Alguma vez se perguntou porque é que o alumínio está a substituir o aço no fabrico de automóveis? À medida que os fabricantes de automóveis correm para tornar os veículos mais leves e mais eficientes em termos de combustível, a estampagem de alumínio tornou-se um fator de mudança. Mas não é isento de desafios. Este artigo explora os obstáculos únicos de trabalhar com chapas de alumínio e revela soluções inteligentes que estão a revolucionar a indústria. Ficará a saber porque é que o alumínio se comporta de forma diferente do aço durante a estampagem e como os engenheiros estão a adaptar as suas técnicas para dominar este material complicado.
Devido às diferentes características das chapas de alumínio e de aço, existem diferenças significativas no processo de produção de estampagem, o que leva a requisitos mais rigorosos para a utilização de equipamento de produção de estampagem, conceção de matrizes e técnicas de ajuste de matrizes, em comparação com a produção tradicional de chapas de aço.
Este artigo descreve métodos para problemas comuns de controlo de sucata encontrados durante o processo real de produção e ajuste de chapas de alumínio, propõe medidas e soluções de melhoria eficazes e melhora a eficiência da produção de chapas de alumínio.
Com o rápido desenvolvimento da poupança de energia, da redução das emissões e das novas energias na indústria automóvel, a tecnologia automóvel leve entrou numa fase de rápido desenvolvimento. A utilização de chapas de alumínio para substituir as tradicionais chapas de aço no fabrico de carroçarias é uma das formas importantes de reduzir o peso dos veículos.
As características dos materiais das chapas de alumínio diferem muito das chapas de aço, pelo que é necessário inovar o processo de molde tradicional de produção de chapas de aço, a conceção estrutural, o ajustamento do molde e a tecnologia de produção de estampagem.
Este artigo analisará e abordará o problema do refugo difícil de controlar nas matrizes de estampagem de peças de alumínio durante a produção, fornecendo uma referência para a produção e ajuste subsequentes do molde.
Rolo de guia: Chapa de aço desenrolamento Os rolos-guia são rolos de aço, enquanto os rolos-guia de chapa de alumínio são rolos de borracha;Nivelador: Os niveladores utilizados no processo de desenrolamento e corte para a produção de peças de alumínio e aço são os mesmos, mas devem ser utilizados separadamente durante a produção para evitar que a sucata de aço danifique o material de alumínio: As chapas de aço são transportadas na correia transportadora através de força magnética, enquanto as chapas de alumínio são transportadas através de sucção a vácuo.
Método de separação: As chapas de aço utilizam a separação magnética (Figura 1), enquanto as chapas de alumínio utilizam a separação por sopro de ar (Figura 2).
Transporte de peças: As chapas de aço utilizam o transporte por correia magnética, as chapas de alumínio utilizam o transporte por correia de vácuo.
Deteção da posição da peça: Antes da produção de peças de aço, é necessário verificar a espessura da película de óleo da superfície, enquanto que para a produção de peças de alumínio, é necessário verificar a espessura do lubrificante seco da superfície. Os materiais em chapa de alumínio e em chapa de aço devem ser produzidos de forma completamente separada, de preferência com uma linha de produção de peças de alumínio dedicada.
O alumínio é um material muito sensível e está sujeito à corrosão quando em contacto com outros materiais. Antes da produção, as partes da linha de produção que entram em contacto com as chapas de alumínio (correias transportadoras, ventosas, carrinhos de transferência, postos de trabalho vazios, etc.) têm de ser cuidadosamente limpas para evitar a permanência de limalhas de ferro e detritos na superfície da peça de alumínio.
Os sistemas de eliminação de resíduos de materiais de alumínio e aço devem ser completamente separados. O pó e as aparas de alumínio produzidos durante a trituração devem ser recolhidos e tratados centralmente, e a oficina de trituração necessita de ventilação; caso contrário, pode explodir quando exposto a chamas no ar.
Devido às propriedades gerais do material das chapas de alumínio, a sua dureza e resistência são muito inferiores às das chapas de aço. Por conseguinte, os requisitos para as matrizes de estiragem são mais rigorosos durante o processo de produção e conformação.
Para evitar defeitos como a formação de penugem, arestas acumuladas, riscos e aparas de material almofadado durante a produção, são aplicados tratamentos de superfície como a galvanoplastia ao punção e à matriz da operação de estiragem, enquanto a rugosidade da superfície do suporte da peça em bruto é reduzida.
Requisitos de conceção e fabrico de matrizes de desenho de peças de alumínio:
(1) O valor R mínimo do matriz de desenho deve ser 3 vezes superior à espessura do material; se for demasiado pequeno, provocará raspagem do material;
(2) O valor do ângulo R da matriz de trefilação deve ser consistente com o valor da análise de simulação de trefilação e não pode ser alterado arbitrariamente devido ao produto ou a outras razões; (3) O cordão de trefilação deve ser desligado na área da faca de sucata para evitar o corte vertical, como mostrado na Figura 3;
(4) Os valores mínimos de R para a boca do punção e da matriz são R8mm e R12mm, respetivamente;
(5) A linha de recolha da chapa metálica deve ser controlada de modo a parar cerca de 5 mm fora do cordão de tração;
(6) O fluxo da chapa metálica deve ser limitado pelo cordão de tração, tanto quanto possível, e o suporte da peça em bruto não deve afetar a peça de trabalho;
(7) Prestar atenção para evitar a formação secundária, assegurando que a peça de trabalho é formada numa única operação de estampagem;
(8) A "linha de prevenção de fluxo" do material deve ser consistente com a "linha de prevenção de desenho", e o valor da folga entre os moldes superior e inferior da matriz de desenho deve ser a espessura do material t mais 5% (t+5%). Se for demasiado grande ou demasiado pequeno, é fácil produzir arestas postiças (Figura 4).
O retorno elástico das chapas de alumínio durante o processo de conformação é maior do que o das chapas de aço. A Figura 5 mostra as curvas de deformação da liga de alumínio, do aço macio e do aço de alta resistência. Durante a deformação plástica destes três materiais de chapa, sob as mesmas condições de deformação, após a descarga, a tensão residual é libertada, produzindo diferentes graus de retorno elástico, sendo o retorno elástico da chapa de alumínio muito superior ao da chapa de aço.
Por conseguinte, nas fases iniciais do processo de moldagem de peças de alumínio e da conceção estrutural, ao mesmo tempo que se cumprem os requisitos de forma e dimensão, o retorno elástico pode ser restringido através da adição de suplementos de processo e esferas de tração locais, tornando a conformação da chapa metálica mais completa e equilibrada durante o processo de conformação, conseguindo assim uma compensação do retorno elástico.
Atualmente, para melhorar o impacto visual dos novos modelos de veículos, os desenhos de arestas vivas para as peças de revestimento exterior estão a aumentar. No entanto, as chapas de alumínio são inerentemente mais espessas do que as chapas de aço (determinado pelo design do produto), sendo as chapas de alumínio estampadas normalmente mais espessas do que 1 mm. Para peças exteriores, as chapas de aço estampadas têm normalmente uma espessura de 0,7-0,8 mm. As chapas de alumínio são propensas a rasgar nos cantos R, pelo que o design da matriz requer raios maiores (mínimo de 3 vezes a espessura do material), com um desbaste ótimo de 8%-18% para peças acabadas. Além disso, as chapas de alumínio têm um alongamento fraco e rasgam-se facilmente nesta área, pelo que as cinturas das peças de alumínio não conseguem obter as mesmas arestas vivas que as peças de aço, como mostram as Figuras 6 e 7. Isto tem de ser um ponto-chave durante a conceção do produto.
As operações de corte e perfuração são os pontos mais difíceis no ajuste da matriz de peças de alumínio. Devido à dureza muito inferior das peças de alumínio em comparação com as peças de aço, o corte de chapas de alumínio é extremamente propenso a produzir sucata de alumínio. O seu peso leve, em comparação com a sucata de aço, pode facilmente causar a sucção por pressão negativa do material de corte e da cavidade da matriz durante a estampagem a alta velocidade, levando a sucata de alumínio para as superfícies de trabalho do punção e da matriz, provocando defeitos como reentrâncias, fuzzing e pitting na superfície da peça, afectando seriamente a eficiência da produção. Os tipos de sucata mais comuns dividem-se geralmente em quatro categorias: em forma de tira, em forma de flocos, em forma de grânulos e em forma de pó, como mostram as Figuras 8, 9, 10 e 11, respetivamente.
Com base na situação da produção de sucata no local nas matrizes de corte e de perfuração, foi efectuada uma análise e uma comparação estatística dos locais de produção e das causas, com os resultados apresentados no quadro 1.
Quadro 1 Resultados da análise
| Forma | Posição da ocorrência | Causas |
| Faixa | Posição de sobreposição do corte duplo na lâmina plana, ângulo de corte obtuso superior a 90° | 1. Aresta de corte sem brilho devido ao desgaste de duas sobreposições de corte, resultando em cantos arredondados e mau ajuste entre a peça de trabalho e a matriz de corte. |
| Folha | Local de corte de arestas rectas, áreas onde a forma da superfície da peça é irregular e cantos afiados da peça | 2. Folga de corte excessiva que produz detritos e compressão durante o corte vertical da aresta que gera aparas. |
| Granulado | Raiz da lâmina de corte de sucata, ponto de intersecção do corte em diferentes direcções | 3. A lascagem parcial da aresta de corte provoca forças de rasgo na chapa metálica, produzindo detritos. A diferença de altura na lâmina de corte da sucata leva ao rasgamento e à formação de detritos. |
| Pó | Local de corte do bordo vertical, onde o espaço de corte é pequeno | 4. Folga de corte insuficiente, gerando detritos, e dorso da lâmina de corte demasiado alto. |
Requisitos de produção e ajuste para matrizes de corte e perfuração de peças de alumínio:
(1) Os rebordos de corte e os insertos de corte têm de ser temperados, dureza: (58-2)HRC. Se a forma de tratamento térmico da pastilha de corte for ajustada ao tratamento de revestimento, tem de ser marcada como tratamento térmico especial na lista de pormenores dessa peça.
(2) A aresta de corte da pastilha de corte da matriz inferior deve ser tão afiada quanto possível.
(3) As pastilhas de corte para espessuras de material inferiores a 1,2 mm não necessitam de suporte.
(4) A profundidade de penetração do bordo de corte deve ser de cerca de 2-3 mm.
(5) Não são permitidas arestas de corte onduladas para evitar fenómenos de pré-corte.
(6) A aresta de corte da pastilha de corte da matriz superior tem de ter um ângulo negativo de -2°.
(7) A folga de obturação deve ser exacta, com uma folga de um lado de 10%-12% da espessura do material.
(8) A nitidez das arestas de corte superior e inferior das matrizes de peças de alumínio é mais importante do que a das matrizes de peças de aço.
(9) A folga máxima entre o contorno do suporte da peça bruta e o contorno da linha de corte é de 0,5 mm, como mostra a figura 14. Algumas empresas do sector automóvel exigem 0,4-0,8 mm, normalmente fixado em 0,5 mm.
(10) Utilizar chapas texturadas para as calhas de recolha de sucata, com um ângulo de calha não inferior a 30°, conforme ilustrado na figura 15.
(11) O revestimento de ponta utiliza a tecnologia DLC, como mostra a figura 16.
(12) A superfície da forma da faca de sucata deve ser consistente com a forma da peça de trabalho/desenho, e a faca de sucata da matriz inferior também deve ser consistente.
(13) A lâmina de corte (matriz superior), accionada por mola, também deve ser coerente com a forma da peça de trabalho para evitar a inclinação e garantir o corte simultâneo.
(14) A matriz superior não deve deformar a sucata antes de a cortar.
(15) Todos os punções em matrizes de peças de alumínio devem ter pinos ejectores, com uma profundidade de penetração do punção de 2-3 mm.
Para o mesmo processo de separação de materiais, existem diferenças nos padrões de manutenção dos punções para peças de alumínio em comparação com os punções tradicionais, como mostra a Figura 17.
Os punções com diâmetros superiores a 6 mm são geralmente processados com um ângulo de -2° para reduzir a área de contacto entre a aresta de corte e o material.
Para os punções com diâmetros inferiores a 6 mm, a face da extremidade da aresta de corte utiliza um design de face da extremidade cónica e é galvanizada para reduzir o atrito da aresta de corte, como se mostra na Figura 18.
Os punções de chapa de alumínio devem utilizar uma estrutura com pinos ejectores, com uma profundidade de penetração de cerca de 2-3 mm para evitar a aderência de resíduos.
Para além dos requisitos relativos à folga de corte e às arestas de corte, as matrizes de corte e perfuração também têm de garantir que os ângulos R nas áreas de contacto entre a cavidade da matriz e a peça de trabalho são tão grandes quanto possível para reduzir o impacto da sucata de alumínio na matriz durante a produção. Isto evita que a folha de alumínio se rasgue devido a ângulos R demasiado acentuados na área de contacto. Para os porta-blocos das matrizes de corte e perfuração, a largura da área colorida deve ser reduzida o mais possível, assegurando ao mesmo tempo que a peça de trabalho não se deforma, como mostra a Figura 19. Simultaneamente, as áreas não funcionais devem ser esvaziadas para reduzir a probabilidade de problemas de amortecimento de sucata durante o processo de conformação.
Para além do próprio molde, podem ser utilizados alguns métodos auxiliares para reduzir ainda mais o impacto da sucata no molde. Como se mostra na Figura 20, ao utilizar um braço robótico durante o processo de agarrar a peça, uma mão mecânica auxiliar equipada com um dispositivo de sopro pode utilizar ar comprimido para soprar a alta pressão, forçando a sucata para a calha de sucata. Isto evita que a sucata entre na cavidade da matriz ou seja transportada para o processo seguinte, controlando eficazmente as paragens de produção causadas pela sucata.
Os moldes de flangeamento e moldagem são o processo de conformação final, que envolve a reconfiguração da forma e das dimensões da folha de alumínio. Durante a conceção e a depuração, tal como a conceção do processo de desenho, tem de ser formado num só passo para evitar a formação secundária.
Para a placa de pressão de flangeamento, para garantir a qualidade do flangeamento e reduzir os defeitos das aparas, como mostra a Figura 21, a largura colorida deve ser de 20-25mm. Evite tornar a área de pressão da placa de pressão de flangeamento demasiado larga para reduzir a área de contacto entre o molde e a peça de alumínio. À semelhança dos moldes do processo de corte e perfuração, as áreas não funcionais devem ser esvaziadas.
Requisitos de produção e depuração para moldes de flangeamento e moldagem de peças de alumínio:
(1) Assegurar o mínimo de raio de curvatura da folha é 1,5 vezes a espessura do material;
(2) Se aparecerem ondas durante o flangeamento, com o consentimento dos departamentos de processo e de fabrico, pode ser necessário utilizar uma placa de pressão ou uma braçadeira para o flangeamento, como mostra a Figura 22;
(3) Considerar o retorno elástico apenas quando necessário durante o flangeamento ou a conformação final. Dependendo do raio e da forma da flange, o ângulo de retorno elástico pode ser superior aos 3° habituais (4-5°);
(4) Nas áreas de conformação e flangeamento, a folga entre o punção e a matriz deve ser de tamanho normal + 5% (espessura do material + 5%);
(5) Evitar a formação secundária; a forma deve ser formada numa única etapa;
(6) Formação e tosquia As pastilhas devem ser 100% polidas e alisadas na direção de trabalho;
(7) Dentro da gama de dimensões admissíveis (diâmetro de rotação <900 mm, altura <1200 mm), as pastilhas de flangeamento devem ser submetidas a um tratamento de revestimento PVD para melhorar a resistência da superfície e a resistência ao desgaste.
A tendência de as peças de alumínio substituírem gradualmente as peças de aço na indústria automóvel é inevitável. No futuro, à medida que a tecnologia continua a amadurecer, incluindo melhorias em várias propriedades mecânicas e físicas das chapas de alumínio, o impacto nos moldes de estampagem pode diminuir continuamente.
No entanto, na fase atual, é muito necessário dominar a tecnologia e a experiência de depuração de moldes de chapa de alumínio existentes. Este artigo aborda o controlo de problemas de aparas de alumínio que podem ser encontrados em várias fases e processos, desde o corte até aos produtos acabados, fornecendo um certo grau de referência para a produção e depuração de moldes de peças de alumínio em projectos subsequentes.
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