Por Ajay Yadav e Taylan Altan*

Publicada em Corte e Conformação de Metais, edição de dezembro de 2008.

 

A conformação de metais usando meio líquido, ou hidroconformação, pode ser dividida de forma abrangente em hidroconformação de chapas ou de tubos, conforme é mostrado na figura 1. Por sua vez, a hidroconformação de chapas pode ser subdividida entre hidroconformação de chapas com punção (SHF-P) ou com matriz (SHF-D), dependendo do tipo de ferramental que está sendo usado para conformar a peça: macho (punção) ou fêmea (matriz). O processo com matriz também pode ser subdividido em hidroconformação de blanques simples ou duplos, dependendo do número de blanques que está sendo usado no processo de conformação.

 

Fig. 1 – A hidroconformação pode processar desde blanques a tubos soldados (aço) ou extrudados (alumínio). Esse processo é usado para fabricar muitos produtos para as indústrias automobilística, de utilidades domésticas e aeroespacial (fonte: D. Schmoeckel, C. Hielscher e R. Huber; Metal Forming of Tubes and Sheets with Liquid and Other Flexible Media; In: Annals of CIRP, v. 48/2, 1999, p. 1-20).

 

 

Descrição do processo de hidroconformação de chapas com matriz

 

A operação de hidroconformação de chapas com matriz é subdividida em duas etapas, como é mostrado na figura 2. Na fase 1, uma operação de conformação livre, a chapa se expande livremente dentro da cavidade da matriz até que faça contato com a superfície da matriz. A livre expansão assegura uma deformação uniforme da chapa, o que melhora a resistência a pequenas batidas da peça hidroconformada em comparação com peças estampadas de forma convencional.

 

A livre expansão também reduz a tendência ao rasgamento da chapa, causada por deformações localizadas. Contudo, após uma grande porção da chapa ter se apoiado na parede da matriz, o fluxo do material é restringido devido à fricção na interface chapa-matriz. A fase 2 envolve a calibração da chapa contra a cavidade da matriz de forma a obter o formato final desejado, ocasião em que se requer o uso de fluido sob alta pressão.

 

 

Fig. 2 – Inicialmente, a chapa é deformada livremente (fase 1) até que ela se apoie contra a superfície da matriz, quando então começa a calibração (fase 2) (fonte: M. Kleiner e W. Homberg; New 100,000 kN Press for Sheet Metal Hydroforming; in: K. Siegert (org.); Hydroforming of Tubes, Extrusions and Sheet Metals, v. 2, 2001, p. 351-362).

 

 

A magnitude dessa pressão depende do material e da espessura da chapa, da complexidade da peça e do raio do canto mínimo existente na geometria da matriz. A aplicação bem-sucedida do processo de hidroconformação de chapas com matriz requer a consideração cuidadosa de todos os aspectos do sistema, ou seja:

 

• Qualidade da chapa fornecida;

• Interface matriz-peça sob processamento (fricção e lubrificação);

• Projeto do ferramental para uma aplicação eficiente da força do prensa-chapas para evitar vazamentos;

• Relação entre a pressão do fluido interno e a força do prensa-chapas (trajeto de carregamento);

• Prensa e ferramental;

• Dimensões e propriedades da peça hidroconformada.

 

Prensa horizontal para o processo de hidroconformação de chapas com matriz

 

O Instituto de Tecnologia de Conformação e Construção Leve (LFU) da Universidade de Dortmund, na Alemanha, em cooperação com a empresa alemã Siempelkamp Pressen Systeme (SPS), construiu uma prensa de 10.000 t (100 meganewtons) para a hidroconformação de componentes de grande porte, a qual é mostrada na figura 3.

 

 

Fig. 3 – Prensa horizontal para o processo de hidroconformação de chapas com matriz instalada no Laboratório de Tecnologia de Conformação e Construção Leve (LFU) da Universidade de Dortmund. Ela possui capacidade máxima de carga de 10.000 t e proporciona pressão máxima de conformação de 2.000 bar (fonte: Kleiner & Blomberg).

 

 

A prensa opera horizontalmente, possui projeto compacto e relativamente econômico; ela não requer grandes fundações e possui curso curto para reduzir o tempo de ciclo. Sua concepção horizontal permite a fácil drenagem do fluido pressurizador, mas também requer a alimentação horizontal da peça. A estrutura da prensa é fundida e pré-estressada por meio de enrolamento de fios, para suportar as cargas dinâmicas que serão geradas durante a conformação.

 

Durante a fase 1 da hidroconformação (livre expansão) é requerido um grande volume de fluido sob pressão relativamente baixa, enquanto a fase 2 (calibração) requer uma pequena quantidade de fluido sob alta pressão. Os sistemas hidráulicos da prensa são projetados de forma a proporcionar dois diferentes níveis de pressão – baixa (315 bar) e alta (2.000 bar) – para reduzir os custos e tempos de ciclo, e para tornar seu projeto mais compacto(1).

 

Hidroconformação de blanques duplos

 

Duas chapas planas ou pré-conformadas que podem apresentar diferentes espessuras e formatos, com bordas soldadas ou não, constituem o material de partida para o processo de hidroconformação de blanques de chapa duplos. O blanque duplo é posicionado no ferramental, o qual apresenta matrizes, tanto superior como inferior, com os formatos a serem aplicados, como é mostrado na figura 4.

 

 

Fig. 4 – Esquema da sequência do processo de hidroconformação com blanques duplos (fonte: A. Birkert, J. Neubert e T. Gruszka; Parallel Plate Hydroforming; in: K. Siegert (org.); Hydroforming of Tubes, Extrusions and Sheet Metals, v. 2, 1999, p. 283-296).

 

 

O blanque é mantido nas bordas e o meio de pressurização é introduzido entre as chapas. Estas são conformadas pela pressão do fluido contra as matrizes superior e inferior, de modo a obter os formatos desejados da peça. A hidroconformação usando blanques duplos pode ser usada como alternativa para a hidroconformação de chapas com matriz, porque em ambos os métodos a chapa de metal é forçada contra a matriz por um meio líquido. Contudo, na hidroconformação de blanques duplos, duas peças podem ser produzidas em um único ciclo, fato que aumenta a produtividade. Em princípio, este processo permite a conformação de dois materiais diferentes e/ou duas chapas com diferentes espessuras em um único ciclo.

 

A hidroconformação de blanques duplos ainda se encontra no estágio inicial de desenvolvimento, mas apresenta potencial para ser aplicada industrialmente na produção de lotes relativamente pequenos de peças. A parte II deste estudo, que será publicada no site de Corte e Conformação de Metais, será uma revisão da hidroconformação de chapas com punção (SHF-P), e o mesmo ocorrerá com a parte III, que abordará a otimização de peças hidroconformadas com matriz e com punção.

 

Referências

1) Birkert, A.; Neubert, J.; Gruszka, T. Parallel Plate Hydroforming. In: SIEGERT, K (org.). Hydroforming of Tubes, Extrusions and Sheet Metals, v. 2, 1999, p.283-296.

 

*Este estudo foi preparado por Ajay Yadav, membro da equipe do Centro de Pesquisa em Engenharia para Manufatura Próxima do Formato Final (Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing, ERC/NSM) da Universidade do Estado de Ohio (EUA), e por Taylan Altan (www.ercnsm.org), professor e diretor da instituição. Este artigo foi publicado originalmente na seção “R&D Updates” do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de dezembro de 2008 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

 

Tecnologia em conformação

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