Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de outubro de 2009.
Estudos anteriormente efetuados sobre a conformação de aços inoxidáveis concluíram que o tipo 304, que apresenta microestrutura austenítica, exibe notável melhoria em sua estampabilidade quando é conformado sob temperaturas elevadas (de 100 a 200 °C).
O parâmetro mais comum para se avaliar a estampabilidade no caso de copos redondos é a razão-limite de estirabilidade, definida como a razão máxima de estiramento entre os diâmetros de blanque e de copo que pode ser obtida com sucesso, sem a ocorrência de rugas e fissuras (1).
Fig. 1 – A matriz e o prensa-chapas foram aquecidos usando-se cartuchos, enquanto o punção foi refrigerado por circulação de água para efetuar a estampagem profunda de um copo redondo com 40 mm de diâmetro.
O Centro de Pesquisa em Engenharia para Manufatura Próxima do Formato Final, em cooperação com a Aida Corporation (de Dayton, OH, EUA), e um fabricante de peças de aço inoxidável, conduziram experimentos usando um ferramental para produção de copos redondos, com o objetivo de determinar a influência da temperatura sobre a razão-limite de estiramento.
A figura 1 mostra o esquema e as dimensões do ferramental usado para a estampagem profunda a morno de um copo redondo com 40 mm de diâmetro. A matriz e o prensa-chapas foram aquecidos por cartuchos, enquanto o punção foi resfriado por circulação de água.
O ferramental foi montado em uma servoprensa com 110 toneladas de capacidade localizada nas instalações da Aida Dayton Technologies. A servoprensa permite infinita liberdade para a programação das características de velocidade do martelo da prensa ao longo de um dado curso. Este recurso é muito útil para otimizar o processo de estampagem profunda a morno.
Fig. 2 – Foram selecionados blanques com espessura de 0,87 mm e com quatro valores de diâmetro, permitindo a obtenção de quatro razões de estiramento.
O martelo da prensa pode ser programado para se deslocar sob baixa velocidade durante a conformação, com o objetivo de reduzir a taxa de deformação e melhorar a conformabilidade, bem como apresentar rápido curso de retorno para reduzir o tempo de ciclo da operação de conformação a morno. Pode-se programar um estágio de espera na curva de movimentação do martelo da prensa para proporcionar um período de aquecimento do blanque antes que a estampagem profunda se inicie.
Foram usadas chapas de aço inoxidável tipo 304 nesta investigação, na forma de blanques com 0,87 mm de espessura. Foram adotados quatro valores de diâmetro, de forma a obter quatro razões de estiramento (figura 2).
Foi selecionado como lubrificante um filme vazado feito com resina de politetrafluoretileno (PTFE), marca VAC-PAK HT-620, com alto índice de alongamento e resistência ao calor. A espessura nominal do filme lubrificante era da ordem de 0,076 mm.
Procedimento do ensaio para determinação da razão-limite de estiramento
A prensa servo-mecânica foi programada para fixar a amostra entre as matrizes aquecidas durante 90 segundos (estágio de espera). A seguir o martelo da prensa se moveu sob velocidade constante de 2,5 mm/s para conformar a chapa contra o punção estacionário (estágio de conformação).
O seguinte procedimento foi adotado para determinar a razão máxima de estiramento para cada valor de temperatura de matriz:
1) A cada temperatura de ensaio era selecionado o menor valor de diâmetro de blanque para a estampagem profunda. Se o copo fosse estampado com sucesso, selecionava-se então um blanque com diâmetro maior para o próximo ensaio de embutimento;
2) Este procedimento era feito até que se obtivesse um copo fraturado. O último copo estampado com sucesso determinava a razão-limite de estiramento para o valor de temperatura usado no ensaio. Foram determinadas as razões-limite de estiramento para diferentes valores de temperatura usando-se este procedimento experimental. Em caso de enrugamento, aumentava-se a força de prensa-chapas para promover sua eliminação, repetindo-se então o experimento. Se o copo fraturasse, então a força de prensa-chapas era diminuída para facilitar o fluxo de material a partir do flange, ao mesmo tempo em que se evitava o seu enrugamento.
Efeito da temperatura da matriz sobre a razão-limite de estiramento
A consistência dos resultados foi confirmada com a execução de ensaios de múltiplas amostras sob diferentes temperaturas de matriz e velocidade de conformação de 25 mm/s. Os resultados obtidos mostraram que a razão-limite de estiramento aumentou à medida que se elevou a temperatura da matriz, ao longo da faixa entre 25 e 150 °C em que foi feita esta investigação sobre conformabilidade.
Fig. 3 – Os limites de estampabilidade do material foram investigados sob velocidades crescentes de conformação, com valores próximos dos obtidos sob condições de produção industrial (2,5 mm/s, 25 mm/s e 50 mm/s).
Sob esta última temperatura de matriz foi estampado com sucesso um copo sob razão de estiramento igual a 2,5. Foram cortados copos conformados sob diferentes temperaturas, sendo então medidas as distribuições de espessura ao longo da direção de laminação e transversal. O grau máximo de estricção sempre ocorreu nas proximidades do canto do punção, e esse grau de estricção elevou-se à medida que aumentou a razão-limite de estiramento.
Efeito da velocidade de conformação sobre a razão-limite de estiramento
Foram investigados os limites de estampabilidade do material sob velocidades de conformação mais altas, para valores próximos às condições de produção industrial – 2,5 mm/s, 25 mm/s e 50 mm/s (figura 3).
A estampabilidade foi melhor (ou seja, os valores da razão-limite de estiramento foram maiores) sob temperaturas elevadas do que sob temperatura ambiente. Contudo, esta melhoria de conformabilidade diminuiu significativamente sob maiores velocidades de conformação.
Constatou-se que, sob temperatura de matriz igual a 150 °C, a razão-limite de estiramento caiu de 2,5 (para velocidade de conformação de 2,5 mm/s) para 2,3 (para velocidade de conformação de 50 mm/s). Esta queda da razão-limite de estiramento pode ser atribuída ao reduzido tempo de contato entre o punção refrigerado e a chapa aquecida quando a conformação é realizada sob velocidades mais altas.
Por exemplo, para uma velocidade de conformação de 2,5 mm/s, o copo foi conformado em cerca de 18 segundos. Esse tempo passou a menos de 0,9 segundos quando a velocidade de conformação foi elevada para 50 mm/s. Sob tais períodos curtos de contato ocorreu uma drástica redução do efeito de resfriamento do punção sobre a temperatura da parede do copo. Desta forma a operação de conformação ocorreu sob condição próxima da isotérmica. Assim, sob altas velocidades de conformação, os benefícios da técnica de conformação a quente diminuíram.
Esta é a última parte de uma série de dois artigos sobre a conformação a morno de aços inoxidáveis. A parte I pode ser conferida na seção Tecnologia em conformação.
1) Hosford, W. F.; Caldwell, R. M. Metal Forming: Mechanics and Metallurgy; 2a ed. Englewood Cliffs (EUA): Prentice Hall, 1993, p. 287.
*Este estudo foi preparado por Ajay Yadav e Giovanni Stampinato, pesquisadores do Centro de Pesquisa em Engenharia para Manufatura Próxima do Formato Final (Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing, ERC/NSM) da Ohio State University, e por Taylan Altan (www.ercnsm.org), professor e diretor da instituição. Este artigo foi publicado originalmente na seção R&D Updates do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de outubro de 2009 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.