Por Serhat Kaya e Taylon Altan*

 

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de janeiro de 2010.

 

Durante o corte de blanques sob alta velocidade, a taxa de golpes da matriz e a velocidade do punção são maiores do que no corte convencional. Como resultado disso, a zona de cisalhamento apresenta maior taxa de deformação, o que afeta a temperatura da superfície cisalhada e a superfície do ferramental. O calor gerado na zona de deformação altamente localizada não se dissipa facilmente no material que está sendo processado. Isso provoca concentração de altas temperaturas na estreita zona de cisalhamento.

 

Fig. 1 – Características geométricas da zona de cisalhamento

 

 

 

Deformações e altas temperaturas

 

Um dos benefícios do corte de blanques sob alta velocidade é o fato de que temperaturas de até 980 °C podem ser geradas na zona de cisalhamento, causando um efeito de liberação de tensões dentro do material. Pode-se até mesmo neutralizar o encruamento que ocorre devido à alta deformação localizada.

 

Devido à liberação de tensões, o material pode suportar uma grande quantidade de deformação até que a resistência ao cisalhamento seja excedida e ele frature. Como resultado disso, as tensões internas e fraturas relacionadas com a deformação são dramaticamente reduzidas. Contudo, essas vantagens variam conforme o material.

 

Por exemplo, o calor criado a partir do corte de blanques sob alta velocidade se dissipa de forma mais rápida no caso do cobre e do alumínio, em razão de sua maior condutividade térmica. São conseguidas condições de processo ideais para o corte de blanques sob alta velocidade quando o encruamento é reduzido por meio da liberação de tensões. Isso significa que a velocidade ótima de cisalhamento deve ser alta o suficiente para que ocorra a liberação de tensões, mas não tão alta que haja tempo suficiente para o alívio de tensões.

 

Estes efeitos melhoram a qualidade da borda da peça com a redução da altura da rebarba e da zona de rolamento, bem como o aumento do comprimento da zona de cisalhamento (dentro de certa faixa de velocidades). Cria-se menos distorção do que se observa em blanques produzidos sob menores velocidades. A figura 1 ilustra as características geométricas da zona de cisalhamento de uma peça obtida a partir de blanque.

 

Experimentos com o corte de blanques sob alta velocidade foram conduzidos no Centro para Conformação de Precisão da Ohio State University, usando-se chapas de aço-liga com baixo carbono, aço de alta resistência, cobre e alumínio. Esses experimentos foram conduzidos em uma prensa Lourdes 100-OH de alta velocidade, acionada eletromagneticamente (tabela 1).

 

 

 

 

Esta prensa é controlada em nove níveis de potência que aceleram o ferramental sob velocidades de até 3.655 mm/s. O ferramental mostrado na figura 2 consiste em um punção, botão de matriz e extrator feito de polímero. Todos os punções e botões de matriz eram feitos de aço rápido M2 e foram montados nos retentores com uma trava de esfera para rápido puncionamento e troca de matriz.

 

 

Fig. 2 – Esquema do ferramental usado no corte de
blanques

 

 

O extrator de polímero foi montado diretamente no punção e foi usado para extrair a chapa a partir do punção após o corte. A figura 3 mostra a altura de rebarba (mostrada na figura 1) versus a folga entre punção e matriz para diferentes velocidades de corte. Nos testes sob velocidade de corte de 152 mm/s a altura da rebarba foi de três a quatro vezes maior em comparação com o verificado para as velocidades de corte de 1.219, 2.743 e 3.658 mm/s.

 

 

Fig. 3 – Aço de baixo carbono sob diferentes velocidades do punção ⁽¹⁾

 

 

Também se observou que, no caso do aço de baixo carbono, o aumento da velocidade de corte para um nível acima de 1.219 mm/s não exerceu influência sobre a fração de comprimento de zona cisalhada (razão entre o comprimento da zona cisalhada e a espessura da chapa). A tabela 2 mostra o comprimento da zona de cisalhamento expressa como porcentagem da espessura da chapa e medições da altura de rebarba para aço de alta resistência, alumínio e cobre.

 

 

 

 

Aplicação da análise de elementos finitos

 

A simulação de processo usando a análise de elementos finitos oferece uma solução prática para problemas relacionados com o projeto e processamento de blanques sob alta velocidade, uma vez que este processo pode ser plenamente modelado e a deformação ocorre de forma virtual.

 

Foi usado o programa computacional Deform 2D, baseado no método de elementos finitos, para simular o processo. As simulações foram executadas de acordo com as seguintes condições:

 

 

• Aço de baixo carbono: foram assumidas as propriedades do aço AISI 1015 porque elas estão muito próximas das propriedades do aço de baixo carbono usado na prática. A espessura da chapa foi igual a 0,84 mm;

 

• Folgas entre punção e matriz: aproximadamente de 5 a 18% da espessura da chapa (diâmetros de punção: 12,4 mm e 12,6 mm; botão da matriz: 12,7 mm);

 

• Velocidades do punção: aproximadamente 152 mm/s e 3.658 mm/s;

 

• Condição não-isotérmica: as temperaturas se elevaram porque a deformação foi considerada;

 

• Condição de simetria axial: para poupar tempo de computação, foi modelada apenas metade da geometria em função da condição de simetria existente.

 

 

A figura 4 mostra uma comparação dos resultados da simulação e dos experimentos para o comprimento da zona de fratura. A diferença máxima foi de, aproximadamente, 7% da espessura da chapa, o que indica que a análise de elementos finitos previu razoavelmente bem a deformação da zona de cisalhamento.

 

 

Fig. 4 – Comprimento da zona da fratura versus velocidade do
punção

 

 

Esta é a última parte de uma série de três artigos sobre o desenvolvimento do processo de corte fino (fine blanking). As partes I e II podem ser conferidas na seção Tecnologia em conformação.

 

 

Referências

 

1) Gruenbaum, M.; Breitling, J.; Altan, T.: Influence of High Cutting Speeds on the Quality of Blanked Parts. Report Nº ERC/NSM-S-96-19. Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing, The Ohio State University, 1996.

 

2) Yldrim, O.; Al-Zkeri, I.; Altan, T.: Determination of Critical Damage Value at High Strain Rate for AISI 1050 Using a Blanking Process – Results of experimental and numerical investigations. ERC/NSM Report No. HPM/ERC/NSM-03-R-11. The Ohio State University, 2003.

 

 

* Este estudo foi preparado por Serhat Kaya, pesquisador do Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming, CPF), da The Ohio State University, e 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 janeiro de 2010 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

Tecnologia em conformação

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