Alguma vez se perguntou como é que as peças metálicas mais complexas são fabricadas com precisão? Este artigo explora o fascinante mundo das matrizes de roscar e de flangear, revelando os segredos por detrás da sua conceção e funcionamento. Ficará a saber como estas ferramentas moldam o metal com precisão e eficiência, tornando possíveis os objectos do dia a dia.
Para as roscas de pequena dimensão, é geralmente utilizado um punção de perfuração nas matrizes de roscar, enquanto que para as roscas maiores (M5 e superiores), é normalmente utilizado um punção com um furo pré-fabricado, que permite perfurar e roscar de uma só vez.
Quando o punção desce até uma altura definida, o material é rasgado sob a ação da aresta de corte plana. Na maior parte dos casos, o material de refugo do processo de perfuração permanece preso após o batimento, mas desprender-se-á por si próprio após o enfiamento, como mostra a Figura 5-20.
1-Elastómero de borracha 2- Punção 3-Placa de retenção do punção 4-Placa de apoio 5-Suporte superior da ferramenta
Quando se efectua o flangeamento de múltiplos furos simultaneamente na matriz secundária, devem ser instalados postes-guia e casquilhos, como ilustrado na Figura 5-21.
1-Matriz 2-Buchão da guia 3-Placa do riscador 4-Pilar da guia 5-Placa de retenção do punção 6-Placa do espaçador 7-Sapata superior da matriz 8-Punção 9-Manga da guia 10-Inserção da matriz com liga dura
Para matrizes de flange de furo único de grande diâmetro com furos pré-fabricados, não são necessárias colunas de guia e casquilhos. A centragem é conseguida alinhando a secção de guia do punção com o furo pré-fabricado, seguido do posicionamento de acordo com a forma externa da peça de trabalho, conforme ilustrado na Figura 5-22.
1-Colocação da matriz 2-Peça de trabalho 3-Revestimento da inserção da matriz 4-Anel de ejeção 5-Sapata superior da matriz 6-Punção 7-Sapata inferior da matriz
As matrizes de flangear e de roscar devem geralmente ser equipadas com um mecanismo de ejeção para desengatar a peça de trabalho do punção. A peça pode ser facilmente removida da matriz sob a ação da força de ricochete, pelo que normalmente não é necessário considerar a utilização de um decapante.
No entanto, quando se efectuam torneiras de desbaste por deformação extensa ou quando a espessura do material é ≥4mm, deve ser considerada a utilização de um decapador, como se mostra na Figura 5-23.
1-Punção 2-Anel de prensagem de arestas 3-Ferramenta 4-Lifter.
Teoricamente, as peças flangeadas com carga assimétrica e as peças dobradas assimetricamente podem ser transformadas em peças simétricas para evitar que a peça de trabalho se mova, completando ambas as peças ao mesmo tempo e cortando a peça de trabalho ao meio após o flange.
No entanto, uma vez que as peças pequenas, como as pegas de panelas, são frequentemente cortadas a partir do material em excesso nas bordas, o que não satisfaz as condições acima referidas, esta descrição centra-se principalmente em matrizes de flangeamento individuais.
Durante o processo de dobragem simples, o material é puxado pela força de flangeamento unilateral, resultando em deslizamento. A chave para a conceção de tais matrizes reside na prevenção do deslizamento do material e na garantia de que a linha de flange está corretamente posicionada.
Antes de o punção entrar em contacto com a peça de trabalho, utilize uma placa de pressão móvel para fixar firmemente a peça de trabalho. A força de fixação deve exceder a força de flangeamento.
Incorporando vários factores de compensação, a fórmula para estimar a força de flangeamento de materiais de aço inoxidável é a seguinte
Na fórmula:
Atualmente, a maioria destes tipos de moldes utiliza predominantemente elastómeros de borracha como elemento elástico para aplicar pressão. Os elastómeros de borracha oferecem vantagens significativas, tais como elevada elasticidade, excelente desempenho de recuperação e resistência ao rasgamento.
A espessura do elastómero de borracha não é necessariamente melhor quando aumentada; uma espessura óptima é geralmente três a quatro vezes a soma da altura do flange mais uma certa tolerância.
Se a pressão dentro da altura calculada for insuficiente, podem ser colocadas em camadas folhas de borracha mais finas, com calços de aço finos ensanduichados entre elas. O aumento da área de superfície da borracha pode aumentar a pressão aplicada. No caso de peças perfuradas com orifícios, é melhor utilizar o posicionamento dos orifícios conforme indicado na Figura 5-24.
1) Elastómero de borracha, 2) Pino de transmissão de força, 3) Placa de localização, 4) Punção, 5) Placa de obturação, 6) Matriz e 7) Suporte inferior da matriz.
Durante o processo de brasagem entre o bico e o corpo de um pote em forma de dióspiro, para conservar o dispendioso material de brasagem de prata, é necessário formar um flange vertical ao longo da linha de contorno da extremidade maior do corpo do pote. A operação de flangeamento no bico é efectuada numa prensa de bancada do tipo cantilever, com a matriz colocada numa posição invertida, como se mostra na Figura 5-25.
1. Corpo da chaleira, 2. placa de retenção do punção, 3. suporte do bloco, 4. matriz, 5. punção, 6. elemento elástico, 7. bancada de trabalho cantilever.
Durante a operação, colocar o corpo da chaleira pré-perfurado 1 na matriz de perfuração 5 com características de posicionamento. À medida que a matriz 4 desce, vence a resistência do elemento de mola 6 para flangear a peça de trabalho. Quando a matriz superior sobe, a placa de elevação 3 é levantada pela força da mola, libertando a peça de trabalho da posição de flangeamento.
Na fase de projeto, é fundamental garantir que a distância vertical entre o bico da chaleira e a bancada de trabalho em consola excede o curso de flange para evitar danos no bico.
Na produção de chaleiras de aço inoxidável, o bico é normalmente processado usando uma técnica de flangeamento duplo, como mostrado na Figura 5-26. Durante o projeto, a altura da primeira flange deve ser moderada, variando de 4 a 6 vezes a espessura do material. A altura do segundo flange não deve ser muito pequena e deve variar de 8 a 12 vezes a espessura do material.
Nesta fase, a folga em ambos os lados do punção e da matriz deve ser aumentada para 1,5 a 2 vezes a espessura do material. Durante o segundo processo de flangeamento, a borda formada pela primeira flange pressionará automaticamente contra a segunda flange, criando um efeito semelhante a uma borda frisada.
1. O efeito após perfurar o corpo da chaleira. 2. O primeiro flanger. 3. O segundo flangeamento.
A Figura 5-27 ilustra uma peça flangeada com um arco arredondado, com uma espessura de material de 1,0 mm e uma altura de flange de 12 mm. Com base na experiência, para evitar o enrugamento sob compressão, a altura do flange H não deve exceder 14 vezes a espessura (H≤14t). A matriz de conformação é mostrada na Figura 5-28.
Normalmente, para aumentar a fiabilidade operacional, o arco do punção deve ser ligeiramente mais longo do que o da peça de trabalho, sendo a matriz inferior 6 a 10 mm mais larga do que a matriz superior.
O inserto da matriz (3) pode ser feito de aço de baixo carbono. A superfície de trabalho da placa de desgaste (9) é arredondada para servir principalmente a função do raio do canto da matriz (R). O seu processamento como um componente separado pode reduzir o consumo de aço para ferramentas ou aço rápido para ferramentas, diminuir a dificuldade de fabrico e permitir um ajuste fino da folga entre o punção e a matriz.
O punção e a placa de decapagem são adaptados ao desenho do produto. O bordo de trabalho da placa de desgaste é paralelo à sapata da matriz. O material é gradualmente formado durante o curso descendente e, por fim, ejectado da cavidade pela placa de remoção.
O tubo pode ser alargado para fora utilizando um punção cantilever com uma esfera de aço. O esquema da estrutura do molde é mostrado na Figura 5-29, que é adequado para o flangeamento após um furo pré-fabricado ter sido processado no material do tubo.
O processo de trabalho do molde é o seguinte:
Primeiro, coloque uma esfera de aço com o diâmetro adequado no interior do tubo no local de perfuração, depois coloque o tubo na horizontal, encaixe o punção sobre ele e pressione a esfera de aço. Neste ponto, ligue a máquina de prensagem e, à medida que a matriz superior se move para baixo, força o punção a mover-se para baixo, empurrando a esfera de aço através do tubo.
Após o retorno da matriz superior, o punção levanta-se automaticamente, é removido do tubo e, assim, todo o processo de flangeamento é concluído.
A estrutura deste molde é simples e praticamente sem restrições na direção do comprimento, mas a resistência do molde em consola é limitada pelo diâmetro interior do tubo de aço. O flangeamento pode ser efectuado em tubos mais grossos com um diâmetro interior de 40 mm ou superior.
Nesta conceção, é adicionado um elastómero de borracha por baixo da matriz superior para reduzir o ruído; e o parafuso de limite pode ser ajustado para definir a altura do punção.
1. Mecanismo de ejeção 2. Base inferior da matriz 3. Inserção do molde 4. Localizador 5. Punção 6. Base superior da matriz 7. Placa de retenção do punção 8. Placa de remoção 9. Placa dura
1. Suporte da matriz, 2. matriz côncava, 3. haste de pressão, 4. elastómero de borracha, 5. matriz superior, 6. material do tubo, 7. esfera de aço, 8. batente de posicionamento do material do tubo, 9. Assento de elevação da barra de pressão, 10. Parafuso de limite, 11. Mola, 12. Suporte.
A figura 5-30 ilustra um molde de formação da boca de uma rede de escumadeira, que também pode ser utilizado para fabricar os anéis de revestimento das folhas de malha metálica de outros componentes cilíndricos, como os filtros de ar do motor.
As partes principais do coto são constituídas por um cone de expansão (8), blocos de expansão (4), molas de retorno (3 e 6) e uma base inferior do coto (1).
Os blocos de expansão são dimensionados de acordo com o diâmetro interno da peça após a conformação. São fabricados a partir de material tratado termicamente e depois maquinado.
Estes blocos são divididos em secções iguais e são cortadas folgas específicas para garantir que, uma vez contraídos, mantêm uma folga razoável com o anel pré-fabricado. As molas de retorno (3 e 6) apertam os blocos de expansão (4) quando estes se encontram em estado livre.
Quando o anel pré-fabricado (5) é colocado sobre o bloco de expansão (4), a matriz está na posição de reposição e o diâmetro externo do bloco de expansão (4) é menor do que o diâmetro interno do anel pré-fabricado (5).
À medida que a matriz superior se desloca para baixo, o bloco de pressão (7), acionado pela mola forte (10), supera a força ascendente da mola (2), forçando o bloco de expansão (4) a deslocar-se para baixo e a expandir-se para fora, aumentando o seu diâmetro exterior até se ajustar confortavelmente ao diâmetro interior da peça de trabalho. Quando o bloco de expansão tiver descido completamente, o seu diâmetro exterior deixa de aumentar.
A matriz superior continua a mover-se para baixo, empurrando o anel pré-fabricado (5) para a ranhura em R para o formar gradualmente. O material comprimido flui para cima ao longo do diâmetro externo da matriz superior, formando um novo diâmetro externo e criando uma folga designada com o diâmetro original para acomodar a folha de malha metálica.
Quando a matriz superior sobe, a peça permanece na matriz inferior e o bloco de expansão, sob a ação combinada da mola (2) e das molas de retorno (3 e 6), contrai-se em diâmetro, facilitando a remoção da peça.
Ao adicionar ou remover calços (não indicados no diagrama) por baixo da placa de suporte (12) ou do cone de expansão (8), o diâmetro dos blocos de expansão pode ser ajustado.
Este molde funciona de forma fiável e não necessita de peças em bruto de alta qualidade; pode mesmo ser utilizado com anéis de material soldado por sobreposição.
1 Base, 2 Molas, 3 & 6 Molas de Retorno, 4 Blocos de Expansão, 5 Anéis Pré-formados, 7 Blocos de Fixação, 8 Mandris de Expansão, 9 Base Superior do Molde, 10 Molas de Trabalho Pesado, 11 Molde Superior, 12 Placa de Suporte, 13 Pino Central da Mola
A figura 5-31 ilustra uma matriz de flangeamento superior e inferior adequada para flangeamento de material espesso.
A conformação por flangeamento da extremidade do tubo é um processo de conformação especializado que evoluiu das técnicas tradicionais de flangeamento por estampagem. Envolve a aplicação de pressão axial ao tubo através de uma matriz para induzir uma deformação de flexão localizada na extremidade da boca do tubo.
Esta técnica permite o fabrico de peças com as vantagens da simplicidade, do menor número de etapas de processamento, do menor custo e da elevada qualidade, podendo mesmo produzir peças difíceis de obter com outros métodos de estampagem. Este processo tem sido amplamente adotado em sectores industriais como o automóvel e o aeroespacial.
Existem dois métodos básicos de conformação de flanges de extremidade de tubo: flangeamento externo e flangeamento interno, como mostrado na Figura 5-32.
1 - Punção, 2 - Placa de decapagem, 3 - Matriz, 4 - Levantador, 5 - Ejetor de mola.
a) e b) Flange exterior; c) e d) Flange interior.
1. Tubo em branco 2. Anel de guia 3. Molde cónico 4. Matriz de filete.
O processo de laminagem de tubos não só forma eficazmente uma variedade de tubos cilíndricos de parede dupla e componentes de tubos com várias camadas, como também processa copos de fundo convexo, tubos escalonados, tubos com formas especiais, bem como tubos duplos de meia parede, cilindros anulares de parede dupla, porcas ocas de parede dupla, permutadores de calor, silenciadores para automóveis e guias de ondas utilizados na indústria eletrónica.
Atualmente, estes componentes são geralmente fabricados através de métodos de estampagem e soldadura em várias etapas, que são difíceis, dispendiosos e produzem uma má qualidade de superfície. O processo de laminagem garante a fiabilidade, a leveza e a poupança de material para estas peças.
Uma vasta gama de materiais tubulares é adequada para o processo de laminagem, incluindo ligas de alumínio, aço de baixo carbono e aço inoxidável austenítico. Os tubos com dimensões entre 5 mm x 0,5 mm e 250 mm x 5 mm podem ser laminados com êxito em tubos de camada dupla.
a) Tubo de laminagem em forma de cone, b) Tubo de laminagem + laminagem, c) Tubo de laminagem + alargamento, d) Tubo de laminagem por estiramento.
A fiação de tubos é um processo de deformação complexo que envolve a transição da deformação de alargamento para a deformação de enrolamento e depois para a deformação de fiação. Para garantir uma transição suave entre os modos de deformação, é essencial satisfazer as condições mecânicas, geométricas e de plasticidade durante a deformação. Os principais parâmetros do processo incluem a força de fiação, o ângulo do semi-cone da matriz, a espessura relativa da parede do tubo e as condições de plasticidade do material do tubo.
Sob pressão axial, o tubo em branco gira de dentro para fora, transformando a parede interna do tubo na parede externa. Este processo aumenta o diâmetro do tubo. Embora a carga de pressão externa engrosse ligeiramente a parede do tubo, a tensão de tração circunferencial produzida pela rotação para o exterior é mais forte, conduzindo a uma parede do tubo mais fina.
Os tipos de moldes para a fiação de tubos para o exterior incluem principalmente matrizes cónicas, matrizes de ranhura anular e matrizes de fiação por estiramento. Quando se processam tubos de camada dupla utilizando matrizes cónicas ou de ranhura anular, a parte superior do molde não só aplica pressão ao material do tubo, como também tem de ser equipada com um anel de guia para direcionar o material que já foi fiado.
A matriz cónica é o tipo mais representativo de matriz de fiação. Ao projetar uma matriz cónica, a principal consideração é determinar o ângulo do semicone (a) para satisfazer as condições de fiação. Com base nos cálculos de tensão-deformação e plasticidade e considerando a influência do alongamento do material, o ângulo do semi-cone (a) deve cumprir a seguinte condição: 22,5° ≤ a ≤ 55°.
À semelhança do alargamento do tubo, o diâmetro exterior máximo do tubo fiado também é limitado pela taxa de alongamento do material. Em princípio, a dimensão do diâmetro de fiação pode ser escolhida livremente entre a taxa de alongamento do material e o raio de enrolamento mínimo.
Quando é necessária uma grande diferença de diâmetro antes e depois da centrifugação, deve ser utilizado um ângulo de semi-cone maior. Inversamente, deve ser selecionado um ângulo de semi-cone mais pequeno quando é necessária uma diferença de diâmetro menor.
As matrizes cónicas são versáteis, têm baixo atrito, estruturas simples e são fáceis de fabricar. No entanto, quando o tubo em bruto se deforma numa matriz cónica, tem tendência a deslizar, dificultando uma centragem precisa.
A fiação encontra-se num estado de deformação livre, determinado apenas pelo princípio da resistência mínima e do equilíbrio das tensões, e é significativamente afetada pela não uniformidade da estrutura do material, o que torna difícil a produção de componentes tubulares de alta qualidade. Para evitar que a extremidade do tubo deslize na matriz do cone, pode ser adicionada uma caraterística de guia cilíndrica à cabeça do cone, resultando numa melhoria notável, como se mostra na Figura 5-34a.
a) Matriz cónica de localização b) Matriz de raio ranhurado c) Matriz de alargamento
O molde de ranhura de canto de raio é um tipo de molde de alargamento de tubo derivado do molde de flangeamento da extremidade do tubo (flangeamento). Numa matriz cónica com uma saliência de posicionamento, a intersecção da saliência e da superfície cónica é transformada numa transição cónica para facilitar a ondulação e a deformação do tubo em bruto. Este molde apresenta excelentes propriedades de centragem.
À medida que o material do tubo é alargado, é restringido pelo raio r da ranhura circular, resultando em componentes de tubo consistentemente de alta qualidade, como mostrado na Figura 5-34b.
O projeto da matriz de ranhura de canto de raio envolve principalmente a determinação do raio r da ranhura circular. O tamanho de r não só dita o efeito de restrição na deformação do tubo em bruto no canto de raio, mas também determina a interferência geométrica entre o alargamento e a parte não deformada do tubo em bruto.
Por conseguinte, é um parâmetro de processo crítico que deve ser maior ou igual ao raio de curvatura mínimo do material e menor ou igual ao raio permitido com base na taxa de alongamento do material.
Ao projetar a matriz de ranhura de canto de raio, não é necessário calcular o raio r. Em vez disso, este pode ser fornecido com base na experiência e nas dimensões indicadas no desenho.
Para tubos de aço inoxidável, o raio de curvatura mínimo é normalmente
R=3t
em que t é a espessura do material.
O diâmetro máximo de alargamento do tubo para tubagem geral é
d=D(1+1,4A)
E para tubos soldados, o diâmetro máximo de alargamento do tubo é
d=D(1+1.3A)
onde:
Ao efetuar o flangeamento de tubos com os tipos de molde acima mencionados, podem ocorrer defeitos como o enrugamento induzido pela instabilidade ou a flexão da secção flangeada. Isto deve-se ao facto de a peça em bruto do tubo estar sob tensão de compressão durante a deformação. Em contraste, o molde de flange extensível coloca a secção deformante do tubo em bruto sob tensão de tração quando sujeita a carga externa, eliminando assim completamente o fenómeno de enrugamento durante o flangeamento.
Além disso, a zona de deformação é determinada pela forma do molde, permitindo que a precisão dimensional da peça de trabalho seja totalmente controlada pelo molde. Por conseguinte, para componentes tubulares com requisitos rigorosos de precisão dimensional, deve ser utilizado um molde de flange extensível.
Para reduzir a resistência à fricção na secção já flangeada, o comprimento de trabalho do diâmetro exterior do molde deve ser entre 8 e 12 mm, com as restantes secções vazadas, como se mostra na Figura 5-34c.
Antes de o molde de flange extensível começar a funcionar, a extremidade do tubo é primeiro expandida numa face de flange para servir de superfície de fixação durante o estiramento. Consequentemente, o diâmetro exterior do tubo formado pelo molde de flange extensível é sempre mais pequeno do que o diâmetro exterior máximo permitido pela taxa de alongamento do material.
Durante o flangeamento para dentro, o tubo em bruto é enrolado de fora para dentro, resultando num diâmetro externo mais pequeno após a conformação.
A flangeagem interior de moldes duros é raramente utilizada nas práticas de produção. O processo de conformação do flangeamento interior é muito mais difícil do que o flangeamento exterior, uma vez que o material engrossa continuamente.
Durante este processo de espessamento, a estrutura cristalina do material tem de ser reorganizada. A força necessária para o rearranjo da rede cristalina é mais de quatro vezes superior à tensão de tração necessária para o material se alongar (resistência à tração).
Uma vez que o limite de elasticidade do material é sempre inferior à força necessária para o rearranjo da rede, o material do tubo torna-se instável e enruga-se antes mesmo de entrar no processo de flangeamento, impossibilitando a conclusão do flangeamento para dentro.
De facto, existem muitas técnicas alternativas ao flangeamento interior, incluindo a utilização de tubos de menor diâmetro para o flangeamento exterior, bainha de rolos e redução do diâmetro por corte seguido de estiramento interior e flangeamento (ver Figura 7-21).
Entre os métodos acima mencionados, o mais comummente utilizado é o flangeamento para fora de tubos de pequeno diâmetro, que envolve a utilização do tamanho do diâmetro interno do tubo vazio como o tamanho do diâmetro interno necessário do componente do tubo, enquanto o tamanho após o flangeamento para fora se torna o diâmetro do componente.
Quando se utilizam rolos para flangear para dentro, existem certas limitações entre a espessura e o diâmetro do material, especificamente um rácio de D/t ≥ 200 é necessário para que o processo decorra sem problemas. Caso contrário, a resistência causada pela agregação de material pode ser excessiva, resultando num diâmetro externo poligonal da peça de trabalho.
a) Abertura da folha circular b) Desenho c) Corte d) Flangeamento e) Bainha
Uma bacia é essencialmente uma versão alargada de uma bacia concebida para aumentar a capacidade. Para aumentar a sua resistência, é adicionado um degrau de flange ao bordo laminado, como se mostra na Figura 5-35.
O processo de laminagem é estrategicamente colocado antes do flangeamento para evitar o enrugamento do flange. Embora o mecanismo de deformação da secção laminada durante o flangeamento ainda não seja totalmente compreendido, provou ser eficaz na prática.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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