Explicação dos fundamentos do design de chapas metálicas

Diretriz de projeto de componentes de chapa metálica 1

Introdução

Chapas metálicas referem-se a chapas de aço com espessuras significativamente menores em comparação com seu comprimento e largura. Elas têm baixa resistência à flexão lateral e não são adequadas para aplicações sujeitas a cargas de flexão lateral.

Embora a chapa metálica seja feita de metal, sua forma geométrica específica e sua pequena espessura geram requisitos especiais de processamento para componentes de chapa metálica. Há três categorias principais de técnicas de processamento relacionadas a componentes de chapa metálica:

1.Corte: Isso inclui tosquia e socos.

2. formação: Envolve flexão, dobragem, laminação de bordas e estampagem profunda.

3. união: Inclui soldagem, colagem e técnicas semelhantes.

O projeto estrutural dos componentes de chapa metálica deve considerar principalmente os requisitos e as características das técnicas de processamento. Além disso, deve-se prestar atenção ao tamanho do lote dos componentes.

Os componentes de chapa metálica são amplamente adotados devido a várias vantagens:

1. facilidade de deformação, permitindo a fabricação de várias formas de componentes usando técnicas de processamento simples.

2. natureza leve dos componentes de chapa metálica.

3. requisitos mínimos de processamento devido à alta qualidade da superfície e às pequenas tolerâncias dimensionais na direção da espessura, muitas vezes eliminando a necessidade de usinagem da superfície.

4. facilidade de corte e soldagem, permitindo a fabricação de componentes grandes e complexos.

5. formas padronizadas, facilitando o processamento automatizado.

Princípios de projeto estrutural

Diretrizes de projeto para considerar os processos de fabricação no projeto estrutural de componentes de chapa metálica

Quanto mais simples for a forma geométrica da superfície de corte, mais convenientes e diretos serão os processos de corte e conformação, resultando em caminhos de corte mais curtos e menor desperdício de material. Por exemplo, as linhas retas são mais simples do que as curvas, os círculos são mais simples do que as elipses e outras curvas de ordem superior, e as formas regulares são mais simples do que as irregulares (consulte as Figuras 1, 2 e 3).

A estrutura da Figura 4a só faz sentido para produção em larga escala. Caso contrário, ela criará complicações durante o processo de perfuração e corte. Portanto, para produção em pequena escala, a estrutura mostrada na Figura 4b é mais adequada.

Diretriz de economia de material

Economizar matérias-primas significa reduzir os custos de fabricação. Os materiais de sucata geralmente acabam como resíduos, portanto, no projeto de componentes de chapa metálica, é essencial minimizar a sucata. Isso é particularmente eficaz no corte de componentes em larga escala. Os métodos para reduzir a sucata incluem:

(1) Reduzir a distância entre os componentes adjacentes (consulte as Figuras 5 e 6).

(2) Arranjo inteligente (consulte a Figura 7).

(3) Utilize o material de grandes áreas planas para componentes menores (consulte as Figuras 8 e 9).

Diretriz de resistência e rigidez suficientes

Devido à sua pequena espessura, a chapa metálica tem baixa rigidez. Os cantos afiados não têm rigidez e devem ser substituídos por cantos arredondados (consulte a Figura 10).

A distância entre os dois orifícios, se for muito pequena, pode levar à possibilidade de rachaduras durante o corte (consulte a Figura 11).

A tira fina e longa da placa tem baixa rigidez e é propensa a rachaduras durante o corte, especialmente quando a ferramenta de corte está muito desgastada. É evidente que uma estrutura de chapa tão fina deve ser evitada (veja a Figura 12).

Diretrizes confiáveis de puncionamento e cisalhamento

A estrutura tangente semicircular mostrada na Figura 13a é um desafio para puncionar e cisalhar. Isso ocorre porque ela exige a determinação precisa da posição relativa entre a ferramenta e a peça de trabalho.

A medição e o posicionamento precisos não só consomem muito tempo, mas, o que é mais importante, a precisão geralmente não consegue atender a esses requisitos elevados devido ao desgaste da ferramenta e aos erros de instalação.

Quando essa estrutura é processada com um pequeno desvio, é difícil garantir a qualidade e a aparência do corte é ruim. Portanto, a estrutura mostrada na Figura b deve ser adotada, pois ela garante uma qualidade confiável de puncionamento e cisalhamento.

Diretrizes para evitar a adesão de ferramentas

Ao cortar no meio de um componente, surge a questão da aderência da ferramenta à peça de trabalho. A solução:

(1) Deixar uma certa inclinação

(2) Certifique-se de que a superfície de corte esteja conectada (consulte a Figura 14 e a Figura 15).

Diretrizes da superfície de corte vertical para arestas de dobra

Após o corte, as chapas finas geralmente passam por outros processos de formação, como a dobra. As bordas de dobra devem ser perpendiculares à superfície de corte; caso contrário, o risco de rachaduras na interseção aumenta (veja a Figura 16, a Figura 17 e a Figura 18).

Quando os requisitos de perpendicularidade não puderem ser atendidos devido a outras restrições, um filete deve ser projetado na interseção da superfície de corte e da borda dobrada, com um raio maior que duas vezes a espessura da chapa (consulte a Figura 19).

Critério de flexão suave

A curvatura acentuada requer ferramentas especiais e é cara. Além disso, raios de curvatura pequenos são propensos a rachaduras e podem causar enrugamento na superfície interna (consulte a Figura 20 e a Figura 21).

Diretriz de projeto de componentes de chapa metálica 2

Introdução

Nas "Diretrizes de projeto para componentes de chapa metálica (Parte 1)" acima, apresentamos sete diretrizes de projeto estrutural para componentes de chapa metálica: a diretriz de forma simples, a diretriz de economia de material, a diretriz de resistência e rigidez suficientes, a diretriz de puncionamento confiável, a diretriz de ferramenta antiadesiva, a diretriz de superfície de corte perpendicular para bordas dobradas e a diretriz de dobra suave.

Com base no conteúdo anterior, este artigo recomenda mais sete diretrizes de projeto estrutural para componentes de chapa metálica.

Diretrizes de projeto estrutural

Diretriz para evitar pequenas bordas circulares

As bordas dos componentes de chapa metálica geralmente são formadas por bordas laminadas, que oferecem várias vantagens: (1) maior rigidez, (2) prevenção de bordas afiadas e (3) apelo estético. No entanto, deve-se prestar atenção a dois aspectos da laminação de bordas: primeiro, o raio deve ser maior que 1,15 vezes a espessura da chapa; segundo, as bordas não devem ser totalmente circulares, pois isso dificulta o processamento.

As bordas laminadas mostradas na Figura 1b e na Figura 2b são mais fáceis de processar em comparação com as mostradas em suas respectivas configurações "a".

Critério de não flexão da borda da ranhura

As bordas dobradas e as bordas do orifício da fenda devem estar a uma certa distância uma da outra, sendo que o valor recomendado é o raio de curvatura mais o dobro da espessura da parede. O estado de tensão na área de flexão é complexo e a resistência é menor. Os furos com efeitos de entalhe também devem ser excluídos dessa área. Todo o furo da ranhura pode ser mantido longe da borda dobrada ou o furo da ranhura pode abranger toda a borda dobrada (consulte a Figura 3 e a Figura 4).

Diretrizes de fabricação para combinações estruturais complexas

No caso de componentes com estruturas espaciais excessivamente complexas, confiar apenas em dobramento e conformação pode ser bastante desafiador. Portanto, é preferível simplificar o projeto estrutural. Nos casos em que a complexidade é inevitável, podem ser usados componentes compostos, o que significa que vários componentes simples de chapa metálica são combinados por meio de solda, parafusos ou outros métodos.

A Figura 5 mostra uma estrutura formada exclusivamente por flexão. A Figura 6 representa uma estrutura aprimorada correspondente à Figura 5, que é mais fácil de fabricar do que a anterior. A estrutura da Figura 7b é mais fácil de fabricar do que a da Figura 7a.

Evitar critérios diretos

As estruturas de placas finas têm a desvantagem da baixa rigidez de flexão lateral. As estruturas de placas planas grandes são propensas à instabilidade de flambagem e, além disso, podem sofrer fraturas por flexão. Normalmente, as nervuras são usadas para aumentar sua rigidez. A disposição das nervuras afeta significativamente a eficácia do aumento da rigidez. O princípio básico da disposição das nervuras é evitar áreas retas sem nervuras.

Áreas retas com baixa rigidez se tornam o eixo de inércia para que toda a superfície da placa se curve e se torne instável. A instabilidade sempre gira em torno de um eixo de inércia; portanto, a disposição das nervuras deve cortar esse eixo de inércia, tornando-o o mais curto possível. Na estrutura mostrada na Figura 8a, várias tiras estreitas e retas se formam na área sem nervuras, e a rigidez geral de flexão em torno desses eixos não é melhorada.

A estrutura mostrada na Figura 8b não tem eixos de inércia instáveis potencialmente conectados. A Figura 9 lista os formatos e arranjos comuns das nervuras, com o efeito de aumento da rigidez aumentando gradualmente da esquerda para a direita. A disposição irregular é um método eficaz para evitar áreas retas (consulte a Figura 10).

Diretrizes para o arranjo de ranhuras contínuas

O ponto final de uma ranhura é um elo fraco em termos de resistência à fadiga. Se as ranhuras forem conectadas, alguns dos pontos finais serão eliminados. A Figura 11 mostra uma caixa de bateria em um caminhão, que é submetida a cargas dinâmicas. Na Figura 11a, o dano por fadiga ocorre na extremidade das ranhuras, enquanto na Figura 11b esse problema não existe.

Estenda as ranhuras até o limite sempre que possível (consulte a Figura 13).

A continuidade das ranhuras elimina os pontos finais fracos. Entretanto, na interseção das ranhuras, deve haver espaço suficiente para reduzir a influência mútua entre as ranhuras (consulte a Figura 14).

Diretrizes de ranhuras espaciais

A instabilidade das estruturas espaciais não se limita a um único aspecto; portanto, a definição de ranhuras somente em um plano não aumenta efetivamente a estabilidade estrutural geral. Por exemplo, nas estruturas em forma de U e em forma de Z mostradas nas Figuras 15 e 16, a instabilidade ocorre perto das bordas. A solução para esse problema é projetar as ranhuras de maneira espacial (veja as estruturas nas Figuras 15b e 16b).

Diretrizes locais de relaxamento

Quando a deformação localizada em uma placa fina é severamente impedida, ocorre o enrugamento. A solução é colocar várias ranhuras pequenas perto das rugas, reduzindo assim a rigidez local e minimizando o impedimento da deformação (veja a Figura 17).