ESCOLA POLITÉCNICA

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

PMR 2202

Introdução à Manufatura Mecânica

Relatório do Laboratório 2 – Conformação e Soldagem da Caneca

Professor Gilmar Batalha

Professor João Batista

Data: 08/06

Nome de Guerra: IFIFI

Turma 1

Integrantes

Nº USP

Deborah Okuno

5434664

Filipe Batista

5437080

Gabriel Madureira

5434650

Laís Paixão

5437072

Rafael Zago

Índice

1. Introdução 3

1.1 Descrição do Projeto 3

1.2 Conformação 3

1.3 Soldagem 3

1.4 Ensaio de soldagem 3

1.5 Ensaio Não-Destrutivo por Líquido Penetrante 4

1.6 Objetivos do Projeto 4

1.7 Resumo das Normas 4

2. Materiais e Métodos 5

2.1 Procedimento do processo de estampagem profunda de materiais 5

3. Resultados 6

3.1 Estimativa prévia do tamanho do blank 6

3.2 Diâmetro da primeira matriz de embutimento 7

3.3 Raio da matriz 7

3.4 Folga entre o punção e a matriz 7

3.5 Estimativa da Carga total no Punção 7

3.6 Estampabilidade da chapa de aço 1020 com espessura de 1mm 8

4. Processo de Acabamento 9

4.1 Esforço para cortar a tira metálica por cisalhamento 9

4.2 Processo de Soldagem 9

5. Discussão e Conclusões 10

6. Referências Bibliográficas 10

1.Introdução

1.1Descrição do Projeto

O segundo projeto da disciplina PMR 2202 (Introdução à Manufatura Mecânica) consistiu na realização de uma caneca, feita com aço 1020 no dia 31 de agosto, durante a aula da disciplina, com a supervisão dos professores João Batista e Gilmar Batalha. Este relatório apresentará uma análise sobre os resultados obtidos experimentalmente, descrevendo o desempenho do aço 1020 durante processo de conformação e soldagem.

Neste projeto foram preparados blanks (círculos da chapa) que depois foram submetidos ao processo de estampagem profunda (ensaio de Swift), adquirindo a forma de caneca. Em seguida, juntou-se a cada caneca uma alça, do mesmo material, por meio da soldagem a ponto.

1.2Conformação

Conformação é o processo de transição de uma chapa de uma dada forma de um semi-acabado plano em outra forma. Tais processos são muito utilizados em indústrias automobilísticas e de eletro-eletrônicos. Um tipo de conformação é a estampagem que consiste em uma conformação por tração e também por compressão da chapa já recortada. A estampagem profunda transforma a chapa em um corpo oco. Tal processo é caracterizado pela introdução da peça na matriz através do punção, formando assim o corpo oco.

1.3Soldagem

Junção é um processo de união de duas ou mais peças. Um dos processos de junção é a soldagem, que consiste na junção de peças por meio da aplicação de uma força (por pressão) e/ ou fonte de calor (por fusão), com ou sem adição de material, conservando a continuidade física das peças. Esse tipo de união é de baixo peso e forma estruturas estanques com boa eficiência mecânica. Nesta experiência, o tipo de soldagem utilizada foi a ponto (com ponteamento dos dois lados).

1.4Ensaio de soldagem

Inicialmente o técnico alertou sobre os perigos da soldagem nos instruindo a usar máscaras de proteção e proibiu a participação no ensaio das pessoas utilizando lente de contato. Tomando cuidado com esses aspectos pudemos iniciar o ensaio, foram utilizadas três correntes diferentes, 60A (40,32s), 120A (28,35s) e 150A (15,06s). A soldagem foi feita em uma chapa de 100mmx60mm com um eletrodo de bitola 2.5, comprimento de 350mm, tipo E6013 e material aço 1020 pela ABNT. Esse ensaio é utilizado para verificar a existência de alguma falha no cordão de solda.

1.5Ensaio Não-Destrutivo por Líquido Penetrante

Após a soldagem, retira-se a escória da solda, joga-se um spray de líquido penetrante de coloração rosa, aprovado pela Petrobrás. Em seguida é jogado o revelador de falhas, um estilo de talco em pó. Para corrente de 60A pudemos observar a menor ocorrência de falhas, no entanto a soldagem não é a de melhor qualidade, pois não houve muita penetração. Já para corrente de 150A apesar de ter tido uma boa penetração o número de trincas foi muito alto. Observamos então que a corrente de 120A é a melhor das três por apresentar boa penetração com a formação de menos trincas.

1.6Objetivos do Projeto

Esta experiência teve como objetivo a realização de ensaios de fabricação, de modo a determinar a estampabilidade e a soldagem de uma caneca.

Para estampagem da caneca será preciso determinar o tamanho do blank necessário, a carga total no punção, o diâmetro do punção, a espessura do blank, a tensão de escoamento do blank, o coeficiente de atrito, as forças no prensa chapas e os esforços para dobrar endireitar o blank.

Além disso, para o processo de acabamento, junção e solda, é preciso identificar o esforço para cortar a tira metálica por cisalhamento, o melhor processo de junção da tira à caneca formando a alça, a corrente, o tempo e a pressão para a soldagem bem sucedida.

1.7Resumo das Normas

Para a realização do ensaio de Swift utilizou-se a norma ASTM E643-84. Tal norma não é exata para o ensaio realizado, pois esta utiliza um penetrador esférico, enquanto utilizamos um penetrador cilíndrico. No entanto, as especificações as quais não se referem ao tipo de penetrador podem ser adotadas para o ensaio.

Segundo a norma, o ideal seria um blank de 0,2mm a 2mm de espessura e de no mínimo 90mm de diâmetro, percebemos então que apesar de o diâmetro utilizado (55mm) ser bem menor que o indicado, a espessura de 1mm está dentro das normas. Pela norma deveríamos também realizar três testes para assegurar a precisão.

Sobre o punção, verificamos ainda, que o prensa-chapas deve prender o material de forma que não haja movimento da peça durante o ensaio, pois caso contrário pode ocorrer enrugamento da peça.

Em relação à força mínima recomendada para manter o blank preso, e para um correto resultado do ensaio, a norma indica ser de 9800N. Também diz a norma, que um lubrificante deverá ser usado apenas no punção, de preferência derivado do petróleo, para que os resultados e as distribuições de tensão no material sejam corretas.

Além disso, a velocidade utilizada no teste deverá estar contida no intervalo de 0,08 e 0,4m/s, mas a mesma deverá ser reduzida na fase final para que se possa reconhecer de forma mais clara o término do teste no momento correto.

Para a soldagem nenhuma norma formal foi utilizada, apenas seguiu-se as recomendações dos técnicos, os quais eram devidamente qualificados para isso, e inclusive nos instruíram às normas de segurança.

2.Materiais e Métodos

2.1Procedimento do processo de estampagem profunda de materiais

Inicialmente marcou-se 80 mm x 250 mm na chapa em forma retangular, cortando-a com a guilhotina. Em seguida, foram feitas duas estampagens do blank circular com diâmetros de 55 mm, com a prensa excêntrica (capacidade de 40T). Após isso, realizou-se a conformação com a prensa hidráulica (capacidade 300kN), em que o disco de blank é transformado em um copo, mantendo a espessura da chapa. Nesse processo, denominado ensaio de Swift, coloca-se o blank lubrificado sobre uma matriz com o auxílio do prensa-chapas, já que se trata de um ensaio com chapa fina (espessura menor que 1,2 mm). Então, o blank é pressionado com o punção de forma cilíndrica (diâmetro 33,6 mm), deformando-se plasticamente na região entre o diâmetro inicial e o do copo. Uma das canecas ficou com uma leve rebarba, já que não foi completamente conformada.

Como não havia uma altura especificada para o copo – copo fundo – não houve necessidade de realizar o estiramento.

Com o resto da chapa utilizada para a estampagem de blank, foram cortadas duas tiras de tamanho arbitrário que serviram para fazer a alça. O formato de cada alça foi diferente, para poder analisar as diferenças entre os dois projetos. Uma delas foi dobrada com ângulos de 90º três vezes como se observa na figura abaixo, soldando-a na região interior com a caneca totalmente conformada. No outro projeto, foi soldada ao redor da caneca.

Projeto 1 Projeto 2

A união à caneca foi feita por meio da soldagem a ponto por resistência elétrica. A soldagem a ponto é caracterizada pela aplicação de uma grande corrente que percorre dois eletrodos de cobre mantidos em contato com as partes a serem unidas. No ponto de contato surge uma resistência elétrica, aquecendo o material até a temperatura de fusão e rapidamente o ponto de solda é formado. Em seguida, a corrente é interrompida, e com a solidificação, retiram-se os eletrodos.

Ponto de Solda

Projeto 1 Projeto 2

3.Resultados

3.1Estimativa prévia do tamanho do blank

A estimativa do diâmetro de blank é feita com base na conservação do volume, assim temos:

Ablank.eblank =Apeça.epeça

Como a espessura é constante: Ablank = Apeça, ou seja:

Considerando que a caneca desejada deverá um diâmetro aproximado de d=35mm e altura aproximada de h = 15mm, podemos então saber qual deverá ser o diâmetro de blank, que será então aproximadamente de D = 58mm. Pela relação limite dos diâmetros para chapas finas ( d/D = 0,95 ) o diâmetro de blank deveria ser de aproximadamente 37mm.

3.2Diâmetro da primeira matriz de embutimento

Quando se deseja uma redução maior no diâmetro do copo, é necessário realizar várias operações de estampagem profunda, sendo que o diâmetro da primeira matriz de embutimento é aproximadamente .

3.3Raio da matriz

O raio da matriz para uma chapa de aço com espessura e equivale a

OBS: Sabe-se da teoria que o raio do punção nunca pode ser inferior ao raio da matriz (que é de 6 a 10 vezes a espessura da chapa)

3.4Folga entre o punção e a matriz

A folga entre o punção e a matriz é de grande importância, pois caso ela seja maior ou menor do que o necessário, podem ocorrer falhas. Para os aços, essa relação é , onde E é a diferença entre raio do punção e da matriz, e e é a espessura da chapa. Para esta experiência, tem-se que a folga equivale a E = 1,221 mm.

3.5Estimativa da Carga total no Punção

A carga total no punção corresponde à somatória de todas as forças envolvidas na deformação da peça, incluindo o atrito entre o blank e o anel fixador. Assim, a carga total no punção é aproximada pela seguinte fórmula:

Onde:

Fp = carga total no punção (N)

Dp = diâmetro do punção

t = espessura do blank

= Tensão de escoamento média do blank (MPa)

D0 = diâmetro inicial do blank

= coeficiente de atrito

Fa = força do anel fixador (prensa chapas) (N)

B = esforço gasto para dobrar e endireitar o blank (N)

Dpunção

33,6mm

Espessura do Blank

1mm

Dblank

55mm

σblank

180MPa

Coef. Atrito (μ)

0,15 (varia com o lubrificante)

A força no anel fixador (prensa chapas) é obtida pela fórmula Fa=3*Kmola* h, sendo Kmola a constante elástica de cada uma das três molas na prensa hidráulica e h a altura do copo. Assim Fa=3*(8.4+10.5+2.46)*15=961.2N e Fd= 13,63kN.

Força do Prensa Chapas

961.2 N

Carga do Punção

13,63 kN

3.6Estampabilidade da chapa de aço 1020 com espessura de 1mm

A estampabilidade pode ser avaliada pela seguinte fórmula: D0 / Dp. Então, neste caso tem-se que a estampabilidade do aço é 55/35 = 1,57.

Diâmetro mínimo do copo a ser conformado em uma única etapa

Caso o copo seja conformado em uma única etapa (sem processo de recozimento ou recuperação e sem ruptura), o diâmetro mínimo a ser conformado é de aproximadamente Dp = Do exp (-η), onde onde η corresponde à eficiência do processo, considerando as perdas por atrito, sendo 0 < η < 1. Assim, tem-se que o diâmetro mínimo é Dp = D0 * exp (-η ).

Supondo que o diâmetro do punção utilizado é o diâmetro mínimo que o blank “aceitaria” para conformação em etapa única, obteríamos a eficiência do processo da seguinte maneira:

Apresentando, assim para o latão, a eficiência de 49,3% no processo de estampabilidade.

Mesmo que o Dp utilizado não seja o mínimo possível, o cálculo garante que, como não houve ruptura, a eficiência do processo é de no mínimo 49,3%.

4.Processo de Acabamento

4.1Esforço para cortar a tira metálica por cisalhamento

Da literatura temos:

Onde,

T: Espessura

L: Comprimento

Considerando a espessura de nossa chapa, bem como as propriedades de nosso material, estimamos que o esforço necessário é de 840KN.

4.2Processo de Soldagem

Para estabelecer o melhor processo de soldagem, deve-se levar em conta o tipo de material, bem como fatores geométricos da solda. Julgamos que é importante levar em consideração o tamanho e a forma do material utilizado para esse procedimento. Como temos um corpo pequeno e de difícil manuseio a ser soldado é importante realizar um planejamento para a realização do procedimento de soldagem. A solda escolhida foi a solda ponto, pois o esforço a que será submetida essa caneca é baixo e por isso apenas 1 ponto de solda já será suficiente para suprir a resistência mecânica necessária. Além disso, esta solda já une, com eficiência, os componentes da soldagem no momento da solda sem a necessidade da criação de nenhum tipo de suporte ou fixação. Seria pouco lógico utilizar qualquer outro tipo de solda como, por exemplo, uma solda por arco elétrico que teria sua utilização dificultada pela fixação do corpo a ser soldado e pela aplicação precisa da solda.

Devido à espessura ser pequena, podemos estimar que o tempo de solda necessário para o procedimento será muito pequeno. Utilizamos uma ponteadora portátil modelo TWPP de 5kVA com tensão de 3,5V. Com um contato de 0,6s e uma corrente de 1428,6 A. A pressão comum manual já será eficiente para esse processo. Aproveitando o fato de podermos confeccionar duas canecas, utilizamos essa oportunidade para fazer um teste nos projetos de soldagem que foram idealizados por nós. Chegamos à algumas conclusões bem interessantes e abaixo temos um demonstrativo de algumas das comparações feitas.

Projeto 1

Projeto 2

Facilidade de Soldagem

Difícil, 2 operadores

Fácil, 1 operador

Eficiência da Soldagem

Baixa (há uma mobilidade relativa da alça e caneca)

Alta

Necessidade de Fixação

Apresenta muita dificuldade de fixação

Fixação feita pela própria solda ponto

Produtividade do Processo

Pouco produtivo

Muito produtivo

Design

Preza pela funcionalidade

Preza pela simetria

Número do Pontos de Solda

2

1

Desvantagem Principal

Dificuldade de realização

O ponto de solda fica no fundo da caneca, necessitando assim um tratamento no fundo da caneca antes de sua utilização.

Vantagem Principal

Procedimento único

Produtividade

Preço Final

Alto

Baixo

Após toda essa análise concluímos que apesar da necessidade de tratamento da superfície do fundo da caneca, o processo 2 se mostrou mais eficiente para a produção dessa caneca.

5.Discussão e Conclusões

6.Referências Bibliográficas

- KALPAKJIAN,2001 – Kalpakjian,S.;Schmid,S.R.; Manufacturing Engineering and Technology, 2001; 4o edição; Prentice Hall.

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