Keywords: incremental sheet forming tool, incremental die, CNC devi
ce
.
XVI
OBJETIVOS
Geral:
Estudar o processo de estampagem incremental e realizar testes práticos de
estampagem na chapa de alumínio puro. Projetar e usinar o dispositivo para prender a chapa
de alumínio
de 0.5
mm de espessura,
p
ara a
realização da estampagem.
Específico:
Produzir peças em caráter experimental;
Obter produtos através da estampagem incremental, variando
formas geométricas
;
Definir os limites de estampabilidade de chapas de alumínio puro de 0,5 mm de
espessura;
Realizar os procedimentos necessários à caracterização do material: análise
química, análise metalográfica, ensaios de tração e exame de visioplasticidade
para verificação do índice de
anisotropia.
17
1
I
NTRODUÇÃO
A indústria metal-mecânica atual possui uma ampla diversidade de produtos, se
analisarmos em nossa volta praticamente todos os produtos industrializados utilizam aço em
sua composição ou
em seu processo de industrializaç
ão.
A produção de produtos metálicos utilizando chapas é muito ampla e diversificada,
dispondo de vários processos produtivos, dentre eles o mais utilizado atualmente é a
estampagem, que é basicamente realizada através de uma matriz e um punção acionado pela
força da prensa dando o formato desejado a chapa plana. Os produtos são manufaturados
através de processos industriais que visão uma produção maior com custo menor, tendo essa
visão, o presente trabalho estuda o processo de estampagem i
ncremental
em chapa de
alumínio puro
.
Esse processo é inovador e muito pouco aplicado industrialmente,
mas a estampagem
incremental pode ser aplicada industrialmente em escala de produção, na construção de
tanques, carcaças de proteção de equipamentos eletromecânicos e silos de armazenamento.
Há ainda outras aplicações importantes, como a indústria médica, para a confecção
de
próteses,
indústria automobilística, indústria naval, utensílios domésticos, latas para a
embalagem de alimentos e o
utro
s produtos industrializados
.
A
E
stampagem
Incremental de Chapas ISF: Incremental Sheet forming é uma
tecnologia inovadora, que teve início no Japão, consiste na conformação de chapa sem o uso
de punção e matriz convencionais, conforme os processos
trad
icionais de estampagem de
chapa
[1
].
O processo consiste na estampagem de chapas de metal de forma relativament
e
rápida e com razoável precisão a partir de arquivos de CAD em 3D, a trajetória da ferramenta
é
gerada por uma tecnologia CAM e controlada por programa CNC, que vai formando aos
poucos a peça, atr
avés de pequenas deformações [
2,3
].
Utiliza uma ferramenta
semi
-
esférica
, que pode ser aplicada para vários produtos
com diferentes formatos geométricos [
4]
. A chapa e presa sobre um dispositivo
desenvolvido
para a tecnologia ISF
.
A
má
quina
usada para estampagem incremental pode ser um centro de
usinagem CNC
adaptado
,
um robô também adaptado ou máquinas desenvo
lvidas
esp
ecialmente para a ISF [5
].
18
As tendências mundiais indicam um crescente interesse por parte das
indústrias
que
trabalham com conformação de chapa, que buscam inovadoras tecnologias reduzindo os
custos e aumentando a produção. A estampagem incremental é um conceito em estudo que
pelo fato de não utilizar as ferramentas de estampagem tradicionais reduz consideravelmente
os custos com ferramental
[6]
.
O trabalho tem como objet
iv
o principal estudar o processo de estam
pagem
incremental
de
chapa de alumínio puro com 0,5 mm de espessura. Realizando ensaios de
estampagem incrementa no centro de usinagem CNC, usando um dispositivo prensa chapas e
ferramentas para a realização dos testes práticos.
19
2
REVISÃO
BIBLIOGRÁFICA
Desde 4000 a
.C
. na Mesopotâmia e no Egito é que são produzidos produtos
utilizando chapas, produtos estes com formas geométricas simples. Eram copos de ouro e
prata que foram produzidos através do processo de embutimento manual usando martelos de
pedra como ferramentas. Martelos de embutir feitos de ferro e equipados com cabos foram
desenvolvidos e usado
s a partir de 900 a
. C
. O desenvolvimento do processo de laminação e a
fabricação das primeiras chapas finas de aço no século XVIII possibilitaram uma produção
em série de peças de chapas. A partir das primeiras prensas e ferramentas de corte e
embutimento
profundo no fim do século XIX,
iniciou
-
se
a fabricação em série de produtos
estampados
[7]. O grande crescimento industrial, principalmente da
indústria
automobilística,
impulsionou o uso da tecnologia de estampagem de chapas. Atualmente muitas peças são
fabricadas através deste processo, são exemplos:
Autopeças;
Eletrodomésticos;
Talheres;
Embalagens;
Peças de aviões;
Peças de navio.
Surgiram também muitas maneiras de estampar chapas, com processos diferentes e
com características individuais de cada pr
ocesso.
2.1
Estampagem
A estampagem em sua essência compreende todas as operações executadas em
prensas, sobre chapas, incluindo operações de corte e de conformação [8
].
O processo de
estampagem geralmente vem depois de um corte ou cisalhamento e conformando a peça de
acordo com a matriz e o punção de estampagem. Um exemplo típico deste procedimento é o
embutimento de recipientes cilíndricos, obtidos a partir de discos planos previamente
20
recortados.
Se as peças necessitarem de um acabamento muito p
reciso
, é necessário, após o
corte, uma oper
ação posterior, onde é realizado
o acabamento.
De acordo com a classificação da norma DIN 8580 os processos de estampagem
perten
cem a dois grupos principais [7
]:
Grupo principal dos
processos de conformação
;
Gru
po principal d
os processos de separação
.
Ao grupo principal de conformação pertencem todos os processos que alteram a
forma geométrica da peça sem separar ou adicionar material,
como
o embutimento profundo,
a dobra e o repuxamento. Ao grupo principal de separação pertencem os processos de corte
como
o cisalhamento e o corte fino.
2.2
Processo de E
stampagem
Existem muitos processos de estampagem de chapas, todos eles com o mesmo
objetivo que é deformar a chapa tornando-a um produto de aplicação industrial, com
dimensões precisas e formas geométricas bem definidas. Cada processo de estampagem
possui muitos parâmetros diferentes e particulares para cada processo. A seguir vamos estudar
alguns destes processos
.
2.2.1
.
Processo de Embutimento
O repuxo ou embutimento é uma operação de estampagem onde uma chapa,
inicialmente plana, é transformada em um corpo oco sem que haja aparecimento de rugas e
trincas. As ferramentas que permitem a obtenção da forma desejada são chamadas de
estampos, constituídos por um punção, uma matriz e um sujeitador chamado de prensa-
chapa
e usado para evitar o aparecimento de rugas durante o processo
.
Durante a operação de repuxo, o punção obriga a chapa penetrar na matriz movida
pela ação de uma força denominada de força de repuxo (F
R
). O material da chapa flui para
dentro da matriz, configurando gradativamente
as paredes laterais da peça [
9
].
21
O processo de embutimento implica simultaneamente em deformações de tração e
compressão. Neste processo a pressão do prensa-chapa é regulada de maneira a permitir a
alimentação constante de material para
a estampagem.
A pressão ajustada deve ser suficiente para impedir o enrugamento do flange, p
orém,
na maioria dos processos de estampagem, a chapa é submetida a uma combinação de esforço
s
de embutimento e estiramento. Na
figura
1
mostra
m-se as regiões com predominância de
embutimento, estiramento e ambos simultaneamente [
10
].
No momento em que o punção
desloca
-se para dentro da matriz temos a operação numero 1 onde o embutimento predomina,
na operação numero 2 quem predomina é o estiramento, também encontramos a combinação
das duas operações 1+2 conforme figura 1
.
Figura
1
:
Estampagem combinada, e
mbut
imento 1, e
stiramento 2 [
10
].
2.2.2
Processo de
Estiramento
Esta
operação que consiste na aplicação de forças de tração, de modo a esticar o
material sobre uma ferramenta ou bloco (matriz). Neste processo, o gradiente de tensões é
pequeno, o que garante a quase tot
al eliminação do efeito mola [11
].
Com
o predominam tensões trativas, grandes deformações de estiramento podem ser
aplicadas apenas para materiais muito dúcteis. Para estes materiais,
almejam
-
se
altos valores
d
e coeficiente de encruamento [11
].
O equipamento de estiramento consiste basicamente de um pistão hidráu
lico
(usualmente vertical) que movimenta o punção. Duas garras prendem as extremidades da
chapa e 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 (figura 2). Garras fixas
22
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.
Figura
2
: Operação de estiramento por tr
ação
[11
].
O estiramento é uma das etapas de operações complexas de estampagem de chapas
finas. Na conformação de peças como partes de automóveis ou de eletrodomésticos, é comum
have
r componentes de estiramento [11
].
O limite de conformação no estiramento pode ser estabelecido pelo fenômeno da
estricção. A estricção é a redução das dimensões da seção transversal, provocada pelas cargas
de tração do processo. No estiramento deve ser evitada estricção localizada, comumente
conhecida por empescoçamento.
2.3
Histórico da Estampagem Incremental
A Estampagem Incremental é uma tecnologia recente que foi desenvolvida no Japão
com o objetivo de atender algumas necessidades da indústria automobilística. É uma
tecnologia de estampagem a frio sem o uso de matriz e com o auxilio de máquinas CNC ou
Robôs. A empresa Aimono Cor
poration tem comercializado esta
tecnologia.
2.3.1
Máquinas p
ara Estampagem Incremental
Segundo Kopac [12], em seus testes de estampagem, as máquinas CNC possuem um
bom rendimento e
estão
adapta
ndo
-
se
perfeitamente ao processo de Estampagem Incremental
.
Ele utilizou para seus testes práticos um Centro de Usinagem Fanuc MSC-521, 3 eixos de
23
posicionamento com interpolação linear e
circular
. Estudando a tabela 1 podemos analisar os
dados técnicos da
máquina.
Tabela
1
: Dados técnicos do centro de usinagem CNC Fanuc MSC
-
521
[12
]
Características Técnicas
Mori Seiki
(Centro de usinagem CNC
Fanuc MSC
–
521
)
Movimento Rápido
X,Y: 20 m/min
Avanço Máximo (mm/min)
5000
Tipo/Classe
de cone porta ferramenta
BT
-
40
Número de ferramentas no magazine
20
Resolução de Posicionamento
0.001
mm
2.3.2
Robôs Manipulando
Ferramentas p
ara Estampagem Incremental
Existem estudos que mostram a aplicação de robôs na estampagem incremental. O
processo é muito parecido com o empregado nas máquinas CNC, usando praticamente a
mesma estratégia de conformação. O processo começa com o modelo 3D em CAD do
produto, o qual é então fatiado em camadas horizontais no software CAM e transferido para a
lingu
agem de programação do robô. O procedimento é muito similar com outros métodos de
ISF, exceto que o robô é usado em vez de uma máquina CNC ou máquina especial para ISF
[13
].
O dispositivo de fixação ou prensa chapas usado no teste neste estudo é mostrado
na
figura 3
.
A chapa é preza ao suporte a
qual
se move verticalmente ao longo de quatro guias a
cada canto da mesa. O movimento vertical do suporte é causado somente pela gravidade e não
é
controlado por nenhum dispositivo. O suporte move-se para baixo como procede a
e
stampagem.
Neste equipamento de teste a máxima dimensão de trabalho é 200 x 200 mm
[13
].
24
Projeto da Mesa de Estampagem
Mesa de Estampagem
Figura
3
: Dispositivo de e
stampagem
para r
obótica
[13
].
2.3.3 Modelo de
Ferramenta
s Usadas na Estampagem c
om Robôs
A ferramenta de estampagem (figura 4) é fixada ao pulso do robô com um ângulo de
90º para obter a máxima força na ferramenta e manter os movimentos dos eixos e motores do
robô na máxima faixa de trabalho deles. O teste tem sido feito usando uma ferramenta de aço
hemisférica endurecida, com diâmetro de 10 mm
.
Figura
4
: Ferramen
tas de e
stampagem utilizadas na robótica
[13
].
25
2.3.4
Robô
Segundo Lamminen [13], em seu estudo, a estampagem incremental com Robôs,
consiste de um robô industrial com braço (figura 5) e a capacidade de manipulação do robô é
de 175 kg
, o alcance de 2,55 m.
A chapa
é fixado ao suporte, o qual
se move verticalmente ao
longo de quatro guias a cada canto da mesa. O movimento vertical do suporte é causado
somente pela gravidade e não controlado por nenhum dispositivo. O suporte move-se para
baixo como procede a estampagem
e
impulsionada
pelo braço do robô no decorrer do
processo.
Os benefícios do robô comparados a estampagem com máquinas fresadoras ou
máquinas ISF são notáveis. O robô trás flexibilidade ao processo de fabricação e possibilita a
combinação de várias fases da fabricação dentro da cadeia da mesma célula de fabricação. A
chapa
é apanhada e posicionada, o corte com laser e os tratamentos de superfície podem ser
integrados na mesma célula de fabricação operado por um únic
o robô industria
l [13
].
Figura
5
: Robô u
sa
do na
estampagem i
ncremental [13
].
26
Quando
se usam células de estampagem integradas, a muitas formas de realizar a
estampagem incremental inclusive a possibilidade de rotacionar a chapa que esta sendo
estampada durante o processo de estampagem
(
figura
6)
[14
].
Figura
6
: Chap
a girando durante o processo [14]
2.4
Máquina Dedicada a Estampagem Incremental
As máquinas CNC são
atrativa
s por causa dos baixos custos de início de operação,
mas trazem algumas desvantagens: máquinas fresadoras não são geralmente projetadas
para
grandes carregamentos no eixo á
rvore
, então há perigo que a máquina venha a se danificar
durante as operações de estampagem incremental, máquinas CNC não são geralmente
providas de instrumentação para medir as forças nos três eixos na ponta da ferramenta e, a
mesa de trabalho da máquina CNC é geralmente sólida, então há um limitado acesso ao lado
reverso da peça de trabalho.
Em face disto é apresenta a seguir uma máquina especializada, projetada na
Universidade de Cambrid
ge
conforme
figura7
.
27
Figura
7
: Máquina dedicada a estampagem i
ncremental
[1
3].
As dimensões planares da peça de trabalho foram escolhidas pela comparação com
aproximações existentes de 300
mm
x 300 mm. Trabalhos existentes na literatura
[15
]
sugerem que os limites de estampagem do processo ocorrem para um ângulo do cone de não
mais que 70º o qual, se aplicado na área inteira da peça de trabalho, requereriam movimento
no eixo Z de até 400 mm. Entretanto, como altas deformações para uma máxima força
horizontal prevista acima, requereriam uma poderosa árvore, o qual iria além de orçamento do
projeto, então uma especificação de movimento vertical de 100 mm foi selecionada. O ângulo
do cone também limita o projeto do eixo vertical para ficar dentro de um ângulo de cone
escolhido a partir de um ponto de contato. Um ângulo de cone máximo de 67,5º foi
especificado para o teste inicial, mas a possibilidade de projetos de novas pontas de
ferramenta quando as medidas de forças precisas foram realizadas, permitirão subseqüentes
projetos de estender as ferramentas
para ângulos de cone agudos [1
6
].
Trabalhos anteriores sobre estampagem incremental de chapas usando máquinas
fresadoras CNC têm permitido a exploração de várias velocidades de rotação da ferramenta
.
Evidências de Leach et al. [17] sugerem que a qualidade da superfície é melhor quando as
velocidades de rotação da ferramenta são escolhidas para corresponder com o rolamento da
ferramenta em oposição ao arraste através da peça de trabalho. Para a nova máquina, portanto
foi decidido usar uma ferramenta não movimentada ou ferramenta passiva, montada em
rolamentos de baixa fricção, então, não há nenhuma fricção significante entre a peça e o lado
da ferramenta que irá
conduzir ao movimento
rela
tivo de rolamento.
28
Pesquisas em trabalhos anteriores
mostram
que a forma da ferramenta é um
importante parâmetro em estampagem incremental, deste modo a máquina deve ser projetada
para trocas relativamente simples das pontas da ferramenta.
2.5
Descrição do Processo de Estampagem Incremental
A estampagem incremental é um processo de conformação que é realizado
progressivamente, mediante a ação de uma ferramenta própria para o processo. Consiste na
fixação da chapa a ser conformada em um disposit
ivo
(figura 8)
que
pode
m utiliza um ou
mais pontos de apoio
[18
]. O material da chapa deve ter propriedades mecânicas adequadas,
tais como tenacidade e ductilidade, já que é deformado plasticamente durante o processo. Ao
ser conformada, a chapa original, que está fixa, tem sua espessura diminuída na região onde
acontece a conformação, dando a
ssim o formato desejado à chapa
[19
].
Figura
8:
Esquema de f
ixação da chapa [19
].
O equipamento utilizado pode ser comandado numericamente, através do controle de
movimentos de eixos X, Y e Z. Nessa pesquisa, em particular, será utilizado um centro d
e
usinagem vertical, o qual dá condições para realização dos testes iniciais. O dispositivo, no
qual é presa a chapa, é fixado sobre a mesa do centro de usinagem CNC, onde se tem
os
movimentos X e Y. O movimento Z é dado por uma ferramenta fixada no eixo árvore, que
atua diretamente sobre a chapa. A conformação se dá de forma incremental, já que a chapa é
apoiada em um ou mais pontos
[20
] (dependendo da geometria), através da ação de uma
ferramenta contornando este ponto de apoio em pequenos incrementos verticais, até atingir a
29
profundidade adequada. Os movimentos incrementais da ferramenta nos eixos X, Y e Z serão
controlados por programas gerados através de tecnologia CAD/CAM
[6]
,
podemos realizar
testes com geometrias complexas,
como pode ser visto na figura 9
.
Figura
9:
Esta
mpagem de geometrias complexas
[2
1].
A figura 10 mostra o modelo que serviu como base para o desenvolvimento do
dispositivo prensa chapas, a partir dele é que se desenvolveu o croqui e as primeiras medidas
de acordo com a geometria do primeiro teste que será realizado. Também foram juntadas
algumas idéias no 26º SENAFOR IV Confer
ência Nacional de Conformação de Chapas
[
22
].
Figura
10
:
Estamp
agem livre, sem ponto de apoio
[21
] e
[2
3].
30
2.5
.1 Ferramentas de Estampagem Incremental
A ferramenta é fabricada de aço-ferramenta endurecido e a ponta da ferramenta é
esférica. A ferramenta desliza sobre uma superfície de chapa a ser estampada e causa
estiramento e dobramento da chapa. O diâmetro mínimo da ferramenta é 6 mm. O diâmetro
afeta
a qualidade da superfície e grandes diâmetros resultam em superfícies mais lisas bem
como as marcas das ferramentas são menores. A força de estampagem depende da espessura
da chapa e material. A força tem que exceder a tensão de escoamento para criar uma
deformação plástica [
21
]. A ferramenta tem o corpo cilíndrico com a ponta esférica
nas
fig
ura
s
11
,
12 e 13
.
Figura
11
:
Ferramentas para atuação no eixo
Z, com diâmetros diferentes
[21].
Figura
12
:
Exe
m
plo de possíveis ferramentas
[21].
31
Figura
13
: Ferramenta no p
ro
cesso de e
stampagem [2
4].
2.5.2 Lubrificação
A lubrificação é importante na maioria dos processos de estampagem, bem como na
estampagem incremental
(
figura 14
)
.
Exercendo alguns papé
is fundamentais como:
Diminuir o atrito;
Reduzir o aquecimento da peça e da ferramenta;
Minimizar o desgaste da ferramenta de estampagem;
Melhorar o acabamento superficial da peça;
Estabelecer uma minimização da força de trabalho
exercida pela ferramenta.
Figura
14
:
Ferramenta
utilizando como lub
rificante graxa
convenci
onal
[
25
].
32
2.
5
.2.1 Tipos de lubrificantes
Reagan e Smith [
26
] discutem diferentes maneiras para a lubrificação, os quais
dependem do tipo de material e a temperatura do ambiente. Os três lubrificantes tradicionais
são: sebo utilizado na fabricação de velas, sebo misturado com óleo e, sabão misturado com
óleo. O sebo de velas é aplicado diretamente no material, enquanto as outras duas mi
sturas
devem ser preparadas antes de forma manual. Um bom lubrificante permanece na superfície
d
a chapa
e, é aplicado freqüente
mente em pequenas quantidades.
Um estudo recente realizado por Ismail [
27
] indica que a
lubrificação
é fator
importante porque in
fluencia
a tolerância, acabamento da superfície e forças de estampagem.
Esta análise enfoca o lubrificante dentro, fora e em ambas as superfícies de formação do cone
de embutimento para lubrificantes de três diferentes viscosidades. Os resultados mostraram
um decréscimo na força na direção de avanço para aumentos da viscosidade do lubrificante.
Segundo Fabio Tiburi [
22
], em seu experimento, para a redução do aquecimento e
principalmente redução do atrito o lubrificante utilizado foi uma graxa para rolamentos a base
de lítio.
2.5.3
Profundidade da Estampagem
Incremental
Observando
as circunstâncias de estampagem padrão um contato suave na superfície
tem sido
observado
sob certas condições
,
por exemplo, pequeno passo vertical d
z
e
grandes
diâmetros
da ferramenta. Na figura 15 a influência do passo vertical d
z
, ângulo
e o raio da
ferramenta R
T
sobre a rugosidade final sob condições de estampagem de simples passe
padrão. Pode ser observado que a qualidade da superfície aumenta com o decréscimo do passo
vertical como também com grande diâmetro da ferramenta e ângulo de parede ascendente
[28
].
33
Figura
15
:
Profundidade do punção de estampagem
[28
].
2.5.4
Pontos Críticos
Toda operação de estampagem possui pontos críticos, que influencia diretamente no
produto final da estampagem. Dos vários artigos pesquisados sobre estampagem incremental,
nenhum fornece modelos matemáticos ou parâmetros calculáveis, sobre velocidade de
estampagem, profundidades de conformação, resistência da chapa à conformação,
deformações elásticas após o processo
[29
], cálculo e medição da força necessária para a
estampagem, tanto sobre a matéria prima, forças atuantes durante o processo quanto sobre a
ferramenta e os demais dispositivos. Questões práticas também devem ser consideradas, tais
como: tipo de fluido utilizado na conformação, projeto, fabricação e montagem do dispositivo
de fixação da chapa, atrito e conseqüentemente calor gerado pelo contato direto entre a
ferramenta de conformação e a chapa, desgaste da ferramenta, cisalhamento da chapa
[30
]
e
adaptação do centro de usinagem CNC para a realização dos estudos. A ruptura da chapa
figura1
6 é um ponto a ser analisado, ele acontece por causa
do
ângulo de inclinação da
parede;
34
Figura
16
: Ruptura da chapa durante o processo de e
stampagem
[30
].
2. 5
.5 Características do Acabamento da Superfície Estampada
A ferramenta ao deslizar sobre a superfície a ser estampada deixa
marcas
em
cada
volta
. As marcas da ferramenta podem ser diminuídas usando ferramenta com grande
diâmetro e diminuindo o passo de estampagem. Passos, incrementos pequenos levam a
tempos maiores de estampagem, então há um relação entre tempo de produção e a qualidade
de superfície. Se o passo é menor que 0,01 mm, o material é estampado diversas vezes no
mesmo lugar, o material vai encruar. Este problema ocasionará o cisalhamento da chapa. O
encruamento também diminui a tensão na chapa e a forma pode ficar retorcida.
Superfícies
levemente curvadas e grandes são difíceis de estampar. As marcas da
ferramenta são claras, porque o movimento horizontal em cada passo torna-se tão grande,
quanto uma curva muito suave. As marcas das ferramentas podem ser diminuídas usando um
chapa de sacrifício no topo da chapa atual no processo de estampagem. Então a chapa de
sacrifício toma as marcas da ferramenta, mas transfere a geometria para a chapa atual
debaixo. A geometria não é tão precisa quanto aquela na qual a ferramenta está diretamente
em contato, mas a qualidade da superfície é melhor. A chapa atual pode ser estampada
novamente sem usar a chapa de sacrifício e os detalhes ficam aguçados no produto. Estes
resultados freqüent
emente satisfazem a qualidade [
21
].
Hirt, Junk e Wituski [
28
] têm estudado como a estampagem afeta a rugosidade da
superfície. Quando o diâmetro da ferramenta aumenta, a rugosidade da superfície diminui. A
rugosidade da superfície pode também ser diminuída pela troca da direção de estampagem
sobre cada círculo e diminuindo o passo de estampagem. Tanto a rugosidade quanto a marca
35
do caminho da ferramenta depende de algumas variáveis no processo pratico da estampagem,
que são:
Incremento da ferramenta no eixo Z, vertical;
Relação direta com o diâmetro da ferramenta;
Incremento
da ferramenta nos eixo X e Y, l
ongitudinal e t
ransversal;
Velocidade de deslocamento da ferramenta;
Rotação ou não da ferramenta;
Material da chapa a ser estampado;
Acabamento da ferramenta.
2.5
.6 Parâmetros Importantes
Os parâmetros mais importantes a serem analisados e ajustados são:
Tamanho,
form
a
e material
da ferramenta de
estampar
;
Velocidade da ferramenta;
Espessura do m
aterial e suas propriedades mecânicas;
A melhor estratégia da trajetória da ferramenta;
Temperatura d
a chapa
e da ferramenta;
Tipo de lubrificação mais adequada para o processo e material a ser estampado;
Força de fixação do
chapa
.
2.5
.7 Aplicações Industriais
Pelos estudos iniciais realizados, as aplicações industriais deste processo são bastante
restritas. As pesquisas apontam sua aplicabilidade comercial para chapas de geometria
complexa, variável e de pequenas deformações. As aplicações mais importantes da tecnologia
ISF são nos setores: aeronáutico, automotivo
[31
],
prototipagem rápida e outros.
No setor automotivo as peças estampadas normalmente são fabricadas em pequenos
lotes, tornando importante a aplicação de ISF. Em virtude disto algumas montadoras utilizam
estas facilidades nos seus produtos. Como por exemplo, pode-se citar a Honda que produziu
um veículo conceito, com c
apota e pára
-
lamas fabricados atrav
és
ISF (Honda Fit HB7).
36
Atualmente algumas peças automotivas são fabricadas em materiais não metálicos
(como por exemplo, poliéster), porque a fabricação de chapas metálicas não é possível, prova
disto são peças fabricadas para painéis e acabamentos de car
rocerias de ônibus.
O
utra
s aplicações
da tecnologia ISF
são:
Indústria de tuning, (personalização de veículos automotores) que requer alta
customiza
ção de seus produtos [
32
];
Indústria Moveleira: móveis de aço com formas orgânicas, de difícil produção
come
rcial, devido ao custo;
Utensílios domésticos de pequeno porte: objetos metálicos de espessura fina e
formas geométricas complexas;
Indústria
Médica: fabricação de próteses metálicas para substituir partes de ossos
perdidas em acidentes. Como é mostrado na (figura 17), onde são estampadas
partes do crânio humano
[33
].
Figura
17
: Aplicações m
édicas da ISF
[3
3].
Segundo estudos [24], existe também aplicação da ISF para a fabricação de prótese
metálica para reabilitação de membros Humanos quebrados ou trincados que necessitam ser
imobilizados.
As figuras 18 e 19 mostram algumas formas geométricas utilizadas na indústria
automotiva e na indú
stria de utensílios.
Figura
18
:
Exemplo de e
stampagem
[3
2].
37
Figura
19
:
Exemplo de e
stampagem
[3
2].
A tecnologia ISF pode ser aplicada na Fabricação de mobília, decoração e a
rte.
Devido a em pequenos lotes. No setor biomédico, os produtos são normalmente fabricados
com as necessidad
es espec
íficas dos pacientes [34
].
Na figura 20 mostrada a seguir, pode-se notar um painel decorativo, fabricado com
aço A1050 e com espessura de 1 mm.
Figura
20
: Painel decorativo, p
roduzi
do através da
técnologia
ISF [34
].
38
2.5.8
Geometria de Peça Estampagem Incremental
A peça a ser estampada pode ter várias geometrias e com bastante complexidade
conforme
figura 21, pois não depende de uma matriz convencional de estampagem, que
utiliza em geral duas partes, o macho e a fêmea. Tornando desta forma muito complexa a
produção da matriz e utilização deste tipo de tecnologia para figuras muito complexas. Na
estampagem incremental quem determina a geometria é o deslocamento da ferramenta
provocado pela máquina CNC.
Figura
21
:
Tipos de peças
[35].
Uma das limitações geométricas do processo é o diâmetro da ferramenta de
estampagem. Os raios mínimos da peça dependem do raio da ponta da ferramenta, como
most
ra a
figura 22
.
39
Figura
22
:
Descrição do caminho da f
erramenta
[35].
2.5
.9 Vantagens do Processo
A estampagem incremental tem sua grande aplicação, segundo os artigos
consultados, em produção de lotes pequenos, onde a forma dos produtos tende a variar em um
curto espaço de tempo, sendo estes produtos tanto de geometrias simples como també
m
complexas. Nessa conjuntura, constituem
-
se como vantagens da estampagem incremental:
Redução de tempo de produção de peças e redução de tempo de preparação de
máquina (pre
-
set) para produtos difer
entes;
Redução do tempo e do custo de desenvolvimento e manufatura de ferramentas;
Linha de produção flexível
sujeita as mudanças constantes.
2.6
Estampagem Incremental com Ponto Simples (SPIF)
Na estampagem incremental com ponto simples
[35
], a ferramenta, disposta na parte
inferior do conjunto de estampagem, é eliminada e somente a ferramenta presa ao eixo árvore
entra em contato com a chapa.
O princípio do método é mostrado na figura
23.
40
Figura
23
: Estampagem increme
ntal com ponto simples
[37
].
Com a estampagem incremental de ponto simples é possível obter peças com
simetria axial, com ferramentas de perfil simples e dispositivo prensa-chapa fixado na mesa
do centro de u
s
inagem CNC. Esta foi a modalidade utili
zada n
o projeto de dissertação.
2.7
Limites de Geometria
Como em outros processos de conformação (forjamento, estampagem convencional),
existem valores máximos de ângulos que definem certas regiões da peça, a fim de que seja
possível a sua manufatura. No caso da ISF, estudos recentes apontam para um ângulo
máximo de parede de chapa de 65° [
38
]. Ultrapassando este valor, se torna muito freqüente a
ruptura ou, no mínimo, uma diminuição drástica da espessura da chapa, causando uma baixa
resistência mecânica local
izada.
O ângulo máximo de estampagem é determinado por uma relação direta entre a
espessura da chapa e seu ângulo de conformação. Isso é demonstrado pela equação 2.1, lei
dos senos.
90
01
sen
tt
(eq. 2.1)
Parafuso de Aperto
Placa inferior
Chapa de Aperto
Apoio Lateral
Chapa
Placa Superior
Ferramenta
41
Onde
0
t
é a espessura inicial da chapa, t1 a espessura da chapa medida em um
determinado estágio do processo de conformação e
o ângulo de inclinação da chapa
.
Na
figura 24 é mostrado o comportamento da chapa, em relação ao ângulo de inclinação da
parede e sua relação com a diminuição de espessura, nos quatro exemplos mostrados a
espessura inicial da chapa é 1 mm. Analisando a figura 24, exemplo 1, onde o ângulo de
inclinação da
chapa
é zero o t1 manteve-se igual a t0 então a espessura da chapa continua
igual a inicial. No exemplo 2, 3 e 4 da figura 24 temos ângulo de inclinação da
chapa
diferente de zero isso nos mostra que a espessura da chapa t1
diminuindo
. Quanto maior o
ângulo de inclinação menor é a espessura da chapa estampada t1, podendo chegar ao
rompimento
conforme equação 2
.
Figura
24
:
Lei dos senos
equação 2.1
[38
].
2.8
Limites do M
aterial
O
alumínio em geral possui o limite de escoamento não tão pronunciado como a
maioria dos aços, o
limite
de escoamento do alumínio puro é de aproximadamente 12,7 MPa
.
A presença do patamar de escoamento permite uma fácil identificação da tensão de
escoamento
[39
].
42
Esta tensão só é identificada graças a uma deformação específica residual
convencional
de 0,2%
ou 2 por mil, confor
me pode ser observado na fig
ura
25
[40
].
Figura
25
:
Curvas tensão x d
eformação
d
o a
lumínio [41
].
Apesar disto, optou-se em utilizar este material devido à outras características
mecânicas que oferecem algumas vantagens
[5
]:
a)
Possuem módulo de elasticidade bem mais baixo que os aços. Enquanto para o
alumínio puro tem-se E = 65.000 N/mm², para um aço baixo carbono E=
196.000
N/mm², ou seja
Aço
Al
EE
3
1
;
b)
Este fato faz com que a energia gasta para deformar a chapa de alumínio seja
menor, diminuindo os custos de manufatura, considerando uma aplicação
comercial da estampagem incremental. Além disso, essa propriedade dá ao
alumínio a vantagem de dar às estruturas uma elevada capacidade de amortecer
golpes e reduzir as tensões produzid
as pela variação da temperatura;
c)
Possuem ótima resistência à corrosão, oferecendo durabilidade para o produto
final;
d)
Po
ssuem coeficiente de atrito igual ao dos aços em geral (0,05) e menor do que os
aços inoxidáveis (0,1) [
7
];
43
e)
Possuem baixo peso específico e podem ser conformadas em uma variedade de
peça
s nas mais diferentes formas [42
].
O alongamento é expresso em porcentagem relativamente ao comprimento original
medido em um corpo-
de
-prova normal e é calculado pela diferença entre os pontos de
referência, antes e depois do ensaio de tração. Esse alongamento indica a ductilidade do metal
ou da liga.
2.8.1
Ensaio de Tração
Segundo
Dieter [43], o teste de tração de engenharia é amplamente usado para
obtenção de
informações básicas sobre a resi
stência de materiais, e como um
teste
de controle
de especificações. Autores como Schaeffer [44] e Souza [45] dizem ser o ensaio de tração o
método mais utilizado para determinação das propriedades mecânicas de chapas metálicas.
Sendo possível a obtenção do limite de resistência, do limite de escoamento, do grau de
encruamento e do índice de anisotropia do material.
Schaeffe
r [44] define o ensaio de tração
como sendo um teste uniaxial
e
sem atrito, efetuado em máquinas de ensaios que
possuem
uma garra fixa e outra móvel,
a fim de
pegar e esticar o corpo de p
rova.
Ainda segundo o autor, as
máqu
inas são equipadas com sensores para registrar a
força e o alongamento do corpo de prova, os quais são confeccionados com
diferentes
comprimentos, larguras
e formatos, definidos pel
as normas ABNT NBR 6673, ASTM E
646 e
DIN EN 10 002
-
1.
O resultado do ensaio de tração é o diagrama tensão d
eformação
(figura 26)
que
segundo Dieter [43], corresponde a uma curva de engenharia construída a
partir
das medidas
de carga e do alongamento da amostra submetida ao ensaio. A tensão usada na curva é a
tensão longitudinal média do corpo de prova obtida p
ela
divisão da carga pela área inicial da
seção
do corpo de prova, e a deformação usada para a curva de engenharia é deformação
linear média, obtida pela divisão do
alongamento
do comprimento útil do corpo de prova,
pelo comprimento
original.
44
Figura
26
:
Curva tensão
– d
eforma
ção de engenharia
[43
].
A forma e a magnitude de uma curva tensão deformação de um metal dependerão
de
sua
composição, tratamento térmico, história anterior da deformação
pl
ástica e da taxa de
deformação,
te
mperatu
ra e estado de tensões impostas durante o teste. Ainda segundo Dieter
[43
], os parâmetros que são usados para descrever a curva tensão deformação de um metal
são:
resistência à tração,
tensão limite de escoamento, elongação percentual e redução de á
rea.
Os dois primeiros sendo parâmetros de resistência e os dois últimos relativos à ductilidade
do
material.
Dieter [43] faz ainda uma descrição do comportamento do material quando
este
ultrapassa o valor correspondente ao limite de escoamento. Segundo ele, a
part
ir deste ponto,
o material está
permanent
emente deformado se a carga for reduzida a zero, de forma que a
tensão para produzir cada vez mais deformação plástica cresce com o aumento desta última,
devido ao encruamento do
material.
Ainda segundo o autor, o volume do corpo de prova
permanece constante durante a deformação plástica e, conforme se alonga, a área da seção
reta transversal decresce uniformemente ao longo do comprimento útil do corpo de prova.
Inicia
lmente o encruamento compensa a
dimi
nui
ção da área da seção reta do transversal, e a
tensão de engenharia continua a aumen
tar com o aumento da
deformação.
45
Eventualmente, atinge
-
se um
ponto onde a diminuição da área da
seção
reta do corpo
de prova é maior que o aumento da carga de deformação
pr
oveniente do
encruamento.
Essa condição será atingida primeiramente em algum
pon
to do corpo de prova que é
lig
eiramente mais fraco que, de forma que toda a deformação plástica posterior será
concent
rada nessa região, onde o corpo de prova começará a
forma
r um pescoço e a se afinar
localizadamente.
Devido ao fato da área da seção reta diminuir agora mais rapidamente do que o
aumento da carga de deformação pelo encruamento, a carga necessária para deformar o corpo
de prova diminuirá e a tensão de engenharia
igualment
e continuará a cair até atingir a fratura,
conforme descreve Die
ter [43
].
2.9
Desenvolvimento do Dispositivo para Estampagem Incremental
O dispositivo utilizado para prender a chapa de alumínio, também chamado de
prensa chapas, é um dispositivo de fixação de forma manual e possui uma base fixa para
prender sobre a mesa da maquina CNC, duas colunas de apoio, uma base superior para apoiar
a
c
hapa a ser conformada, uma chapa sobreposta (que
pode ser usada em baixo ou em c
ima da
chapa de alumínio a ser estampa
da
) e uma chapa superior onde estão os parafusos de fixação
da chapa de alumínio. Todo este dispositivo vai preso sobre a mesa do centro de usinagem
CNC,
conforme idealização
d
o projeto
de acordo com DUFLOU [
46
], com ajuste e fixação da
chapa
feita de forma manual, através de parafusos, conforme pode ser observado na figura
27
.
Figura
27
:
Idealização
inicial do dispositivo prensa-
chapas
[4
6].
46
3
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
3.1
Experimento Preliminar
No
primeiro experimento
realizou
-se a estampagem incremental de uma chapa de
alumínio plana com
0,5
mm de espessura e rugosidade superficial de 0,50 m
.
Ne
sta chapa
foi
estampado
o formato de um prato. Realizaram-se também a descrição de todos os
componentes do processo de estampagem incremental e suas funções e extraíram-se os
primeiros res
ultados do experimento prático.
3.1.1 Máquina
Utilizada p
ara Esta
mpagem Incremental
Usa
-se uma máquina CNC para fazer a estampagem incremental (figura 28), o
motivo da escolha deve-se a: disponibilidade desta máquina, fácil programação, fácil
manuseio, tamanho da peça, forma constr
utiva, capacidade do comando
.
Figura
28
:
Centro de usinagem discovery modelo 4022, r
omi com comando MACH9.
47
A Associa
ção Beneficente da Indú
stria Carbonífera de Santa Catarina
-
SATC tem
de
um centro de usinagem com caract
erísticas
adequadas
para a estampagem incremental. Na
tabela
2 são apresentadas as características técnicas desta máquina.
Tabela
2
: Características do centro de usinagem discovery 4022.
Curso Longitudinal eixo X
599 mm
Curso transversal eixo Y
406
mm
Curso vertical eixo Z
508 mm
Cone da árvore
ISO 40
Potência do motor principal
7,5 CV
Faixa de rotação
60 a 6.000 rpm
Avanço rápido dos eixos X, Y e Z
15/15/15 m/mim
Dimensões da mesa
360 x 840 mm
Potência
15 kVA
Comando CNC
Mach
- 9
A tabela 3 compara as características do centro de usinagem ROMI Discovery 4022
utilizado para os testes práticos com a máquina utilizada por Kopac
[12
], um centro de
usinagem Mori Seiki,
em seus teste
s.
Tabela
3
: Características da máquina
CNC.
Características Técnicas
ROMI Discovery 4022
Mori Seiki
Movimento Rápido
X, Y: 20
m/min
X,Y: 20 m/min
Avanço Máximo
(mm/min)
4000
5000
Tipo/Classe de cone porta
ferramenta
BT
-
40
BT
-
40
Número de ferramentas no
magazine
22
20
Resolução de
Posicionamento
0.001
0.001
CNC
Mach 9, 3 eixos de
posicio
namento, interpolação
linear e
circular
Fanuc MSC
-
521, 3 eixos de
posicio
namento, interpolação
linear e
circular
48
3.1.2
Dispositivo Prensa Chapas
Após estudo bibliográfico [46] sobre o dispositivo prensa chapas foi realizado
o
projeto e desenhos detalhados para a fabricação do mesmo. Em seguida foi fabricado o
dispositivo prensa chapas
figura29,
que é formado por uma base, duas colunas de sustentação
e duas chapas superiores formando o prensa chapas. Em um primeiro momento a chapa será
presa diretamente por parafusos que apoiaram diretamente sobre a chapa.
Figura
29
:
Dispositivo p
rensa chapas
.
3.1.3
Ferramenta de Estampagem
Usou
-se uma ferramenta de metal duro com ponta esférica
[21
]. O diâmetro da
ferramenta é de 10
mm e comprimento útil de 80
mm
conforme figura 30
.
Figura
30
:
Ferramenta de estampagem i
ncremental
.
49
O acabamento superficial da ferramenta utilizada nos testes de estampagem é
usinado
, (acabamento de torno CNC). A ferramenta foi presa em um dispositivo chamado
mandril, usado para fixar ferramentas em centros de usinagem CNC
, figura 31
.
Figura
31
:
Ferram
enta presa no mandril
.
3.1.
4
Fixaçã
o do Dispositivo Prensa Chapas no Centro de Usinagem CNC
O dispositivo prensa chapas foi fixado sobre a mesa do centro de usinagem através
de quatro parafusos e alinhado com relógio comparador (figura 32) a fim de deixar a parte
superior do dispositivo alinhado com a mesa do centro de usinagem CNC, permitindo,
desta
forma
,
centrar a ferramenta no centro do prensa chapas.
Figura
32
:
Montagem
do prensa chapas na má
quina CNC
.
50
3.1.5
Fixação da Chapa no Dispositivo Prensa Chapas
A chapa de alumínio a ser conformada é presa no dispositivo prensa chapas através
de oito parafusos, que pressionam uma chapa de aço sobreposta na chapa de alumínio. Desta
forma a fixação torna-se mais uniforme e evita marcar a chapa a ser conformada. Os oito
parafusos são apertados com a utilização de uma chave torquimetro, garantindo que o aperto
seja uniforme em todos os parafusos
mostrado na
figura 33
.
Figura
33
:
Chapa sendo pre
sa no dispositivo prensa chapas
.
Utilizando o torquimetro para controlar o aperto, aplicou-
se para os oito parafusos de
fixação da chapa a ser conformada um torque de 20 N.
3.2
Ensaios Realizados
Foram realizados três ensaios preliminares nos quais foram testados parâmetros da
estampagem incremental como:
51
Adequação do centro de usinagem CNC ao processo;
Confo
rmidade da peça com o desenho CAD
;
Aquecimento da chapa;
Lubrificação;
Batimento da ferramenta;
Rugosidade da chapa antes da estampagem.
3.2.1
Projeto da Peça a s
er Estampada
O material da peça que foi
estampada é alum
ínio com espessura inicial de 0,
5
mm. A
peça que será estampada no primeiro experimento tem o formato de um prato com diâmetro
maior de 240 mm, diâmetro menor de 162
mm,
profundidade de estampagem de 40
mm,
ângulo de inclinação de 45º
, ver figura 34
.
Figura
34
:
Projeto da peça a ser e
stampada
.
Detalhe C
Escala 4:1
Detalhe
B
Escala 4:1
Secção A-A
Escala
1
:3
52
3.2.2
Resultado do E
nsaio
P
reliminar
A peça estampada
(figura
s 35 e 36) tem o formato de um prato com profundidade
estampada de
40
mm, com tolerância de 0,7 mm para mais e para menos
e
ângulo de
incl
inação 45º, com tolerância de 0,
7 minutos.
Figura
35
:
Fotos da peça já estampada
vista superior
.
Figura
36
:
Fotos da peça já estampada
vista inferior
.
53
As dimensões coletadas na chapa estampada foram feitas em uma máquina de
medição por coordenadas
tridimensional
conforme
figura 37
.
Figura
37
:
Medição da chapa conformada.
3.3
Parâmetros de Estampagem
Coletados
Foram analisados parâmetros no ensaio de estampagem incremental realizad
o
que
interferem diretamente no processo de estampagem incremental, mudando o
acabamento
superficial da chapa e
alterando o tempo de estampagem. Os parâmetros analisados foram:
Velocidade de estampagem;
Profundidade de estampagem no eixo Z;
Rotação da ferramenta de estampagem incremental;
Aquecimento da ferram
enta e da chapa de alumínio;
Lubrificante utilizado na estampagem;
Excentricidade
da ferramenta;
Rugosidade s
uperficial da chapa de alumínio.
54
3.3.1
Velocidade de Estampagem
A máquina CNC possibilita a regulagem precisa da velocidade de estampagem de
acordo com o que foi programado. A velocidade de estampagem utilizada no primeiro ensaio
foi 1200
m/minuto.
3.3.2
Profundidade de Estampagem no Eixo Z
A cada passe completo da ferramenta pela superfície da chapa de alumínio a
profundidade no eixo Z sofre um acréscimo de 0,3 mm. Como se usou uma estratégia de
conformação em helicoidal, a ferramenta sempre estava em contato com a ferramenta, mesmo
no momento em que acontece o incremento em Z.
3.3.3
Rotação da Ferramenta de Estampagem Incremental
A rotação utilizada no primeiro teste foi contínua do início ao fim, mantendo a
ferramenta girando a 2000 rpm.
3.3.4
Aquecimento da Ferramenta e da Chapa de Alumínio
A temperatura durante o processo de estampagem incremental pode influenciar
bastante nos resultados obtidos, por isto
há
uma necessidade de se controlar esta temperatura.
Usou
-
se um
aparelho de medir temperatura a laser
(
figura
38)
para coletar este dado. Coletou
-
se temperatura no início do processo, durante e no final do processo,
percebeu
-se que a
temperatura
manteu
-
se
sempre a mesma, temperatura ambiente.
55
Figura
38
:
Coleta da temperatura durante o processo de estampagem incremental
.
3.3.5
Lubrificante Utilizado na Estampagem
Utilizou
-se na estampagem incremental a graxa a base de lítio especial para
rolamentos, aplicada intermitentemente com o auxilio de um pincel durante todo o processo
de estampagem incremental
(figura 39
).
Figura
39
:
Aplicação de lubrificante no processo de estampagem incre
mental
.
3.3.6
Excentricidade
da F
erramenta
A excentricidade da ferramenta analisa como está a fixação da mesma na máq
uina
CNC, verificando se o seu corpo giro centrado em torno dele mesmo. Para analisar este dado
é necessário o uso de um relógio comparador preso na mesa da máquina CNC e em contato
com a ferramenta de estampagem (figura 40). Gira-se com a mão o eixo árvore da máquina e
faz
-se a leitura no relógio comparador com escala em milímetros e precisão de
0,01mm.
56
Coletou
-se uma
excentricidade
de 0,04 mm na ponta da ferramenta. Este resultado interfere
diretamente no acabamento superficial da peça estampada incrementalmente.
Figura
40
:
Medição da excentricidade
da ferramenta
.
3.3.7
Rugo
sidade Superficial da Chapa de Alumínio
A rugosidade superficial da chapa, antes de ser estampada de forma incremental, foi
medida com um rugosimeto
digital
conforme figura 41
e a dimensão coletada é
de 0,50
m.
Figura
41
:
Medição da rugosidade da chapa a ser e
stampada.
O aparelho utilizado na medição da rugosidade é o rugosimetro portátil TR100
Digimess
, com as seguintes características:
Parâmetros medidos: Ra e Rz;
Capacidade de medição: Ra 0,05
–
10
m, Rz 0,10
–
50
m;
Curso de medição: 6
mm;
Cut off: 0,25
–
0,80
–
2,50
mm;
Velocidade de medição: 1
mm/s;
57
Sensor: sistema piezoelétrico;
Raio da ponta: 10
m;
Força de medição: < 0,016
N;
Calibração feita pelo teclado e um bloco padrão para
calibração.
58
4
CARACTERIZAÇÃO DA CHAPA DE ALUMÍ
NIO
4.1
Determinação das Propriedades Mecânicas da Chapa de Alumínio
A chapa usada no teste preliminar tem espessura de 0,5 mm, e o seu material
é
alumínio
. Esta possui uma tensão de escoamento de
aproximadamente
40 MPa e tensão de
resistência a tração de aproximadamente 110 MPa. Estima-
se
, segundo as ligas de alumínio
consultadas que a chapa
tenha
a seguinte composição química: 1,2% Mn, 0,12% Cu e o
restante alumínio [
32
]. Para entender melhor o seu comportamento durante o processo de
estampagem incremental e poder determinar algumas variáveis do processo com antecedência
como:
Limite de r
esistência;
Limite de escoamento;
Encruamento;
Anisotropia;
Composição química da chapa;
Curva
limite de conformação;
Profundidade m
áxima de estampagem incremental.
É necessária a realização de alguns ensaios preliminares para a obtenção de
resultados concretos e mecânicos sobre o material em questão.
4.2
Definição das C
aracterís
ticas M
ecânicas
O ensaio mais usado para a determinação das propriedades mecânicas de chapas é o
ensaio de tração. Este permite obter o limite de resistência, o limite de escoamento, o grau de
encruamen
to e o índice de anisotropia [
7
].
O ensaio de tração é um teste uniaxial e sem atrito. É efetuado em máquinas que têm
uma garra fixa e uma garra móvel para pegar e estirar o corpo de prova. O ensaio é efetuado
com velocidade constante. As máquinas são equipamentos com sensores para registrar a força
59
F e o alongamento L do corpo de prova. O fim do ensaio é marcado pela ruptura do corpo
de prova [
7
].
O resultado do ensaio
e emitido através da figura 44
.
Para testes de chapas metálicas são usados diferentes comprimentos, larguras e
formato dos corpos de prova (com cabeça e sem cabeça). Para teste com espessura de 0,1 mm
até 3 mm são
freqüentemente
usados corpos de prova em forma de tiras de chapa de 20
mm
de largura por 250 mm de comprimento. Estes são fixados na garra da máquina, deixando
no
mínimo 140 mm livre. Este tipo de corpo de prova pode ser produzido facilmente cortando as
tiras em uma guilhotina e retificando os cantos em uma retificadora plana para eliminar as
trincas causadas durante o cisalhamento. A eliminação das trincas é importante porque elas
podem causar uma ruptur
a prematura durante o ensaio [
7
].
Para o ensaio de tração no sentido de laminação o corpo de prova foi retirado no
sentido de laminação da chapa de alumínio
puro
.
Dimensões
do corpo de prova utilizado nos ensaios de tração foram usinados
conforme norma ABNT 6673[44]
, equação 2.2 calculo da área inicial
:
(eq. 2.2
)
Figura
42
:
Desenho do corpo de p
rova
.
Figura
43
:
Corpo de prova
usinado.
60
Figura
44
:
Curva tensão de engenharia pela deformação
Para traçar a curva da figura 44 foram extraídos os resultados obtidos no ensaio de
tração, a máquina de tração após o ensaio, mostra um numero elevado de valores referente aos
pontos medidos durante o ensaio. Colocando estes valores no programa microsoft exel
podemos traçar a curva conforme figura 44.
4.
3
Tensão de Escoamento
A tensão de escoamento foi obtida através de valores retirados do ensaio de tração
(Kf e f ), estes valores foram colocados no microsoft exel, gerando assim a curva tensão de
escoamento do alumínio puro
.
A curva de escoame
nt
o obtida é mostrada na Figura 45
.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
0,00% 0,50% 1,00%
1,50% 2,00% 2,50%
Tensão de engenharia (MPa)
Deformação em %
Curva
s
X
e
61
Figura
45
:
Curva de escoamento do a
lumínio puro (99,33% Al)
.
4.
4
Ensaio M
etalográfico
A a
nális
e
meta
lográfica conforme figura 46 revelou a matriz de alumínio
solução
sólida
com diversos dispersóides, onde os pontos pretos são os microconstituintes. Pode-
se
perceber também o sentido da laminação através do alinhamento das impurezas.
Figura
46
:
Análise metalográfica do alumínio l
aminado
.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
0,0000
0,0050
0,0100 0,0150
0,0200
kf (MPa)
f
Curva de Escoamento
62
4.
5
Anális
e Química
A análise química do Alumínio Laminado retornou os seguintes elementos (%):
Si=0,07; Fe=0,41; Cu=0,13; Mn=0,03; Mg<0,01; Zn<0,005; Ni<0,01; Cr<0,005; Pb<0,01;
Sn<0,01; Ti
-
0,017; P=0,0013; Al=99,33.
63
5
ANÁLISE DOS
ENSAIOS
Foram realizados nove ensaios, no qual foram extraídos alguns dados a respeito do
processo, da matriz,
punção e
do
comportamento da chapa de
alumínio
.
5
.1
Teste
s
de Estampagem
Os testes práticos de estampagem foram necessários para o estudo cientifico do tema,
proporcionando uma comparação entre a literatura e a prática. Facilitando desta forma a
percepção e análise detalhada da estampagem incremental.
5
.1.1
Teste de Estampa
gem Nº1
No primeiro ensaio foram analisadas o funcionamento da matriz, da ferramenta, se a
máquina tinha condições de realizar os ensaios e coletou-
se
alguns
dados importantes. A
profundidade total deste primeiro ensaio foi de 10
mm.
Dados da Estampagem:
Tempo total de estampagem: 01
h e
35 min;
Formato geométrico tipo cone;
Ângu
lo de inclinação da peça a ser conformada
de
45º;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Material da ferramenta: aço 4340
;
Material da chapa: alumínio;
Prof
undidade da
Superfície cônica: 20
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling);
Profundidade de estampagem (p
asso vertical da ferramenta): 0,
2
mm;
Avanço
da mesa XY:
500 mm/min;
Rotação do eixo árvore: 2000 RPM.
64
Figura
47
:
Ferramenta de
estampagem i
ncremental
.
A ferramenta de estampagem incremental foi usinada em um torno CNC com as
dimensões da figura 47
.
5.
1.
2 Teste Estampagem Nº2
Foram alterados os seguintes parâmetros:
O incremento vertical
(eixo
Z) da ferramenta, que era de 0,2 mm, foi aumentado
para 0,
3
mm;
A profundidade total foi de 4
0
mm
;
A velocidade de avanço dos eixos X e Y (mesa da máquina) foi aumentada para
1000 mm/min;
A rotação
foi zerada (0 RPM);
A ferramenta foi substituída por uma de metal duro com ponta esférica. O
diâmetro da ferramenta é de
10
mm e comprimento útil de 80
mm;
A ferramenta foi substituída por uma de metal duro com ponta esférica. O
diâmetro da ferramenta é de 10
mm e comprimento
útil de 80
mm
(figura 48
).
Figura
48
: Nova ferramenta utilizada no ensaio
.
50
5
50 50
Ø20
Ø25
R5
65
R
esumo dos dados da estampagem
Nº2
:
Tempo total de estampagem: 01h e
05 min;
Formato geométrico tipo cone;
Ângu
lo de inclinação da peça a ser conformada
45º;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Material da ferramenta: metal
-
duro, classe K;
Material da chapa: alumínio;
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling);
Profundidade
de estampagem (p
asso vertical da ferramenta): 0,
5
mm;
Avanço da mesa XY: 1000 mm/min;
Rotação do eixo árvore: 0 RPM.
5.
1.
3
Teste de Estampagem Nº3
Dados da estampagem:
Tempo total de estampagem: 25
min
;
Formato geométrico tipo cone;
Ângu
lo de inclinação
da peça a ser conformada 45º;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Profundidade total 40 mm;
Material da ferramenta: metal
-
duro;
Material da chapa: alumínio;
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling), com deslocamento helicoidal e
contato constante e ininterrupto entre a ferramenta e a chapa (blank);
Incremento vertical: 0.3
mm;
Avanço (desloca
mento interpolando X, Y e Z): 1.500 mm/min;
Rotação da ferramenta: 0 RPM
. O
eixo árvore permaneceu livre durante o ensaio.
66
5.
1.
4
Teste de Estampagem Nº4
Dados da estampagem:
Tempo total de estampagem: 25
min;
Ângu
lo de inclinação da peça a ser conformada 45º;
Formato geométrico tipo cone;
Profundidade total 50 mm;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Material da ferramenta: metal
-
duro;
Material da chapa: alumínio;
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling), com deslocamento helicoidal e
contato con
stante e ininterrupto entre a ferramenta e a chapa (blank);
Incremento vertical: 0,
3
mm;
Avanço (desloca
mento interpolando X, Y e Z): 1.500 mm/min;
Rotação da ferrament
a: 0 RPM
. O eixo árvore permaneceu livre durante o ensaio.
5.
1.
5
Teste de Estampagem Nº
5
Dados da estampagem:
Tempo total de estampagem: 25
min;
Ângu
lo de inclinação da peça a ser conformada 45º;
Formato geométrico tipo cone;
Profundidade total 80 mm;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Material da ferramenta: metal
-
duro;
Material da chapa: alumínio;
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling), com deslocamento helicoidal e
contato constante e ininterrupto entre a ferramenta e a chapa (blank);
67
Incremento v
ertical: 0,
3
mm;
Avanço (deslocamento interpolando X, Y e Z): 1.500 mm/min;
Rotação da ferramenta: 0 RPM
. O eixo árvore permaneceu livre durante o ensaio.
5.
1.
6
Teste de Estampagem Nº6
Dad
os da estampagem
:
Tempo total de estampagem: 25
min;
Ângu
lo de
inclin
ação da peça a ser conformada 60
º;
Formato geométrico tipo cone;
Profundidade total 45 mm;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Material da ferramenta: metal
-
duro;
Material da chapa: alumínio;
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Esp
essura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling), com deslocamento helicoidal e
contato constante e ininterrupto entre a ferramenta e a chapa (blank);
Incremento vertical: 0,
3
mm;
Avanço (deslocamento interpolando X, Y e Z): 1.500
mm/min;
Rotação da ferramenta: 0 RPM
. O eixo árvore permaneceu livre durante o ensaio.
5.
1.
7
Teste de Estampagem Nº7
Dados da estampagem:
Tempo total de estampagem: 25
min;
Ângu
lo de inclinação da peça a ser conformada 50º;
Formato geométrico tipo cone;
Profundidade total 80 mm;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Material da ferramenta: metal
-
duro;
Material da chapa: alumínio;
68
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling), com deslocamento helicoidal e
contato constante e ininterrupto entre a ferramenta e a chapa (blank);
Incremento vertical: 0,
3
mm;
Avanço (deslocamento interpolando X, Y e Z): 1.500 mm/min;
Rotação da ferramenta: 0
RPM.
O eixo árvore permaneceu livre durant
e o ensaio.
5.
1.
8
Teste de Estampagem Nº8
Dados da estampagem:
Tempo total de estampagem: 25
min;
Ângu
lo de inclinação da peça a ser conformada 60º;
Formato geométrico tipo cone arredondado;
Profundidade total 6
0 mm;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica
(ball nose);
Material da ferramenta: metal
-
duro;
Material da chapa: alumínio;
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling), com deslocamento helicoidal e
contato constante e ininterrupto e
ntre a ferramenta e a chapa (blank);
Incremento vertical: 0,
3
mm;
Avanço (deslocamento interpolando X, Y e Z): 1.500 mm/min;
Rotação da ferramenta: 0
RPM.
O eixo árvore permaneceu livre durante o ensaio.
5.
1.9
Teste de Estampagem Nº9
Dados da estampagem:
Tempo total de estampagem: 25
min;
Ângu
lo de inclinação da peça a ser conformada 50º;
Formato geométrico tipo cone arredondado;
69
Profundidade total 6
0 mm;
Ferramenta:
10
mm, ponta esférica (ball nose);
Material da ferramenta: metal
-
duro;
Material da
chapa: alumínio;
Profundidade da Superfície cônica: 40
mm;
Espessura da chapa: 0,5
mm;
Tipo de estratégia: Acabamento (Profiling), com deslocamento helicoidal e
contato constante e ininterrupto entre a ferramenta e a chapa (blank);
Incremento vertical
: 0,
3
mm;
Avanço (deslocamento interpolando X, Y e Z): 1.500 mm/min;
Rotação da ferramenta: 0
RPM.
O eixo árvore permaneceu livre durante o ensaio.
70
6
A
NÁLIZE DE RESULTADOS E DISCURSÕES
Nesta bateria de 9 testes de estampagem
incremental,
um
dos parâmetros mudado
e
analisado, conforme
a
ta
bela 4, que mostra a mudança do ângulo de parede e a conseqüência
desta mudança. Observaram-se um dos limites do processo de estampagem incremental do
alumínio em função da mudança do ângulo de inclinação
da
parede
da peça estampada.
Tabela
4
: Analise da inclinação do ângulo de parede da peça estampada.
Testes
Diâmetro da
ferramenta
Profundidade
de
estampagem
Ângulo de
inclinação da
parede
Material de
construção de
ferramenta
Situaçã
o da
peça
estampada
Nº 1
10 mm
2
0 mm
45º
Aço 4340
Normal
Nº 2
10 mm
40 mm
45º
Metal duro
classe K
Normal
Nº 3
10 mm
4
0 mm
45º
Metal duro
classe K
Normal
Nº 4
10 mm
5
0 mm
45º
Metal duro
classe K
Normal
Nº 5
10 mm
80
mm
45º
Metal duro
classe K
Normal
Nº 6
10 mm
45
mm
60º
Metal duro
classe K
Rompimento
Nº 7
10 mm
40 mm
50º
Metal duro
classe K
Normal
Nº
8
10 mm
60 mm
60º
Metal duro
classe K
Rompimento
Nº
9
10 mm
40 mm
50º
Metal duro
classe K
Normal
No
te
ste
Nº6 e Nº8 aconteceram problemas em função do ângulo de inclinação e da
profundidade
da peça a ser estampada. A peça rompeu durante a estampagem de acordo com
a
(
figura
49
). Já no teste de Nº 6 a chapa
rompeu
muito pouco, pois a profundidade
máxima
permitida
é de aproximadamente 35
mm antes do rompimento
conforme o constatado
.
71
Figura
49
: F
oto do teste de Nº8
.
6.1
Análise das Propriedades Mecânicas
Apesar de estar utilizando chapas de alumínio puro (99,33 %) que, a princípio, não
oferecem boas condições de estampabilidade, pois para a mesma solicitação mecânica, a
deformação na espessura será maior que na largura (
)1
m
r
[5]. O processo de estampagem
incremental para chapas de 0,5
mm de espessura apresentou algumas v
antagens:
a)
Profundidade alcançada foi de 80 mm, permitindo grandes deformações,
considerando
-
se sua anisotropia, ou seja, apresenta boa ductilidade;
b)
Menor tempo gasto para a estampagem, pois utilizou-se passos verticais de até 1
mm e velocidades de avanço
de até 1.500 mm/min;
c)
Pouco esforço feito pelo eixo Z da máquina CNC, já que o material oferece pouca
resistência à d
eformação, se comparado com aço
[29
]
, exemplo:
d)
)
000
.
196
;
000
.
69
(
MPa
E
MPa
E
Aços
Al
;
e)
Pequenas discrepâncias geométricas entre o modelo CAD e a peça real
(baixo
retorno elástico).
72
6.2
Medição
e C
álculo d
a D
eformação Através da Visioplasticidade
De acordo com as análises realizadas através da técnica de visioplasticidade figura
50
foi possível determinar as três deformações principais ocorridas na chapa. Os cálculos
estão demonstrados abaixo:
a)
Dados iniciais:
Cha
pa do teste de estampagem nº
04
;
Espessura inicial da chapa: 0,5
mm
;
Ø inicial (parte não estirada): 12.75
mm;
Ø parte est
irada: 18,
65
mm;
Medições obtidas na linha central da chapa, transversais ao sentido de laminação.
Figura
50
: G
rade de círculos feita através da técnica de silk
-
screen (serigrafia)
.
b)
Equação 2.3
deformações nas direções de laminação
:
(eq. 2.3
)
o
nde:
1
deformação na direção do estiramento (adimensional);
2
deformação transversal ao estiramento (adimensional);
0
2
2
ln
l
l
0
1
1
ln
l
l
0
1
3
ln
S
S
73
3
deformação na es
pessura da chapa (adimensional);
0
l
dimensão inicial
do corpo de prova;
1
l
dimensão final do corpo de prova, na direção do estiramento;
2
l
dimensão final do corpo de pr
ova, transversal ao estiramento.
Fazendo a substituição de acordo com a medição dos círculos,
as equações
ficam
:
(eq. 2.
4)
Figura
51: Método
d
e medição dos círculos.
o
nde:
0
d
diâmet
ro inicial do círculo impresso na chapa plana
;
0
S
área inicial
da seção transversal da chapa antes do estiramento
;
b
diâmetro do círculo impresso, transversal à direção de estiramento;
a
diâmetro do círculo impresso, longitudinal à direção de estiramento;
1
S
área final
da seção transversal da chapa após o estiramento
.
c)
Cálculo das deformações
através da visioplasticidade
:
Medições realizadas:
74
Figura
52
: Medição realizada nos círculos.
Fazendo a medição dos círculos gravados na chapa estampada e escrevendo estes
valores na equação 2.4 temos os
valores:
c
omo
0
2
então trata
-
se de deform
a
ção plana,
conforme a fi
gura 53
.
Figura
53
: Tipos de deformação de chapas metálicas.
[2]
15,0
3
75
Cálculo da área inicial
0
S
, pela equação 2.5
(eq. 2.5
)
Cálculo da espessura final
1
t
da peça
, através da equação 2
.3:
Cálculo da deformação equivalente
conforme equação 2.6
:
2
3
2
2
2
1
3
2
eq
(eq. 2.6
)
244
,0
eq
Pode
-se notar uma correspondência entre os valores obtidos através de processos
diferentes, sendo o primeiro pela lei de constância de volume
0
321
e outro pela lei
dos senos
90
01
sen
tt
, havendo uma pequena variação, de 0,053 mm entre um
cálculo e outro. Isso demonstra a validação da lei dos senos, equação 2.1 para chapas de
alumínio puro (99,33 % Al), com espessura inicial de 0,5
mm
e ângulo de inclinação de
Ø13
0,5
76
parede de 45º: As duas formas de calculo são aplicáveis para a estampagem incremental de
chapas em alumínio puro .
mm
t
353
,0
1
6
.3
Cálculo
do Índice de Anisotropia
Durante o processo de estampagem por estiramento, ocorre a deformação da
microestrutura e se originam grãos mais alongados na direção da laminação. Esta
característica provoca uma heterogeneidade nas propriedades das chapas. A quantificação do
efeito desta deformação é realizada pelo “índice de anisotropia” (r) conforme equação 2.7. O
índice de anisotropia “r”é definido como a razão entre as deformações principais na direção
da largura (
b
) e a deformação na espessura (
s
)
[2
]:
s
b
r
(eq. 2.7
)
A anisotropia apresenta valores diferentes, que dependem de como os corpos de
prova
são cortados em relação à direção em que o material foi laminado. A laminação
modifica a orientação da estrutura cristalina dos grãos que compõem o material. O índice de
anisotropia “r” mostra o quanto um material é heterogêneo ou não em função da direção
da
laminação. A realização do ensaio para a determinação do índice de anisotropia é realizado
normalmente em dois ou três locais diferentes do corpo de prova, efetuando-
se,
posteriormente, os cálculos co
m um valor médio das larguras [2
].
Nos experimentos práticos foram utilizadas chapas de alumínio
puro
laminado
(chapas planas) com 0,5 mm de espessura. Através dos ensaios de tração, foram obtidos os
valores de anisotropia
R0, R
45
, R
90
,
de acordo com o sentido de laminação da chapa:
0
R
1,05
,
45
`
R
1,33
,
90
R
1,95
.
O valor médio desta propriedade foi definido através da equação
2.8
:
(eq. 2.8
)
42
,12
4
1
9045
0
rrrr
m
77
6.4 Análise dos T
estes de Estampagem Mudando
o Diâmetro das Ferramentas
Nos últimos testes foram utilizadas ferramentas de diâmetros de 10 mm, 15 mm e 20
mm. Os demais parâmetros, tais como velocidade de avanço (1500 mm/min), profundidade de
estampagem (1 mm) e estratégia helicoidal foram mantidos. O objetivo era medir
a
rugosidade produzida por cada ferramenta e comparar estes valores com os obtidos nos
ensaios anteriores.
Através da tabela 5
e
do gráfico
da
figura 54, pode-se analisar que na medida que
au
menta
-
se
o diâmetro da ferramenta
,
a rugosidade da peça estampada também aument
a
.
A
ferramenta com maior diâmetro
não produziu um melhor acabamento, pois
, devido
à maior área de contato entre esta ferramenta e a chapa, houve maior esforço da máquina
CNC n
o trabalho de conformação. Esse maior esforço provocou vibrações em todo o conjunto
(máquina, ferramenta, chapa e dispositivo prensa-chapas), o que explica
um
a maior
rugosidade da chapa estampada com a ferramenta de 20
mm.
Tabela
5
: Valores de rugosidade de acordo com os diâmetros da ferramenta.
MEDIÇÃO DA RUGOSIDADE EM FUNÇÃO DO
DIÂMETRO DA FERRAMENTA
Ferra
ment
a (Ø
mm) / Rugosidade
Rz
(µm)
Ø10
V
eloc.
Avanço
(mm/min)
Medição 1
Medição 2
Medição 3
Média
1500
1,24
0,51
0,32
0,
69
Ø15
Medição 1
Medição 2
Medição 3
Média
1500
0,74
0,9
0
0,97
0,87
Ø20
Medição 1
Medição 2
Medição 3
Média
1500
1
2,61
0,67
1,43
78
Figura
54
: G
ráfico de rugosidade em função do
s
diâmetro
s
das ferramentas
.
6.5
Comparação dos
Teste
s Através das Fotos
A
tabela
6
mostra
o progresso da pesquisa mediante os testes realizados na prática,
através das fotos dos produtos estampados, variando alguns parâmetros consid
erados
importantes e fundamentais
para o processo de estampagem incremental
.
Tabela
6
: Foto
s dos ensaios.
Ensaio
Foto Lado 1
Foto Lado 2
Ensaio Nº1
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 5
10 15 20 25
diâmetro da ferramenta (mm)
rugosidade
79
Ensaio Nº2
Ensaio Nº3
Ensaio Nº4
Ensaio Nº5
80
Ensaio Nº6
Ensaio Nº7
Ensaio Nº8
Ensaio Nº9
Na tabela 6, são mostradas as peças de uma bateria de 9 ensaios de estampagem
incremental e podem ser analisadas as evoluções e resultados dos testes. Nos ensaios de N1 e
81
N2 notam-
se
as marcas dos parafusos de fixação do dispositivo prensa chapas, este problema
foi resolvido colocando uma chapa sobreposta (figura 33).
Analisando o 3º ensaio destaca-se uma experiência de visioplasticidade, gravação de
círculos com o próprio CNC, as gravações não ficarão boas, mas foram observados outros
dados descritos no ensaio
de N
3.
Observando os ensaios de N4, N5, N6, N7, destacamos a profundidade de
estampagem que foi mudada, a visioplasticidade em destaque e correta, a mudança do ângulo
de incli
nação da parede da
s
peça
s
estampada
s (conforme marcação na peça). No ensaio de N6
percebe
-se também o rompimento da peça estampada em função da mudança do ângulo de
inclinaç
ão da pa
rede.
Nos ensaios N8 e N9 observam-se precisamente a mudança na forma geométrica da
peça, a visioplasticidade e o rompimento da peça no ensaio N8, também em função do ângulo
de parede
.
82
7
C
ONC
L
USÃO
O
estudo do processo de estampagem incremental em chapas de alumínio puro
conclui que na medida
em
que
se
aumenta
o diâmetro da ferramenta compromete-
se
o
acabamento superficial da chapa. Quanto menor o tempo de estampagem, maior é a
rugosidade e quanto menor a excentricidade da ferramenta melhor é o acabamento superficial
da peça estampada.
Para melhorar o acabamento, manter a temperatura e reduzir o atrito durante a
estampagem foi fundamental o uso de lubrificação. O material da ferramenta que melhor
adaptou
-
se
ao processo foi o metal duro da classe K, proporcionando melhores acabamentos.
O
processo
de estam
pagem
incremental
é perfeitamente aplicável na prototipagem de
pr
odutos, com geometria variável. A opção de troca de ferramentas de acordo com a
necessidade do processo e da forma geométrica da peça a ser estampada
.
Baixo custo com
ferramental e máquina para a estampagem, se comparado com a estampagem tradicional e a
estampagem incremental é viável apen
as para pequenos lotes de peças.
Facilidade de fabricação do dispositivo prensa chapas, porque não necessita de
processos de usinagem demorados e carros, mat
erial barato de fácil aquisição.
83
8
CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE ESTAMPAGEM INCREMENTAL
A Estampagem Incremental de Capas (ISF) é atualmente um processo de
conformação mecânica viável apenas para peças produzidas em pequenos lotes, sujeitos a
mudanças constantes, prototipagem de produtos, conformações experimentais, restauração de
peças.
Para
aumentar o
seu
espectro comercial, se faz necessário desenvolver soluções que
o
viabilizem economicamente, permitindo sua aplicação em escala industrial. Neste caso, um
dos grandes desafios é o tempo gasto em cada unidade produzida, já que em um processo
de
estampagem convencional, poucos segundos são necessários para a conformação
.
Com relação à ada
ptação dos centros de usinagem
para a ISF, têm
-
se alguns aspectos
a considerar:
a)
O eixo-árvore de um equipamento CNC não foi projetado para suportar grandes
esforços normais ao seu plano de trabalho, ou seja, sobre o eixo Z. Portanto, será
necessário quantificar a força de estampagem aplicada na realização do processo,
para não danificar o equipamento;
b)
Máquinas CNC não possuem equipamentos que possam medir as forças que estão
atuando sobre cada eixo;
c)
A estrutura rígida do Centro de Usinagem não permite a manufatura de peças
dentro de certas limitações geométricas.
Com relação ao conjunto ferramenta e matriz de estampagem incremental
cons
ideram
-
se algumas vantagens:
a)
A facilidade de fabricação do conjunto ferramenta e matriz, de acordo com o
material e formato da peça a ser estampada;
b)
Redução do peso do conjunto ferramental, se comparado aos processos
convencionais de estampagem;
c)
Menor desgaste do ferramental, porque o calor gerado na estampagem mostrou-
se
muito pequeno.
d)
Custo do conjunto muito menor que os métodos tradicionais.
84
Como considerações finais, destacam-
se
algumas vantagens da estampagem
incremental:
a)
Geometrias complexas que necessitariam
de
moldes com alto custo podem ser
obtidas com a ISF, a custos bem menores, por não utilizar conjunto de moldes no
seu processo;
b)
Protótipos e peças experimentais podem ser produzidos com os materiais e
métodos reais
n
a estampagem incremental
, e assim se
rem testados como produtos
;
c)
Flexibilidade na variação geométrica do produto e a utilização de ferramental de
baixo custo;
d)
Menor consumo de energia, se comparado ao consumo das máquinas de
estampagem, que necessitam u
sar
centenas de toneladas-força para gerar cada
produto.
85
9
SUGESTÕES
Podem ser analisados e testados outros tipos de ferramentas com formatos
geométricos bem diferentes que atendam aos mais diversos tipos de peças a serem
estampadas.
O
dispositivo de fixação da chapa a ser estampada pode sofre muitas alterações
de acordo com o tipo de es
t
ampagem a ser feita.
O tipo de fluido lubrificante, o material da peça a ser estampada
e
o
sentido de
estampagem
, entre outros, combinados com diferentes materiais e perfis de ferramentas,
possibilitam a geração de uma série de alternativas, dentre as quais se devem escolher aquela
que melhor se ajuste aos objetivos propostos.
A possibilidade de
tra
ba
lharmos
com troca rápida de ferramentas nos possibili
tando
usar vários tipos e formatos de ferramentas.
Uma
interessante linha de pesquisa em projetos futuros é a estampagem incremental
combinada com estampagem convencional, onde trará mais agilidade ao processo, com
estampagem
incremental
de detalhes pequenos em peças complexas estampadas de forma
convencional
e de uma forma mais econômica.
86
10
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92
ANEXO
1
: DISPOSITIVO PARA USINAGEM DE CORPO DE PROVA
93
94
ANEXO
2
: FOTOS DAS FERRAMENTAS USADAS NOS TESTES PRÁTICOS
95
Ferramenta 1: Ferramenta de Aço ABNT 4340. Diâmetro 10
mm
x 100 mm de
comprimento.
Ferramenta 2: Fabricada em Metal duro (material usado para ferramenta de
corte).
Diâmetro 10
mm
x 100
mm de comprimento.
Ferramenta 3: Ferramenta de Aço ABNT 4340. Diâmetro 15
mm
x 150 mm de
comprimento.
Ferramenta 4: Ferramenta de Aço ABNT 4340. Diâmetro
20
mm x 150 mm de
comprimento.
96
ANEXO 3: PROJETO
DO DISPOSITIVO PRENSA CHAPAS
97
98
99
ANEXO
4
: FERRAMENTAS MONTADAS NA MÁQUINA CNC
100
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
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