PROJETO DE DISPOSITIVOS E FERRAMENTAS CURSO PROCESSO DE PRODUÇÃO 3º SEMESTRE

Profº Panesi

São Paulo 2010

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Sumário AULA 1 ........................................................................................................................................... 2 CONFORMAÇÃO MECÂNICA POR ESTAMPAGEM ..................................................................... 2 Corte .......................................................................................................................................... 2 Corte e furo progressivo............................................................................................................ 2 Produto final.............................................................................................................................. 3 Dobra ......................................................................................................................................... 3 Repuxo....................................................................................................................................... 4 CHAPAS...................................................................................................................................... 4 CORTE E PUNCIONAMENTO ...................................................................................................... 6 CLASSIFICAÇÃO DAS FERRAMENTAS ......................................................................................... 6 Conjunto Superior ..................................................................................................................... 8 Conjunto Inferior ....................................................................................................................... 9 Placa-guia .................................................................................................................................. 9 FORÇA DE CORTE (FC) ............................................................................................................. 10 COMO DIMINUIR A FORÇA DE CORTE (FC) ............................................................................. 13 LAYOUT DE TIRA ...................................................................................................................... 13 FOLGA ENTRE PUNÇÃO E MATRIZ........................................................................................... 16 AULA 2 ......................................................................................................................................... 18 DIMENSIONAMENTOS DOS COMPONENTES .......................................................................... 18 DIMENSIONAMENTO DO CONJUNTO SUPERIOR .................................................................... 18 ESPIGA ..................................................................................................................................... 18 PLACA SUPERIOR ..................................................................................................................... 19 PLACA DE CHOQUE.................................................................................................................. 19 PLACA PORTA PUNÇÕES.......................................................................................................... 20 PUNÇÃO .................................................................................................................................. 20 DIMENSIONAMENTO DO CONJUNTO INFERIOR ..................................................................... 23 MATRIZ ................................................................................................................................ 23 Placa-guia ............................................................................................................................ 25 Guias laterais ....................................................................................................................... 26 Placa-base ........................................................................................................................... 26 PARAFUSOS E PINOS ........................................................................................................... 27 EXERCÍCIOS .............................................................................................................................. 27

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AULA 1 CONFORMAÇÃO MECÂNICA POR ESTAMPAGEM Estampagem é o processo de fabricação que transforma chapas metálicas planas em objetos com forma geométrica própria e definida. Os processos de estampagem se dividem em:

Corte

Corte e furo progressivo Etapa 1: furo

Etapa 2: corte

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Produto final

Dobra

3

Repuxo

Normalmente as operações de corte e dobra são feitas a frio e repuxo é feita a quente. O processo é realizado por meio de máquinas denominadas de prensas.

CHAPAS As chapas são os materiais destinados a obterem o produto final a produzir. No mercado são encontradas de acordo com a tabela 1.

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Tabela 1. Chapa de aço carbono

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CORTE E PUNCIONAMENTO Entende-se por corte o desmembramento de um material em partes por intermédio de um punção. Assim costuma-se dizer que corte e puncionamento são as mesmas palavras utilizadas no processo de estampagem.

CLASSIFICAÇÃO DAS FERRAMENTAS As ferramentas utilizadas no processo de estampagem são conhecidas como estampos e são classificadas de acordo com: •

A função (pelas operações que executam tais como cortar, dobrar, repuxar, furar, etc).

•

Os recursos técnicos (pela existência ou não de guias para chapa, guia para os punções, guias para o cabeçote, faca de avanço, etc).

•

A produção (pequena média ou grande).

De modo geral, os estampos de corte são formados por cinco conjuntos de peças: •

Conjunto superior;

•

Conjunto inferior;

•

Elementos normalizados;

•

Elementos de fixação;

•

Dispositivos de alimentação automática.

Observe a figura abaixo à ferramenta e seus respectivos elementos.

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Durante o processo, o material é cortado de acordo com as medidas das peças a serem estampadas, a que se dá o nome de tira. Quando cortamos numa tira de material as formas de que necessitamos, a parte útil obtida recebe o nome de peça. O restante de material que sobra chama-se retalho, como na figura a seguir.

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Conjunto Superior O conjunto superior é a parte móvel do estampo. É fixada à máquina, realiza movimentos de “sobe-desce” e apresenta os seguintes componentes: espiga, placa superior, placa de choque, placa porta-punções , punções e faca de avanço.

Espiga é uma peça geralmente cilíndrica de aço 1020 a 1045 que, introduzida e presa no alojamento do cabeçote da prensa, sustenta o conjunto superior.

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Conjunto Inferior O conjunto inferior é a parte imóvel do estampo. É fixada à máquina e apresenta os seguintes componentes: placa-guia, guias laterais, placa-matriz e placa-base.

Placa-guia É uma placa de aço 1020 a 1045 que tem a função de guiar os punções e pilotos centradores nas cavidades cortantes da matriz. A espessura da guia varia conforme o tamanho do estampo, o curso e a função dos punções, em

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um projeto simples pode seguir as mesmas dimensões da matriz, observe a figura a seguir.

Os principais parâmetros a serem considerados nas operações de corte e furações por estampagem são: •

Forças envolvidas na operação de corte

•

Aproveitamento máximo da chapa (layout de tira)

•

Folgas entre punção (macho) e matriz

•

Dimensionamento da matriz

FORÇA DE CORTE (FC) A força de corte depende basicamente do material que se vai cortar, das dimensões do corte e da espessura da chapa e pode ser determinada através da seguinte expressão: FC = Pe. e . admcisal Onde: Pe = perímetro de corte; e = espessura da chapa; admcisal = tensão admissível de cisalhamento do material da chapa(ver tab. 2)

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A força de corte é o que define praticamente a capacidade da prensa a ser utilizada, nesse caso é recomendável acrescentar 15% a mais no valor da força de corte encontrada no cálculo. As capacidades em tonelagem das prensas excêntricas obedecem a um padrão de produção e as mais comuns são: 3-5-812-18-25-30-40-50-60-80-100-120-160-200.

Tabela 2. Valores de tensão admissível a cisalhamento para aços carbono Aços

0,10

0,15

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

1,00

com teores em%C admcisal

25 a 28 a 32 a 36 a 45 a 48 a 55 a 60 a 72 a 80 a

(kg/mm2) 32

35

40

48

55

11

58

70

85

90

100

Tabela 3. Valores de tensões para diversos materiais

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COMO DIMINUIR A FORÇA DE CORTE (FC) Há algumas vantagens em diminuir a força de corte no momento da atuação dos punções como, por exemplo, a diminuição das dimensões de alguns componentes do estampo como também a seleção de uma prensa de capacidade menor. Um dos métodos mais utilizados é inclinar o fio de corte do punção em 1mm como indica a figura abaixo.

O cálculo nesse caso fica

Fcdiminuido = Fc

𝑒 𝑒+1

LAYOUT DE TIRA O estudo econômico, também chamado de layout de tira, é o estudo que proporciona o aproveitamento máximo da chapa ou, em outras palavras, a obtenção da maior quantidade de peças em uma mesma chapa. Este estudo visa encontrar a melhor distribuição das peças na chapa bem como calcular as distâncias ótimas entre as várias peças. As distâncias mínimas necessárias para um corte eficiente e correto são apresentadas na tabela 3 e da Figura abaixo.

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Tabela 3. Estudo da tira

Consideremos a peça com área S mostrada na Figura abaixo a ser produzida a partir de uma tira de comprimento L e largura LT

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O objetivo nesse caso é posicionar a peça no espaço da tira de modo a perder o mínimo de material possível da chapa. Assim teremos que calcular a perda para cada posicionamento ou disposição da peça como indica os exemplos a seguir.

1ª disposição

Determinação da largura da tira LT: LT = Y + 2B + D Y = medida A na tabela 3; D = largura da faca de avanço; B = distância entre a peça e a tira

O passo P corresponde a distância em que a tira se desloca representando praticamente ao comprimento da faca de avanço. O passo P pode ser determinado por:

P=X+C

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2ª disposição

Determinação da largura da tira LT: LT = Y + 2B + D

Determinação do passo P: P = X + Z + 2C

O número de peças n para cada situação será:

𝑛=

𝐿−𝑎 +1 𝑃

L corresponde ao comprimento da chapa original 2m x1m O rendimento  para cada situação é:

=

𝑛. 𝑆 𝑥100 𝐿. 𝐿𝑇

O passo P calculado nos exemplos anteriores serve para confeccionar a faca de avanço de largura D para estampos progressivos como indicado na figura do estampo superior. É o avanço que faz a tira de chapa se deslocar em cada golpe da prensa, isto é, em cada peça ou grupo de peças cortadas.

FOLGA ENTRE PUNÇÃO E MATRIZ É de bom senso deixarmos uma certa folga entre o punção e a matriz para obtermos um produto de qualidade e melhor aproveitamento do material. Normalmente a peça cortada terá as dimensões da matriz e o furo deixado no 16

material tem as dimensões do punção e dependerá exclusivamente da espessura e tipo do material. De acordo com o tipo de material teremos as seguintes relações:

Para aço doce e latão: F = e/20 Para aço meio duro: F = e/16 Para aço duro: F = e/14

Exemplo: Deseja-se cortar discos com diâmetro de 50mm com uma chapa com 3mm de espessura feita de aço meio duro. Qual seria o diâmetro do punção e matriz nesse caso?

Para aço meio duro: F = e/16 F= 3/16 = 0,18 Diâmetro do punção: 50 – 0,18 = 49,82mm Diâmetro da matriz ficará com o nominal de 50mm

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AULA 2 DIMENSIONAMENTOS DOS COMPONENTES

DIMENSIONAMENTO DO CONJUNTO SUPERIOR

ESPIGA Normalmente para dimensionarmos a espiga partimos pelo cálculo do diâmetro de sua rosca dado por:

2 𝐹𝑒. 4 𝐷1 = √ 6. 𝜋

𝑚𝑚

Onde: Fe = força de extração (10% da força de corte) A sua construção é dada pela tabela dimensional a seguir

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PLACA SUPERIOR Placa superior é uma placa de aço 1020 a 1045 que tem por finalidade fixar a espiga e unir, por meio de parafusos, a placa de choque e a placa portapunção.

Adotar como espessura mínima de 0,8 da espessura da matriz

PLACA DE CHOQUE É uma placa de aço 1060 a 1070, temperada e retificada, que tem a função de receber choques produzidos pelas cabeças dos punções no momento em que eles furam ou cortam a chapa, evitando sua penetração na placa superior. A espessura da placa de choque não pode ser menor que cinco milímetros e varia conforme o material a ser cortado.

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PLACA PORTA PUNÇÕES É uma placa de aço 1020 a 1045 situada logo abaixo da placa de choque ou da placa superior. É fixada por parafusos e tem como função sustentar punções, cortadores, cunhas e pode ter as mesmas dimensões da matriz.

Adotar como espessura a mesma da placa superior

PUNÇÃO Punção é uma peça de aço com elevado teor de carbono (aço rápido) temperada e revenida, que faz o corte quando é introduzido nas cavidades da placa-matriz, dando forma ao produto. A figura abaixo apresenta os diversos formatos de punções.

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O punção e comprimido axialmente, é necessário, portanto, que seja dimensionado de modo a resistir aos esforços de compressão. Sendo o punção um elemento esbelto e carregado axialmente, pode flambar. Para evitar este inconveniente, limita-se o comprimento do punção ao valor dado pela formula:

√9,85. 𝐸. 𝐽 𝐹𝐶 𝐿= 2

𝑚𝑚

Onde: E = módulo de elasticidade (para aço E= 22000 kgf/mm2) J = momento de inércia Fc = força de corte Para sabermos se o punção irá flambar é necessário determinar o índice de esbeltez dado por

=

𝐿 𝑅

Onde R = raio de giração Se   100mm o fenômeno de flambagem irá preocupar O comprimento real dos punções usualmente ficam entre 50 a 80mm

É importante também saber se o punção resistirá a deformação de compressão, ou seja, é necessário conhecermos a tensão admissível de compressão do material do punção e aplicar a seguinte expressão:

𝜎=

𝐹𝑐 á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑢𝑛çã𝑜

Se o valor da tensão encontrada for maior que a tensão admissível do material então é necessário rever as suas principais dimensões.

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Tabela 4- momento de inércia para diversas geometrias

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DIMENSIONAMENTO DO CONJUNTO INFERIOR O conjunto inferior é a parte imóvel do estampo. É fixada à máquina e apresenta os seguintes componentes: placa-guia, guias laterais, placa-matriz e placa-base.

MATRIZ A matriz é uma placa de aço com elevado teor de carbono, temperada, revenida e retificada, com cavidades que têm a mesma secção dos punções. A placa matriz, tem a função de reproduzir peças pela ação dos punções. 23

Observe que a matriz apresenta, nas arestas internas de corte, uma parte cônica (ângulo de saída de 0,5 a 15°) para facilitar a passagem da peça ou do retalho.

Para as distâncias entre os furos de parafusos, pinos de guia e arestas de corte, as diferentes distâncias entre elementos da matriz conforme desenhos abaixo.

M = 1,5 . Diam paraf N = 2 . Diam paraf

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Espessura da matriz (emat): 3

emat = √𝐹𝐶 Comprimento da matriz:

Cm = (P.N° de passos) + (2 . Y) Y = 1,2 . emat

Largura da matriz (Lmat): Lmat = LT + (2 . Y)

Placa-guia é uma placa de aço 1020 a 1045 que tem a função de guiar os punções e pilotos centradores nas cavidades cortantes da matriz. A espessura da guia varia conforme o tamanho do estampo, o curso e a função dos punções, em um projeto simples pode seguir as mesmas dimensões da matriz, observe a figura a seguir.

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Guias laterais são duas peças de aço 1040 a 1060 colocadas na lateral da placa-matriz. Podem ser temperadas e revenidas. Sua função é guiar a tira de material a ser cortado.

Placa-base é uma placa que serve de apoio à placa-matriz e fixada a ela por meio de parafusos e pinos de guia. É construída em aço 1020 a 1045 ou ferro fundido 26FF. Quando a peça já cortada sai pela parte inferior da matriz, a placa-base tem sempre uma cavidade com dimensão maior para facilitar a saída, conforme figura a seguir.

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PARAFUSOS E PINOS Os parafusos e pinos são utilizados para fixar o conjunto superior e o conjunto inferior. O diâmetro dos pinos deve ser igual ao diâmetro dos parafusos calculados por:

𝐹𝑒 ).4 √ 𝑛º𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜𝑠 𝑑= 4,5. 𝜋 (

Fe = força de extração (10% da força de corte)

EXERCÍCIOS 1- Explique o que é faca de avanço 2- Determinar a força de corte e selecione a prensa ideal para a confecção da peça abaixo:

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Material da peça: aço 1040 Espessura: 2mm

3- Determine a folga entre o punção e a matriz para confeccionar a seguinte peça:

Material da peça: aço 1020 Espessura: 1,4mm

4- Verificar se o punção para confeccionar a peça do problema 3 corre o risco de sofrer flambagem e/ou compressão. 5- Esboce as dimensões da espiga que faz parte do estampo para confeccionar a peça do problema 2. 6- Calcule as dimensões da matriz para confeccionar a peça do problema 2.

RESPOSTAS

1- É o dispositivo que faz a tira de chapa se deslocar em cada golpe da prensa em estampos progressivos, isto é, em cada peça ou grupo de peças cortadas. O seu comprimento corresponde as mesmas dimensões do passo P.

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2- Para aço 1040 de acordo com a tabela 2 temos valores da tensão admissível compreendida entre 45 a 55 kg/mm2. Adota-se nesse caso o menor valor, ou seja, de 45 kg/mm2. O perímetro é a soma de todos os lados e para a peça em questão fica:

Pe = (30+30+ 20+20 ) -40 = 60 mm A expressão que determina a força de corte é:

FC = Pe. e . admcisal

Substituindo os valores teremos:

FC = 60 . 2 . 45 = 6210 kgf + 15% = 7145 kgf A prensas ideal nessa caso de acordo com a página 10 é de 8T

3- Para aço 1020 (aço mole) a folga é de acordo com a página 16 determinada por: F = e/20 = 1,4/20 = 0,07 mm Diâmetro do punção: 40 – 0,07 = 39,93mm Diâmetro da matriz: 40 mm

4- O comprimento teórico do punção é dado por: √9,85. 𝐸. 𝐽 𝐹𝐶 𝐿= 2

𝑚𝑚

o momento de inércia J é determinado pela tabela 4 é: J = π d4 /64 = π (39,93)4 / 64 = 124786,36 mm4 Cálculo da força de corte: Fc = π d .e. admcisal = π. 39,93. 1,4 . 32 = 5619,88+ 15% = 6462,86 kgf E para aços em geral vale E= 22000 kgf/mm2 Substituindo os valores na expressão anterior fica:

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√ 𝐿=

9,85.22000.124786,36 6462,86 2

= 1022,75𝑚𝑚

Para sabermos se o punção irá flambar é necessário determinar o índice de esbeltez dado por: =

𝐿 𝑅

Onde R = raio de giração (tabela 4) Se   100mm o fenômeno de flambagem irá preocupar

=

1022,75 39,93 4

= 102,45 𝑚𝑚

Verificação por compressão: 𝜎= 𝜎=

6462,86 π (39,932 )/4

𝐹𝑐 á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑢𝑛çã𝑜

= 5,16 kgf/mm2

Se o valor da tensão encontrada for maior que a tensão admissível do material então é necessário rever a sua área. Como a tensão admissível para o aço 1020 vale de 32 a 40 kgf/mmm2 que é maior do valor encontrado de 5,16 kgf/mm2 então o punção não sofrerá compressão.

5- A espiga pode ser dimensionada pela tabela da página 17 ou

Para isso e preciso determinar a dimensão D1 dada por: 30

2 𝐹𝑒. 4 𝐷1 = √ 6. 𝜋

𝑚𝑚

Onde: Fe = força de extração (10% da força de corte)

2

621,1.4

𝐷1 = √

6.𝜋

= 11,5𝑚𝑚

Pela tabela anterior 11,5mm corresponde ao valor de D1 mais próximo de 14x1,5 com diâmetro da rosca de 14m passo de 1,5mm. Todos as outras dimensões estão na primeira linha correspondente ao valor de D1.

6- As dimensões da matriz pode ser determinado por:

M = 1,5 . Diam paraf N = 2 . Diam paraf

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Espessura da matriz (emat): 3

3

emat = √𝐹𝐶 = √6210 = 18mm Comprimento da matriz:

Cm = (P.N° de passos) + (2 . Y) Y = 1,2 . emat O valor do passo é determinado pelo cálculo do estudo da tira nesse caso é preciso saber qual a melhor posição da peça na tira. Adota-se nesse caso a peça posicionada na largura de 30mm.

Cm = 32 . 2 passos + 2 . 1,2 . 2 = 107mm

Largura da matriz (Lmat): Lmat = LT + (2 . Y) Lmat = 37,5 + (2 . 1,2. 18) = 81mm

As dimensões da matriz nesse caso são 107x 81x 18mm

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