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Força de perfuração no fabrico de metais: Um guia abrangente

Última atualização:
8 de maio de 2024
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Índice

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 = fLtRm

  • 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);
  • Rm-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.

Figura 2-2-35 Relação entre f e o rácio de limite de elasticidade do material
Figura 2-2-35 Relação entre f e o rácio de limite de elasticidade do material

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.

Figura 2-2-36 Sentido de ação da força de descarga, da força de empurrão e da força de ejeção
Figura 2-2-36 Sentido de ação da força de descarga, da força de empurrão e da força de ejeção

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=KxP

Pt =nKtP

Pd=KdP

  • Px, Pt, Pd- Força de descarga, força de empurrão e força de ejeção (N);
  • Kx, Kt, Kd- 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 , K t , K d

Material e espessura / mmKxKtKd
Aço≤0.10.065~0.0750.10.14
>0.1~0.50.045~0.0550.0650.08
>0.5~2.50.04~0.050.0550.06
>2.5~6.50.03~0.040.0450.05
>6.50.02~0.030.0250.03
Alumínio, liga de alumínio0.025~0.080.03~0.07
Cobre puro, latão0.02~0.060.03~0.09

Nota: K 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

Pz=P+Pt

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

z = P + P x

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

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

z = P + P d + P x

Figura 2-2-37 Diferentes formas de estrutura de molde
Figura 2-2-37 Diferentes formas de estrutura de molde

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:

y = (0,10 a 0,20)P

  • Py- 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

c = (0,30 a 0,38)P

  • Pc- 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, os efeitos da expansão e contração térmicas nas dimensões da peça de trabalho, bem como o amolecimento do material durante o puncionamento a quente, devem ser considerados, 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

Grau de materialτ à seguinte temperatura b / MPa
200°C500°C600°C700°C800°C900℃
Q195, Q215, 10, 153603202001106030
Q235, Q255, 20, 254504502401309060
Q275, 30, 355305203301609070
Q295, 40, 45, 506005803801909070

2. Disposição escalonada dos punções

No corte 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 da força máxima de corte 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

Resistência à tração do material R m /MPah/mm
<2000.8t
200~5000.6t
>5000.4t

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.

Figura 2-2-38 Disposição dos punções por etapas
Figura 2-2-38 Disposição dos punções por etapas

3. Punção com matriz de bordo biselado

Ao puncionar com uma matriz de aresta plana, o cisalhamento ocorre ao redor de todo o perímetro da peça de trabalho simultaneamente, de modo que a força de puncionamento é frequentemente muito grande ao puncionar peças grandes e grossas.

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.

Figura 2-2-39 Várias formas de bisel
Figura 2-2-39 Várias formas de bisel

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

Material Espessura/mmAltura da lâmina do bisel H/mmÂngulo do bisel φ/(°)K
<32t<50.3~0.4
3 ~10t<80.6~0.65

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

Ps=KP

  • Ps- 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).

Figura 2-2-40 Matriz de perfuração com lâmina biselada para peças rectangulares

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=PP/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

MateriaisEspessura do material / mm
<11~22~4>4
Aço macio (τ b =250~350MPa)0.70~0.650.65~0.600.60~0.500.45~0.35
Aço de dureza média (τ b =350~500MPa)0.60~0.550.55~0.500.50~0.420.40~0.30
Aço duro (τ b =500~700MPa)0.45~0.400.40~0.350.35~0.300.30~0.15
Alumínio, Cobre (recozido)0.75~0.700.70~0.650.65~0.550.50~0.40

2. Potência de perfuração da lâmina oblíqua

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

= x 1 P s (t+ H)/1000

Onde

  • Ws- Potência de perfuração da lâmina oblíqua (J):
  • Ps- Força de perfuração da lâmina oblíqua (N);
  • H - Altura da lâmina oblíqua (mm);
  • t - Espessura do material (mm);
  • x1- Coeficiente, para o aço macio, pode ser aproximado como: quando H=t, x1≈0,5~0,6; quando H=2t, x1≈0.7~0.8.
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