Estampagem profunda de chapas metálicas

Estampagem profunda É um processo de estampagem no qual uma chapa plana é passada por uma matriz côncava sob a pressão de um punção para formar uma peça oca aberta. Entre os vários tipos de componentes de chapa metálica, a estampagem profunda é frequentemente usada para processar diversas peças redondas simples, cabeças hemisféricas e parabólicas compostas de materiais maiores ou mais espessos.

Processo e requisitos de estampagem profunda

Em termos gerais, o processamento de estampagem profunda deve ser concluído utilizando uma matriz de estampagem sob a pressão de uma prensa. Em circunstâncias normais, o processamento a frio é utilizado, enquanto o processamento a quente é utilizado apenas para estampagem profunda de chapas mais espessas com dimensões externas maiores ou deformações maiores.

1. Processo de Desenho

A figura mostra o processo de desenho de colocação de uma placa plana circular com diâmetro D e espessura t no furo de posicionamento da matriz e desenho dela em uma peça cilíndrica.

Durante o processo de estampagem profunda, devido ao momento de flexão formado pela força de estampagem F e pela folga Z entre as matrizes convexa e côncava, o molde convexo se move para baixo para entrar em contato com a chapa e, em seguida, exerce pressão descendente, fazendo com que a chapa se dobre e se torne côncava, sendo guiada pelos cantos arredondados das matrizes convexa e côncava. Quando o punção é puxado para dentro do furo da matriz, o material da chapa se divide lentamente em três partes: o fundo, a parede e o flange; à medida que o punção continua a descer, o fundo basicamente não se move, e o flange anular continua a se contrair em direção ao furo e é puxado para dentro da cavidade. 

A abertura do molde se transforma em uma parede cilíndrica, de modo que a parede cilíndrica aumenta gradualmente e o flange se contrai gradualmente. Finalmente, o flange é completamente puxado para dentro da abertura da matriz e se transforma em uma parede cilíndrica, e o processo de trefilação termina. A chapa circular se torna um cilindro oco aberto com diâmetro d1 e altura h.

2. Análise de deformação por estampagem profunda

De acordo com o processo de deformação por trefilação, pode-se afirmar que o processo de trefilação é o processo no qual o flange anular se contrai gradualmente e flui em direção ao furo da matriz, tornando-se a parede do cilindro. O processo de trefilação profunda é um processo de deformação plástica relativamente complexo, e cada parte danificada do fio pode ser dividida em várias áreas de acordo com suas condições de deformação.

2.1 Fundo do cilindro: A parte circular onde a base do punção pressiona para baixo e entra em contato com a área central da chapa é a parte inferior. Durante o processo de trefilação, essa área sempre mantém uma forma plana e está sujeita a uma tensão radial uniforme ao seu redor. Pode-se considerar que não há deformação plástica ou há uma pequena área de deformação plástica, e o material da base transfere a força do punção para a parede do cilindro, gerando tensão de tração axial.

2.2 Parte do flange: A área anular na matriz é o flange, que é a principal área de deformação durante a estampagem profunda. Durante a estampagem profunda, o material do flange gera tensão de tração radial devido à força de estampagem. Quando os materiais se contraem e fluem em direção ao furo da matriz, eles se comprimem mutuamente, gerando tensão de compressão tangencial. 3 Sua função é semelhante à de puxar uma parte em forma de setor da peça bruta F através de uma ranhura imaginária em forma de cunha para se tornar a deformação de F, como mostrado na figura.

Quando o flange é grande e o material da chapa é fino, a peça do flange perde estabilidade devido à tensão de compressão tangencial durante a trefilação, formando o chamado "fenômeno de enrugamento". Portanto, um suporte de chapa é frequentemente usado para prensar o flange. Realizar a prensagem das bordas.

2.3 Parede simples: Esta é a área deformada, formada pela transferência de fluxo do material da peça do flange por compressão tangencial, alongamento radial e contração, e basicamente não sofre mais grandes deformações. À medida que a trefilação prossegue, ela desempenha o papel de transmitir a força de trefilação do punção para o flange. O próprio material da parede simples suporta a tensão de tração unidirecional durante o processo de transmissão da força de trefilação, sendo ligeiramente alongado longitudinalmente e ligeiramente mais espesso. Há afinamento.

2.4 A parte de canto arredondado da matriz côncava: a parte de transição onde o flange e a parede do cilindro se encontram. A deformação do material aqui é mais complexa. Além de possuir as mesmas características da parte do flange, ou seja, está sujeita a tensões de tração radial e compressão tangencial. Também suporta tensões de compressão espessas côncavas formadas pela extrusão e flexão do filete da matriz.

2.5 Parte arredondada do punção: a parte de transição onde a parede simples e a parte inferior do cilindro se encontram, é submetida a tensões de tração nas direções radial e tangencial, e a parte mais espessa é submetida à extrusão e flexão da parte arredondada do punção para produzir tensões de compressão. Durante o processo de trefilação, a direção radial é alongada e a espessura é reduzida. O afinamento mais grave ocorre na junção entre o canto arredondado do punção e a parede do cilindro. 

Ao iniciar a estampagem, ela se encontra entre as matrizes convexa e côncava, o que significa que menos material precisa ser transferido. O grau de deformação é pequeno, o grau de endurecimento por trabalho a frio é baixo e não há atrito benéfico nos cantos arredondados do punção. A área que precisa transmitir a força de estampagem é pequena. Portanto, esta parte se tornou a "seção perigosa" com maior probabilidade de quebrar durante a estampagem profunda.

3. Alterações na espessura da parede de peças repuxadas profundamente

A espessura irregular da parede das peças estampadas pode ser vista na imagem. A imagem mostra a alteração da espessura da parede da cabeça elíptica de aço carbono durante a estampagem, e a imagem mostra a alteração da espessura da parede do cilindro flangeado utilizando o suporte de chapa.

4. Requisitos de processo para processamento de estampagem profunda

O processo de estampagem profunda pode ser usado para processar peças com formas complexas e obter peças de paredes finas com formas cilíndricas, escalonadas, cônicas, quadradas, esféricas e diversas irregularidades. No entanto, a precisão do processamento de peças estampadas profundas está relacionada a muitos fatores, como as propriedades mecânicas e a espessura do material, a estrutura e a precisão do molde, o número e a sequência de processos, etc. A precisão de fabricação de peças estampadas profundas geralmente não é alta, e a precisão apropriada está abaixo do nível IT11. 

Ao mesmo tempo, devido à influência do desempenho de deformação por estampagem profunda, a processabilidade das peças estampadas afeta diretamente se a peça pode ser usada da maneira mais econômica e simples. O processamento é feito pelo método de estampagem profunda e afeta até mesmo se a peça pode ser processada por esse método. Os requisitos do processo para peças estampadas são os seguintes.

Precisão estrutural e do molde, número e sequência de processos, etc. A precisão de fabricação de peças estampadas geralmente não é alta, e a precisão apropriada está abaixo do nível IT11. Ao mesmo tempo, devido à influência do desempenho de deformação da estampagem profunda, a processabilidade das peças estampadas afeta diretamente se a peça pode ser usada da maneira mais econômica e simples. Ela é processada pelo método de estampagem profunda e afeta até mesmo se a peça pode ser processada pelo método de estampagem profunda. Os requisitos do processo para peças estampadas são os seguintes.

4.1 O formato das peças estampadas deve ser o mais simples e simétrico possível. Ao projetar peças estampadas, a tecnologia de processamento das peças deve ser levada em consideração, e uma forma que seja mais fácil de conformar e que atenda aos requisitos de uso deve ser adotada, na medida do possível. A figura mostra a classificação de acordo com a dificuldade de conformação por estampagem. Na figura, a dificuldade de conformação de vários tipos de peças estampadas aumenta de cima para baixo. 

A dificuldade de peças estampadas profundas semelhantes aumenta da esquerda para a direita. Entre elas: e representa o comprimento mínimo da aresta reta, f representa o tamanho máximo da peça estampada, a representa o comprimento do eixo curto e 6 representa o comprimento do eixo longo.

4.2 Para peças cilíndricas trefiladas com flanges, ao trefilar com suporte de blank, o flange mais adequado está na seguinte faixa:

4.3 A profundidade do desenho não deve ser muito grande (ou seja, H não deve ser maior que 2d). Quando puder ser desenhado de uma só vez, sua altura deve ser, preferencialmente:

4.4 Para peças cilíndricas trefiladas, o raio de filete r entre a base e a parede deve satisfazer ra>t, e o raio de filete entre a flange e a parede deve ser r>2t. Da perspectiva das condições propícias à deformação, é melhor considerar r ≈(3~5)t, r≈(4~8)t. Se r (ou r)>(0,1~0,3)t, a conformação pode ser adicionada.

Forma estrutural da matriz de trefilação e sua seleção

Embora os formatos das peças de estampagem profunda sejam diversos, a estrutura das matrizes de estampagem é relativamente padronizada. Dependendo das condições de trabalho de estampagem e do equipamento utilizado, as estruturas das matrizes de estampagem também variam. A adoção da estrutura da matriz de estampagem geralmente requer os cálculos de processo necessários, para que o plano de processo de estampagem possa ser selecionado adequadamente.

O processamento de estampagem profunda pode ser realizado em uma prensa de ação simples comum ou em uma prensa de ação dupla ou tripla. As matrizes de estampagem que operam em prensas de ação simples podem ser divididas em dois tipos: matrizes de estampagem inicial e matrizes de estampagem inicial e subsequente. Dependendo do uso de um suporte para chapas, elas podem ser divididas em dois tipos: com suporte para chapas e sem suporte para chapas. De acordo com o tipo de prensa, elas podem ser divididas em matrizes de estampagem utilizadas em prensas de ação simples, matrizes de estampagem utilizadas em prensas de ação dupla, etc.

1. Primeiro Desenho de Dados

A imagem mostra a primeira matriz de estampagem profunda sem suporte de borda. Ao estampar, coloque a peça plana na placa de posicionamento da matriz, e o punção se move para baixo, acionado pelo cursor da prensa, pressionando o material defeituoso contra a matriz até que todo o material defeituoso seja puxado para dentro da matriz e moldado. A extremidade superior da peça de trabalho estampada ultrapassa o anel raspador. Quando o cursor da prensa aciona o punção para cima, o anel raspador raspa a peça de trabalho do punção para concluir o processo de estampagem profunda.

A primeira matriz de trefilação sem suporte de borda é geralmente usada para peças de trefilação rasas com pequena profundidade de estampagem que podem ser prensadas de uma só vez. Quando o punção é pequeno, a estrutura geral pode ser adotada e fixada pela placa de fixação do punção. Para evitar que a peça de trabalho grude firmemente no punção, devem ser projetados orifícios de ventilação no punção.

A figura a mostra uma matriz côncava comum com extremidade plana e arcos, adequada principalmente para o processamento de peças grandes. A figura b mostra uma abertura cônica da matriz, e a figura c mostra uma abertura côncava com formato evolvente. São adequadas para o processamento de peças pequenas. Como a estrutura da matriz da figura bc apresenta uma forma de transição curva da peça bruta durante a estampagem, o tamanho aumenta. 

Capacidade anti-instabilidade, a força da boca da matriz na zona de deformação da peça bruta também ajuda a produzir deformação por compressão tangencial, reduzindo a resistência ao atrito e a resistência à deformação por flexão, o que é benéfico para a deformação por estampagem profunda e pode melhorar a qualidade da peça, mas o processamento é mais difícil.

A figura b mostra a primeira estampagem profunda com um anel de borda elástica. O anel de borda elástica é instalado no molde superior. Quando o punção se move para baixo, o material de baixa qualidade é pressionado firmemente sob a ação da força da mola, de modo que o material de baixa qualidade fique próximo à parte côncava durante o processo de estampagem.

Devido à limitação do espaço superior do molde, molas grossas não podem ser instaladas, portanto, este tipo de molde é adequado apenas para trefilação de peças com baixa pressão. Geralmente é usado para trefilar peças com materiais finos, de pequena profundidade e fáceis de enrugar.

Ao estampar uma peça com grande profundidade, é necessária uma mola (ou borracha) maior, o que dificulta a instalação se a mola ainda estiver posicionada na parte superior do molde. Portanto, uma estrutura montada na parte inferior pode ser usada para facilitar o ajuste da força do suporte da peça.

2. Molde de estampagem profunda para cada vez após a primeira vez

A Figura a mostra a primeira e as subsequentes estampagens profundas sem um suporte de chapas. Ela permite estampar produtos semiacabados que foram estampados profundamente até um determinado tamanho e, em seguida, estampar novamente. Geralmente, pode ser usada para aplicações onde o grau de deformação não é grande e a espessura da parede das peças estampadas precisa ser uniforme. 

E garantir a precisão do diâmetro e das dimensões das peças com um ligeiro afinamento. Para este tipo de molde, geralmente, para evitar perdas por atrito, o comprimento da parte de trabalho da parede reta do molde côncavo precisa ser reduzido ao máximo.

A Figura b mostra a estrutura da matriz de trefilação para a primeira e subsequentes vezes, para peças cilíndricas com anéis de borda. O posicionador 11 adota uma estrutura tipo luva e desempenha as funções de prensagem e posicionamento da borda simultaneamente. A força de prensagem é fornecida pela força do cilindro transmitida pelo pino ejetor 13. 

Para evitar rugas durante a estampagem profunda do material, a posição do pino ejetor de limite 3 pode ser ajustada para ajustar a pressão. O tamanho da força da borda pode manter a força do suporte da borda equilibrada, evitando que o material de má qualidade seja fixado com muita força.

O processo de trabalho do molde é: o cursor do punção se move para cima, o molde é aberto e o pino ejetor 13 levanta o posicionador 11 para o punção 1 através da placa de fixação do posicionador 12 sob a ação do cilindro de pressão.

As faces finais estão niveladas. Neste momento, a peça bruta trefilada é inserida no anel externo do posicionador 11. A corrediça da prensa começa a se mover para baixo. O pino ejetor de limite 3 começa a entrar em contato com a face da extremidade superior da placa de fixação do posicionador 12. Ao mesmo tempo, a matriz 2 também começa a entrar em contato com a superfície da extremidade superior do posicionador 11, e à medida que a prensa

À medida que o cursor se move gradualmente para baixo, o pino ejetor de limite 3 pressiona gradualmente a placa de fixação do posicionador 12, e a matriz 2 e o posicionador 11 trabalham em conjunto para ejetar gradualmente o produto semiacabado até o produto final. Quando a estiragem é concluída, o pino ejetor 13 empurra o posicionador 11 para que fique nivelado com a superfície da extremidade superior do punção 1 sob a ação do cilindro de prensa. Ao mesmo tempo, o martelo 7 ejeta as peças estiradas da cavidade do molde fêmea 2.

Para peças estampadas com diâmetro d ≤ 100 e peças estampadas com flanges ou formas complexas, a fim de facilitar a conformação por estampagem profunda, deve-se atentar para a correta relação entre a forma e o tamanho das matrizes de puncionamento nos processos anteriores e subsequentes, de modo que as formas e os tamanhos dos punções produzidos nos processos anteriores sejam corretos. A forma do blank intermediário é propícia à conformação em processos subsequentes. A relação entre as dimensões de cada processo de estampagem e seu raio de filete é mostrada na Figura a, onde t é a espessura do material.

Para peças cilíndricas de grande e médio porte, com diâmetro d>100, para os primeiros estampados e para o estampado profundo antes da conformação final, os cantos do cilindro frequentemente utilizam uma estrutura de conexão com ângulo de chanfro de 45° para evitar excesso de material nos cantos arredondados. A estrutura é mais fina e propícia à estampagem profunda. Essa estrutura não só facilita a localização do fio no processo subsequente, como também reduz a necessidade de dobrar e posicionar o fio repetidamente, melhora as condições de deformação do material durante o estampado profundo e reduz o afinamento do material. 

É útil melhorar a qualidade das paredes laterais das peças estampadas. No entanto, deve-se observar que o diâmetro inferior deve ser igual ao diâmetro externo do punção durante o próximo processo de estampagem. A relação entre o raio de filete do punção e da matriz côncava e o raio de filete do anel de borda nos processos frontal e traseiro é mostrada na Figura b.

3. Matriz de desenho para prensa de dupla ação

Ao utilizar uma prensa de dupla ação para estampagem profunda, o cursor externo pressiona a borda e o cursor interno faz a estampagem profunda. As peças estampadas mostradas na Figura a são cortadas e estampadas diretamente a partir de tiras e processadas por uma prensa de estampagem de dupla ação.

A Figura b é um diagrama esquemático da estrutura do molde das peças acima. Após o posicionamento da tira pelo pino de posicionamento 2, o suporte da peça bruta 7 e a base da matriz inferior 1 trabalham em conjunto para executar a estampagem. A matriz convexa de trefilação 4 e a matriz côncava de trefilação 3 são ejetadas. Os blocos 6 trabalham em conjunto para trefilar e moldar o material bruto após a estampagem. Finalmente, o pino ejetor 5 aciona o bloco ejetor 6 para empurrar as peças trefiladas para fora da cavidade da matriz côncava de trefilação 3.