O guia completo dos processos de estampagem de metais em alumínio
Índice
A própria base do fabrico de precisão é a capacidade de converter matérias-primas em produtos de alta qualidade. chapa metálica para peças funcionais. Entre os vários métodos de fabrico, estampagem de metais em alumínio é provavelmente a mais visível no domínio da engenharia atual. Funciona através de uma ação de conformação de metal utilizando uma prensa de elevada tonelagem e um conjunto de ferramentas e matrizes concebido para funcionar com ligas de alumínio. Este método é escolhido pelos fabricantes pelo tempo, fiabilidade e baixo custo unitário num elevado volume de produção que pode proporcionar.
Os cientistas e tecnólogos que combinam o estudo dos materiais e da engenharia têm um metal preferido, o alumínio, pela sua composição atómica que oferece a maior relação entre resistência e peso. A questão é bem diferente se pensarmos no aço como um material ferroso típico. Os aspectos metalúrgicos, tribológicos e de deformação plástica serão os factores chave quando se trata do processo que envolve a estampagem de uma peça de alumínio. Este artigo pretende ser um passeio pelos factores que influenciam o desempenho do processo de estampagem de alumínio. A lista de questões incluirá também a seleção de ligas, métodos operacionais, mecanismos de ferramentas e as técnicas de resolução de problemas mais frequentemente encontradas.
A ciência da seleção de ligas
Sucesso em estampagem de metais em alumínio começa realmente ao nível molecular. Diferentes formas de alumínio têm diferentes utilizações.
É essencial escolher a série de ligas correta em função das propriedades mecânicas necessárias. O alumínio puro é muito macio e, por isso, não tem a resistência ao cisalhamento necessária para os componentes estruturais. É por isso que, entre outras coisas, os fornecedores adicionam elementos de liga, como o magnésio, o silício ou o cobre, para alterar a estrutura do grão e melhorar o desempenho do metal.
Os engenheiros classificam estas ligas por séries. A escolha determina a formabilidade, a soldabilidade e a resistência à corrosão do material.
Tabela 1: Análise comparativa das ligas de alumínio para estampagem
| Alloy Series | Elemento de liga primário | Características Principais | Aplicações típicas de estampagem |
|---|---|---|---|
| 1xxx | Alumínio puro (99%+) | Elevada ductilidade, excelente resistência à corrosão, elevada condutividade eléctrica. Baixa resistência mecânica. | Barramentos eléctricos, equipamentos químicos, acabamentos decorativos. |
| 3xxx | Manganese | Resistência moderada (20% mais forte do que 1xxx), boa trabalhabilidade. Não pode ser tratado termicamente. | Utensílios de cozinha, permutadores de calor, tanques de armazenamento. |
| 5xxx | Magnesium | Elevada resistência, resistência suprema à corrosão (ambientes marinhos). Endurece rapidamente durante o trabalho a frio. | Painéis para automóveis, ferragens para a marinha, depósitos de combustível. |
| 6xxx | Magnésio e Silício | Tratável termicamente, elevada resistência estrutural, excelente formabilidade. A série mais versátil. | Chassis de automóveis, componentes de arquitetura, estruturas aeroespaciais. |
| 7xxx | Zinc | Resistência mais elevada (comparável à do aço). Difícil de estampar devido à baixa ductilidade. | Componentes estruturais aeroespaciais, engrenagens de alta tensão. |
Deve também ter em conta a designação da têmpera. A têmpera refere-se ao nível de dureza e elasticidade do metal.
- O-Temperatura: Suave, recozido e facilmente desenhável. Ideal para operações de estampagem profunda.
- H-Temperatura: A frio, trabalhado até um certo grau. O resultado é um material mais rígido e com menor maleabilidade.
- T-Temperatura: Tratamento térmico. Confere ao material o mais alto nível de resistência.
Benefícios de engenharia do alumínio estampado
Porque é que as indústrias continuam a mudar os seus materiais do aço para o alumínio? A principal explicação é o facto de se tratar de física e química.
Elevada relação resistência/peso
O alumínio tem uma densidade que é cerca de um terço da do aço. No entanto, a resistência à tração das ligas de topo pode igualar a do aço estrutural. Esta redução de peso é vital para a eficiência energética nos sectores automóvel e aeroespacial.
Passivação natural
O alumínio é um elemento que reage instantaneamente com o oxigénio do ar. Isto provoca a formação de uma camada muito fina e resistente de óxido de alumínio na superfície do metal. A película isola o metal subjacente, impedindo assim a continuação da oxidação. É por isso que as peças estampadas em alumínio têm a caraterística de serem resistentes à ferrugem, mesmo sem uma galvanização dispendiosa.
Dinâmica térmica e eléctrica
O alumínio é um excelente condutor de calor e eletricidade. Os dissipadores de calor feitos de chapas metálicas ajudam a arrefecer os dispositivos electrónicos de forma muito eficiente. Da mesma forma, a utilização de barramentos feitos de chapas metálicas ajuda a transferir a corrente com muito pouca resistência.
Técnicas de estampagem de metal em alumínio
Estampagem de metais em alumínio não é uma ação única. Trata-se de um conjunto de processos de enformação a frio. Os fabricantes utilizam técnicas específicas com base na complexidade geométrica da peça final.
Operações de obturação
O corte é o processo pelo qual uma peça plana de material geométrico é separada de uma bobina ou folha maior. O punção é baixado e corta o metal na matriz. A parte que cai é a parte utilizável (o blank). É muito importante que os engenheiros calculem as folgas com exatidão. O alumínio, por exemplo, precisa de uma folga muito mais apertada do que o aço para evitar a formação de rebarbas.
Cunhagem e compressão
Moeda resulta em intrincados pormenores e muito preciso tolerâncias. A prensa aplica uma força tremenda para deformar plasticamente o alumínio. O metal, à medida que vai fluindo, entra na cavidade da matriz e assume a topologia exacta da superfície da ferramenta. Este método ajuda a evitar o retorno elástico e produz superfícies muito lisas.
Mecânica de desenho profundo
Desenho profundo ajuda a formar formas tridimensionais, como latas, chávenas ou panelas. Um punção força uma peça plana de alumínio para dentro de uma cavidade da matriz. A profundidade do desenho é maior do que o diâmetro da peça. O material flui radialmente. A ductilidade do alumínio torna-o perfeito para este efeito, mas a lubrificação é obrigatória para evitar rasgões.
Gravação em relevo e textura de superfície
A gravação em relevo consiste em criar um desenho em relevo ou em reentrância na superfície do metal sem o cortar. A matriz estica ligeiramente o material. Os fabricantes utilizam-no para marcar, reforçar nervuras ou indicadores tácteis.
Operações avançadas de estampagem
O fabrico de grande volume significa que um produto passa por um processo com muita frequência e requer a satisfação de uma procura elevada. Além disso, o produto precisa de ser produzido de forma automatizada e rápida. As matrizes de estação única não são normalmente capazes de cumprir os requisitos acima referidos e falham frequentemente nestes casos.
1. Tecnologia de matrizes progressivas
A matriz progressiva criativa é um método de estampagem que utiliza um sistema de alimentação contínua. Uma bobina de alumínio é passada através de uma única matriz com várias estações. Em cada estação, é efectuada uma operação diferente (corte, dobragem, perfuração) à medida que a tira avança. Na estação final, a peça acabada é separada. Desta forma, a produção pode ser feita muito rapidamente, enquanto o trabalho efectuado é meticuloso até ao limite da tolerância.
2. Sistemas de transferência de matrizes
A estampagem por transferência é utilizada principalmente para componentes de maiores dimensões. Em seguida, um braço mecânico ou um dedo robótico de transferência recolhe o componente de alumínio e coloca-o na estação de estampagem seguinte. Isto permite aos fabricantes criar peças com geometrias complexas que não podem ser suportadas pela tira contínua de uma matriz progressiva.
3. Bloqueio fino para precisão
O corte fino é um método que evita totalmente a área quebrada e rasgada na borda do corte. Utiliza um ferrão em V, em forma de anel, para aplicar pressão sobre a folha antes do corte. O resultado é uma borda limpa e perfeitamente cortada. Os projectistas utilizam frequentemente esta técnica para fabricar peças de estampagem de alumínio que fazem parte dos componentes mecânicos em movimento, como engrenagens ou trincos.
Considerações críticas: Gestão do retorno elástico
Subtítulo: Ultrapassar a elasticidade do alumínio
Um dos problemas científicos mais desafiantes na estampagem de metais em alumínio é o "retorno elástico". Sabe-se que o alumínio tem um módulo de elasticidade mais baixo do que o aço. Quando a prensa de estampagem abre, o alumínio tenta voltar à sua forma original. Ele produz a tensão elástica que foi armazenada durante a deformação.
Este fenómeno altera o tamanho final das peças. Supondo que se dobra o alumínio a 90 graus, este pode ainda rebater até 92 graus. Os engenheiros de ferramentas têm de compensar este facto. Utilizam os métodos de "sobre-dobragem". Dobram o metal para além do ângulo pretendido, que depois se torna a especificação correta após o retorno elástico. A determinação do fator exato de retorno elástico envolve software de simulação de alta tecnologia e testes de materiais.
Lubrificação e Tribologia
Subtítulo: Gerir a fricção e a produção de calor
A tribologia é o estudo da fricção, do desgaste e da lubrificação. Na estampagem de metais em alumínio, o atrito é o adversário. O alumínio tende igualmente a ligar-se ao aço. Quando expostos ao calor e à pressão, os átomos do alumínio tendem a aderir à ferramenta de aço. Isto causa desgaste adesivo ou escoriação.
Por conseguinte, a utilização de lubrificantes especiais torna-se uma obrigação para os operadores para evitar esta situação.
- Lubrificantes sintéticos: Estes criam uma película poderosa que isola a ferramenta da peça de trabalho.
- Gestão da Viscosidade: O óleo deve ser suficientemente espesso para resistir à força, mas não demasiado espesso para impedir que o óleo flua nas cavidades complicadas do molde.
- Dissipação de calor: O lubrificante é também um refrigerante que elimina o calor resultante da deformação plástica.
Troubleshooting Common Defects
Mesmo quando se utilizam ferramentas precisas, continuam a surgir problemas. Saber por que razão o problema ocorreu é muito importante para controlar o processo.
Gripagem de adesivo
Como já foi referido, o alumínio adere à ferramenta. Isto causa acabamentos de superfície ásperos e peças que se rasgam.
Solução: Revestir o aço da ferramenta com revestimentos de Deposição Física de Vapor (PVD), tais como Nitreto de Titânio (TiN) ou Diamante, Como Carbono (DLC). Além disso, aumentar a quantidade de lubrificante utilizado.
Acumulação de óxido
O óxido de alumínio é uma cerâmica. Por conseguinte, é mais duro do que o metal que cobre. Quando se lasca, comporta-se como um grão abrasivo. Por isso, desgasta rapidamente a ferramenta.
- Solução: As ferramentas devem ser objeto de uma manutenção e de uma limpeza minuciosas e adequadas. O aço ferramenta de qualidade muito elevada (por exemplo, carboneto) é resistente ao desgaste.
Fissuras e rachaduras
Quando a força é demasiado grande para o alumínio aguentar, este parte-se. Isto é típico da estampagem profunda e da dobragem acentuada.
- Solução: Deve ser utilizada uma liga de maior ductilidade (O, temperamento). O raio de curvatura pode ser aumentado. A direção do grão do metal deve estar corretamente alinhada com a linha de dobragem.
Puxar lesmas
Por vezes, a sucata metálica (bala) que é ejectada recusa-se a cair pela matriz e, em vez disso, fica colada à face do punção. Isto pode ser um problema porque o punção vai forçar a limalha contra a chapa fresca, danificando assim tanto a peça como a ferramenta.
- Solução: Incorporar sistemas de vácuo na matriz. Fixar ângulos de corte na face do punção.
Capacidade de estampagem de metais em alumínio
A produção de peças de alto nível exige um colaborador com conhecimentos metalúrgicos. Um fabricante experiente está ciente das diferenças subtis entre as ligas 5052 e 6061. Ele tem as facilidades para criar matrizes que consideram a mola, o retorno e a expansão térmica. Independentemente de o trabalho ser efectuado com a ajuda de matrizes progressivas rápidas e móveis ou com o complicado processo de estampagem profunda, saber como fazer a estampagem de alumínio é uma forma de garantir que o artigo final cumpre as rigorosas normas da indústria.
FAQs
O que é a estampagem de metais em alumínio?
Alumínio estampagem de metais é um tipo de processo de moldagem a frio. A sua atividade consiste em utilizar matrizes e prensas hidráulicas ou mecânicas para cortar, dobrar e moldar chapas de alumínio em componentes fabricados com precisão.
Qual é a principal razão pela qual os engenheiros escolhem o alumínio para estampagem em vez do aço?
Um dos a principais razões pelas quais os engenheiros optam por o alumínio é a excelente relação força/peso do metal, a sua boa resistência à corrosão por natureza, e elevada condutividade térmica. Permite a produção de bens finais mais leves sem comprometer a sua durabilidade.
Como é que se decide qual a liga certa a utilizar num projeto?
É necessário avaliar a aplicação. Para dar prioridade à resistência à corrosão, utilize a Série 5xxx. Para as peças estruturais que requerem tratamento térmico, utilizar a série 6xxx. Para utilização geral, as séries 1xxx ou 3xxx são as mais adequadas.
O alumínio estampado pode ser anodizado?
Claro que sim. A anodização permite-lhe endurecer a superfície, torná-la mais resistente à corrosão e também dar-lhe cor. De qualquer forma, estampagem os lubrificantes têm de ser totalmente limpos antes da anodização.
A estampagem de alumínio requer lubrificantes especiais?
Sem dúvida. Desde alumínio normalmente fica com gripagem (paus) para ferramentas de aço, é necessário para utilização lubrificantes com elevada resistência da película e modificadores de fricção. Para facilitar a limpeza, os lubrificantes sintéticos, sem óleo, são geralmente preferidos.
As prensas normais podem trabalhar com o fabrico de alumínio?
Sim, tanto as prensas mecânicas normais como as prensas hidráulicas são adequadas. No entanto, as curvas de força e as velocidades podem ter para ser alterado. Muitas vezes, é necessário utilizar estampagem velocidades com alumínio para tirar partido da sua plasticidade.
Quais são as diferenças entre as ferramentas de alumínio e as de aço?
As ferramentas para estampagem de alumínio exige folgas maiores (normalmente 10, 15% da espessura do material) para evitar problemas com cisalhamento do material. Além disso, as ferramentas devem ter um nível de polimento mais elevado e revestimentos especiais para impedir a aderência do material.
Conclusão
A estampagem de metais em alumínio é uma combinação de maquinaria pesada e ciência dos materiais a trabalhar em conjunto. Pega no alumínio, um metal muito leve e amplamente disponível, e transforma-o nas peças essenciais que fazem os nossos carros funcionar, mantêm os nossos aparelhos seguros e ajudam a construir os nossos edifícios.
Ser bem sucedido na estampagem de metais em alumínio não é uma questão de sorte. Envolve a identificação das ligas certas, a conceção rigorosa das matrizes para lidar com o retorno elástico e o controlo rigoroso da lubrificação. À medida que as indústrias mudam o seu foco principal para reduzir o peso e serem mais amigas do ambiente, a procura de peças de alumínio estampadas de alta precisão irá definitivamente aumentar.
Mais ligações para referência
- A Associação do Alumínio: https://www.aluminum.org (Autoridade em matéria de normas e dados relativos ao alumínio).
- PMA (Precision Metalforming Association): https://www.pma.org (Normas industriais para a estampagem de metais).
- ASM International: https://www.asminternational.org (Sociedade de informação sobre materiais para dados de ligas).
- MatWeb: http://www.matweb.com (Base de dados para as propriedades dos materiais de tipos específicos de alumínio).
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