Nos últimos anos, diversos tipos de peças feitas com chapas metálicas apresentando superfície com múltiplas curvas vêm sendo cada vez mais usados na manufatura de estruturas em casca de automóveis, navios, aeronaves etc., devido à demanda crescente de consumidores e fabricantes. Tais componentes geralmente têm sido fabricados por meio do processo convencional de conformação em matriz, o qual envolve o uso de matriz e ferramental para prensa, concebidos de forma a se conseguir

Fig. 1 – Processo de conformação em múltiplos pontos (um tipo de processo de conformação flexível para chapa metálica)

 

o formato desejado para o produto. Embora esse processo possa garantir boa qualidade e produtividade na conformação, ele não é economicamente eficiente devido aos custos adicionais decorrentes do desenvolvimento e gestão do ferramental. Além disso, não pode ser aplicado

 

Fig. 2 – Exemplos numérico (à esquerda) e experimental (à direta) mostrando depressões e rugas geradas pelo processo de conformação em múltiplos pontos

 

à produção de pequenos lotes, comumente requeridos pelas indústrias aeronáutica e naval, ao contrário da indústria de construção.

Visando superar tais limitações, foi desenvolvido um sistema de conformação flexível que requer apenas uma matriz, e novos processos de conformação de chapas metálicas têm sido aplicados com o objetivo de evitar custos desnecessários. Um conceito de conformação flexível, usando punções discretos, foi proposto pela primeira vez por pesquisadores japoneses. Nakajima(1), em 1969, propôs uma matriz reconfigurável de finos fios unidos entre si usando um retentor; neste sistema, o posicionamento de certo número de fios finos podia ser controlado usando-se um vibrador ultrassônico. Olsen e outros(2,3), do M I T (Massachussetts Institute of Technology), sugeriram um algoritmo para o projeto mecânico e controle do formato da superfície de um sistema de matriz discreta e desenvolveram o ferramental reconfigurável para a manufatura flexível. Zhang e outros(4,5) propuseram um processo de conformação em múltiplos pontos denominado “sanduíche”, o qual envolve o uso de uma matriz superior e um interpolador de poliuretano, em que uma matriz atua na chapa e a outra em múltiplos pontos. Contudo, esse processo apresentou pontos fracos devido ao uso de peças descartáveis, tais como a matriz superior e a matriz em chapa. Por sua vez, Yoon e outros(6,7) propuseram um método de perfilação incremental usando um cilindro central móvel e quatro cilindros de apoio ajustáveis. Park e outros(8) desenvolveram diferentes processos de conformação, tais como o método de uso de fluido sem matriz, envolvendo a aplicação de materiais elastoméricos ao

 

Fig. 3 – Efeito direto provocando perda de metal

 

invés de ferramental metálico. Li e outros (9,10) exploraram um processo de conformação em múltiplos pontos usando punções discretos densamente distribuídos, conforme mostrado na figura 1 (pág. 18).

Entre esses métodos, o processo de conformação em múltiplos pontos é o preferencial para chapas, tanto grossas como finas, que devem apresentar gradiente gradual e distribuição de curvaturas. Porém, ele pode apresentar defeitos, tais como depressões e rugas, devido às aberturas irregulares entre a chapa metálica e os punções discretos, conforme ilustrado na figura 2. Além disso, o processo requer usinagem fora da região conformada na chapa metálica, o que leva à perda de material devido à superfície descontínua, conforme mostrado na figura 3. Foram feitos estudos visando à eliminação dessas desvantagens, os quais investigaram o uso de almofadas elásticas como as feitas de poliuretano, para suavizar a superfície de conformação (11,12) . Um desses estudos é voltado para a compensação da recuperação elástica para este tipo de usinagem de precisão, que usualmente é requerido na indústria aeroespacial (13,14).

Nesse estudo foi proposto um novo processo para a conformação de chapas metálicas, chamado per filação com reconfiguração flexível, como alternativa tanto aos processos de conformação flexível existentes, como para o processo convencional de conformação em matriz de componentes feitos a partir de chapas metálicas com superfície com múltiplas curvas (15,16). Conforme mostrado na figura 4, esse processo usa punções ajustáveis, bem como rolos superiores e inferiores reconfiguráveis, como ferramentas de conformação, o que permite manufaturar blanques com tamanho irrestrito na direção longitudinal. Além disso, são usados motores para aplicar torque tanto nos punções como nos rolos. Ao contrário dos processos de

 

Fig. 4 – Diagrama esquemático do equipamento para perfilação com reconfiguração flexível

conformação flexível já existentes, o novo procedimento pode reduzir os custos decorrentes da perda de material e minimizar consideravelmente as falhas de conformação devido à superfície de conformação relativamente contínua. Além disso, ele requer um equipamento de porte menor em comparação aos utilizados em outros processos flexíveis de conformação. A metodologia e o procedimento aplicável

 

Fig. 5 – Diagrama esquemático do arranjo ajustável com múltiplos punções

 

Processo

ao processo de perfilação com reconfiguração flexível serão descritos a seguir. Foram realizadas simulações numéricas da conformação de componentes confeccionados a par tir de chapas com superfície apresentando múltiplas curvas, usando-se o método de elementos finitos, e a construção de um equipamento simples para a investigação da viabilidade do processo, utilizado para a conformação de uma chapa metálica num formato apresentando curva dupla, cujoobjetivo foi verificar a aplicabilidade dos rolos reconfiguráveis, componentes críticos neste processo de conformação.

Perfilação com reconfiguração flexível para a conformação de chapas metálicas

O rolo com reconfiguração flexível é o componente crucial do equipamento aqui proposto, uma vez que ele possibilita a manufatura de peças com vários formatos independentemente do modelo de fabricação e revisão de matrizes sólidas. A posição do rolo pode ser alterada verticalmente. Além disso, conforme mostrado na figura 5 (pág. 20), sua curvatura pode ser ajustada de acordo com a altura do arranjo de múltiplos punções, controlados por meio do número de revoluções do motor. Nesse equipamento, o número de motores que ajustam a altura do arranjo de punções pode ser igual ao número de punções ajustáveis. Entretanto, um ou mais motores podem ser usados para o ajuste do comprimento dos punções por meio da instalação de um transmissor, reduzindo-se, assim, os custos de desenvolvimento do equipamento. A figura 6

 

Fig. 6 – Ilustração do conjunto do punção e seu mecanismo

mostra o conjunto do punção e seu mecanismo, que consiste em uma haste interna, uma carcaça externa e um rolo-guia. A haste interna e a carcaça externa possuem rosca externa e interna, respectivamente, que possibilitam a regulagem da altura do punção conforme a curvatura desejada. A outra parte da haste interna, que não é conectada à carcaça externa, é acoplada ao motor para efetuar a transmissão do torque por engrenagens. O lado oposto da carcaça externa possui um rolo-guia que suporta a flexão consecutiva do rolo reconfigurável. O rolo-guia é dotado de uma bucha substituível; isto se faz necessário porque ela é afetada pela abrasão mecânica, apesar de sua superfície apresentar revestimento com baixo coeficiente de fricção.

Ao se manufaturar uma peça feita a partir de chapa metálica com superfície apresentando múltiplas curvas pelo processo de perfilação com reconfiguração flexível, é necessário, em primeiro lugar, arranjar os punções ajustáveis para reconfigurar os rolos que apresentam curvaturas particulares. O blanque é inserido entre os rolos reconfiguráveis, sendo então conformado durante sua passagem entre os

Processo

Fig. 7 – Procedimento para o método de conformação por perfilação com reconfiguração flexível

 

Fig. 8 – Projeto geométrico para o processo de perfilação com reconfiguração flexível

 

arranjos dos rolos superior e inferior, como num típico processo de perfilação. Nesse procedimento, os rolos reconfiguráveis são acionados por motores instalados em suas duas extremidades. O formato da chapa metálica com superfície de múltiplas curvas, é determinado por ambos os rolos, cujas curvaturas são ligeiramente diferentes entre si. Podem ser fabricados vários tipos de componentes feitos com chapa metálica a partir de regulagens de curvatura nas direções transversal e longitudinal, conforme mostrado na figura 7. A curvatura da chapa metálica conformada na direção transversal, está relacionada com a relativa aos rolos reconfiguráveis, que são controlados conforme a altura do arranjo de múltiplos punções. Por outro lado, a curvatura da chapa metálica conformada na direção longitudinal está relacionada com as diferenças observadas nas deformações aplicadas na espessura da chapa, as quais ocorrem devido à diferença de tamanho dos vãos entre os rolos reconfiguráveis superiores e inferiores. Por exemplo, o produto final apresentará uma superfície convexa se a deformação aplicada na direção da espessura no centro do blanque for maior que a aplicada nas bordas durante o processo de conformação, enquanto a configuração reversa é verdadeira no caso de uma superfície em forma de sela. No caso da superfície do tipo torção, a deformação aplicada na espessura em uma das bordas do blanque é maior que a que foi aplicada na borda oposta na direção transversal.

Simulações pelo método de elementos finitos

No processo de perfilação com reconfiguração flexível, o formato final da chapa metálica depende da combinação das curvaturas dos rolos reconfiguráveis, conforme mencionado anteriormente. O local da conformação pode ser descrito como sendo uma parte da chapa metálica, ao longo dos rolos reconfiguráveis superiores e inferiores, conforme mostrado na figura 8 (pág. 24). Os formatos geométricos da chapa metálica e dos rolos reconfiguráveis podem ser descritos em termos de curvas quadráticas, as quais indicam o eixo neutro da chapa metálica e os eixos de rotação dos rolos reconfiguráveis superior e inferior. Na figura 8, os subscritos ‘b’, ‘u’ e ‘l’ denotam o blanque de chapa e rolo reconfigurável superior e inferior, respectivamente. Neste estudo, foram usados três parâmetros de projeto para descrever a curvatura da chapa metálica com superfície apresentando múltiplas curvas para definir o modelamento geométrico: raio de curvatura (Rb,c), ângulo incluso (θtip) entre o centro

 

Fig. 9 – Exemplo de modelo baseado no método de elementos finitos usando o processo de perfilação com reconfiguração flexível

 

e a borda da chapa metálica e a excentricidade (eb) do eixo neutro da chapa metálica. Pelo uso adequado desses parâmetros podem ser feitos vários componentes a partir de chapa metálica com superfície apresentando múltiplas curvas quadráticas, tais como arcos. Esse método de projeto geométrico possibilita alterações no design e processamento preciso, uma vez que o modelamento se inicia com o formato objetivado da chapa ao invés do formato dos rolos reconfiguráveis. O raio de curvatura e o ângulo incluso determinam a curvatura e o formato da chapa metálica ao longo da direção transversal. Os diferentes valores de abertura entre os rolos afetam consecutivamente a curvatura da chapa ao longo da direção longitudinal. Foram conduzidas simulações para demonstrar a viabilidade do processo de perfilação com reconfiguração flexível usando o método de projeto geométrico. Neste estudo, diferentes parâmetros de projeto foram aplicados a simulações de chapas cujo formato apresentava múltiplas curvas como, por exemplo, do tipo convexa, em sela e torção. As simulações desses formatos foram realizadas por meio do software ABAQUS, amplamente usado para a simulação usando o método de elementos finitos. Nes-

Fig. 10 – Distribuição de tensões típica de peça feita com chapa metálica apresentando superfície com múltiplas curvas, manufaturada por meio do processo de perfilação com reconfiguração flexível.

 

Fig. 11 – Deformação na superfície de peça feita com chapa metálica com superfície apresentando múltiplas curvas, manufaturada pelo processo de perfilação com reconfiguração flexível.

 

tas simulações o raio de curvatura (Rb,c), o ângulo incluso (θedge) e a excentricidade (eb) assumiram valor igual a 1.000 mm, ±2,86° e 0, respectivamente, para as curvas do tipo convexa e em sela. O raio de curvatura da curva do tipo torção foi de 1.200 mm. A redução da espessura no centro e na borda da chapa metálica para a curva do tipo convexa foi igual a 10% e 1%, respectivamente. A curva do tipo sela é feita por uma configuração reversa da curva do tipo convexa. No caso da curva do tipo torção, a redução da espessura numa das bordas e na borda oposta foi igual a 10% e 1%, respectivamente. As simulações podem ser divididas em duas etapas. Na primeira etapa, uma porção da chapa metálica foi inserida e mantida entre os rolos reconfiguráveis. Na segunda fase, os rolos foram rotacionados para empurrar a chapa metálica para fora. A figura 9 (pág. 25) mostra o modelo de simulação para a curva do tipo convexa. Os rolos arranjados na direção vertical são separados em anéis consecutivos. Nessas simulações cada anel tinha diâmetro e largura iguais a 10 e 2 mm, respectivamente. Todos os anéis foram posicionados durante a primeira etapa e cada um foi arranjado na direção da tangente ao longo das curvas quadráticas, as quais são os eixos de rotação dos rolos reconfiguráveis. Portanto, o número total de anéis para a simulação foi determinado de acordo com os valores dos parâmetros de projeto. Durante as simulações, a translação e rotação dos anéis foram executadas juntamente com o sistema local de coordenadas, no qual o centro de cada anel é considerado como sendo a origem. Em outras palavras, a origem de todo anel encontra-se localizada sobre as curvas quadráticas. O número de revoluções dos rolos é decidido conforme o comprimento da chapa metálica ao longo da direção longitudinal. Nas simulações foi usado como material a liga de alumínio Al 1050, metal relativamente macio, tendo sido assumido que se tratava de um material elastoplástico. Seu módulo de Young E, razão de Poisson ν, limite de escoamento e limite de resistência foram iguais a, respectivamente, 69 GPa, 0,33, 125 MPa e 135 Mpa.

A função que define o encruamento exponencial do material plástico,

Processo

assumiu coeficiente de resistência mecânica plástica ‘K’ igual a 141,38 MPa e expoente de encruamento ‘n’ igual a 0,013. O tamanho inicial do blanque foi de 100 x 120 x 1 mm, considerando tanto a curvatura do rolo reconfigurável e o ângulo incluso, conforme determinado previamente. O elemento do blanque consistiu em quatro camadas de elementos sólidos ao longo da direção da espessura. Foi assumido que todos os anéis que constituíam os rolos reconfiguráveis eram corpos rígidos, uma vez que a deformação de todos os rolos em contato com o blanque foi menor que a do blanque. Além disso, assumiu-se que o coeficiente de fricção entre os anéis e o blanque foi igual a 0,1.

As figuras 10 e 11 (pág. 26) mostram os resultados numéricos das simulações relativas a um componente feito com chapa metálica apresentando superfície com múltiplas curvas usando o processo de perfilação com reconfiguração flexível. Eles foram obtidos a partir de simulações de conformação

 

Fig. 12 – Equipamento para a versão preliminar do processo de perfilação com reconfiguração flexível usado para verificar a aplicabilidade dos rolos reconfiguráveis.

 

nas quais todos os anéis foram arranjados de acordo com as respectivas curvas quadráticas, os quais foram então rotacionados ao redor de seus próprios eixos para empurrar a chapa metálica para fora. Todos os tipos de formatos podem ser obtidos sob a condição de que os mesmos números e tamanhos sejam usados nas simulações para a chapa metálica e os anéis. A chapa com curva do tipo

convexo apresenta altos valores de tensão, próximos do limite de resistência, em comparação com outros tipos de formato, uma vez que as curvaturas ao longo da direção transversal e longitudinal se sobrepõem no centro da chapa metálica. Já a chapa com curva do tipo sela apresenta níveis de tensão relativamente menores em

 

Fig. 13 – Vista do local onde ocorre a conformação no equipamento da versão preliminar do processo de perfilação com reconfiguração flexível

 

comparação com a primeira, uma vez que neste caso as curvaturas ao longo da direção transversal e longitudinal possuem sinais opostos. A chapa metálica com curva do tipo torção possui nível mais alto de tensão próximo à saída dos rolos reconfiguráveis, devido às complexas tensões causadas pela deformação de flexão e torção. Embora não se possa prever precisamente os valores de curvatura da chapa metálica deformada, os tipos de formato do produto final podem ser projetados ao se usar a configuração de deformações aplicadas na espessura da chapa. Tal configuração pode ser vista na figura 11 (pág. 26). Nessas simulações não foi considerado o retorno elástico (spring back), devido a esse estudo ser voltado para a viabilidade do processo de perfilação com reconfiguração flexível. Contudo, após a conformação da chapa metálica ter sido executada, observou-se retorno elástico no lado conformado da mesma, além de flutuações na distribuição de tensão e deformação. Isso se deve ao fato de que o blanque não é restringido por ferramentas de conformação, ao contrário de outros equipamentos de flexão. Conforme mostrado na figura 10 (pág. 26), não foram observados defeitos tais como depressões e rugas, cuja ocorrência é comum nas operações de conformação flexível. Portanto, o processo de perfilação com reconfiguração flexível proposto é adequado para a conformação de chapas metálicas com superfície apresentando múltiplas curvas. Além disso, esse processo é relativamente superior aos métodos já existentes, uma vez que ele não requer nenhuma usinagem adicional e pelo fato de

Processo

Fig. 14 – Chapa metálica apresentando curva do tipo sela conformada pelo equipamento para a versão preliminar do processo de perfilação com reconfiguração flexível

 

o blanque não ficar restringido ao longo da direção longitudinal.

O equipamento para a perfilação com reconfiguração flexível e sua implementação

O equipamento usado no processo preliminar de perfilação com reconfiguração flexível, para avaliação da aplicabilidade do rolo reconfigurável, consistia em suportes para os rolos reconfiguráveis, módulo de motor, caixa de transmissão e armação, conforme mostrado nas figuras 12 e 13 (pág. 28 e 29). Esse aparato foi usado para produzir peças com curva do tipo sela com formato duplamente curvo, uma vez que este tipo de superfície é mais adequado à fabricação de peças feitas com chapas metálicas com superfície apresentando múltiplas curvas, em comparação com outros tipos de formato. Conforme mostrado na figura 12, os suportes do rolo são constituídos por um componente de superfície curva, em contraste com o que ocorre com a aplicação dos punções ajustáveis. Eles foram feitos com material submetido ao tratamento de têmpera com austenitização por indução sob alta frequência, para que pudessem apresentar alta dureza. Além disso, foi aplicado revestimento com baixo coeficiente de fricção sobre a superfície, dos rolos e dos

suportes. Os suportes superior e inferior dos rolos apresentam seções ranhuradas e curvas com raio de curvatura igual a 1.000 e 943 mm, respectivamente, para que possam suportar os rolos reconfiguráveis. Esses valores geométricos para os suportes dos rolos são iguais ao raio de curvatura dos rolos reconfiguráveis durante a conformação, sendo concebidos de forma a promover uma redução de 1 e 10% na espessura da chapa, no centro e nas duas bordas, respectivamente. Os rolos reconfiguráveis foram feitos de aço inoxidável AISI 440, o qual apresenta altos valores de elasticidade (200 GPa) e de limite de escoamento (1,28 GPa); os rolos do tipo barra sólida foram submetidos a tratamento térmico para que apresentassem comportamento elástico apropriado durante a conformação. Cada rolo tinha diâmetro de 10 mm, o mesmo valor adotado nas simulações. Os rolos reconfiguráveis foram usados em testes com diversas peças conformadas, atuando como ferramentas de conformação dentro de sua faixa de regime elástico, conforme mostrado na figura 13(a) (pág. 29). O módulo do motor para os rolos consistia em um motor elétrico, engrenagens e acoplamentos para proporcionar torque suficiente aos rolos reconfiguráveis.

O procedimento de teste de conformação usando o equipamento para o processo preliminar de perfilação com reconfiguração flexível foi realizado em duas etapas, da mesma forma como nas simulações em que foram produzidas superfícies com curva do tipo sela. Na primeira etapa o blanque foi mantido no lugar por meio de ajuste manual, uma vez que os suportes dos rolos haviam sido concebidos considerando a relação geométrica entre os rolos reconfiguráveis e os suportes deles. Na segunda etapa o blanque inicial foi conformado, fazendo com que a chapa apresentasse uma curva do tipo sela pela rotação dos rolos reconfiguráveis, conforme mostrado na figura 13(b) (pág. 29). A chapa conformada nesse formato foi obtida a partir da configuração específica de deformações aplicadas na sua espessura para a obtenção de superfície com curva do tipo sela, como mencionado anteriormente. Conforme mostrado na figura 14 (pág. 30), a superfície conformada não apresentou rugas e depressões, ao contrário das produzidas pelos métodos anteriores de conformação flexível, bem como pelas simulações. Além disso, este processo pode reduzir os custos adicionais de produção, uma vez que o tamanho do blanque não sofre restrições ao longo da direção de deslocamento da chapa metálica. A conformação bem-sucedida da chapa metálica pelo equipamento desenvolvido para o processo preliminar de perfilação com reconfiguração flexível sugere que este método é adequado para a produção de peças feitas com chapas metálicas apresentando superfícies com múltiplas curvas, e que os materiais usados para a fabricação dos rolos reconfiguráveis são adequados para este tipo de aplicação.

Conclusão

Processo

a fabricação de peças tridimensionais feitas com chapas metálicas apresentando superfícies curvas. Foram conduzidas simulações de conformação de peças feitas com chapas metálicas com superfície apresentando múltiplas curvas, baseadas no método de elementos finitos, para avaliar a viabilidade do processo. Tais simulações mostraram que o processo aqui tratado é adequado para a manufatura de peças feitas com chapas de aço com superfície apresentando múltiplas curvas, sem que houvesse a ocorrência de defeitos que implicam custos adicionais de produção. Este processo também pode reduzir a perda de material que normalmente ocorre nos processos existentes, uma vez que o tamanho do blanque ao longo da direção longitudinal não é restringido.

Foi desenvolvido um equipamento para a versão preliminar do processo de perfilação com reconfiguração flexível, cujo objetivo é verificar a viabilidade da aplicação de rolo reconfigurável, um componente essencial neste tipo de processo. Os resultados do teste demonstraram que pode ser usado um rolo reconfigurável com alto módulo de elasticidade para se conformar uma chapa metálica com baixa resistência mecânica, sem apresentar comportamento no regime plástico. Além disso, o processo de perfilação com reconfiguração flexível mostrouse adequado à manufatura de componentes feitos com chapas metálicas apresentando superfície com múltiplas curvas, constituindo uma alternativa viável aos métodos já existentes de conformação de chapas metálicas em peças que apresentam superfícies curvas tridimensionais.

Conflito de interesses

Os autores declaram que não houve conflito de interesses associado à publicação deste trabalho.

Agradecimentos

Este trabalho teve o apoio da Fundação Nacional de Pesquisa da Coréia (National Research Foundation of Korea - NRF), por meio de uma bolsa concedida pelo governo coreano (MSIP) no Centro de Pesquisa em Engenharia (no 2012R1A5A1048294), no âmbito do Projeto de Treinamento em Recursos Humanos para a Inovação Regional (no 2012H1B8A2026095).

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