PROJETO DE FERRAMENTAS PARA DEFORMAÇÃO ......PROJETO DE FERRAMENTAS PARA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE...
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PROJETO DE FERRAMENTAS PARA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE CHAPA
Diogo Raposo de Sousa Cabral
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Prof.a Maria Beatriz Cipriano de Jesus Silva Prof. Paulo António Firme Martins
Júri
Presidente: Prof. Rui Manuel dos Santos Oliveira Baptista Orientador: Prof.a Maria Beatriz Cipriano de Jesus Silva
Vogal: Prof. Luís Manuel Mendonça Alves
Junho 2015
i
Resumo
Os processos tecnológicos de deformação plástica de chapa são muito importantes na indústria pois
têm um vasto campo de aplicação que vai desde a indústria dos transportes, a dos produtos
alimentares, domésticos e decorativos até à indústria farmacêutica. A crescente competição do
mercado promove maiores exigências, tendo a necessidade de reduzir os custos, reduzir os tempos de
produção, aumentar a qualidade do produto, tendo em atenção às preocupações ambientais. Para dar
resposta a essas necessidades torna-se essencial o estudo da enformabilidade, nomeadamente os
seus limites que fornecem informação sobre a deformação máxima que um material pode sofrer, sendo
limitado pela ocorrência de estricção ou rotura.
O objetivo deste trabalho é a conceção e o projeto de duas ferramentas que irão funcionar em conjunto
com uma máquina universal de ensaios de chapa que se encontra no Laboratório de ensaios mecânicos
da Área Cientifica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial (ACTMGI) do Instituto Superior Técnico
(IST), auxiliando desta forma a determinação e validação dos limites de enformabilidade à estricção e
à rotura. Foi projetada uma ferramenta para realização do ensaio Nakazima que permite determinar a
Curva Limite de Estampagem (CLE) e a Curva Limite de Fratura (CLF) e uma segunda ferramenta para
realização do ensaio de estampagem quadrada que permitirá validar a CLFC, determinada através de
vários ensaios de caracterização.
A metodologia adotada baseou-se na comparação das representações esquemáticas das ferramentas
fornecidas pelo fabricante da máquina universal de ensaios de chapa para os ensaios Bulge e Erichsen,
existentes no laboratório de ensaios mecânicos, com as das ferramentas que se pretende projetar.
Posteriormente, procedeu-se à montagem/desmontagem dos vários componentes das ferramentas
existentes, por forma a perceber e projetar os mecanismos de montagem e as adaptações necessárias
para cada componente. Por fim procedeu-se à medição dos vários componentes obtendo-se assim a
escala das representações esquemáticas.
Este trabalho permitirá o posterior fabrico das ferramentas para os ensaios Nakazima e de estampagem
quadrada. A ferramenta do ensaio Nakazima irá permitir a realização do ensaio controlando as diversas
forças envolvidas, permitindo a realização do mesmo com maior precisão. A ferramenta do ensaio de
estampagem quadrada vem colmatar a ausência do mesmo no laboratório de ensaios mecânicos do
IST.
Palavras-chave: Enformabilidade, Nakazima, Estampagem Quadrada, Projeto, Conceção.
ii
Abstract
The present work aims to design two tools of formability tests needed for the determination and
validation of the formability limits by necking and by fracture. The first tool regards to the Nakazima test
that allows the determination of the Forming Limit Curve (FLC) and the Fracture Forming Limit (FFL),
the second tool relates to the square stamping cup test, which will enable the validation of the Shear
Fracture Forming Limit (SFFL), which can be attained through other characterization tests. These tools
will be used in a universal sheet testing machine found in the mechanical tests laboratory of the Área
Científica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial (ACTMGI) of Instituto Superior Técnico (IST).
The performed methodology for the design consisted in the measurement of the Bulge test tool parts
available at the laboratory and by the analysis of the tools schematic provided by ERICHSEN. These
tools will allow to determine and validate more effectively the formability limits, since Nakazima test
provide the FLC and FFL with a single tool, and the square stamping cup test enables the SFFL
validation.
Keywords: Formability, Nakazima, Square Stamping Cup, Design Tools.
iii
Agradecimentos
Desejo apresentar os meus agradecimentos a todos os que de alguma forma contribuíram para a
realização da presente dissertação.
À Professora Beatriz Silva, um agradecimento especial pela investigação, oportunidades, constante
motivação e conhecimentos transmitidos, bem como pela inesgotável, permanente e preciosa ajuda
e orientação que tornaram possível a realização desta dissertação.
Ao Professor Paulo Martins, por todo o conhecimento, apoio, disponibilidade e colaboração no
decurso desta tese.
À Área Científica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial do Instituto Superior Técnico pelas
facilidades e meios concedidos que tornaram possível a realização desta tese.
Aos meus amigos e colegas, por toda a sua amizade, companheirismo.
Aos meus pais, por tudo o que fizeram e fazem por mim, em particular pelo apoio e amor
incondicional em todos os momentos.
iv
Resumo ................................................................................................................................. i
Abstract ............................................................................................................................... ii
Agradecimentos ..................................................................................................................iii
Lista de Figuras ...................................................................................................................vi
Lista de Tabelas ..................................................................................................................ix
Abreviaturas ........................................................................................................................ x
Nomenclatura ......................................................................................................................xi
1. Introdução..................................................................................................................... 1
2. Estado da Arte .............................................................................................................. 3
2.1. Enformabilidade ...................................................................................................................... 3
2.1.1. Curva Limite de Estampagem (CLE) ................................................................................. 4
2.1.2. Curva Limite de Fratura (CLF) e de Fratura ao Corte (CLFC) ............................................ 7
2.2. Ensaios de Enformabilidade .................................................................................................. 12
2.2.1. Ensaio Nakazima ............................................................................................................ 13
2.2.1.1. Norma ISO 12004-2 ............................................................................................... 13
2.2.1.2. Mecanismo de deformação no ensaio Nakazima ................................................. 16
2.2.1.3. Parâmetros que influenciam o ensaio Nakazima .................................................. 17
2.2.2. Ensaio de Estampagem Quadrada ................................................................................. 19
2.2.2.1. Mecanismo de deformação no ensaio de estampagem quadrada ....................... 22
2.2.2.2. Objetivo do ensaio de Estampagem Quadrada ..................................................... 24
3. Equipamento e Metodologias .....................................................................................26
3.1. Equipamento utilizado .......................................................................................................... 26
3.2. Metodologia adotada ............................................................................................................ 29
4. Conceção da Ferramenta de Ensaios Nakazima .......................................................33
4.1. Anel Roscado ......................................................................................................................... 34
4.2. Punção ................................................................................................................................... 35
4.3. Matriz .................................................................................................................................... 36
v
4.4. Encostador ............................................................................................................................. 38
4.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta ......................................................................... 39
4.5.1. Procedimento de Montagem ........................................................................................ 40
4.5.2. Procedimento de Desmontagem .................................................................................. 43
5. Conceção da Ferramenta de Ensaios de Estampagem Quadrada ...........................44
5.1. Punção ................................................................................................................................... 45
5.2. Matriz .................................................................................................................................... 46
5.3. Encostador ............................................................................................................................. 47
5.4. Anel de Fixação ...................................................................................................................... 49
5.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta ......................................................................... 50
5.5.1. Procedimento de Montagem ........................................................................................ 51
5.5.2. Procedimento de Desmontagem .................................................................................. 54
6. Conclusões e Perspetivas de Trabalho Futuro .........................................................55
7. Referências ..................................................................................................................56
Anexo A ..............................................................................................................................59
Anexo B ..............................................................................................................................63
vi
Lista de Figuras
Figura 2.1 – Representação das trajetórias de deformação no plano das extensões principais
(Rodrigues e Martins, 2005). ................................................................................................................... 4
Figura 2.2 – Exemplo de uma CLE e a divisão imposta por esta, em zona de segurança e zona de falha,
no plano das extensões principais. (adaptado de http://www.cimm.com.br) ....................................... 5
Figura 2.3 – Previsão teórica da CLE resultante dos estudos de Hill e Swift, baseados nos mecanismos
teóricos de formação por estricção localizada e difusa, respetivamente (Rodrigues e Martins, 2005). 5
Figura 2.4 – Representação da CLE e os inúmeros defeitos associados ao processo de estampagem no
plano das extensões principais (Holmberg et al, 2003). ......................................................................... 7
Figura 2.5 – Representação da CLE e a CLF inicialmente proposta (curva cinza), em contraponto com a
CLF proposta atualmente (Isik et al., 2014)............................................................................................. 8
Figura 2.6 – Representação da iteração entre a CLE e a CLF e trajetória de deformação obtida no
ensaio de tração biaxial (Martins et al., 2014) ........................................................................................ 8
Figura 2.7 – Representação da CLF (FFL em inglês) no plano das extensões principais, mostrando a
sua relação com a mecânica do dano, ou seja, que o acumular de dano provoca a redução da
espessura até valores críticos (Isik et al., 2014). ..................................................................................... 9
Figura 2.8 - Representação dos limites sugeridos por (Isik et al., 2014). .............................................. 10
Figura 2.9 – Representação da CLFC no plano das extensões principais proposta por Isik et al. (2014)
(Martins et al., 2014). ............................................................................................................................ 11
Figura 2.10 – Determinação da CLFC através de estampagem incremental SPIF, com as trajetórias de
deformação associadas às secções AA’ e BB’ (Soeiro et al., 2014). ...................................................... 12
Figura 2.11 – Geometria recomendada para o provete do ensaio Nakazima (ISO 12004-2, 2008) ..... 14
Figura 2.12 – Geometria do provete sugerido por Hasek (lado esquerdo) em comparação com o
recomendado pela norma (Banadic, 2000) ........................................................................................... 15
Figura 2.13 – Esquema da ferramenta do ensaio Nakazima e respetivas tolerâncias (ISO 12004-2,
2008)...................................................................................................................................................... 15
Figura 2.14 – Provete deformado e referência das diferentes zonas de deformação (Djavanroodi e
Janbakhsh, 2013). .................................................................................................................................. 16
Figura 2.15 – Representação esquemática da CLE construída a partir dos provetes de diferentes
tamanhos (Rodrigues e Martins, 2005). ................................................................................................ 17
Figura 2.16 – Esquema da divisão dos provetes consoante o modo de deformação (Baptista, 1993). 18
Figura 2.17 – Peça quadrada estampada por estampagem retangular (Rodrigues e Martins, 2005). . 20
Figura 2.18 - Pormenor de ¼ da estampa final da peça (Rodrigues e Martins, 2005). ......................... 21
Figura 2.19 – Esquema da ferramenta para o ensaio de estampagem quadrada (Rodrigues e Martins,
2005)...................................................................................................................................................... 21
Figura 2.20 – Representação no plano das extensões principais das trajetórias de deformação
características da zona do canto (AB) e zona lateral (AC) (Rodrigues e Martins, 2005). ...................... 22
Figura 2..21 – (a) Representação esquemática do aparato do ensaio de estampagem quadrada; (b)
Perfil da estampa final e diferentes zonas (Daxin, 2008). ..................................................................... 23
Figura 2.22 – Estudo realizado por Embury e Duncan (1981) onde se observa a rotura na zona do
canto ...................................................................................................................................................... 24
Figura 2.23 – Previsão da do diagrama de enformabilidade através do método de elementos finitos
para estampa plana quadrada de 190 mm para uma penetração máxima de 49 mm antes da falha
(Firat, 2012). .......................................................................................................................................... 25
Figura 3.1 - Máquina universal de ensaios de chapa ERICHSEN, modelo 145-60 (Manual da máquina
ERICHSEN).............................................................................................................................................. 27
vii
Figura 3.2 – Esquema com os diversos constituintes da máquina de ensaios de chapa e respetiva
legenda (Manual da máquina ERICHSEN). ............................................................................................ 28
Figura 3.3 - Esquema do painel de controlo e respetiva legenda (Manual da máquina ERICHSEN). ... 28
Figura 3.4 - Ferramentas de auxílio na montagem/desmontagem dos componentes do ensaio
(Manual da máquina ERICHSEN). .......................................................................................................... 29
Figura 3.5 – Representação esquemática da ferramenta do ensaio Bulge (Operating Instructions
145/E) .................................................................................................................................................... 30
Figura 3.6 - Comparação dos componentes reais (a) e modelados em 3D (b) da ferramenta para o
ensaio Bulge .......................................................................................................................................... 31
Figura 4.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (Operating Instructions
145/E) .................................................................................................................................................... 33
Figura 4.2 - Desenhos 2D e 3D do anel roscado - (a) Vista de topo; (b) Vista em corte; (c) Vista de
perfil. ..................................................................................................................................................... 34
Figura 4.3 – (a) Punção da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009) e (b) representação esquemática da
base de montagem do punção no interior do cilindro de ensaios da máquina (Operating Instructions
145/E). ................................................................................................................................................... 35
Figura 4.4 - Desenhos 2D e 3D do punção - (a) Vista de corte; (b) Vista de perfil. ............................... 36
Figura 4.5 - Desenhos 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de corte B-B (Ver anexo A); (c)
Vista de perfil. ....................................................................................................................................... 37
Figura 4.6 - Desenhos 2D e 3D do encostador - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (Ver anexo A);
(c) Vista de perfil. .................................................................................................................................. 39
Figura 4.7 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio Nakazima – (a) Componentes da parte
superior; (b) Componentes da parte inferior. ....................................................................................... 40
Figura 4.8 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina
ERICHSEN).............................................................................................................................................. 41
Figura 4.9 – Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do
componente 107; (c) Montagem do componente 111-A; (d) Montagem do componente 111-B; (e)
Montagem do componente 114 (Manual da máquina ERICHSEN). ...................................................... 41
Figura 4.10 – Montagem do punção (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina
ERICHSEN).............................................................................................................................................. 42
Figura 4.11 – Montagem do encostador (a) início do curso; (b) fim de curso (Manual da máquina
ERICHSEN).............................................................................................................................................. 42
Figura 5.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada
(Operating Instructions 145/E). ............................................................................................................. 45
Figura 5.2 - Modelação 2D e 3D do punção - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo A); (c)
Vista de perfil. ....................................................................................................................................... 46
Figura 5.3 - Modelação 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do corte A-A
(ver anexo A). ........................................................................................................................................ 47
Figura 5.4 - Modelação 3D do componente 183 - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo
A); (c) Vista de perfil. ............................................................................................................................. 48
Figura 5.5 - Modelação 2D e 3D do anel de fixação - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do
corte A-A (ver anexo A). ........................................................................................................................ 49
Figura 5.6 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada – (a)
Componentes da parte superior; (b) Componentes da parte inferior. ................................................. 50
Figura 5.7 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina
ERICHSEN).............................................................................................................................................. 51
Figura 5.8 - Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do anel
107; (c) Montagem do anel 111-A; (d) Montagem do anel 111-B (Manual da máquina ERICHSEN). .. 51
viii
Figura 5.9 - Montagem do anel de fixação (Manual da máquina ERICHSEN). ...................................... 52
Figura 5.10 - Montagem do punção – (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina
ERICHSEN).............................................................................................................................................. 52
Figura 5.11 - Montagem do anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios – (a) início do curso; (b)
final do curso (Manual da máquina ERICHSEN). ................................................................................... 53
Figura 5.12 - Montagem do encostador (Manual da máquina ERICHSEN). .......................................... 53
ix
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 - Principais características da máquina universal de ensaios de chapa (Manual da máquina
ERICHSEN) .............................................................................................................................................. 27
x
Abreviaturas
ACTMGI Área Científica de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial
CAD Computer-aided Design
CLE Curva Limite de Estampagem
CLF Curva Limite de Fractura
CLFC Curva Limite de Fractura ao Corte
FLC Forming Limit Curve
FFL Fracture Forming Limit
IST Instituto Superior Técnico
SFFL Shear Fracture Forming Limit
SPIF Single Point Incremental Forming
xi
Nomenclatura
Símbolos latinos Definição a Comprimento do semieixo maior da elipse b Comprimento do semieixo menor da elipse d Diâmetro inicial do círculo da rede de referência D Dano acumulado R Redução da espessura critica rcm Raio de canto da matriz rcp Raio de canto do punção W Largura do provete
Símbolos gregos Definição 𝜀1 Extensão principal máxima no plano da chapa
𝜀2 Extensão principal mínima no plano da chapa
𝜀3 Extensão principal na direção da espessura
𝜓 Ângulo de estampagem
γ Distorção crítica no plano
1
1. Introdução
Os processos tecnológicos de deformação plástica de chapa são muito importantes na indústria pois
abrangem grande parte do universo global das tecnologias de fabrico. Um desses processos
tecnológicos é a estampagem que consiste na transformação de chapa metálica plana a frio, que devido
ao elevado custo das ferramentas, adequa-se ao fabrico de grandes séries de peças, sendo aplicado
a um vasto número de indústrias, das quais se destacam a automóvel, a aeroespacial, a aeronáutica,
a dos produtos alimentares, domésticos e decorativos e possui grandes vantagens, tais como a elevada
produtividade, redução de custo por peça, bom acabamento, entre outras.
O aumento das exigências de mercado, tais como a necessidade de reduzir os tempos de produção,
aumentar a qualidade do produto, a redução de custos e as preocupações ambientais, obriga a uma
implementação de métodos de otimização no projeto de ferramentas de estampagem. Assim o estudo
da enformabilidade do material, nomeadamente, dos seus limites é fundamental nas fases de projeto e
conceção das ferramentas de qualquer processo de estampagem, pois fornecem informações sobre o
nível máximo de deformação plástica que o material pode sofrer durante um processo de enformação,
estando limitado pela ocorrência de estricção ou rotura.
A limitação devido à ocorrência de estricção localizada nas peças é fornecida pela curva limite de
estampagem (CLE), baseadas nas extensões limite admissíveis que o material pode sofrer, sendo
amplamente utilizadas para prever os limites de enformabilidade mas apenas para operações onde as
trajetórias de deformação são praticamente lineares, tornando-se inviáveis para operações com
trajetórias de deformação complexas.
O ensaio Nakazima é o ensaio de caracterização mais utilizado para construir a CLE, pois permite com
a mesma ferramenta determinar toda a CLE, ao contrário de outros ensaios que apenas determinam
parte da CLE. No entanto este ensaio devido ao atrito apresenta trajetórias de deformação que não são
completamente lineares, podendo deste modo influenciar a localização final da CLE.
Dependendo do tipo de material e do processo de fabrico a rotura pode surgir antes que a estricção se
desenvolva. Embury e Duncan (1981) através de um ensaio de tração biaxial mostraram o primeiro
caso em que para um determinado material a rotura pode preceder à estricção. Silva et al. (2008)
mostraram que através do processo de estampagem incremental ocorria rotura sem que se verifica-se
estricção, fazendo com que este processo especifico seja limitado pela rotura e não pela estricção,
quando o raio da ferramenta é muito pequeno relativamente ao diâmetro da peça (Silva et al., 2011 e
Madeira et al., 2015).
Na estampagem incremental como não se verifica estricção antes da rotura o nível de deformação
possível é superior, sendo limitado pela CLF para tensões de tração no plano da chapa e pela CLFC
para tensões de corte no plano. Estas curvas definem a deformação plástica admissível a partir da qual
surge a rotura (Isik et al., 2014)
2
A CLFC é caracterizada através de diversos ensaios de caracterização, nomeadamente o ensaio de
torção no plano e o ensaio de corte no plano. A CLFC por ser um conceito recente é necessário a sua
validação, sendo o ensaio de Estampagem Quadrada um bom exemplo uma vez que na região do
canto da taça produzida verificam-se trajetórias de deformação que permitem validar a CLFC.
O objetivo do presente trabalho prende-se com o desenvolvimento da conceção e projeto de duas
ferramenta que permitem caracterizar e validar a enformabilidade do material, uma para o ensaio
Nakazima que permite determinar a CLE e CLF e outra para a realização do ensaio de estampagem
quadrada que permitirá validar a CLFC, suprimindo a ausência destas ferramentas para a máquina
universal de ensaios de chapa, que se encontra no laboratório de ensaios mecânicos da Área Cientifica
de Tecnologia Mecânica e Gestão Industrial (ACTMGI) do Instituto superior técnico (IST) e permitindo
a realização dos respetivos ensaios de forma criteriosa e eficaz, uma vez que a máquina de ensaios
de chapa permite controlar os diversos parâmetros dos ensaios.
A presente dissertação encontra-se dividida em seis capítulos sendo a presente introdução o primeiro
capítulo.
No segundo capítulo apresenta-se uma descrição da enformabilidade dos materiais, descrevendo os
vários limites de enformação e como estes são determinados e validados através de diversos ensaios
dos quais destacam-se o ensaio Nakazima e o de Estampagem Quadrada.
No terceiro capítulo inicialmente apresenta-se a máquina de ensaios de chapa existente no laboratório
de Tecnologia Mecânica da ACTMGI do IST, onde as ferramentas serão utilizadas, descrevendo-se
posteriormente a metodologia utilizada na realização do projeto das ferramentas, desde o início onde
se observou os vários componentes das ferramentas dos ensaios existentes, por forma a perceber o
mecanismo de montagem/desmontagem na máquina de ensaios de chapa, assim como, quais os
componentes que já existiam e podiam ser utilizados nas novas ferramentas.
No quarto e quinto capítulo apresenta-se a modelação dos diferentes componentes projetados para as
ferramentas do ensaio Nakazima e de Estampagem Quadrada, respetivamente, No final dos capítulos
apresenta-se uma explicação da montagem/desmontagem das ferramentas criadas que deve ser
adicionada ao manual da máquina de ensaios de chapa.
Finalmente, no sexto e último capítulo, identificam-se as principais conclusões do trabalho efetuado,
apontando as recomendações de trabalho que deve ser realizado no futuro, nomeadamente na fase de
fabrico das ferramentas.
3
2. Estado da Arte
Este capítulo inicia-se com uma abordagem sobre a teoria da enformabilidade, aprofundando os limites
de enformabilidade e como estes são determinados, mais concretamente as curvas limite de
estampagem, curva limite de fratura e curva limite de fratura ao corte. De seguida apresenta-se o ensaio
Nakazima e por fim o ensaio de Estampagem Quadrada, nomeadamente a sua utilidade e como são
realizados.
2.1. Enformabilidade
A enformabilidade é uma característica mecânica do material, presente nos processos tecnológicos de
deformação plástica de chapa, que consiste no nível de deformação máximo que determinado material
pode sofrer sem que ocorra estricção ou fratura do mesmo (Rodrigues e Martins, 2005).
Um dos processos tecnológicos de deformação plástica é a estampagem, um processo de
transformação de chapa metálica plana, dos mais importantes e utilizados na indústria, uma vez que o
seu campo de aplicação é muito amplo, passando pela indústria dos transportes, dos produtos
alimentares, domésticos e decorativos, dos eletrodomésticos e dos produtos hospitalares (Rodrigues e
Martins, 2005). No fabrico de uma peça torna-se imperativo constatar se esta pode ser estampada sem
que se verifiquem falhas, como tal é relevante estudar a sua enformabilidade, definida pelos limites de
enformabilidade à estricção e à fratura.
Os limites de enformabilidade são curvas definidas no plano das extensões principais (ε1 e ε2),
baseados na representação dos estados e trajetórias de deformação que se localizam no 2º e 3º
octantes do plano de extensões principais, como pode-se visualizar na figura 2.1. Em relação aos
limites de enformabilidade à estricção, temos a curva limite de estampagem (CLE) que define a
deformação limite admissível a partir da qual sobrevém a estricção. No que se refere aos limites de
enformabilidade à fratura, temos a curva limite de fratura (CLF) e a curva limite de fratura ao corte
(CLFC) que nos permite obter a deformação plástica a partir da qual surge a fratura.
O plano das extensões principais está dividido em dois modos principais de deformação, a expansão e
a retração, como se pode observar na figura 2.1. Geralmente os modos de deformação são
caracterizados consoante o sinal da menor extensão principal (ε2), ou seja, para ε2 > 0 estamos perante
o modo de deformação por expansão, caracterizado pelo material da chapa localizado entre o
encostador e a matriz estar obstruído, não deslizando para o interior da matriz. Em sentido inverso se
for permitido ao material deslizar para o interior da matriz diz-se que o modo de deformação é de
retração, localizando-se à esquerda do eixo da maior extensão principal (ε1), ou seja para ε2 < 0
(Rodrigues e Martins, 2005).
4
Figura 2.1 – Representação das trajetórias de deformação no plano das extensões principais (Rodrigues e Martins, 2005).
Após a definição do plano das extensões principais, nos seguintes subcapítulos irão ser abordados os
diversos limites de enformabilidade que compõem o diagrama limite de enformabilidade,
nomeadamente, a CLE define a deformação limite admissível a partir da qual sobrevém a estricção e
as curvas CLF e CLFC as que permitem obter a deformação plástica a partir da qual surge a rotura.
2.1.1. Curva Limite de Estampagem (CLE)
A CLE é um diagrama contruído de forma empírica, largamente utilizado para descrever o lugar
geométrico das deformações principais que ocorrem no plano da chapa. Esta curva é utilizada para
prever os limites de enformabilidade de um material quando este é sujeito aos diferentes modos de
deformação inerentes à enformação de chapa. Esta divide o plano das extensões principais em duas
zonas, a zona inferior onde se encontram as peças bem-sucedidas e a zona superior onde se
encontram as peças com estricção e/ou rotura, como pode-se visualizar na figura 2.2. Cada material
pode ser deformado até um nível máximo em que este perde resistência mecânica, este nível é destinto
para os diferentes materiais, logo vamos ter uma CLE diferente para cada material, que será definida
pelas várias trajetórias de deformação, obtidas experimentalmente através de ensaios, específicos ou
não, ao material da chapa (Rodrigues e Martins, 2005).
5
Figura 2.2 – Exemplo de uma CLE e a divisão imposta por esta, em zona de segurança e zona de falha, no plano das extensões principais. (adaptado de http://www.cimm.com.br)
Os primeiros estudos relacionados com a CLE, baseavam-se no conceito de instabilidade plástica de
uma chapa homogénea sem defeitos. Estes estudos foram realizados por Hill (1952) e por Swift (1952),
e tratavam-se de previsões teóricas dos mecanismos de formação de estricção que forneceram as
bases para a compreensão dos limites de enformabilidade. O modelo de Hill (1952), estabelecia as
condições de início da estricção localizada, mas apenas para o domínio das deformações por retração,
sendo que o modelo de Swift (1952), estabelecia as condições de início da estricção difusa para
deformações por expansão e retração. Estes estudos permitiram representar graficamente o limite de
enformabilidade de chapas metálicas, como pode-se observar na figura 2.3, sendo que na altura ainda
não se referia ao conceito de CLE.
Figura 2.3 – Previsão teórica da CLE resultante dos estudos de Hill e Swift, baseados nos mecanismos teóricos de formação por estricção localizada e difusa, respetivamente (Rodrigues e Martins, 2005).
6
Ao nível teórico, faltava explicar a ocorrência de estricções localizadas em deformações por expansão,
esta lacuna do modelo de Hill foi colmatada com o modelo de Marciniak e Kuczynski (1967),
denominado por modelo M-K, no qual o material considerado heterogéneo, e era capaz de prever o
surgimento de estricções localizadas em deformação por expansão.
Apesar do desenvolvimento de inúmeros modelos teóricos, a determinação experimental dos limites de
enformabilidade é fundamental para a representação da CLE. É assim que surge o primeiro conceito
de CLE, introduzido por Keeler (1965) quando este publicou a sua investigação que consistia em
constatar qual o grau de segurança na realização de estampagens industriais. A investigação baseava-
se na análise da distribuição de extensões, prevendo a ocorrência de rotura sem sinais exteriores que
o evidenciassem. Contudo esta investigação foi apenas realizada para o domínio das deformações por
expansão, ou seja, para valores positivos da menor extensão principal (ε2 > 0).
Mais tarde Goodwin (1968) estendeu este conceito, aplicando-o à análise das deformações por
retração, obtendo deste modo pontos para valores negativos da menor extensão principal (ε2 < 0).
Reunindo os dois domínios, expansão e retração, aparece aquela que é considerada a primeira CLE
completa.
Normalmente, a CLE apresenta o seu ponto mínimo para a maior extensão principal, quando a menor
extensão principal é nula ou perto de zero, sendo o estado de deformação plana o mais crítico. Isto
prende-se com o fato de que quando uma das deformações principais do plano da chapa se aproxima
de zero, a estricção é mais localizada, desenvolvendo-se maiores tensões, que poderão provocar a
rotura da chapa devido à sua conservação do volume.
Na conceção e projeto de peças estampadas, a fim de evitar a ocorrência de falhas durante o processo,
deve-se comparar a distribuição da deformação na peça a produzir com a CLE do material, permitindo
deste modo averiguar qual o melhor material e geometria da ferramenta que asseguram o fabrico com
sucesso da peça com formas e dimensões bem definidas (Rodrigues e Martins, 2005). Assim para
determinar a CLE, é necessário realizar ensaios ao material, com o intuito de verificar qual a quantidade
de deformação que este sofre, posto isto marca-se sobre os provetes uma grelha de referência, que
deve ser parte integrante do material, sofrendo as mesmas deformações que este. Estas grelhas podem
ser de círculos ou retângulos. As grelhas de círculos deformam-se quando o material é solicitado,
transformando-se em elipses a partir das quais se podem calcular a maior e menor extensão principal
(ε1 e ε2, respetivamente), permitindo a sua representação no plano das extensões principais. O cálculo
das extensões principais é obtido através das equações 2.1.
𝜀1 = ln (𝑎
𝑑) ; 𝜀2 = ln(
𝑏
𝑑) (2.1)
Onde “a” e “b” representam o maior e menor diâmetro da elipse, respetivamente, e “d” o diâmetro dos
círculos não deformados da rede de referência.
7
Ao definir um processo de estampagem existem inúmeros defeitos associados, tais como, a excessiva
redução da espessura, o engelhamento ou o alongamento insuficiente, reduzindo a zona segura de
enformação a uma pequena área como pode-se visualizar na figura 2.4 (Holmberg et al, 2003).
Figura 2.4 – Representação da CLE e os inúmeros defeitos associados ao processo de estampagem no plano das extensões principais (Holmberg et al, 2003).
A grande limitação da CLE é que a sua construção é baseada na hipótese de que as trajetórias de
deformação são lineares, ou seja, o estado de deformação não se altera ao longo do processo, mas na
realidade isso não se observa na maioria dos processos industriais de deformação plástica de chapa,
em que as trajetórias de deformação são mais complexas, levando a que se tenham dificuldades em
prever o comportamento à estricção e/ou à rotura nesses processos.
2.1.2. Curva Limite de Fratura (CLF) e de Fratura ao Corte
(CLFC)
Os diagramas limite de enformabilidade são utilizados pelos projetistas de ferramentas e matrizes de
operações de deformação plástica de chapa pois este fornece informação sobre as trajetórias de
deformação que se desenvolvem nas peças produzidas, permitindo assim garantir o seu fabrico sem a
ocorrência de estricções e/ou roturas. No entanto para que o diagrama limite de enformabilidade esteja
completo, faltam representar os limites à fratura, assim surgem a curva limite de fratura (CLF) e a curva
limite de fratura ao corte (CLFC).
Inicialmente muitos investigadores representavam a CLF como uma curva paralela à CLE, apenas
deslocando-se no sentido da maior extensão principal, sendo a região entre as duas, a instabilidade
plástica, como se pode constatar na figura 2.5. Este prossuposto era incorreto uma vez que previa a
mesma interpolação utilizada para determinar a CLE mas aplicada a uma falha por rotura ao invés de
estricção (Isik et al. 2014).
8
Figura 2.5 – Representação da CLE e a CLF inicialmente proposta (curva cinza), em contraponto com a CLF proposta atualmente (Isik et al., 2014).
É no final dos anos 70 que inúmeras investigações, mostram a interação entre os limites da
enformabilidade à fratura e à estricção na enformação de chapa metálica convencional, levando a
concluir que pode existir rotura sem que antes surjam estricções relevantes. Embury e Duncan (1981)
através de um ensaio de tração biaxial mostraram que em determinados materiais a rotura pode
preceder à estricção, como se observa na figura 2.6. Neste caso deve ser a CLF a definir os limites de
enformabilidade, sendo a trajetória de deformação linear até à rotura (reta OF da figura 2.6).
Figura 2.6 – Representação da iteração entre a CLE e a CLF e trajetória de deformação obtida no ensaio de tração biaxial (Martins et al., 2014)
Marciniak (1984) propôs que a na enformação de chapa metálica, as falhas ocorriam devido a tensões
de corte, sugerindo um diagrama de enformabilidade composto por vários limites, um limite devido ao
engelhamento, um novo limite no 2º quadrante e outro no 1º quadrante semelhante à CLF anteriormente
proposta.
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O primeiro conceito de CLF foi introduzido por Atkins (1996), baseando-se na mecânica do dano mais
propriamente no critério de fratura dúctil de McClintock (1968) que permitiu representar a CLF como
uma reta de declive -1, pois este mostrou que a CLF estava associada a uma rotura provocada pela
sucessiva redução da espessura até valores críticos, ou seja, a ocorrência de rotura era independente
das trajetórias de deformação, sendo provocada pela acumulação de dano. A CLF pode-se observar
na figura 2.7, assim como a redução da espessura (R) com o acumular do dano (D) até valores críticos.
Figura 2.7 – Representação da CLF (FFL em inglês) no plano das extensões principais, mostrando a sua relação com a mecânica do dano, ou seja, que o acumular de dano provoca a redução da espessura até
valores críticos (Isik et al., 2014).
Muscat-Fenech et al. (1996) relacionou a CLF com a tenacidade à fratura e em conjunto com os estudos
produzidos por Atkins (1996), permitiu perceber que a CLF é uma propriedade do material e que esta
resulta de tensões de tração (tipo I da tenacidade à fratura) e não de corte ao nível da espessura (tipo
III da tenacidade à fratura) como inicialmente proposto por Marciniak (1984).
Após os primeiros estudos o conceito de CLF foi desprezado, voltando com os desenvolvimentos
protagonizados, nomeadamente, através das investigações de Jeswiet et al. (2005) em operações de
estampagem incremental em chapa e à evolução da mecânica do dano que possibilitou a Wierzbicki et
al. (2005) a comparação de vários critérios de fratura comercializados em programas computorizados
de elementos finitos de enformação de chapa metálica.
Estes desenvolvimentos permitiram uma investigação produzida por Silva et al. (2008) em que se
mostrou que no processo de estampagem incremental a estricção é suprimida devido ao raio da
ferramenta ser pequeno em relação ao diâmetro da peça (Silva et al., 2011 e Madeira et al., 2015),
fazendo com que nas peças produzidas por esse processo a deformação que se pode aplicar é superior
à aplicada nos processos convencionais de enformação de chapa, sendo os limites estabelecidos pelo
início da rotura e não pela estricção.
Recentemente a investigação efetuada por Isik et al. (2014) estipulou a representação dos limites de
enformabilidade à rotura (consultar figura 2.8) confirmando que a CLF era devido a tensões de tração
no plano da chapa e estava associada a uma redução da espessura da chapa até valores críticos onde
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se iniciava a rotura, identificando também a um novo limite de enformabilidade à rotura, devido a
tensões de corte no plano da chapa (tipo II da tenacidade à fratura), associado a uma distorção no
plano da chapa (γ12) até valores críticos no início da rotura, originando a CLFC.
Figura 2.8 - Representação dos limites sugeridos por (Isik et al., 2014).
A investigação realizada por Isik et al. (2014), comparando ensaios convencionais de enformação de
chapa com ensaios de estampagem incremental em geometrias cónicas truncadas e pirâmides,
variando o angulo de estampagem (ψ), mostrou que na estampagem incremental as trajetórias de
deformação são lineares desde o início até à rotura, não sofrendo desvios como se verifica nos ensaios
convencionais de enformação de chapa, em que as trajetórias de deformação sofrem uma brusca
mudança de direção no sentido da deformação plana após cruzar a CLE do material, devido à
ocorrência de estricção antes da rotura. No entanto verifica-se que as CLF para os dois tipos de ensaios
realizados, encontram-se no mesmo local do plano das extensões principais (Consultar figura 2.8).
A CLFC foi determinada por Isik et al. (2014) através de ensaios de caracterização de torção no plano
e de corte no plano, que apresentam trajetórias de deformação quase lineares, como se pode observar
na figura 2.8 (ensaio de torção no plano – triângulo e ensaio de corte no plano - losango). Analiticamente
Isik et al. (2014) mostraram que a CLFC tem declive “+1”, sendo perpendicular à CLF, isto porque a os
valores do dano crítico, devido às tensões de corte no plano da chapa, encontram-se sobre uma linha
reta com declive “+1”, de acordo com as condições de distorção crítica (γ) no início da rotura (figura 2.9).
Em termos teóricos a CLFC pode ser determinada apenas por um ensaio experimental devido à sua
perpendicularidade com a CLF, no entanto é aconselhado efetuarem-se dois ensaios experimentais
por forma a reduzir o erro.
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Figura 2.9 – Representação da CLFC no plano das extensões principais proposta por Isik et al. (2014) (Martins et al., 2014).
Recentemente Soeiro et al. (2014) realizaram uma investigação que permitiu a determinação da CLFC
através de ensaios de estampagem incremental SPIF, produzidos em peças de geometria cónica
truncada com quatro lóbulos elípticos variando o ângulo de estampagem, na qual se verificou que a
rotura na região do raio de canto do lóbulo (Secção BB’ da figura 2.10), era devido a tensões de corte
no plano, obtendo assim extensões próximas da CLFC (figura 2.10).
A CLF pode ser obtida através de processos convencionais de enformação de chapa ou através de
ensaios de estampagem incremental como ficou comprovado na investigação de Isik et al. (2014).
Para determinar a CLF assim como a CLFC, através de ensaios convencionais de enformação de
chapa, é necessário medir-se a espessura do provete antes e após a deformação, em vários locais ao
longo da fissura, por forma a obter a extensão na direção da espessura (ε3) e medir-se a largura inicial
e final na região da rotura, obtendo-se a extensão na direção da largura (ε2), sendo a extensão na
direção do comprimento (ε1), calculada através da equação de incompressibilidade, pois não se
consegue determinar diretamente porque a rotura atravessa a elipse, o que torna este processo mais
complexo e do qual advêm erros experimentais.
12
Figura 2.10 – Determinação da CLFC através de estampagem incremental SPIF, com as trajetórias de deformação associadas às secções AA’ e BB’ (Soeiro et al., 2014).
Para determinar a CLF e CLFC através de ensaios de estampagem incremental, como as trajetórias
de deformação são lineares desde o início até à rotura, pode-se obter as extensões principais (ε1 e ε2),
através de medições experimentais efetuadas diretamente na superfície da peça, com base na rede de
círculos deformada. Este processo permite obter a CLF e a CLFC de forma simples e com os mesmos
procedimentos e equipamentos utilizados na obtenção da CLE.
2.2. Ensaios de Enformabilidade
Os limites de enformabilidade tanto à estricção como à rotura são determinados através de pontos que
permitem traçar no plano das extensões principais os diversos estados de deformação. Por forma a
obter estes pontos foram concebidos inúmeros ensaios de enformabilidade que vão desde os ensaios
elementares até aos simulativos.
Os ensaios elementares recorrem a um sistema de solicitação simples, dedicando-se quase em
exclusivo à análise de um dos estados de deformação como é o caso dos ensaios de tração uniaxial
(provete liso ou entalhado) ou de expansão biaxial (“Bulge”), utilizados para caracterizar o
comportamento do material.
Os ensaios simulativos dedicam-se à análise de todo o processo de enformação, simulando em
laboratório a enformação que a chapa irá sofrer à escala industrial, isto porque tem em conta os vários
parâmetros processuais como a interação entre o material e a ferramenta e as condições de atrito.
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Dentro dos ensaios simulativos os mais populares são o Erichsen que caracteriza a enformabilidade
do material por expansão, o Swift que caracteriza a enformabilidade do material por retração e o
Nakazima que caracteriza a enformabilidade do material por expansão e retração.
2.2.1. Ensaio Nakazima
A construção da CLE é um processo complicado, devido à elevada dispersão dos resultados
experimentais e o longo tempo para a sua determinação, face ao curto prazo para o desenvolvimento
de um processo de estampagem na indústria. A fim de minimizar estas dificuldades, desenvolveram-
se inúmeros métodos experimentais e teóricos para previsão da CLE, sendo que a maioria dos ensaios
apenas determina um estado de deformação, como tal seriam necessários diferentes ensaios para
determinar a CLE completa.
Este problema foi resolvido por Nakazima (1968) que através de um único método propôs determinar
as deformações no domínio da expansão e da retração, comparando os resultados obtidos com os
ensaios de Bulge.
Assim nasceu o ensaio Nakazima muito utilizado atualmente na indústria pois permite obter os
diferentes estados de deformação variando a largura do provete e as condições de lubrificação,
determinando assim toda a CLE, no entanto é necessário ter em conta que devido ao atrito, as
trajetórias de deformação desde o início até a rotura não são lineares, influenciando a posição da CLE,
sendo assim necessário fazer-se acompanhar o ensaio Nakazima por um ou mais ensaios elementares,
de modo a obterem-se parâmetros de caracterização do material.
Mais tarde Gronostjski e Dolny (1980) com o intuito de otimizar o método proposto por Nakazima (1968),
descreveram uma variação ao ensaio, utilizando a ferramenta Marciniak, com o intuito de minimizar o
atrito entre a chapa e a ferramenta. O ensaio Marciniak é semelhante ao Nakazima, sendo que entre o
punção e o provete coloca-se uma chapa furada na parte central eliminando o atrito entre o punção e
o provete.
Atualmente o processo para determinar a CLE segue a norma ISO 12004-2 (2008) que descreve os
métodos a seguir no ensaio Nakazima e Marciniak.
2.2.1.1. Norma ISO 12004-2
A norma encontra-se dividida em duas partes, numa primeira parte descreve a medição e aplicação
dos diagramas limite de enformação na indústria e numa segunda parte descreve a determinação da
CLE em laboratório.
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A segunda parte da norma específica as condições do ensaio para a construção da CLE à temperatura
ambiente e com trajetórias de deformações lineares, sendo que o material deve ser uma chapa metálica
com uma espessura compreendida entre os 0,3 mm e os 4 mm (ISO 12004-2, 2008).
Dentro das várias recomendações da norma destacam-se as relativas à geometria do provete, as
condições de lubrificação, o equipamento para realização do ensaio, a utilização de equipamentos de
medição e o método para avaliação das deformações.
Os provetes utilizados no ensaio Nakazima devem ter a geometria como apresenta a figura 2.11, sendo
que estes podem variar segundo certas circunstâncias como por exemplo no caso do aço em que se
pode utilizar geometrias retangulares com diferentes larguras, desde que não se verifique a rotura junto
ao raio da matriz.
Figura 2.11 – Geometria recomendada para o provete do ensaio Nakazima (ISO 12004-2, 2008)
Segundo a norma para um punção de 100 mm de diâmetro o comprimento do provete (dimensão 1 da
figura 2.11) deve ser entre 25 mm e 50 mm e o raio de curvatura (dimensão 3 da figura 2.11) entre
20 mm e 30 mm, variando as dimensões da largura (dimensão 2 da figura 2.11), obtêm-se os diferentes
estados de deformação (ISO 12004-2, 2008).
Outro tipo de geometria de provete foi proposto por Hasek (1978) por forma a contornar o problema do
engelhamento causado pela curvatura do punção. A figura 2.12 mostra a geometria dos provetes
proposta por Hasek (lado esquerdo da figura 2.12) em comparação com os recomendados pela norma
(Quaak, 2008).
15
Figura 2.12 – Geometria do provete sugerido por Hasek (lado esquerdo) em comparação com o recomendado pela norma (Banadic, 2000)
Ainda no que se refere aos provetes a norma recomenda ensaiar pelo menos cinco geometrias com
larguras diferentes e pelo menos três ensaios válidos para cada (ISO 12004-2, 2008).
Outro ponto importante da Norma para o ensaio Nakazima é o equipamento de ensaio, este é composto
por um punção, um encostador e uma matriz (Figura 2.13). O punção é hemisférico com um diâmetro
de 100 mm com ± 2 mm de tolerância, e a matriz deve ter um raio de canto entre os 5 mm e os 10 mm,
com diâmetro interior, preferencialmente de 105 mm, sendo no máximo superior ao diâmetro do punção
em 2.5 vezes a espessura do material (ISO 12004-2, 2008).
Figura 2.13 – Esquema da ferramenta do ensaio Nakazima e respetivas tolerâncias (ISO 12004-2, 2008).
O material da extremidade do provete deve ser impedido de escoar para a zona central que é
deformada durante o ensaio, garantindo desta forma trajetórias de deformação mais lineares, como tal
é aconselhado a utilização de caneluras na matriz, pois segundo Baptista (1993) um bloqueio ineficiente
da aba do provete e com as larguras usuais dos provetes Nakazima, dificilmente se consegue
deformações no domínio da expansão (Baptista, 1993).
16
Ainda segundo a norma o critério de paragem do ensaio é a ocorrência de uma rotura no provete, sendo
que esta deve ser detetada visualmente ou através de uma queda na carga, isto porque antes da rotura
a carga estabiliza devido à estricção, caindo aquando da rotura do provete (ISO 12004-2, 2008).
Outro fator que influencia a construção da CLE através do ensaio Nakazima são as condições de
lubrificação. Os diferentes tipos de lubrificante vão atuar variando o coeficiente de atrito entre o punção
e a chapa. A norma refere que as condições de lubrificação devem permitir que a fratura ocorra a uma
distância inferior a 15 mm, para um punção de 100 mm diâmetro (15% diâmetro do punção) do seu
topo. Também é referido que o tipo de lubrificação não deve ser alterado durante a construção da CLE
(ISO 12004-2, 2008).
2.2.1.2. Mecanismo de deformação no ensaio Nakazima
O mecanismo de deformação é muito importante para perceber a deformação que os provetes sofrem
ao longo da sua enformação. O mecanismo de deformação está dividido em três fases, a inicial, a
intermédia e a final. Por forma a compreender melhor a deformação o provete na figura 2.14 está
dividido em três zonas identificando os diferentes modos de deformação consoante a largura do
mesmo.
1 – Zona de contato entre a chapa e o punção
2 – Zona cónica
3 – Zona da aba
Figura 2.14 – Provete deformado e referência das diferentes zonas de deformação (Djavanroodi e Janbakhsh, 2013).
A fase inicial da deformação é caracterizada por uma expansão axial do material que se encontra na
zona de contacto entre a chapa e o punção (zona 1 da figura 2.14), esta deformação não está
dependente da largura do provete, ao contrário da zona cónica em que a deformação depende da
largura do provete, sendo de retração para provetes pequenos (ε2 <0) e de expansão para provetes
grandes.
Na fase intermédia verificam-se os mesmos fenómenos que na fase inicial, a zona de contacto entre a
chapa e o punção (zona 1 da figura 2.14) continua a expandir, tendendo para o estado de expansão
biaxial simétrica com o aumento da largura do provete e a zona cónica (zona 2 da figura 2.14) com
diferentes deformações, a zona mais perto da zona de contacto o material tende a expandir devido à
expansão desta zona adjacente e na zona mais perto da aba (zona 3 da figura 2.14) o material tende
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a retrair, formando-se duas zonas de deformação separadas por uma zona em deformação plana (ε2
≈0) ao longo da qual deverá aparecer a rotura.
Na fase final da deformação, a zona de contacto (zona 1 da figura 2.14) mantém-se em expansão, a
zona cónica (zona 2 da figura 2.14) em contacto com a anterior vai depender da largura do provete,
para larguras pequenas a deformação final que se verifica depende do compromisso entre a retração
a que a zona cónica (zona 2 da figura 2.14) esteve sujeita e a expansão que sofreu pela ação do
punção. Nos provetes com larguras grandes como durante toda a deformação se verificou uma
expansão espera-se que no final esta se mantenha em expansão. Na zona cónica (zona 2 da figura
2.14) mais perto da aba (zona 3 da figura 2.14), para larguras pequenas verifica-se uma retração e para
larguras grandes verifica-se que a retração tende a diminuir devido ao bloqueamento total da chapa,
podendo-se verificar uma expansão.
2.2.1.3. Parâmetros que influenciam o ensaio Nakazima
Os principais parâmetros que influenciam na construção da CLE pelo método de Nakazima são a
geometria do provete e as condições de lubrificação, variando estes dois parâmetros é possível obter
as diferentes trajetórias de deformação que permitem a construção da totalidade da CLE como descrito
anteriormente (Figura 2.15).
Figura 2.15 – Representação esquemática da CLE construída a partir dos provetes de diferentes tamanhos (Rodrigues e Martins, 2005).
O ensaio Nakazima está dividido em dois modos de deformação consoante a largura dos provetes, um
característico dos provetes pequenos e outro característico dos provetes grandes.
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Os provetes pequenos são todos aqueles cuja largura é inferior ao diâmetro interior da matriz, neste
caso o provete não é totalmente bloqueado, permitindo que os bordos laterais façam parte da zona em
deformação, originando uma deformação por retração (Ver figura 2.16).
Os provetes grandes são aqueles cuja largura é superior ao diâmetro interior da matriz, ficando a chapa
totalmente bloqueada pela matriz e consequentemente apenas o material da zona central da chapa é
deformado pela penetração do punção, originando uma deformação por expansão (Ver figura 2.16).
Existem também os provetes em que a sua largura permite que este fique ligeiramente preso entre o
encostador e a matriz, permitindo que o material das bordas escoe para o interior da matriz. Estes
provetes correspondem a um modo de deformação de transição, mas inserem-se no grupo dos
provetes pequenos.
Figura 2.16 – Esquema da divisão dos provetes consoante o modo de deformação (Baptista, 1993).
Influência da largura do provete
A grande influência da largura é no modo de deformação verificando-se na região em volta da rotura
deformação por retração para provetes pequenos e deformação por expansão para provetes grandes.
Provetes com largura grande a rotura surge em secções mais próximas do centro do punção que como
vimos anteriormente é dominada pela expansão, isto é devido a uma menor penetração máxima
suportada quando comparada com os provetes com pequena largura, em idênticas condições de
lubrificação.
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Nos provetes de grande largura a rotura surge para uma menor penetração pois a trajetória de
deformação é próxima da deformação plana que como se constatou anteriormente é o estado mais
crítico da CLE, onde se verifica a rotura para menores valores da maior extensão principal.
Os provetes com largura grande devido ao bloqueamento total da chapa por toda a matriz não sofrem
grande influência da força máxima, uma vez que o aumento da sua largura não traduz um aumento da
secção solicitada mantendo assim a força máxima constante.
Em sentido contrário nos provetes de largura pequena o aumento da largura, traduz um aumento da
secção solicitada e consequente aumento da força máxima, sendo que no entanto a ordem de grandeza
da força máxima é igual pois nos provetes de grande largura a maior solicitação é compensada pela
menor penetração máxima.
Influência das condições de lubrificação
O atrito na interface entre o punção e a chapa vai influenciar a distribuição das extensões principais na
chapa e consequentemente a localização da rotura final e a penetração máxima, não tendo grande
influência no valor da força máxima obtida no instante da rotura
Uma melhor lubrificação vai fazer aumentar a área em estrição em redor da zona de rotura que para
pequenas larguras do provete se desloca para uma zona mais exterior, devido à diminuição do atrito
com o aumento da lubrificação provocando maior expansão da zona de contacto entre a chapa e o
punção (zona 1 da figura 2.14) e diminuição da deformação por retração da zona cónica (zona 2 da
figura 2.14).
2.2.2. Ensaio de Estampagem Quadrada
A deformação plástica por estampagem é um processo tecnológico que permite fabricar peças com
superfície não planificável a partir de chapa metálica plana, caracterizado pela sua elevada
produtividade, dependente da complexidade e dimensões da peça que se pretende produzir.
Na deformação plástica de chapa por estampagem podem-se produzir peças com diferentes
geometrias, classificando-as em três grupos principais consoante a sua geometria básica:
Peças cilíndricas;
Peças retangulares;
Peças complexas.
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No âmbito do presente trabalho pretende-se desenvolver uma ferramenta para realizar estampagem
quadrada, classificando-se no grupo da estampagem retangular que apresenta um nível de dificuldade
de estampagem intermédio localizado entre a estampagem cilíndrica e a complexa.
A estampagem quadrada deve ser abordada dividindo-a em duas operações atuando em simultâneo,
a estampagem dos quatro cantos que unidos formam uma estampa cilíndrica imaginária e a dobragem
das quatro paredes laterais que agrupadas duas a duas formam duas dobragens em “U” imaginárias
(Ver figura 2.17).
Figura 2.17 – Peça quadrada estampada por estampagem retangular (Rodrigues e Martins, 2005).
A figura 2.18 mostra em pormenor 1/4 da estampa final, onde se pode visualizar a região do canto da
peça (ABCDEFG) e a sua região lateral (DEFGHIJK).
A região do canto da peça que forma uma estampa final de uma peça cilíndrica imaginária observam-
se três zonas características da estampagem cilíndrica a zona cilíndrica (AB), a zona do canto do
punção (BC) e a zona do fundo (CD), pelo que a analise desta região é abordada como uma
estampagem cilíndrica (figura 2.18 (a)).
A região lateral é composta por três zonas, a zona do fundo (DE), a zona do canto do punção (EF) e a
zona da aba (FG), a estampagem desta região é característica de uma quinagem em forma de U,
constituída pelas duas paredes laterais paralelas em conjunto com o fundo da taça (figura 2.18 (a)).
21
Figura 2.18 - Pormenor de ¼ da estampa final da peça (Rodrigues e Martins, 2005).
O equipamento utilizado no ensaio de estampagem quadrada é composto por um punção, uma matriz
e um encostador (Figura 2.19).
O punção no seu topo deve conter um raio de canto que será responsável pela deformação da zona
de canto do punção na região do canto e na região lateral (BC e EF, respetivamente). O raio de canto
do punção deve manter sempre a mesma dimensão ao longo de todo o contorno do mesmo.
A matriz também apresenta um raio de canto constante ao longo de todo o contorno do orifício central
por onde atravessa o punção, este será responsável pela deformação na zona do canto da matriz na
interface entre a região lateral e a região da flange.
Figura 2.19 – Esquema da ferramenta para o ensaio de estampagem quadrada (Rodrigues e Martins, 2005).
22
2.2.2.1. Mecanismo de deformação no ensaio de estampagem
quadrada
Analisando as trajetórias de deformação do material da chapa verificam-se dois caminhos principais de
deformação consoante as duas operações características que atuam na estampagem retangular. Como
se pode observar na figura 2.20, vamos ter um caminho de deformação na região do canto (AB)
característico da estampagem cilíndrica e outro caminho de deformação na região lateral (AC)
característico da quinagem em “U”.
Visualizando a figura 2.20, verifica-se que a zona do fundo da taça (A) se encontra em expansão, a
zona lateral (C) em deformação plana e a zona do canto (B) em corte puro.
Figura 2.20 – Representação no plano das extensões principais das trajetórias de deformação características da zona do canto (AB) e zona lateral (AC) (Rodrigues e Martins, 2005).
Na figura 2.21 apresenta-se a representação esquemática do ensaio de estampagem quadrada onde
se encontram representados os pontos A e B correspondentes ao início e fim, respetivamente do
contacto entre a chapa e o raio de canto da matriz (rcm) e os pontos D e E que correspondem ao início
e fim, respetivamente do contacto entre a chapa e o raio do canto do punção (rcp).
Durante o processo de estampagem retangular o material da flange lateral escoa para o interior da
matriz e ao deslizar entre o encostador e o raio de canto da matriz (ponto A da figura 2.21 (a)) flete
tornando-se parte da parede lateral (ponto B da figura 2.21 (a)). Nesta zona a velocidade de
escoamento do material é superior para os lados de maior comprimento do que para os lados de menor
comprimento, isto não acontece na estampagem quadrada, pois ambos os lados apresentam o mesmo
comprimento (Daxin, 2008).
A zona do canto da flange (figura 2.21 (b)) é chamada de zona morta pois esta não sofre deformação,
devido a elevada velocidade de escoamento do material da zona lateral da flange adjacente, assim o
material do canto da flange tende a extrudir-se para a zona lateral da flange. Nesta zona de interação
entre o canto da flange e as duas laterais da flange criam-se trações radiais e compressões tangenciais.
23
Comparando o canto da taça retangular com ¼ do círculo da taça cilíndrica, verificamos que a estampa
plana para a estampagem retangular tem um excedente de material (Daxin, 2008).
Na última fase da estampagem o material situado no limite da flange irá escoar para o interior da matriz
sendo que a diferença de velocidade do escoamento resulta numa deformação ao corte entre a flange
lateral e o canto da flange.
(a) (b)
Figura 2..21 – (a) Representação esquemática do aparato do ensaio de estampagem quadrada; (b) Perfil da estampa final e diferentes zonas (Daxin, 2008).
A região do canto da peça é dividida em quatro consoante os diferentes tipos de deformação que se
encontram, a zona do fundo, a zona do canto do punção, a zona do canto da matriz e a zona da parede
lateral.
Na zona do fundo verifica-se que esta não tem contacto com o punção e é caracterizada por uma
deformação por expansão em que as tensões tangencial e radial são positivas e verifica-se um redução
da espessura (Rodrigues e Martins, 2005).
A zona do canto do punção é formada pelo material que flui da zona do fundo, contornando o canto do
punção. Nesta zona verificam-se os fenómenos de expansão, idêntico ao verificado na zona do fundo,
atrito provocado pelo material ao escorregar sobre a superfície do canto do punção e o dobramento
instantâneo no ponto D da figura 2.21 (a). As tensões radial e tangencial são positivas e a tensão
segundo a espessura é de compressão (Rodrigues e Martins, 2005).
24
A zona do canto da matriz a deformação é semelhante a existente na zona do canto do punção, sendo
que o material que chega ao canto da matriz é proveniente da flange. Nesta zona verificam-se os
fenómenos de retração, a dobragem (ponto A da figura 2.21 (a)) e a desdobragem (ponto B da
figura 2.21 (a)) instantâneas, já identificada na zona da flange, e o atrito entre o material que escoa da
flange sobre a superfície do canto da matriz (Rodrigues e Martins, 2005).
A zona das paredes laterais é formada pelo material que escoa da flange e do canto da matriz, esta é
caracterizada por um estado de tração uniaxial devido a tensão radial do ponto B da figura 2.21 (a) e a
sua espessura é constante (Rodrigues e Martins, 2005).
2.2.2.2. Objetivo do ensaio de Estampagem Quadrada
Um dos objetivos do ensaio de estampagem quadrada é a obtenção de trajetórias de deformação que
permitam validar a CLFC. Inicialmente já Embury e Duncan (1981) estudaram as trajetórias de
deformação para a estampagem quadrada (figura 2.22).
Figura 2.22 – Estudo realizado por Embury e Duncan (1981) onde se observa a rotura na zona do canto
Através de vários ensaios de estampagem quadrada dos quais se destacam os de Halil et al. (2008) e
de Firat (2012) verifica-se que a rotura irá acontecer por ação do raio de canto do punção na região do
canto da peça, onde se identificam trajetórias de deformação no estado de corte puro e compressão
biaxial que permitem validar a CLFC.
25
Observando a figura 2.23 verificam-se trajetórias de deformação para os estados de compressão
uniaxial e de corte puro e a sua correspondência na peça, obtendo também informação de que a zona
do canto da peça é onde surgirá a rotura.
Figura 2.23 – Previsão da do diagrama de enformabilidade através do método de elementos finitos para estampa plana quadrada de 190 mm para uma penetração máxima de 49 mm antes da falha (Firat, 2012).
26
3. Equipamento e Metodologias
Neste capítulo será apresentado toda a metodologia efetuada para o projeto das ferramentas que serão
utilizadas na realização de Ensaios Nakazima e de Estampagem Retangular. O Capítulo inicia-se com
uma apresentação do equipamento existente, onde serão utilizadas as ferramentas projetadas para
realização dos referidos ensaios. Em seguida serão abordadas as metodologias utilizadas no projeto
da ferramenta.
3.1. Equipamento utilizado
Nesta secção apresenta-se o equipamento onde serão utilizadas as ferramentas projetadas, assim
como os múltiplos ensaios que nele podem ser efetuados, os que o Laboratório de Tecnologia Mecânica
possui e os que não possui, também serão apresentadas as principais características da máquina.
O Laboratório de Tecnologia Mecânica do Instituto Superior Técnico possui uma máquina universal de
ensaios de chapa ERICHSEN, modelo 145-60, que pode ser visualizada na figura 3.1. A tabela 3.1
apresenta as principais características da máquina que está equipada com sistema de medida MGC,
transdutor de posição, modelo WSF da HBM e software de aquisição de dados catman da HBM. Esta
é uma máquina hidráulica utilizada na realização de inúmeros ensaios de enformação de chapa, tais
como:
Erichsen;
Bulge;
Swift;
Fukui;
Nakazima;
Estampagem quadrada;
Entre outros.
Através destes ensaios é possível adquirir diversas informações sobre as propriedades mecânicas dos
materiais ensaiados, mais propriamente a sua enformabilidade. Atualmente, dos ensaios anteriormente
enumerados, o Laboratório de Tecnologia Mecânica possui apenas ferramentas para a realização dos
ensaios Erichsen e Bulge (Manual da máquina ERICHSEN).
27
Figura 3.1 - Máquina universal de ensaios de chapa ERICHSEN, modelo 145-60 (Manual da máquina ERICHSEN).
Tabela 3.1 - Principais características da máquina universal de ensaios de chapa (Manual da máquina ERICHSEN)
Principais Características
Dados Técnicos
Dimensões da máquina Largura 1650 mm
Altura 1050 mm
Profundidade 1400 mm
Potência 10.5 kN
Força de Enformação
Gama baixa 37 kN a 10 bar
Gama média
225 kN a 60 bar
Gama alta 600 kN a 160 bar
Área do punção 377 cm2
Curso do punção 150 mm
Velocidade máx. do punção 600 mm / min
Força do Encostador
Gama baixa 23 kN a 6 bar
Gama alta 300 kN a 72.5 bar
Área do pistão 421 cm2
Velocidade máx. do pistão 220 mm / min
Curso 38 mm
Força máx. estampagem 680 kN a 162 bar
A máquina de ensaios de chapa é constituída por diversos elementos como pode-se observar na
figura 3.2, entre eles destaca-se, o cilindro (nº 1 da figura 3.2), onde são realizados os múltiplos ensaios
e o painel de controlo (nº 2 da figura 3.2), onde encontram-se os principais seletores e interruptores da
máquina (Ver figura 3.3).
28
1 – Cilindro de ensaio 8 – Mostrador analógico da gama baixa de enformação
2 – Painel de controlo 9 - Mostrador analógico da gama média/alta de
enformação 3 – Seletor de velocidade do ensaio 10 - Mostrador analógico da gama média/alta de
enformação 4 – Seletor de velocidade do encostador 11 - Mostrador analógico da gama baixa do encostador
5 – Seletor de pressão da gama baixa do encostador 12 - Mostrador analógico da gama alta do encostador
6 - Seletor de pressão da gama alta do encostador 13 – Painel digital
7 – Interruptor de fecho da tampa do cilindro 14 – Saída de sinal
Figura 3.2 – Esquema com os diversos constituintes da máquina de ensaios de chapa e respetiva legenda (Manual da máquina ERICHSEN).
1 – Lâmpada de aviso: Ligado/desligado 8 – Interrutor de paragem do ensaio
2 - Lâmpada de aviso: Posição inicial do cilindro de ensaio 9 – Seletor de rotura
3 – Lâmpada de aviso: Cilindro trancado 10 – Seletor da gama de força do encostador
4 – Botão de retorno à posição inicial 11 – Seletor do tipo de ensaio
5 – Botão de abertura do cilindro 12 – Interrutor de início do ensaio
6 – Seletor da gama de força de enformação 13 – Interrutor principal
7 – Seletor de opção
Figura 3.3 - Esquema do painel de controlo e respetiva legenda (Manual da máquina ERICHSEN).
29
Existem inúmeros instrumentos, que auxiliam na montagem e desmontagem dos diversos
componentes das ferramentas, estes instrumentos podem ser visualizados na figura 3.4.
1 – Parafusador sextavado 4 – Hastes grandes sem rosca
2 – Haste pequena com rosca 5 – Hastes pequenas sem rosca
3 – Hastes grandes com rosca 6 - Chave
Figura 3.4 - Ferramentas de auxílio na montagem/desmontagem dos componentes do ensaio (Manual da máquina ERICHSEN).
3.2. Metodologia adotada
Nesta secção apresenta-se a metodologia que foi utilizada no projeto da ferramenta Nakazima e da
ferramenta de Estampagem Quadrada, a metodologia utilizada foi muito semelhante para os dois
casos.
Inicialmente começou-se por observar as representações esquemáticas, fornecidas pela ERICHSEN
(Operating Instructions 145/E) referentes às ferramentas Nakazima e de Estampagem Quadrada
(Consultar Anexo A) comparando-as com as das ferramentas já existentes (Bulge e Erichsen) por forma
a identificar quais os componentes já existentes e quais os que seria necessário projetar. Em seguida
procedeu-se a várias montagens e desmontagens de todo o equipamento referente tanto ao ensaio de
Bulge como o Erichsen, a fim de se perceber como se processa o mecanismo de encaixe e desencaixe
dos diversos componentes. Finalmente realizou-se a medição dos vários componentes referentes ao
ensaio de Bulge, com o auxílio de vários instrumentos como, paquímetro digital, réguas graduadas,
compasso e outras técnicas, por forma a obter a correspondência com a escala das representações
esquemáticas do referido ensaio, concluindo-se que esta é aproximadamente de 1/1. No projeto da
ferramenta, optou-se por utilizar as medidas obtidas a partir das representações esquemáticas em
detrimento da efetuada nos diferentes componentes, isto porque deparou-se com algumas dificuldades
nas medições do componente devido a sua geometria, fazendo com que estas possam ser imprecisas,
o outro inconivente prende-se com o possível desgaste dos componentes que advém da sua utilização.
30
Como pode-se observar na representação esquemática da ferramenta do ensaio Bulge da figura 3.5,
todos os componentes encontram-se numerados. Sendo assim e após a visualização dos desenhos
técnicos, dos vários ensaios, concluiu-se que seria necessário projetar o anel roscado (componente
104), equivalente ao da ferramenta do ensaio Bulge (Componente 280) e comum aos dois ensaios.
Para o ensaio Nakazima (consultar anexo A) foi necessário projetar o punção (componente 555), a
matriz (componente 567) e o encostador (componente 568) sendo que os restantes componentes ou
já existiam (componentes 107, 108, 111 e 114) para a ferramenta do ensaio de Bulge ou foram
descartados do projeto (componentes 273 e 274) por não serem relevantes. Para o ensaio de
Estampagem Quadrada (consultar anexo A) foi necessário projetar, o punção (componente 156), a
matriz (componente 157), o encostador (componente 183) e o anel de fixação (componente 198),
equivalente ao da ferramenta do ensaio de Bulge (Componente 114). Os restantes componentes
(componentes 107, 108, 111 e 572), como mencionado anteriormente, já existem para a ferramenta do
ensaio de Bulge, sendo que os outros (componentes 181 e 182) não foram projetados pois não
constituem relevância para o projeto e o anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios (Componente
180), foi substituído pelo mesmo anel referente ao da ferramenta do ensaio de Bulge (componente
382), adaptando o encostador.
Figura 3.5 – Representação esquemática da ferramenta do ensaio Bulge (Operating Instructions 145/E)
31
Todas os componentes necessários para o projeto foram modelados em 3D no software de CAD
SolidWork, a fim de visualizar todo o mecanismo de interação e posteriormente convertidos em 2D no
mesmo software, com o propósito de executar a sua cotagem, facilitando o seu fabrico.
Como contatou-se anteriormente, alguns dos componentes relevantes tanto para a ferramenta do
ensaio Nakazima como para a ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada, ou já existiam para a
ferramenta do ensaio de Bulge, ou foram projetados com base na mesma. Assim por forma a visualizar
e compreender os detalhes a projetar para os componentes da ferramenta dos ensaios Nakazima e de
Estampagem Quadrada, modelaram-se em 3D os vários componentes da ferramenta do ensaio de
Bulge, fazendo assim o paralelo entre os componentes reais e os componentes modelados em 3D,
como pode ser visualizado na figura 3.6
107 – Anel 107
111-A – Anel 111-A
111-B – Anel 111-B
114 – Anel de fixação
280 – Anel roscado
382 – Anel de encaixe no interior do
cilindro
572 – Chaveta
209 – Punção
561/208 - Encostador
(a)
(b)
Figura 3.6 - Comparação dos componentes reais (a) e modelados em 3D (b) da ferramenta para o ensaio Bulge
32
Como podemos ver na figura 3.6, modelaram-se apenas os componentes do ensaio Bulge relevantes
para o projeto das ferramentas a produzir, quer por serem utilizados nestas, como é o caso dos anéis
que são aplicados na tampa do cilindro (componentes 107, 111-A, 111-B, 114 e 280), do anel de
encaixe no interior do cilindro de ensaios (componente 382) e da chaveta (componente 572) ou por
conterem pormenores essências para o mecanismo de encaixe / desencaixe na maquina de ensaios,
como é o caso do punção (componente 209) e do encostador (componente 561/208).
33
4. Conceção da Ferramenta de Ensaios Nakazima
Nesta secção apresenta-se toda a metodologia utilizada na conceção da ferramenta Nakazima.
Inicialmente mostra-se como foi feita a modelação 3D de cada componente a produzir, tendo em
atenção os pormenores do projeto. Esta secção termina com uma explicação de como montar e
desmontar os diversos componentes da ferramenta do ensaio Nakazima.
Os vários componentes foram convertidos em 2D e cotados, por forma a conceder ao operário os
detalhes necessários à produção de cada componente a fabricar. Assim elaborou-se para cada
componente uma folha em formato ISO A3, fornecida pelo SolidWorks, e com a respetiva cotação à
escala de 1/2 como pode ser visualizado no anexo B.
Como pode-se visualizar na representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (figura 4.1)
e foi referido anteriormente, para a ferramenta do ensaio Nakazima projetou-se o anel roscado
(componente 104 da figura 4.1), comum às duas ferramentas, o punção (componente 555 da figura 4.1),
a matriz (componente 567 da figura 4.1) e o encostador (Componente 568 da figura 4.1), que serão
descritos em seguida.
Figura 4.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (Operating Instructions 145/E)
34
4.1. Anel Roscado
O anel roscado (componente 104 da figura 4.1), é montado através de um sistema roscado no
componente 108 que se encontra no interior da tampa do cilindro de ensaio da máquina. O projeto
deste componente teve como base o anel roscado da ferramenta do ensaio de Bulge (componente 280
da figura 3.5), pois a sua geometria e função é semelhante, isto porque também o anel roscado da
ferramenta do ensaio de Bulge enrosca na componente 108. A diferença entre os dois, prende-se com
as suas dimensões nomeadamente com o seu diâmetro interior que é superior no caso do anel roscado
da ferramenta do ensaio Nakazima.
As principais dimensões do anel roscado podem-se visualizar na figura 4.2. Como este componente
será enroscado na tampa do cilindro de ensaios, a sua parede exterior é roscada (observar figura 4.2).
Com o objetivo de fazer de batente, a quando do fim de curso da rosca, foi criada uma aba semelhante
à existente no anel roscado da ferramenta do ensaio de Bulge (observar figura 4.2). Finalmente por
forma a facilitar a montagem do componente, criaram-se dois orifícios na parte superior do componente,
desfasados um do outro em 180 graus, que servem para introduzir as duas hastes pequenas (nº 5 da
figura 3.4) que auxiliam a enroscar e desenroscar o componente (observar figura 4.2). A modelação 2D
do componente pode ser consultada com maior pormenor no anexo A.
(a) (b)
(c)
Figura 4.2 - Desenhos 2D e 3D do anel roscado - (a) Vista de topo; (b) Vista em corte; (c) Vista de perfil.
35
4.2. Punção
O punção (componente 555 da figura 3.7) da ferramenta do ensaio Nakazima tem de obedecer a certas
especificações que se encontram na Norma ISO 12004-2 (2008). A norma diz que o punção utilizado
no ensaio Nakazima deve ser hemisférico, com um diâmetro de 100 mm e ±2 mm de tolerância.
O projeto deste componente foi baseado no punção da ferramenta do ensaio Bulge (componente 209
da figura 3.5) e na representação esquemática da figura 4.3 (b), nomeadamente ao nível do mecanismo
de montagem do mesmo no interior do cilindro de ensaios da máquina, mas também na figura 4.3 (a),
disponibilizada pela Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009) que auxiliou no projeto da estrutura do
punção.
(a) (b)
Figura 4.3 – (a) Punção da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009) e (b) representação esquemática da base de montagem do punção no interior do cilindro de ensaios da máquina (Operating Instructions
145/E).
As principais dimensões do punção são apresenta na figura 4.4. O punção de acordo com a norma é
hemisférico com um diâmetro de 100 mm (consultar figura 4.4). Por forma a montar o punção no interior
do cilindro de ensaios, criaram-se dois pinos cilíndricos (consultar figura 4.4), modelados de acordo
com a representação esquemática da figura 4.3 (b) e as dimensões dos pinos existentes na base do
punção da ferramenta do ensaio de Bulge. Na base também se encontra um orifício, modelado de
36
acordo com a representação esquemática da figura 4.3 (b), tendo por base o punção da ferramenta do
ensaio de Bulge (consultar figura 4.4 (a)). A restante modelação prende-se com uma redução, de forma
suave, do corpo do punção, desde o diâmetro no topo do punção até a sua base de montagem, por
forma a reduzir o peso, mantendo-o robusto (consultar figura 4.4). A modelação 2D do componente
pode ser consultada com maior pormenor no anexo A.
(a)
(b)
Figura 4.4 - Desenhos 2D e 3D do punção - (a) Vista de corte; (b) Vista de perfil.
4.3. Matriz
A matriz (componente 567 da figura 4.1) da ferramenta do ensaio Nakazima também tem de obedecer
às especificações da norma ISO 12004-2 (2008), que indica que o raio de canto da matriz deve ser
entre os 5 e os 10 mm, sendo o diâmetro interior no mínimo de 105 ± 5 mm e no máximo superior ao
diâmetro do punção mais 2.5 vezes a espessura do material a ser enformado.
37
O projeto da matriz teve como base a matriz da dissertação da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009),
nomeadamente ao nível do raio de canto e da canelura. A canelura serve para bloquear o material da
chapa de forma mais eficaz, limitando o seu escoamento para o interior da matriz, o que se torna crucial
na realização do ensaio Nakazima (Baptista, 1993). O restante dimensionamento teve como base a
representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima (Figura 4.1).
A matriz apresenta um diâmetro interior de 110 mm (consultar figura 4.5 (a)), por forma a tornar a
ferramenta universal, ou seja apta a trabalhar com chapas de diversas espessuras, o raio de canto da
matriz é de 10 mm e a canelura desenvolve-se em todo o contorno da base da matriz como pode-se
observar na figura 4.5 (b). As restantes dimensões podem ser consultadas mais ao pormenor nos
desenhos 2D do anexo A. Após a realização do ensaio, por forma a extrair a matriz com o auxílio de
duas hastes (nº 4 da figura 3.4), esta apresenta um entalhe de 1mm de profundidade em todo o
contorno exterior da base da matriz (consultar figura 4.5 (b)). A necessidade de coincidir o eixo de
rotação da matriz com o do encostador, levou à criação de duas laterais da matriz retas, que em
conjunto com os batentes do encostador vão restringir a rotação da matriz. Para que esta seja alinhada
corretamente, colocou-se uma marca no topo da matriz e do respetivo batente do encostador (consultar
figura 4.5 (a)).
(a) (b)
(c)
Figura 4.5 - Desenhos 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de corte B-B (Ver anexo A); (c) Vista de perfil.
38
Finalmente foram criados, por razões de segurança, chanfros arredondados com raio de curvatura de
0.25 mm nas arestas vivas do diâmetro exterior da matriz, nas superfícies do topo e base.
4.4. Encostador
O encostador (componente 568 da figura 4.1) não vem especificado na norma ISO 12004-2 (2008)
qualquer restrição, mas por razões de compatibilidade com os restantes componentes este tem de ter
um diâmetro interior superior ao diâmetro do punção, assim optou-se por deixar uma folga de 2.5 mm
entre o punção e o diâmetro interior do encostador. A modelação deste componente foi feita de acordo
com o encostador apresentado na dissertação da Universidade de Sevilha (Bilbao, 2009), sobretudo
no que toca ao negativo da canelura da matriz. A restante modelação teve em conta a representação
esquemática da ferramenta para o ensaio Nakazima (Figura 4.1) e o anel de encaixe no interior do
cilindro de ensaios (componente 382 da figura 3.5) da ferramenta de ensaios de Bulge.
As dimensões do encostador podem ser consultadas ao pormenor no desenho 2D do anexo A. O
mecanismo de encaixe do encostador foi baseado no anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios
(componente 382 da figura 3.5) da ferramenta de ensaios de Bulge, este é constituído por quatro
entalhes na sua base como pode-se visualizar na figura 4.6 (c). Como referido anteriormente por forma
a alinhar a matriz com o encostador criaram-se dois batentes no topo do encostador que encaixam com
as duas faces retas da matriz, alinhando-a através da marca cravada no topo de cada batente (consultar
figura 4.6 (a) e (b)). Por forma a permitir colocar chapas de formato retangular com largura máxima até
212 mm o batente não foi criado em todo o diâmetro do topo do encostador. Para a colocação em
segurança do encostador no interior do cilindro de ensaios da máquina, criaram-se dois orifícios
roscados, desfasados de um ângulo de 180 graus entre si (consultar figura 4.6 (a)), que servem para
enroscar as duas hastes roscadas (nº 3 da figura 3.4).
39
(a) (b)
(c)
Figura 4.6 - Desenhos 2D e 3D do encostador - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (Ver anexo A); (c) Vista de perfil.
4.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta
Nesta subsecção descreve-se o procedimento de montagem e desmontagem da ferramenta do ensaio
Nakazima. O procedimento deve ser seguido com muita atenção para um correto funcionamento do
ensaio e segurança do mesmo.
As figuras apresentadas em conjunto com o procedimento de montagem e desmontagem são apenas
provisórias, uma vez que os componentes à data da entrega do presente trabalho ainda não se
encontravam fabricados. Assim sendo as figuras são uma conjugação da figura real com a figura do
componente modelado em 3D.
Os componentes necessários para a realização do ensaio Nakazima podem ser visualizados na
figura 4.7.
40
(a)
(b)
Figura 4.7 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio Nakazima – (a) Componentes da parte superior; (b) Componentes da parte inferior.
4.5.1. Procedimento de Montagem
O procedimento de montagem da parte superior inicia-se com a ligação da máquina de ensaios de
chapa e de seguida, com o cilindro fechado, coloca-se o anel roscado (componente 104) na parte
superior do mesmo enroscando-o no sentido horário, com o auxílio das duas hastes pequenas sem
rosca (nº 5 da figura 3.4), até que o batente do componente toque a superfície da tampa do cilindro
(consultar figura 4.8).
41
(a) (b)
Figura 4.8 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).
Em seguida abre-se a tampa do cilindro, coloca-se o anel número 107 no interior da tampa do mesmo
(consultar figura 4.9 (b)), de seguida coloca-se o anel número 111-A, com a parte concava para o
interior do cilindro (consultar figura 4.9 (c)), sobre o anel número 107, posteriormente coloca-se o anel
número 111-B, com a parte plana para o exterior do cilindro (consultar figura 4.9 (d)), sobre o anel
número 111-A, por último coloca-se o anel de fixação numero 114 sobre o anel 111-B com a base de
maior diâmetro para o interior do cilindro rodando os seis parafusos em meia-lua (consultar
figura 4.9 (e)), fixando assim os diversos anéis colocados no interior da tampa do cilindro.
(a) (b)
(c) (d)
(e)
Figura 4.9 – Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do componente 107; (c) Montagem do componente 111-A; (d) Montagem do componente 111-B; (e)
Montagem do componente 114 (Manual da máquina ERICHSEN).
42
O procedimento de montagem da parte inferior, inicia-se após a montagem da parte superior e
mantendo a tampa do cilindro aberta, coloca-se o punção passando os dois pinos pelas ranhuras
existentes no encaixe do interior do cilindro de ensaios, fazendo-o rodar no sentido horário até ao fim
do curso (consultar figura 4.10).
(a) (b)
Figura 4.10 – Montagem do punção (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).
Posteriormente coloca-se o encostador, com o auxílio das duas hastes grandes com rosca (nº 3 da
figura 3.4), com a marca existente no batente alinhada com a seta verde (consultar figura 4.11 (a)).
Depois de estar bem assente roda-se o componente alinhado a marca do batente com a ranhura
existente no interior do cilindro de ensaios (consultar figura 4.11 (b)).
(a) (b)
Figura 4.11 – Montagem do encostador (a) início do curso; (b) fim de curso (Manual da máquina ERICHSEN).
Finalmente antes de iniciar o ensaio, coloca-se o provete de ensaio sobre o encostador, colocando-se
de seguida a matriz com a face lateral plana contra o batente e alinhando a marcação da superfície
exterior da matriz com a marcação do batente. O ensaio agora encontra-se pronto a iniciar.
43
4.5.2. Procedimento de Desmontagem
O procedimento de desmontagem da parte superior inicia-se com a tampa do cilindro fechada e com o
manípulo rodado no sentido anti-horário até bater (lâmpada de sinalização nº 4 acesa), desenrosca-se,
no sentido anti-horário, o anel roscado da parte superior da tampa, com o auxílio das duas hastes
pequenas sem rosca (nº 5 da figura 3.4) colocadas nos respetivos orifícios, retirando o componente da
tampa do cilindro (consultar figura 4.8). Posteriormente abre-se o cilindro e rodam-se os seis parafusos
meia-lua ligeiramente por forma a permitir retirar os diversos componentes do interior da tampa do
cilindro. Primeiro retira-se o anel 114, com cuidado, para que o anel 111-B não venha agarrado. Retira-
se de seguida os anéis 111-B e 111-A e por fim o anel 107 (consultar figura 4.9).
O procedimento de desmontagem da parte inferior inicia-se após a desmontagem da parte superior,
com o cilindro aberto, retira-se a matriz com o auxílio das duas hastes grandes (nº 4 da figura 3.4),
retirando-se de seguida o provete do ensaio. Seguidamente enrosca-se as duas hastes grandes com
rosca (nº 3 da figura 3.4) nos respetivos orifícios do encostador, rodando-o no sentido horário até alinhar
a marca do batente com a seta existente no interior do cilindro, removendo o encostador do interior do
cilindro (consultar figura 4.11). Finalmente rodar o punção no sentido anti-horário até que os dois pinos
estejam alinhados com os rasgos do interior do cilindro, removendo-o para o exterior do cilindro
(consultar figura 4.10).
44
5. Conceção da Ferramenta de Ensaios de Estampagem
Quadrada
Nesta secção apresenta-se a metodologia de cada componente projetado para a ferramenta do ensaio
de Estampagem Quadrada mostrando a modelação 3D. A secção termina com a descrição do
procedimento de montagem e de desmontagem da ferramenta do ensaio, assim como esse se
processa.
Os vários componentes foram convertidos em 2D e cotados, por forma a conceder ao operário os
detalhes necessários à produção de cada componente. Assim elaborou-se para cada componente uma
folha em formato ISO A3, fornecida pelo SolidWorks, e com a respetiva cotação à escala de 1/2 como
pode ser visualizado no anexo B.
Como pode-se visualizar na representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem
Quadrada (figura 5.1) e foi referido na secção da metodologia, para a ferramenta do ensaio de
Estampagem Quadrada projetou-se o punção (componente 156 da figura 5.1), a matriz (componente
157 da figura 5.1), o encostador (Componente 183 da figura 5.1) e o anel de fixação (componente 198
da figura 5.1) que serão descritos em seguida. O anel roscado (componente 104 da figura 5.1), já foi
modelado para a ferramenta do ensaio Nakazima.
45
Figura 5.1 - Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (Operating Instructions 145/E).
5.1. Punção
O projeto do punção (componente 156 da figura 5.1) teve como base a representação esquemática da
ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1), nomeadamente ao nível das diversas
medidas e pormenores estruturais e os punções das ferramentas dos ensaios Bulge e Erichsen,
especificamente para o mecanismo de encaixe do punção no interior do cilindro, pois este é idêntico a
todos os punções.
As dimensões do punção podem visualizar-se na figura 5.2 e mais em pormenor no desenho 2D cotado
do anexo A. Para a montagem do punção no interior do cilindro de ensaios, tal como no punção da
ferramenta do ensaio Nakazima, criaram-se dois pinos, sendo que neste caso, ao invés do punção da
ferramenta do ensaio Nakazima, foi necessário saber o desfasamento angular que os pinos fazem, na
montagem do punção no interior do cilindro de ensaios, desde o início até ao final do seu curso, para
que no final do curso as paredes do topo do punção fiquem paralelas com as paredes do interior do
encostador e da matriz (consultar figura 5.2 (c)). Para uma correta medição do desfasamento do ângulo,
desde o início do curso até ao final, este foi medido, tanto para o punção da ferramenta Bulge como
46
para o punção da ferramenta Erichsen, a fim de evitar ao máximo imprecisões provenientes do
desgaste em ambos os punções. Na base também se encontra um orifício modelado de acordo com o
punção da ferramenta do ensaio de Bulge (consultar figura 5.2 (b)). O topo do punção é quadrado,
como é exigido para o ensaio e apresenta um raio de canto de 5 mm (consultar figura 5.2 (a)). Por
forma a reduzir o peso foi criada uma caixa quadrada no topo do punção (consultar figura 5.2 (a)).
(a) (b)
(c)
Figura 5.2 - Modelação 2D e 3D do punção - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo A); (c) Vista de perfil.
A restante modelação do corpo do punção foi feita reduzindo o diâmetro de forma suave desde o topo
do punção até à sua base de montagem, passando de um topo quadrado para um corpo do punção
redondo. Ainda por razões de segurança, criaram-se chanfros arredondados nas arestas vivas do
punção.
5.2. Matriz
O projeto da matriz (componente 157 da figura 5.1) teve por base unicamente a representação
esquemática da ferramenta para o ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1).
As dimensões da matriz podem ser visualizadas na figura 5.3 e com maior detalhe na modelação 2D
do anexo A. A matriz apresenta um orifício quadrado, centrado no seu eixo de revolução, com 77 mm
47
de lado, sendo o raio de canto da matriz de 5mm (consultar figura 5.3 (c)). Com o objetivo de restringir
a rotação da matriz, fazendo com que o orifício da matriz coincida com o do encostador e permita a
passagem do punção no seu interior, criaram-se em duas das laterais opostas da matriz, duas faces
retas (consultar figura 5.3 (a)). Após o ensaio para retirar a matriz recorrendo-se ao auxilio de duas
hastes grandes (nº 4 da figura 3.4), a matriz contem um entalhe, com 1 mm de profundidade no contorno
exterior da base da mesma (consultar figura 5.3 (c)).
(a) (b)
(c)
Figura 5.3 - Modelação 2D e 3D da matriz - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do corte A-A (ver anexo A).
Finalmente por razões de segurança, criou-se em todas as arestas vivas do exterior, chanfros
arredondados com raio de curvatura de 0.25 mm.
5.3. Encostador
O projeto do encostador (componente 183 da figura 5.1) teve como base a representação esquemática
da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1), sendo adaptado para funcionar com o
48
anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios (componente 382 da figura 3.6) existente para a
ferramenta do ensaio de Bulge.
As dimensões do encostador podem-se visualizar na figura 5.4 e com maior detalhe no desenho 2D do
anexo A. O encostador dispõe de um orifício quadrado centrado no seu eixo de geração, por onde o
punção atravessa (consultar figura 5.4 (a)). Para que matriz assente de forma correta, fazendo coincidir
o orifício do encostador com o da matriz, colocou-se em todo o contorno do topo do encostador um
batente com a geometria da matriz (consultar figura 5.4 (a)). Uma vez que o batente é fechado, para
remover a matriz criaram-se dois rasgos (consultar figura 5.4 (a)), onde são inseridas as duas hastes
grandes sem rosca (nº 5 da figura 3.4) auxiliando a extração da matriz. Para introduzir o encostador
em segurança, projetaram-se dois orifícios roscados no topo do encostador (consultar figura 5.4 (b)),
onde são enroscadas as duas hastes roscadas (nº 3 da figura 3.4).
(a) (b)
(c)
Figura 5.4 - Modelação 3D do componente 183 - (a) Vista de topo; (b) Vista do corte A-A (ver anexo A); (c) Vista de perfil.
49
5.4. Anel de Fixação
O Anel de fixação (componente 198 da figura 5.1) é inserido sobre o anel 111-B, no interior da tampa
do cilindro, e serve para fixar os diversos anéis no interior da mesma, como pode ser observado na
representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada (figura 5.1) Este
componente foi projetado unicamente recorrendo a esta representação esquemática.
As dimensões do anel de fixação podem-se visualizar na figura 5.5 e com maior detalhe no desenho
2D do anexo A. O anel de fixação para fixar os diversos anéis no interior da tampa do cilindro de ensaios
apresenta uma aba que será presa através de parafusos de meia-lua (consultar figura 5.5 (c)).
(a) (b)
(c)
Figura 5.5 - Modelação 2D e 3D do anel de fixação - (a) Vista de topo; (b) Vista de perfil; (c) Vista do corte A-A (ver anexo A).
50
5.5. Montagem e Desmontagem da ferramenta
Nesta subsecção descreve-se o procedimento de montagem e de desmontagem da ferramenta do
ensaio de Estampagem Quadrada. O procedimento deve ser seguido com muita atenção para um
correto funcionamento do ensaio e segurança do mesmo.
As figuras apresentadas em conjunto com o procedimento de montagem e de desmontagem são
apenas provisórias, uma vez que os componentes à data da entrega do presente trabalho ainda não
se encontravam fabricados. Assim sendo as figuras são uma conjugação da figura real com a figura do
componente modelado em 3D.
Os componentes necessários para a realização do ensaio de Estampagem Quadrada podem ser
visualizados na figura 5.6.
(a)
(b)
Figura 5.6 - Diversos componentes da ferramenta do ensaio de Estampagem Quadrada – (a) Componentes da parte superior; (b) Componentes da parte inferior.
51
5.5.1. Procedimento de Montagem
A montagem do equipamento encontra-se dividida em duas fases, a montagem da parte superior e a
montagem da parte inferior, iniciando-se pela primeira.
A montagem da parte superior inicia-se ligando a maquina e com a tampa do cilindro fechada, coloca-
se na parte superior do cilindro o anel roscado (componente 104) enroscando-o no sentido horário, com
o auxílio das duas hastes pequenas sem rosca (nº 5 da figura 3.4), até o batente tocar a superfície
exterior da tampa do cilindro (consultar figura 5.7).
(a) (b)
Figura 5.7 - Montagem do anel roscado: (a) Início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).
Abre-se a tampa do cilindro e coloca-se o anel número 107 no interior da mesma, sobre este colocam-
se os anéis 111-A, com a face cónica para o exterior e 111-B, com a face plana para o exterior,
respetivamente (consultar figura 5.8).
(a) (b)
(c) (d)
Figura 5.8 - Sequência de montagem: (a) Interior da tampa do cilindro livre; (b) Montagem do anel 107; (c) Montagem do anel 111-A; (d) Montagem do anel 111-B (Manual da máquina ERICHSEN).
52
O último procedimento consiste em colocar o anel de fixação (componente 198) sobre os anteriores
com a aba para o interior da tampa do cilindro, por forma a apertar os seis parafusos “meia-lua” fixando
todos os componentes no interior da tampa do cilindro (Ver figura 5.9).
Figura 5.9 - Montagem do anel de fixação (Manual da máquina ERICHSEN).
A segunda fase é a montagem da parte inferior. Esta inicia-se com a colocação do punção (componente
156), no interior do cilindro, fazendo-se passar os dois pinos da base do punção nas respetivas
ranhuras do encaixe existente no interior do cilindro, rodando-se de seguida no sentido horário até ao
fim do curso (consultar figura 5.10)
(a) (b)
Figura 5.10 - Montagem do punção – (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).
Coloca-se o anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios (componente 382), com o auxílio das
duas hastes grandes com rosca (nº 3 da figura 3.4), alinhando o rasgo existente na sua face exterior
com a seta verde do interior do cilindro (consultar figura 5.11 (a)). Depois de assente roda-se no sentido
anti-horário, coincidindo o rasgo do componente com o do interior do cilindro de ensaios (consultar
figura 5.11 (b)). Colocar a chaveta (componente 572) aparafusando-o de modo a fixar o anel de encaixe
no interior do cilindro de ensaios.
53
(a) (b)
Figura 5.11 - Montagem do anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios – (a) início do curso; (b) final do curso (Manual da máquina ERICHSEN).
Desenrosca-se as duas hastes grandes com rosca (nº 3 da figura 3.4) do anel de encaixe no interior
do cilindro de ensaios, enroscando-as no encostador (componente 183), colocando-o sobre o anel 382,
fazendo o punção atravessar o orifício central do encostador com cuidado (consultar figura 5.12).
Figura 5.12 - Montagem do encostador (Manual da máquina ERICHSEN).
Finalmente e antes de iniciar o ensaio, coloca-se o provete sobre o encostador, colocando-se de
seguida a matriz (componente 157) sobre este. O ensaio está agora pronto a iniciar-se.
54
5.5.2. Procedimento de Desmontagem
A desmontagem do equipamento inicia-se pela parte superior. Com a tampa do cilindro fechada e o
manípulo rodado no sentido anti-horário (lâmpada de sinalização nº4 acesa), desenrosca-se, no sentido
anti-horário, o anel roscado, com o auxílio das duas hastes pequenas sem rosca (nº 5 da figura 3.4),
retirando-o do exterior da tampa do cilindro (consultar figura 5.7).
Abre-se o cilindro rodando em seguida os seis parafusos “meia-lua”, de modo a permitir a extração do
anel de fixação (consultar figura 5.9). Posteriormente retira-se os anéis 111-B e 111-A respetivamente
e por fim o anel 107 (consultar figura 5.8).
A desmontagem da parte inferior inicia-se retirando a matriz com o auxílio das duas hastes grandes
sem rosca (nº 4 da figura 3.4), retirando-se também o provete do ensaio. De seguida retira-se o
encostador (componente 183), com o auxílio das duas hastes grandes roscadas (nº 3 da figura 3.4),
extraindo-o com cuidado para não danificar o punção (consultar figura 5.12). Agora remove-se a
chaveta do interior do cilindro. Após retirar a chaveta, enroscam-se as duas hastes grandes roscadas
(nº 3 da figura 3.4) no anel de encaixe no interior do cilindro de ensaios, rodando-o no sentido horário
até alinhar o seu rasgo com a seta vermelha, extraindo-o de seguida (consultar figura 5.11). Por último
retira-se o punção rodando-o no sentido anti-horário, alinhando os pinos com as ranhuras do encaixe
do interior do cilindro, removendo-o (consultar figura 5.10).
55
6. Conclusões e Perspetivas de Trabalho Futuro
Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões do trabalho efetuado, assim como as
perspetivas de trabalho a realizar no futuro.
Neste trabalho desenvolveu-se a conceção e o projeto de ferramentas que serão essenciais para a
determinação e validação da enformabilidade de vários materiais. A enformabilidade vem sendo cada
vez mais relevante no projeto de peças por estampagem pois permite de forma rápida e eficiente
conceber e projetar a ferramenta para o fabrico das mesmas.
O ensaio Nakazima permite de modo completo e rápido determinar a CLE e a CLF. Atualmente no
laboratório de tecnologia mecânica da ACTMGI do IST o ensaio Nakazima é realizado numa prensa
em que a força do encostador é definida manualmente. A ferramenta projetada neste trabalho para o
ensaio Nakazima para utilização na máquina de ensaios de chapa irá permitir o controlo preciso da
força do encostador.
A ferramenta para o ensaio de estampagem quadrada, projetada neste trabalho, vai permitir a
realização do ensaio, que como vimos anteriormente é uma boa alternativa para validar a CLFC e quem
sabe no futuro poder vir a ser um ensaio de determinação da mesma curva.
Em suma, as ferramentas que serão fabricadas vêm colmatar a ausência da realização dos respetivos
ensaios na máquina universal de ensaios de chapa, que se encontra no laboratório de ensaios
mecânicos da ACTMGI do IST, permitindo a realização dos mesmos de forma criteriosa e eficaz, uma
vez que a máquina de ensaios de chapa permite controlar os diversos parâmetros dos respetivos
ensaios.
No futuro, por o presente trabalho ser um projeto de uma ferramenta, este ainda terá de passar por
várias etapas. Tendo em conta a etapa em que se encontra o projeto, a próxima deverá ser a escolha
do material, uma etapa criteriosa, nomeadamente, na escolha do material da matriz e do punção pois
estes são os componentes em contato direto com a chapa, esta seleção deve ter em conta fatores,
como o tipo de material sobre o qual a ferramenta irá atuar, a espessura da chapa, entre outros. A
etapa seguinte é o fabrico dos diversos componentes da ferramenta, normalmente, através de
operações de maquinagem e acabamento, passando por uma etapa de tratamento térmico, cujo
objetivo passa por aumentar a dureza e resistência mecânica dos componentes que iram atuar sobre
a chapa. Finalmente na última etapa realizam-se testes e consequentemente os últimos ajustes,
produzindo assim ferramenta desejada.
Futuramente também o manual de montagem/desmontagem das ferramentas deverá ser atualizado,
incluindo as informações decorrentes do fabrico dos componentes.
56
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59
Anexo A
Anexo A – figura 1: Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Bulge
60
Anexo A – figura 2: Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Erichsen
61
Anexo A – figura 3: Representação esquemática da ferramenta do ensaio Nakazima
62
Anexo A – figura 4: Representação esquemática da ferramenta do ensaio de Estampagem
Quadrada
63
Anexo B
Anexo B – figura 1: Desenho 2D do anel roscado da ferramenta do ensaio Nakazima
64
Anexo B – figura 2: Desenho 2D do punção da ferramenta do ensaio Nakazima
65
Anexo B – figura 3: Desenho 2D da matriz da ferramenta do ensaio Nakazima
66
Anexo B – figura 4: Desenho 2D do encostador da ferramenta do ensaio Nakazima
67
Anexo B – figura 5: Desenho 2D do anel de fixação da ferramenta de Estampagem Quadrada
68
Anexo B – figura 6: Desenho 2D do punção da ferramenta de Estampagem Quadrada
69
Anexo B – figura 7: Desenho 2D da matriz da ferramenta de Estampagem Quadrada
70
Anexo B – figura 8: Desenho 2D do encostador da ferramenta de Estampagem Quadrada