Força de perfuração no fabrico de metais: Um guia abrangente

A força de perfuração inclui força de obturaçãoA força de perfuração é calculada com base na força de perfuração, na força de descasque, na força de empurrão e na força de elevação. O cálculo da força de perfuração é fundamental para selecionar a prensa certa, como mostra a Figura 1.

Força de obturação

onde:

• F - a força de obturação (N);
• L - o comprimento do perímetro do espaço em branco (mm);
• t - a espessura do material (mm);
• r - a resistência ao cisalhamento do material (MPa).

Força de descasque, força de empurrão, força de elevação

a) A força de arrancamento é a força necessária para remover o material preso no punção, dada por

F_{descarregamento} = k_{descarregamento} * F

b) A força de empurrar é a força necessária para empurrar a peça bruta na direção do corte para fora da cavidade da matriz, dada por

F_empurrar = n*k_empurrar*F

c) A força de ejeção é a força necessária para levantar a peça bruta contra a direção de corte para fora da cavidade da matriz, dada por

F_ejetar = k_ejetar * F

onde:

• k_{descarregamento} - o coeficiente da força de arrancamento;
• k_empurrar - o coeficiente de força de empurrão;
• k_ejetar - o coeficiente de força de ejeção;
• n - o número de peças na matriz, n = h/t (h é a altura da parede reta da aresta da matriz, t é a espessura da peça de trabalho);
• F - a força de obturação (N).

Os coeficientes da força de descarga, da força de empurrão e da força de ejeção são apresentados no Quadro 1.

Tabela 1: Rácios entre a força de descarga, a força de alimentação, a força de remoção e a força de perfuração

I. Cálculo da força de perfuração

A magnitude da força de perfuração P depende do comprimento total dos perímetros interior e exterior da perfuração, da espessura do material e da resistência à tração, e está relacionada com o rácio de tensão de cedência do material, que pode ser calculado pela seguinte fórmula

P = fLtR_m

• O fator f, que depende do rácio de elasticidade do material, pode ser obtido a partir da Figura 2-2-35, geralmente f é 0,6~0,7;
• L-Comprimento total dos perímetros interior e exterior do punção (mm);
• t-Espessura do material (mm);
• R _m -Resistência à tração do material (MPa).

O método de cálculo acima foi proposto por Timmerbeil. f=1-t'/t, em que t' é a profundidade a que o punção penetra no material quando ocorre a força de punção máxima (ou seja, a força de punção P na fórmula acima), e está relacionada com o rácio de limite de elasticidade do material.

A força de perfuração calculada com a fórmula acima é bastante consistente com a realidade e foi incorporada nas normas alemãs. Além disso, as propriedades mecânicas fornecidas pelas matérias-primas incluem a resistência à tração do material R _m e menor limite de elasticidade R _eL e o seu rácio é utilizado para obter f da Figura 2-2-35, calculando assim a força de perfuração, que é conveniente para utilização.

II. Força de descarga, força de empurrão e força de ejeção

Após a conclusão da operação de perfuração, a peça de trabalho perfurada (ou sucata) sofre uma deformação elástica radial e expande-se, enquanto o furo na sucata (ou peça de trabalho) sofre uma contração elástica radial. Ao mesmo tempo, tanto a peça de trabalho como a sucata tentam recuperar a sua curvatura elástica. O resultado destas duas recuperações elásticas faz com que a peça de trabalho (ou sucata) fique presa na cavidade da matriz, e a sucata (ou peça de trabalho) se fixe firmemente no punção.

A força usada para descarregar a peça de trabalho (ou sucata) do punção é chamada de força de descarga. A força utilizada para empurrar a peça de trabalho (ou sucata) para fora da cavidade da matriz na direção do punção é chamada de força de empurrar. A força usada para ejetar a peça de trabalho (ou sucata) da entrada da cavidade da matriz na direção oposta à da punção é chamada de força de ejeção (ver Figura 2-2-36). Claramente, estas forças devem ser consideradas ao selecionar a tonelagem da prensa e ao projetar o molde.

São muitos os factores que afectam estas forças, incluindo principalmente: as propriedades mecânicas e a espessura do material, a forma e a dimensão da peça de trabalho, a folga entre moldes, a dimensão da sobreposição da disposição e as condições de lubrificação, etc. Devido à influência complexa destes factores, é difícil calcular com precisão. Na produção, as seguintes fórmulas empíricas são normalmente utilizadas para o cálculo

P_x =K_xP

P_t =nK_tP

P_d=K_dP

• P _x , P _t , P _d - Força de descarga, força de empurrão e força de ejeção (N);
• K _x , K _t , K _d - Os valores dos coeficientes da força de descarga, da força de empurrão e da força de ejeção podem ser consultados no Quadro 2-2-9;
• P - Força de perfuração (N);
• n - Número de peças de trabalho simultaneamente presas na cavidade da matriz, n = h/t;
• h - Altura da abertura da parede reta da cavidade da matriz (mm);
• t - Espessura do material (mm).

Quadro 2-2-9 Valores dos coeficientes K _x , K _t , K _d

Nota: K _x deve adotar o valor limite superior ao perfurar vários orifícios, grandes flanges e contornos complexos.

Ao selecionar a tonelagem da prensa, se estas forças são consideradas na força total de perfuração depende dos diferentes tipos de estrutura do molde (ver Figura 2-2-37).

1) A força total de perfuração utilizando uma placa de stripper rígida (ver Figura 2-2-37a) é

P_z=P+P_t

2) A força total de perfuração utilizando um ejetor rígido, molde invertido de tira elástica (ver Figura 2-2-37b) é

P _z = P + P _x

3) A força total de punção utilizando uma placa de descarga elástica (ver Figura 2-2-37c) é

P _z = P + P _t + P _x

4) A força total de perfuração utilizando partes superiores elásticas e descarga elástica (ver Figura 2-2-37d) é

P _z = P + P _d + P _x

III. Força de aperto

Força de aperto P _y é a força de restrição obrigatória sobre a chapa metálica, um método eficaz para melhorar a qualidade da secção transversal da peça de trabalho e reduzir o abaulamento. A força de aperto na superfície da matriz é fornecida por uma placa de aperto móvel elástica. A força de aperto na face da extremidade do punção é fornecida por uma placa de contrapressão móvel. A magnitude da força de aperto pode ser calculada aproximadamente pela seguinte fórmula:

P _y = (0,10 a 0,20)P

• P _y - Força de aperto (N);
• P - Força de perfuração (N).

O valor do coeficiente depende das propriedades do material, com valores mais elevados para materiais duros ou materiais com um coeficiente de endurecimento por trabalho elevado, e valores mais baixos para materiais macios.

Comparação de P _x , P _d e P _y , P _y é o maior. Por conseguinte, ao conceber os moldes, se for necessária uma fixação, basta conceber o dispositivo de fixação elástica de acordo com P _y que pode não só conseguir a fixação, mas também fornecer força de descarga e força da parte superior fiáveis e suficientes. Se não for necessário um aperto, é necessário conceber o dispositivo de descarga e o dispositivo da parte superior correspondentes de acordo com P _x e P _d respetivamente.

IV. Força lateral

Força lateral P _c Por um lado, provoca o desgaste dos lados convexo e côncavo do molde e, por outro lado, quando a linha de perfuração não está fechada (tal como a perfuração de uma só face ou a perfuração de lâminas laterais), torna o molde convexo suscetível de deformação por flexão indesejada sob força lateral e mesmo de quebra. Nestes casos, é necessário conceber o suporte traseiro para fornecer uma força de reação lateral semelhante em magnitude e oposta em direção a P _c mantendo o equilíbrio básico da força lateral no molde convexo. Geralmente, a força lateral P _c pode ser calculado aproximadamente pela seguinte fórmula

P _c = (0,30 a 0,38)P

• P _c - Força lateral (N);
• P - Força de perfuração (N).

V. Métodos de redução da força de perfuração

Ao puncionar materiais de alta resistência ou peças de trabalho espessas e de grandes dimensões, se a força de punção necessária exceder a tonelagem das prensas existentes na oficina, devem ser tomadas medidas para reduzir a força de punção. Geralmente, são utilizados os seguintes métodos:

1. Puncionamento aquecido

A resistência ao cisalhamento do material diminui significativamente quando aquecido, reduzindo assim efetivamente a força de perfuração. A desvantagem deste método é que o material forma uma camada de óxido após o aquecimento e as condições de trabalho são fracas devido ao aquecimento. Por conseguinte, geralmente só é adequado para placas grossas ou peças de trabalho em que a qualidade da superfície e a precisão dimensional não são muito exigidas.

A Tabela 2-2-10 lista a resistência ao cisalhamento do aço quando aquecido. Ao calcular a força de punção aquecida, τ _b deve ser tomada com base na temperatura real de estampagem. Devido à dissipação de calor, a temperatura de estampagem é normalmente 150-200°C inferior à temperatura de aquecimento. Além disso, devem ser considerados os efeitos da expansão e contração térmicas nas dimensões da peça de trabalho, bem como o amolecimento do material durante o puncionamento a quente, e a folga do molde deve ser adequadamente menor do que durante o puncionamento a frio.

Tabela 2-2-10 Resistência ao cisalhamento do aço quando aquecido

2. Disposição escalonada dos punções

Na estampagem com vários punções, os punções são feitos a diferentes alturas numa disposição em degraus, o que permite que os punções entrem em contacto com o material em momentos diferentes, evitando a ocorrência simultânea de máximos força de obturação em cada punção, reduzindo assim a força de corte.

O cálculo da força de corte para os punções escalonados deve ser determinado pela soma das forças de corte máximas dos punções à mesma altura.

Os seguintes princípios devem ser considerados quando se utilizam punções escalonados:

1) A diferença na altura do punção h está relacionada com a resistência à tração do material (ver Tabela 2-2-11).

Tabela 2-2-11 Relação entre a diferença de altura de punção h e a resistência à tração do material

Nota: t é a espessura do material.

2) A distribuição de cada punção deve ter em atenção a simetria e a proximidade do centro de pressão.

3) O primeiro punção a começar a trabalhar deve ser o que tem uma cavilha-guia na extremidade (ver Figura 2-2-38), ou tornar o punção maior mais comprido e o punção mais pequeno mais curto, o que pode evitar que o punção mais pequeno se parta ou incline devido à pressão do fluxo de material. Além disso, tornar o punção mais pequeno mais curto melhora a sua rigidez, evita a instabilidade longitudinal e aumenta a sua vida útil.

3. Punção com matriz de bordo biselado

Ao perfurar com uma matriz de aresta plana, tosquia ocorre simultaneamente em todo o perímetro da peça de trabalho, pelo que a força de perfuração é frequentemente muito grande quando se perfuram peças de trabalho grandes e espessas.

Quando se utiliza uma matriz de bordo biselado para perfurar, semelhante ao corte biselado, todo o bordo não entra em contacto com o perímetro da peça de trabalho simultaneamente, mas perfura gradualmente o material, reduzindo assim significativamente a força de perfuração e reduzindo a vibração e o ruído durante a perfuração.

Quando se utiliza uma aresta biselada para perfurar, para obter uma peça de trabalho plana, o punção deve ter uma aresta plana e o bisel deve estar na matriz, de modo a que a peça de trabalho perfurada seja plana e a sucata seja dobrada (ver Figuras 2-2-39a, b, c). Ao perfurar orifícios, a matriz deve ter uma aresta plana e o bisel deve estar no punção, de modo a que os orifícios perfurados sejam planos e a sucata seja dobrada (ver Figuras 2-2-39d, e, f). Ao projetar o bisel, este deve ser disposto simetricamente para evitar que a matriz (ou o punção) sofra uma pressão lateral unilateral durante a perfuração, causando desalinhamento e danificando a aresta.

O grau de redução de força na perfuração do bisel depende do ângulo do bisel φ (ver Tabela 2-2-12).

Tabela 2-2-12 Parâmetros do bisel

A força de perfuração de cada lâmina biselada é calculada pela seguinte fórmula

P_s=KP

• P _s - Força de perfuração da lâmina do bisel (N);
• K - Coeficiente de redução (ver Quadro 2-2-12);
• P - Força de perfuração da lâmina plana (N).

Para matrizes de perfuração grandes, ao fazer uma matriz de bisel, o bisel deve ser feito numa forma ondulada simetricamente disposta (ver Figura 2-2-40).

Embora a matriz biselada reduza a força de perfuração, aumenta a dificuldade de fabrico do molde e de retificação, e o gume da lâmina também é propenso ao desgaste, pelo que é geralmente utilizado apenas para peças de trabalho de grandes dimensões e perfuração de chapas grossas.

VI. Poder de perfuração

1. Potência de perfuração da lâmina plana

A potência de perfuração de uma matriz de lâmina plana pode ser calculada pela seguinte fórmula

W =(xPt)/1000

• W - Potência de perfuração da lâmina plana (J);
• P - Força de perfuração (N);
• t - Espessura do material (mm);
• x - O rácio entre a força de perfuração média e a força de perfuração máxima, x=P _P /P é determinado pelo tipo e espessura do material, ver Tabela 2-2-13 para o seu valor.

Quadro 2-2-13 Valores do coeficiente x

2. Potência de perfuração da lâmina oblíqua

O poder de perfuração da matriz de lâmina oblíqua pode ser calculado pela seguinte fórmula

W _s = x ₁ P _s (t+ H)/1000

Onde

• W _s - Potência de perfuração da lâmina oblíqua (J):
• P _s - Força de perfuração da lâmina oblíqua (N);
• H - Altura da lâmina oblíqua (mm);
• t - Espessura do material (mm);
• x ₁ - Coeficiente, para o aço macio, pode ser aproximado como: quando H=t, x ₁ ≈0,5~0,6; quando H=2t, x ₁ ≈0.7~0.8.

VII. Seleção do equipamento de estampagem

Quando o processo de estampagem envolve simultaneamente a força de corte, a força de alimentação e a força de ejeção, a força total de estampagem F é calculada do seguinte modo Força total de estampagem F_total = F + F_{descarregamento} + F_empurrar + F_ejetar.

Neste caso, a tonelagem da prensa selecionada deve ser aproximadamente 30% superior a F_total para proporcionar a margem necessária.

Quando F, F_{descarregamento}, F_empurrar, e F_ejetar não ocorrem simultaneamente, F_total é calculado somando apenas as forças presentes no mesmo instante.

Na produção, os cálculos pormenorizados são normalmente efectuados apenas para a força de perfuração, enquanto a força de descarga é estimada com base numa proporção fixa da força de perfuração, mais a margem necessária para perfurar, totalizando 50%.

Assim, a fórmula para calcular a tonelagem da prensa é a seguinte

F_imprensa = F × 150% = 1,5F