Força de perfuração na fabricação de metais: Um guia abrangente

A força de perfuração inclui força de bloqueioA força de perfuração é calculada com base na força de perfuração, na força de remoção, na força de empurrão e na força de elevação. O cálculo da força de perfuração é fundamental para a seleção da prensa correta, conforme mostrado na Figura 1.

Força de bloqueio

onde:

• F - a força de bloqueio (N);
• L - o comprimento do perímetro da peça bruta (mm);
• t - a espessura do material (mm);
• r - a resistência ao cisalhamento do material (MPa).

Força de remoção, força de empurrão, força de elevação

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

F_{descarregamento} = k_{descarregamento} * F

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

F_empurrando = n*k_empurrando*F

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

F_ejetando = k_ejetando * F

onde:

• k_{descarregamento} - o coeficiente de força de remoção;
• k_empurrando - o coeficiente de força de empurrão;
• k_ejetando - o coeficiente de força de ejeção;
• n - o número de peças na matriz, n = h/t (h é a altura da parede reta da borda da matriz, t é a espessura da peça de trabalho);
• F - a força de bloqueio (N).

Os coeficientes de força de descarga, força de empurrão e força de ejeção são fornecidos na Tabela 1.

Tabela 1: Proporções de força de descarga, força de alimentação, força de remoção e força de perfuração

I. Cálculo da força de perfuração

A magnitude da força de punção P depende do comprimento total dos perímetros interno e externo da punção, da espessura do material e da resistência à tração, e está relacionada à taxa de resistência ao escoamento do material, que pode ser calculada pela seguinte fórmula

P = fLtR_m

• O fator f, que depende da taxa de resistência do material, pode ser obtido na Figura 2-2-35, geralmente f é de 0,6 a 0,7;
• L - Comprimento total dos perímetros interno e externo da perfuração (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 em que o punção pressiona o material quando ocorre a força máxima de punção (ou seja, a força de punção P na fórmula acima) e está relacionada à taxa de resistência ao escoamento do material.

A força de perfuração calculada usando a fórmula acima é bastante consistente com a realidade e foi incorporada aos padrões alemães. Além disso, as propriedades mecânicas fornecidas pelas matérias-primas incluem a resistência à tração do material R _m e menor resistência ao escoamento R _eL e sua proporção é usada para obter f da Figura 2-2-35, calculando assim a força de perfuração, que é conveniente para uso.

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

Após a conclusão da operação de puncionamento, a peça de trabalho puncionada (ou sucata) sofre deformação elástica radial e se expande, enquanto o furo na sucata (ou peça de trabalho) sofre contração elástica radial. Ao mesmo tempo, a peça de trabalho e a sucata tentam recuperar sua curvatura elástica. O resultado dessas 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 prenda firmemente ao punção.

A força usada para descarregar a peça de trabalho (ou sucata) do punção é chamada de força de descarga. A força usada para empurrar a peça de trabalho (ou sucata) para fora da cavidade da matriz na direção do puncionamento 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 (consulte a Figura 2-2-36). Obviamente, essas forças devem ser consideradas ao selecionar a tonelagem da prensa e ao projetar o molde.

Muitos fatores afetam essas forças, incluindo principalmente: as propriedades mecânicas e a espessura do material, a forma e o tamanho da peça de trabalho, a folga entre os moldes, o tamanho da sobreposição do layout e as condições de lubrificação, etc. Devido à complexa influência desses fatores, é difícil calcular com precisão. Na produção, as seguintes fórmulas empíricas são comumente usadas 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 de força de descarga, força de empurrão e força de ejeção podem ser encontrados na Tabela 2-2-9;
• P - Força de perfuração (N);
• n - Número de peças de trabalho presas simultaneamente na cavidade da matriz, n = h/t;
• h - Altura da abertura da parede reta da cavidade da matriz (mm);
• t - Espessura do material (mm).

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

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

Ao selecionar a tonelagem da prensa, o fato de essas forças serem consideradas na força total de perfuração depende dos diferentes tipos de estrutura do molde (consulte a Figura 2-2-37).

1) A força total de perfuração usando uma placa de remoção rígida (consulte a Figura 2-2-37a) é

P_z=P+P_t

2) A força total de perfuração usando um ejetor rígido, molde invertido com removedor elástico (consulte a Figura 2-2-37b) é

P _z = P + P _x

3) A força total de perfuração usando uma placa de descarga elástica (consulte a Figura 2-2-37c) é

P _z = P + P _t + P _x

4) A força total de perfuração usando peças superiores elásticas e descarga elástica (consulte a Figura 2-2-37d) é

P _z = P + P _d + P _x

III. Força de fixação

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

P _y = (0,10 a 0,20)P

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

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

Comparação de P _x , P _d e P _y , P _y é o maior. Portanto, ao projetar moldes, se a fixação for necessária, basta projetar o dispositivo de fixação elástica de acordo com P _y que, além de conseguir a fixação, também pode fornecer força de descarga e força da parte superior confiáveis e suficientes. Se a fixação não for necessária, projete o dispositivo de descarga e o dispositivo da parte superior correspondentes de acordo com P _x e P _d respectivamente.

IV. Força lateral

Força lateral P _c Por um lado, causa desgaste nos lados convexo e côncavo do molde e, por outro lado, quando a linha de puncionamento não é fechada (como puncionamento de um lado ou puncionamento de lâmina lateral), torna o molde convexo suscetível à deformação de flexão indesejada sob força lateral e até mesmo à quebra. Nesses casos, é necessário projetar 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. Em geral, 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 para reduzir a força de perfuração

Ao perfurar materiais de alta resistência ou peças de trabalho grossas e de grande porte, se a força de perfuração necessária exceder a tonelagem das prensas existentes na oficina, devem ser tomadas medidas para reduzir a força de perfuração. Em geral, são usados os seguintes métodos:

1. Puncionamento aquecido

A resistência ao cisalhamento do material diminui significativamente quando aquecido, reduzindo, assim, a força de perfuração. A desvantagem desse método é que o material forma uma camada de óxido após o aquecimento, e as condições de trabalho são ruins devido ao aquecimento. Portanto, ele geralmente só é adequado para chapas 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 perfuração aquecida, τ _b deve ser tomada com base na temperatura real de estampagem. Devido à dissipação de calor, a temperatura de estampagem é geralmente 150 a 200°C mais baixa do que a temperatura de aquecimento. Além disso, os efeitos da expansão e da contração térmica nas dimensões da peça de trabalho, bem como o amolecimento do material durante a punção a quente, devem ser considerados, e a folga do molde deve ser adequadamente menor do que durante a punção a frio.

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

2. Arranjo escalonado de punções

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

O cálculo da força de corte para punções organizados em etapas deve ser determinado pela soma das forças máximas de corte dos punções na mesma altura.

Os princípios a seguir devem ser considerados ao usar punções organizados em etapas:

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

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

Observação: t é a espessura do material.

2) A distribuição de cada soco deve prestar atenção à simetria e à proximidade do centro de pressão.

3) O primeiro punção a começar a trabalhar deve ser o que tem um pino-guia na extremidade (veja a Figura 2-2-38), ou fazer o punção maior mais longo e o menor mais curto, o que pode evitar que o punção menor se quebre ou se incline devido à pressão do fluxo de material. Além disso, tornar o punção menor mais curto melhora sua rigidez, evita a instabilidade longitudinal e aumenta sua vida útil.

3. Punção com matriz de borda chanfrada

Ao perfurar com uma matriz de borda plana, tosquia ocorre ao redor de todo o perímetro da peça de trabalho simultaneamente, de modo que a força de puncionamento costuma ser muito grande ao puncionar peças de trabalho grandes e espessas.

Ao usar uma matriz de borda chanfrada para perfuração, semelhante ao cisalhamento chanfrado, a borda inteira não entra em contato com o perímetro da peça de trabalho simultaneamente, mas perfura o material gradualmente, reduzindo significativamente a força de perfuração e a vibração e o ruído durante a perfuração.

Ao usar uma borda chanfrada para perfuração, para obter uma peça de trabalho plana, o punção deve ter uma borda plana e o chanfro deve estar na matriz, de modo que a peça de trabalho perfurada seja plana e a sucata seja dobrada (veja as Figuras 2-2-39a, b, c). Ao perfurar orifícios, a matriz deve ter uma borda plana e o chanfro deve estar no punção, de modo que os orifícios perfurados sejam planos e a sucata seja dobrada (veja as Figuras 2-2-39d, e, f). Ao projetar o chanfro, ele deve ser disposto simetricamente para evitar que a matriz (ou punção) sofra pressão lateral unilateral durante a perfuração, causando desalinhamento e danificando a borda.

O grau de redução de força na perfuração do chanfro depende do ângulo do chanfro φ (consulte a Tabela 2-2-12).

Tabela 2-2-12 Parâmetros do bisel

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

P_s=KP

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

Para matrizes de perfuração grandes, ao fazer uma matriz de chanfro, o chanfro deve ser feito em uma forma ondulada simetricamente disposta (veja a Figura 2-2-40).

Embora a matriz chanfrada reduza a força de perfuração, ela aumenta a dificuldade de fabricação e retificação do molde, e a borda da lâmina também é propensa ao desgaste, portanto, geralmente é usada apenas para peças grandes 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 - A razão entre a força de perfuração média e a força de perfuração máxima, x=P _P /P é determinado pelo tipo e pela espessura do material; consulte a Tabela 2-2-13 para obter seu valor.

Tabela 2-2-13 Valores do coeficiente x

2. Poder de perfuração da lâmina oblíqua

A potência de perfuração da matriz de lâmina oblíqua pode ser calculada 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 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 da seguinte forma: Força total de estampagem F_total = F + F_{descarregamento} + F_empurrando + F_ejetando.

Nesse caso, a tonelagem da prensa selecionada deve ser aproximadamente 30% maior que F_total para fornecer a margem necessária.

Quando F, F_{descarregamento}, F_empurrandoe F_ejetando não ocorrem simultaneamente, F_total é calculado somando-se apenas as forças presentes no mesmo instante.

Na produção, os cálculos detalhados são normalmente realizados apenas para a força de perfuração, enquanto a força de descarga é estimada com base em uma proporção fixa da força de perfuração, mais a margem necessária para a perfuração, totalizando 50%.

Portanto, a fórmula para calcular a tonelagem da prensa é a seguinte:

F_imprensa = F × 150% = 1,5F