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Diego EstevesErikson Costa

Analise do processo não convencional de usinagem por meio de remoção térmica através da eletroerosão.

Artigo Técnico apresentado como requisito de avaliação do curso Engenharia Mecânica do Centro Universitário Una para aprovação em disciplina.

Professor orientador: Paulo Sérgio Martins

Belo Horizonte2013

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RESUMO

Este estudo propõe avaliar dois processos de estampagem por dobramento de uma chapa, por acionamento manual e por acionamento eletro-hidráulico, a qual é utilizada em empresas de mineração no suporte de correias transportadoras. A maioria dessas peças feitas na fábrica em estudo necessita de retrabalho, devido à grande divergência dimensional do ângulo resultante do processo de dobramento. Quando opta-se por um procedimento que utiliza prensas eletro-hidráulicas os resultados da produção são normalmente melhores quando comparados a prensas manuais.

PALAVRAS CHAVES: Estampagem, dobramento, prensa, eletro-hidráulica, ergonomia.

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SUMÁRIO

1. Introdução......................................................................................Erro! Indicador não definido.

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1. INTRODUÇÃO

Os processos de construção de peças por usinagem não convencionail estão

sendo largamente utilizados nas industrias de transformações do aço. Este tipo de

processo visa atender a demanda pela fabricação de peças com geometrias

complexas e de difícil usinabilidade. Os processos que são considerados não

convencionais são, entre outros, usinagem eletroquímica, usinagem por eletroerosão

por penetração e a fio, usinagem por fluxo abrasivo, usinagem por jato de água e

jato de água abrasivo, usinagem ultrasônica, etc. Todos esses processos tem suas

vantagens e desvantagens. A escolha vai depender de inúmeros fatores, como

disponibilidade de equipamentos,custos operacionais, de mão de obra qualificada e

manutenção ( MCGEOUGH, 1988).

Um dos processos mais utilizados atualmente na transformação de aço por

remoção térmica é a usinagem por eletroerosão, EDM, que consiste na remoção de

material pelo bombeamento de elétrons ou íons contra a superfície da peça,

produzindo a retirada dos resíduos por sublimação, gerando cavidades profundas e

tridimensionais (SILVA, 2007).

1.1 JUSTIFICATIVA

Devido a sua baixa capacidade de produção, o processo de usinagem por

eletroerosão não é comumente utilizado em algumas empresas. Esse fato se deve

em alguns casos a falta de informação referente ao procedimento de usinagem,

custo operacional e tempo de trabalho.

A partir destes fatores há a necessidade de apresentar e exemplificar os tipos

de processo de usinagem por eletroerosão mostrando o quanto ele pode ser útil e

preciso para a confecção de peças metálicas.

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1.2 OBJETIVO

Esta pesquisa tem como objetivo principal, apresentar uma analise de forma

simples e objetiva os diversos tipos de eletroerosão, seu funcionamento e alguns

componentes, apresentando suas vantagens e desvantagens em relação a todo o

processo de transformação do aço.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 PROCESSOS DE ESTAMPAGEM

A conformação em chapas é um processo de transformação mecânica que

consiste em conformar uma chapa à forma de uma matriz, pela aplicação de

esforços transmitidos através de um punção. Na operação ocorrem alongamento e

contração das dimensões de todos os elementos de volume. A chapa, originalmente

plana, adquire uma nova forma geométrica. (MORO & AURAS, 2006)

A estampagem é um processo de conformação mecânica, pois as

modificações de forma são provocadas pela aplicação de tensões externas e sem a

liquefação do metal e são sempre feitas a partir de pedaço de chapa plano cortado.

Os objetivos desse processo é a obtenção de produtos finais com especificação

como dimensão, forma e propriedades mecânicas são sempre feitas a partir de

pedaço de chapa plano cortado.(SILVA, 2011)

Os processos do grupo de conformação em geral, não precisam ser

realizados especificamente em prensas, eles também podem ser realizados em

rolos conformadores ou outros tipos mais específicos de máquinas e ferramentas de

conformação. Os tipos principais de processos pertencentes a esse grupo são:

dobramento, flangeamento, rebordamento, enrolamento parcial ou total,

nervuramento, estaqueamento, pregueamento, abaulamento, corrugamento,

gravação, conformação de tubos. (SILVA, 2011).

2.1.1 DOBRAMENTO

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O processo de conformação de chapas metálicas por dobramento tem sido

usado amplamente nas indústrias em razão do bom acabamento superficial e baixo

custo de fabricação (BARBOSA, 2009).

Esse processo faz com que uma chapa forme dois ou mais planos separados

por um ângulo, onde parâmetros como o raio de curvatura e elasticidade do material

são importantes. No caso de materiais com alto módulo de elasticidade é comum

que depois de realizado o esforço de dobramento, a chapa tenha um maior retorno

elástico, voltando a sua forma primitiva (SILVEIRA, 2008).

Desta forma, é recomendável construir a matriz com ângulos de dobramento

mais acentuados, além de realizar-se a operação em várias etapas, com uma única

ou com várias matrizes, de modo a reduzir o possível retorno elástico. (SILVEIRA,

2008).

O processo de dobramento não é somente usado para produzir geometrias

funcionais tais como bordas, curvas, emendas e corrugação, mas também para

elevar a rigidez das peças. Atualmente, os perfis laminados estão sendo

substituídos, quando necessário e possível, por elementos de chapa dobrados, os

quais são executados através de dobradeiras ou por meio de matrizes e prensas,

caracterizando diferentes tipos de dobramentos. (HAUS, 2011)

2.1.1.1 TIPOS DE DOBRAMENTO

Como dito anteriormente, o processo de dobramento pode ser caracterizado

por diferentes tipos, os quais estão listados a seguir:

Dobramento livre: não há necessidade de mudar nenhum equipamento ou

ferramenta para obter ângulos de dobra diferentes, pois os ângulos da

curvatura são determinados pelo curso do punção (MARCONDES), como é

demonstrado na figura 1;

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Figura 1 - Dobramento Livre; HAUS, 2011

Dobramento em V: de acordo com a figura 2, a folga entre o punção e a

matriz é constante, igual à espessura da chapa (HAUS, 2011);

Figura 2 - Dobramento em V; HAUS, 2011

Dobramento em U: é feito em dois eixos paralelos na mesma operação, onde

uma almofada é usada para forçar o contato da chapa com o fundo do

punção (HAUS, 2011). Isso pode ser visto na figura 3;

Figura 3 - Dobramento em U; HAUS, 2011

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Dobramento em matriz de deslizamento: é conhecido também como

flangeamento, onde uma borda da chapa é dobrada a 90º enquanto a outra

extremidade é contida pelo próprio material e pela força da prensa

chapas/almofada. O ângulo da curvatura pode ser controlado pela posição do

curso do punção e o comprimento do flange pode ser facilmente mudado

(MARCONDES), conforme a figura 4;

Figura 4 – Dobramento em matriz de deslizamento; HAUS, 2011

Dobramento com ressalto na ponta do punção: a tensão compressiva é

aplicada à região de dobra para aumentar a quantidade de deformação

plástica, reduzindo a quantidade de retorno elástico (HAUS, 2011), como é

demonstrado na figura 5;

Figura 5 - Dobramento com ressalto na ponta do punção; HAUS, 2011

Dobramento de fundo: conforme a figura 6, observa-se que a posição final do

punção é reduzida tal que a folga entre ele e a superfície da matriz é menor

que a espessura da chapa. Em consequência, o escoamento do material é

ligeiramente menor e se reduz o retorno elástico. Na dobra de fundo, se

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requer uma força consideravelmente maior (aproximadamente 50 a 60%

maior) do que no dobramento livre (HAUS, 2011);

Figura 6 - Dobramento de fundo; HAUS, 2011

Dobramento em matriz dupla: a dobra em matriz dupla pode ser vista como

duas operações de deslizamento que agem na chapa uma após a outra. Esse

processo pode aumentar o endurecimento por deformação reduzindo o

retorno elástico (MARCONDES), conforme a figura 7;

Figura 7 - Dobramento em matriz dupla; HAUS, 2011

Dobramento em matriz giratória: como é observado na figura 8, é utilizado um

básculo, em vez do punção. As vantagens desse processo são:

a) A prensa de chapa não é necessária;

b) Compensação de retorno elástico por excesso de curvatura;

c) Menor exigência de força;

d) Possibilidade de dobra superior a 90º. (HAUS, 2011)

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Figura 8 - Dobramento em matriz giratória; HAUS, 2011

2.1.2 FERRAMENTA DE DOBRAMENTO

O dobramento de chapas é realizado em ferramentas chamadas de estampos

de dobra, que são compostos por dois elementos principais, mostrados na figura 9:

Punção superior (macho): elemento móvel que aplica a força na peça;

Matriz (fêmea): elemento fixo responsável pelo ângulo da peça.

Figura 9 - Esquemático de um estampo de dobra; Adaptado de DOLBLES

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Durante a operação de dobramento, deve-se evitar um alongamento

excessivo da chapa, assim havendo uma alteração na sua espessura. Para que isso

não ocorra, é necessária uma regulagem exata do curso da prensa e um controle

rigoroso das ferramentas.

Para o dobramento deve-se levar em conta o raio de curvatura utilizado para

a peça e a elasticidade do material. O raio de curvatura deve ser entre uma e duas

vezes a espessura da chapa para materiais moles, e entre três e quatro vezes para

materiais duros.

Devido à dureza do material da chapa, a peça tende a voltar a sua forma

primitiva logo após a deformação, esta ação é conhecida como recuperação

elástica.

Para se construir os estampos de dobramento deve-se escolher um ângulo

mais acentuado, de modo que, após aplicar a pressão de conformação possa ser

obtido o ângulo desejado.

2.1.3 ESFORÇOS DE DOBRAMENTO

Os esforços necessários para dobrar e curvar chapas medianas ou finas,

normalmente são pequenos se comparados aos necessários para corte das mesmas

(SILVEIRA, 2008). Conforme a figura 10, considera-se um esforço no ponto central

da chapa com um sólido apoiado nas extremidades, fazendo com que a flexão da

chapa seja máxima.

Figura 10 - Esforço de dobramento; PALMEIRA, 2005

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Para o cálculo do esforço de dobra é necessário basear-se no momento fletor,

calculado a partir da equação (1), produzido segundo as forças externas atuantes.

σ=M × yI

Eq .(1)

Onde:

σ tensão exercida sobre a chapa para o dobramento (N/mm²)

Mmomento fletor (N/mm)

y distância máxima das fibras ao eixo neutro (mm)

I momento de inércia da secção (mm 4)

Após o desenvolvimento da equação (1), pode-se calcular o esforço de dobra

pela equação (2):

F=2∙ σ f ∙b ∙ e ²

3 ∙lEq .(2)

Onde:

F esforço necessário para dobra (N)

σ f tensão de flexão necessária a deformação permanente (N/mm²)

b largura da chapa (mm)

e espessura da chapa (mm)

l distância entre apoios (mm)

2.2 MÁQUINAS DE ESTAMPAGEM

As máquinas de estampagem para trabalhos com chapas são de diversos

tipos, e algumas operações podem ser feitas em mais de um tipo de máquina

(SILVA, 2011). São classificadas como:

Máquinas de movimento retilíneo alternativo: pertencem a esse grupo, as

prensas excêntricas, prensas de fricção, hidráulicas e prensas a ar

comprimido, além de guilhotinas e viradeiras retas;

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Máquinas de movimento giratório contínuo: laminadoras, perfiladoras,

curvadoras e outros tipos adaptados às operações de conformação em geral.

A seleção do tipo de máquina depende da forma, da dimensão e da

quantidade de peças a ser produzida, também pode associar ao tipo de ferramenta a

ser usado no processo.

Prensas de duplo efeito: possuem dois carros, em duas mesas superiores,

uma correndo dentro da outra, para permitir a combinação das operações de

forma sucessiva, elas são utilizadas para as operações de corte, dobramento

e estampagem rasa;

Prensas mecânicas de simples efeito: são aquelas que funcionam com único

carro acionado por um eixo excêntrico, utilizando a energia mecânica

acumulada em um volante;

Prensas hidráulicas, mais usadas para estampagem profunda, podem ser de

duplo ou triplo efeito. São acionadas por sistemas hidráulicos constituídos de

bomba, cilindros e válvulas reguladoras arranjadas de forma a ser possível o

controle de deslocamento, da pressão e da velocidade de operação. Como

consequência, essas prensas apresentam uma melhor condição de controle

das variáveis mecânicas do processo do que as prensas mecânicas

excêntricas, apesar de operarem a velocidades menores (PALMEIRA, 2005).

2.3 Sistemas bi-manual

O Brasil tem uma alta incidência de acidentes de trabalho registrado no que

atingem membros superiores dos trabalhadores, e mais da metade dos acidentes

de trabalho com mutilação analisados pela inspeção de segurança e saúde no

trabalho do MTE, são causados por prensas ou similares. (NBR 13930)

Uma das formas de se resolver este problema é a utilização de sistemas

automatizados para garantir a segurança do operador. Um sistema muito utilizado é

o comando bi-manual conjugado com a cortina, onde um atuador só é ativado

quando os dois dispositivos de entrada forem atuados com um retardo de tempo

menor ou igual a 0,5 segundos e quando estes dois sinais forem mantidos , assim

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garantindo que as duas mãos do operador estejam fora da zona de risco quando a

máquina começar a funcionar.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Dobramento

As amostras em análise são compostas de material ASTM-36, tendo a espessura

de 6,35 milímetros e com as seguintes dimensões 70 milímetros de largura e 250

milímetros de comprimento, as peças foram cortadas por profissionais qualificados

em uma guilhotina.

Por definição de projeto elas devem ser estampadas com 15° de inclinação na

medida de 70 mm no comprimento, para a execução desta dobra foram utilizadas

duas prensas, a primeira por acionamento eletro-hidráulico e a segunda por

acionamento manual.

O processo com prensa por acionamento eletro-hidráulico foi realizado em uma

prensa da marca Eitel, modelo RP-25, figura 11. Para auxiliar o dobramento das

peças elaborou-se um “gabarito”, molde com as dimensões exatas da peça em

estudo. Para realizar o dobramento é necessário posicionar o gabarito na mesa da

prensa de acordo com a ferramenta engastada na haste do cilindro, fazendo com

que as duas ferramentas fiquem com o formato exato da peça a ser estampada.

Logo após, regula-se altura de descida da haste do cilindro até a peça. Verificado os

posicionamentos do gabarito e da ferramenta posiciona-se a peça no gabarito e o

operador executa o movimento de descida da haste da prensa para finalizar o

processo de dobramento.

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Figura 11 – Prensa Eletro-hidráulica

As peças dobradas pelo processo manual foram feitas em uma Dobradeira da

marca Cor Dob, modelo VEDL-2, figura 12 . Antes de serem dobradas as amostras

devem ser traçadas na medida de 70 milímetros, linha de dobra.

Figura 12 – Dobradeira Manual

As amostras traçadas devem ser posicionadas na dobradeira verificando o

alinhamento entre a peça e mesa e após deve-se girar o volante. O operador deve

ficar atento à escala onde é demarcado o ângulo de dobra da ferramenta, pois ao

chegar ao ângulo necessário para estampagem da peça deve-se parar de girar o

volante.

Para mensurar o ângulo obtido nas amostras foi utilizado um transferidor de

grau.

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3.2 Soldagem da peça

A peça, figura 13, em estudo passa por um processo de soldagem em uma

máquina de Solda MIG, modelo Smashweld-315, marca ESAB que utiliza um arame

para soldagem MIG, ER-70S-6, de aço carbono cobreado com 1,2 milímetros de

diâmetro. Onde é realizada a junção entre a peça estampada e o corpo do cavalete

do transportador de correia figura 14, ao passar por este processo a peça apresenta

imperfeições em suas dimensões toleráveis para a montagem.

Figura 13 – Cavalete

Figura 14 – Junção da peça estuda (Posição 2) e o cavalete (Posição 1).

A engenharia sempre reconheceu a imperfeição e trabalha com intolerâncias.

Tolerância é o termo que define o grau de aceitação diante da imperfeição. Por este

motivo, há normas técnicas que tratam das tolerâncias na engenharia, como, por

exemplo, a NBR ISSO 2768-1.

Entende-se por imperfeição toda e qualquer diferença em relação ao projeto

da peça. Os valores prescritos em projeto são os valores nominais e aqueles

medidos nas peças soldadas são os valores reais. A diferença entre estes valores é

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a medida da imperfeição. As imperfeições são inevitáveis em engenharia, mas

podem ser aceitáveis. Elas só serão consideras defeitos, portanto inaceitáveis, se

superarem determinados limites, fixados pelo projeto da peça soldada como critérios

de aceitação. (QUITES, 2011).

Um defeito comum que foi encontrado nas amostras já soldadas foi à

deformação angular, onde ocorre a distorção angular da junta soldada em relação à

configuração de projeto.

Figura 15 - Deformação angular

Como se percebe a solda influência no dimensional final da peça e para não

afetar a função e montagem correta do rolete no cavalete, uma peça de reforço tipo

“nervura”, posição 4, foi soldada junto à peça estampada e o cavalete, como pode

ser visto na figura 15.

4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Foram feitas nove amostras para cada processo de fabricação da peça. Para as

peças produzidas utilizando a prensa eletro-hidráulica foram obtido os seguintes

ângulos:

Tabela 1 - Ângulos obtidos pelo processo eletro-hidráulico

Peças 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Ângulo 15° 14° 14° 13° 14° 14° 14° 14° 14°

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Através da tabela 1 foi elaborado o seguinte gráfico:

1 2 3 4 5 6 7 8 912 °

13 °

14 °

15 °

16 °

Prensa eletro-hidráulica

Ângulo

Peça

Ângu

lo

Figura 16 – Gráfico de variação do ângulo por peça na prensa eletro-hidráulica

Pelo gráfico da figura 16, pode-se observar a variação dos ângulos obtidos a

partir do processo eletro-hidráulico, que possui um valor médio do ângulo de 14°

com um desvio padrão de 0,5° para mais ou para menos.

Para as peças produzidas utilizando a Dobradeira manual foram obtido os

seguintes ângulos:

TABELA 2 - Ângulos obtidos pelo processo manual

Peças 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Ângulo 19° 12° 14° 16° 13° 12° 17° 14° 17°

Através desta Tabela 2 foi elaborado o seguinte gráfico:

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1 2 3 4 5 6 7 8 911 °

12 °

13 °

14 °

15 °

16 °

17 °

18 °

19 °

Dobradeira Manual

Ângulo

Peça

Ângu

lo

Figura 17 – Gráfico de variação do ângulo por peça na Dobradeira Manual

Através do gráfico da figura 17, pode-se observar a dispersão dos ângulos

formados pela dobradeira manual, que possui o valor médio do ângulo é de 14,8°

com um desvio padrão de 2,5° para mais ou para menos.

O gráfico representado pela figura 18 demonstra a variação dos ângulos dos

dois processos em relação ao ângulo de 15° que é o ângulo requerido pelo projeto.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 910 °11 °12 °13 °14 °15 °16 °17 °18 °19 °20 °

Variação do Angulo entre os Processos

Prensa EletrohidráulicaPrensa ManualRequerido

Peça

Angu

lo

Figura 18 – Gráfico de variação do ângulo entre os processos e o requerido pelo projeto.

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5. CONCLUSÃO

A partir do estudo realizado foi possível constatar que a operação de

estampagem da chapa ASTM A36 para suportes de roletes utilizando prensas

eletro-hidráulicas tem melhor rendimento. Tendo em vista que as amostras

realizadas neste tipo de prensa foram mais homogêneas, e apesar de não

possuírem a dimensão angular requerida obtiveram valores mais próximos do que o

processo de dobramento manual. A variação entre o ângulo obtido e o requerido

pode ter como origem diversos fatores, dentre eles vale lembrar que o equipamento

utilizado é considerado um equipamento antigo e com algumas anomalias

decorrentes do tempo de uso.

Uma desvantagem clara na utilização de prensas manuais é a variação da força

aplicada, visto que este processo depende da força humana e está sujeito a

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variáveis como fadiga do operador, diferença de capacidade física entre os

executores do procedimento e habilidade do funcionário.

Além da melhor qualidade dimensional obtida pelo processo por prensa eletro-

hidráulica é importante observar que este equipamento tem a capacidade de

produção maior que a prensa manual. Para este tipo de prensa ainda temos maiores

possibilidades de automação do processo e de melhorias no controle do risco

implícito no processo.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AURAS, A.P; MORO,N. Processos de fabricação – Conformação mecânica II. Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina. Florianópolis, 2006.

BARBOSA, G. M. Processo de dobramento de chapas metálicas. Universidade Nove de Julho. São Paulo, 2009.

CIPA. Comissão interna de prevenção de acidentes. Disponível em <http://www.cipa.net.br/medicina-trabalho/ppra-pcmso-ltcat-aso-ppp/pprps.html> Acessado em: 25 set. 2012.

DOLBLES DO BRASIL. Disponível em <http://www.dolbles.com.br/calculos.php> Acessado em: 18 set. 2012.

HAUS, A. S. Influencia do efeito bauschinger no retorno elástico em aços avançados de elevada resistência. Universidade federal do Paraná. Curitiba, 2011.

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MARCONDES, P. V. P. Manufatura de chapas metálicas – dobramento. Universidade Federal de Paraná. Paraná.

PALMEIRA, A.A. Processo de estampagem. Departamento de mecânica e energia. Rio de Janeiro, 2005.

PPRPS. Programa de prevenção de riscos em prensas e similares. Disponível em <http://www.pprps.com.br/anexo2.html> Acessado em: 25 set. 2012.

QUITES, A. M. Termologia das imperfeições da soldagem. 2011.

SILVA, I. B.; FILHO, E. B. Conformação Plástica dos metais. Editora Unicamp, Campinas, 2011.

SILVEIRA, F.D.Diretrizes para projeto deferramenta de estampagem-Parte I. Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Rio Grande do Sul, 2008.