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Adequacy on practice of new process for bending and cutting to optimize steel sheet performance/ Adequacoes nas praticas dos novos processos de corte e dobra para otimizar o desempenho de acos planos.

1 INTRODUCAO

Processos de corte e dobramento sao as operacoes mais comuns no processamento de metais planos empregados para preparar chapas para as etapas posteriores de processamento e montagem de diversos produtos finais. Tais processos apresentam particularidades que podem influenciar, ou mesmo mascarar, o desempenho do material sendo trabalhado. Assim sendo, este artigo descreve as principais caracteristicas desses processos, as interferencias no processamento de produtos planos de aco e as solucoes obtidas simultaneamente por analises laboratoriais e em atividades de assistencia tecnica realizadas pelos autores.

O dobramento e um processo de conformacao plastica gerado pelo surgimento de esforcos de tracao e compressao simultaneos nos lados contrarios da chapa sendo dobrada. (1) Durante o processo, ocorre uma reducao de espessura e alongamento na parte sob tracao, conforme ilustrado na Figura 1a. O alongamento maximo pela face externa e o principal fator que limita a operacao. A razao entre a espessura inicial da peca ([e.sub.0]) e o raio de dobramento ([R.sub.i]) esta diretamente associada com o alongamento (%[DELTA]e/[e.sub.0]) que o material podera suportar nessa regiao, conforme se pode observar dos dados experimentais da Figura 1b. Fatores intrinsecos da chapa influenciam a operacao de dobramento, como a qualidade das bordas cortadas ou defeitos internos na chapa. Adicionalmente, deve ser considerado o grau de resistencia do material, mensurado por meio de ensaios de tracao, por exemplo, uma vez que os materiais com maior grau de resistencia mecanica tendem a apresentar menor ductilidade. (2,3)

[FIGURA 1 OMITTED]

Por outro lado, muitos processos de corte geralmente envolvem aquecimento e fusao localizada do material, que por vezes levam a alteracoes microestruturais, que devem ser consideradas. Isto e especialmente verdade no corte de um aco com maior carbono equivalente ([C.sub.eq]), que pode ser fragilizado quando e austenitizado pelo calor empregado no corte e depois resfriado rapidamente (4) pela extracao do calor promovida pelo restante do material que nao foi cortado. Mesmo que nao ocorra a austenitizacao do aco, esse tipo de corte pode comprometer o desempenho de ligas nas quais se emprega a precipitacao de carbonitretos como mecanismo para regular suas propriedades mecanicas. (5) Em todos esses casos, a regiao afetada constitui uma heterogeneidade, que pode gerar problemas no uso posterior da chapa, dai necessitando cuidados especiais.

As operacoes de corte mecanico normalmente produzem descontinuidades, principalmente rebarbas, na regiao das bordas e que passam a funcionar como concentradores de tensao. (6) A presenca de uma descontinuidade altera a distribuicao das tensoes aplicadas no material, produzindo:

* elevacao das tensoes na proximidade da descontinuidade/ entalhe;

* introducao de um estado triaxial de tensoes, mesmo que o componente tenha sido carregado apenas em tracao (estado uniaxial);

* endurecimento localizado com alta possibilidade de trincamento do material; e

* aumento localizado na taxa de deformacao.

[FIGURA 2 OMITTED]

2 CARACTERISTICAS DOS PROCESSOS DE CORTE

2.1 Corte Mecanico: Melhoria das Bordas Cortadas

No processo de corte por estampo ou por guilhotina as chapas sao submetidas a acao de pressao exercida por um puncao, uma lamina ou uma navalha de corte. A superficie de uma peca metalica cortada desta forma normalmente apresenta quatro regioes, ilustradas na Figura 2 (6,7):

* uma pequena regiao de deformacao plastica pela compressao da navalha sobre a superficie da chapa (roll over zone);

* uma regiao lisa de cisalhamento, brilhante (burnish zone ou shiny), na qual a navalha efetivamente penetra no material;

* uma regiao rugosa, opaca (matte ou fracture zone), na qual ocorre a ruptura final e assim tambem conhecida como regiao de "explosao";

* eventualmente, uma rebarba de arrancamento final (burr).

No final da decada de 80 foram desenvolvidos e incorporados procedimentos de corte mecanico, conhecidos como fineblanking, que oferecem grande precisao e qualidade de borda. (8) Nesses casos, o processo de corte visa nao gerar rugosidades ou rebarbas na superficie cortada, conforme exemplificado pela Figura 3. Esses procedimentos estao tornando-se comuns em algumas aplicacoes no Pais e requerem chapas com tolerancias dimensionais mais restritas e um balanco adequado de propriedades (resistencia/ductilidade) para essa aplicacao.

[FIGURA 3 OMITTED]

2.2 Corte Termico: o Avanco do Laser

Os processos de corte que envolvem fusao localizada sao por plasma, oxicorte e por laser. Cada um possui uma faixa de aplicacoes relativamente definida em funcao da espessura da peca a ser cortada. Esses processos sao caracterizados por obter formas complexas em pecas muito espessas (oxicorte ou plasma) ou em altas velocidades de producao aliadas a flexibilidade de tipos de corte (laser).

Dentre os processos de corte termico, atualmente o processo a plasma se destaca, (9) uma vez que vem ganhando espaco no corte de chapas grossas na faixa de espessuras (e) de 5 mm a 40 mm. Neste contexto, sao cortados por oxicorte materiais mais espessos, acima de 32 mm; pelo processo por laser, materiais mais finos, abaixo de 6 mm.

No processo por laser, a energia eletrica e transformada em uma luz com um so comprimento de onda ([lambda]), que concentra energia de forma muito eficaz. O meio para formacao do laser pode ser solido (YAG) ou gasoso (C[O.sub.2], [N.sub.2] ou He). Como nos demais processos de corte termico, no corte por laser e empregado um gas de assistencia, dentre os quais os mais utilizados sao: o oxigenio, o nitrogenio ou o Ar comprimido. A definicao da combinacao entre o gas de assistencia e o metal cortado e feita conforme a espessura, a velocidade e a qualidade de corte necessarias para as pecas a serem obtidas. (1)

A precisao do corte por laser dependera de fatores adicionais: regulagem do equipamento, qualidade superficial da chapa, nivel de tensao residual e composicao quimica. Neste caso, a rugosidade do corte de chapas de aco aumenta com maiores teores de carbono, fosforo e molibdenio e a qualidade do corte e melhorada com menores teores de enxofre e silicio. (10) No caso do silicio, esta e uma condicao amplamente reconhecida e esta ilustrada na Figura 4a.

[FIGURA 4 OMITTED]

O processo de corte por laser e o mais recomendado quando se necessitam pecas com um melhor acabamento. O corte por laser atinge o melhor nivel de precisao do angulo da borda, representado pelos niveis 1 ou 2, conforme previsto na norma ISO 9013. (11) O corte por laser tambem e a melhor opcao para produzir pecas de formas relativamente complexas e em quantidades variadas. Essa caracteristica permite ao produtor racionalizar a producao, reduzindo as perdas por descartes, aproveitando o maximo da superficie da chapa, como ilustra a Figura 4b.

3 MELHORIA NO DESEMPENHO NOS PROCESSOS DE CORTE E DOBRA

3.1 Geometria do Dobramento e Ductilidade do Metal

Chapas de aco podem apresentar alguma anisotropia gerada, por exemplo: por textura microestrutural (graos achatados ou alongados em uma determinada direcao), bandeamento ferritico-perlitico (especialmente em acos com maior teor em manganes) ou mesmo pela eventual presenca de inclusoes alongadas em acos mais simples. Assim, e de primordial importancia priorizar a operacao de dobramento com o eixo de dobra orientado na direcao transversal da laminacao da chapa. As anisotropias presentes podem produzir trincas, especialmente quando o material apresenta uma borda mais rustica ou quando se emprega uma geometria de dobramento desfavoravel com grande relacao espessura/raio interno. (1) Assim, acos com ductilidade diferenciada sao recomendados quando:

* e necessario realizar uma operacao de dobramento mais critica, com uma razao entre espessura e raio interno (e/Ri) maior que 1,6;

* deve-se dobrar, na direcao mais favoravel, chapas de acos com maior resistencia, especialmente com limite de escoamento maior que 350 MPa.

Uma melhor relacao entre ductilidade e resistencia e obtida durante a fabricacao dos acos atraves de refino de grao, uso de elementos microligantes, diminuicao da quantidade de elementos residuais indesejaveis (por exemplo, enxofre) e tratamento para alteracao da geometria ou formato das inclusoes (globulizacao). (12) Na Tabela 1 estao comparados tres grupos de acos, definidos de acordo com o Desempenho Relativo (DR) em dobramento. Esse desempenho e representado pela Equacao 1, cuja proposta e inspirada na metodologia dos Indices de Merito (IM): (13)

DR = [[sigma].sub.LE]/2e + b] [MPa/mm] (1)

onde: ([[sigma].sub.LE]) limite de escoamento em MPa; (b) calco de dobramento permissivel (adimensional); e (e) espessura da chapa em mm.

Esta equacao expressa de forma algebrica o compromisso entre duas caracteristicas dos acos para dobramento, permitindo comparar diretamente as melhores opcoes: aqueles que apresentam boa capacidade de dobramento possuem um DR acima de 20 MPa/mm, na espessura referencia de 5,00 mm.

3.2 Acabamento do Corte

Os processos de corte oferecem caracteristicas de acabamento diferentes entre si. Para pecas que serao posteriormente conformadas e necessario escolher o processo de corte mais adequado. A Figura 5 ilustra o desempenho na deformacao de uma chapa metalica contendo um furo de igual tamanho inicial, mas produzido por diferentes processos de corte em chapas de aco Complex Phase. (l8) O acabamento superficial, ilustrado por imagens obtidas por Microscopia Eletronica de Varredura (MEV), oferecido pelo processo de corte da peca, melhora o desempenho obtido em conformacao, que pode ser quantificado pelo tamanho maximo da expansao que pode ser obtido a partir do furo inicial: quanto melhor o acabamento, maior o tamanho do furo final obtido apos a conformacao.

A borda oriunda de um corte mecanico comum, obtida por estampo nao produzido por um processo de fineblanking, apresenta um lado mais "brilhante" ou "liso" (Figura 2). Assim, deve-se orientar essa regiao da peca na regiao de tracao do dobramento, onde ocorrem alongamento e reducao localizada de espessura (Figura l). Tambem e possivel introduzir um chanfro na lateral da chapa cortada, de maneira a melhorar a sua qualidade superficial, reduzir ou eliminar os pontos de concentracao de tensao e assim melhorar o desempenho do material. A Figura 6.a ilustra um caso pratico no qual a conformacao foi prejudicada devido as rebarbas de corte da peca.

[FIGURA 5 OMITTED]

A Figura 6b ilustra o acabamento de um corte por laser feito para obter blanks (pre-formas) de uma ferramenta a partir de uma chapa de aco SAE I045, com 0,25%Si e 9,50 mm de espessura. Pode-se notar, na parte inferior do corte, uma serie de imperfeicoes similares a rebarbas de corte por estampo e que a superficie da chapa de aco possui a formacao de carepas conhecidas como "siliciosas", basicamente constituidas por faialita ([Fe.sub.2]Si[O.sub.4]) e hematita ([Fe.sub.2][O.sub.3]). A presenca do silicio nos acos cortados por laser passa a ser cada vez mais prejudicial a qualidade do corte com o aumento da espessura das chapas. Recomenda-se, para um bom corte, silicio maximo de 0,05% para chapas com espessuras acima de 5 mm.

3.3 Tensoes Residuais

Tensoes residuais ocorrem em chapas de aco, especialmente se forem obtidas de bobinas de aco. Neste caso, as chapas possuiam, no minimo, a curvatura original da bobina que foi retirada por desempeno feito a frio. Essa operacao pode gerar tensoes residuais, tais como as ilustradas na Figura 7a. O nivel de tensao necessaria para o desempeno aumenta com o grau de resistencia do material, dai necessitando de equipamentos cada vez mais sofisticados e rigidos ou robustos (19) para fazer o devido aplainamento do material. O grande problema que pode ocorrer, com um nivel mais elevado de tensoes residuais, e a distorcao (empeno ou mesmo levantamento) das pecas que estao sendo cortadas, como ilustrado pela Figura 7b.

[FIGURA 6 OMITTED]

Neste caso, pode-se trabalhar em quatro frentes, de acordo com a sequencia de possibilidades de melhorias listadas a seguir:

* alterar o projeto de liga do aco e o processo de laminacao de forma a minimizar as condicoes que levam ao tensionamento do material;

* alterar o processo de desempeno das chapas, para introduzir o minimo de tensoes residuais, utilizando-se desempenadeira mais rigida (robusta), ou do tipo aplainadora (levelling), ou mesmo desempenadeira sob tensao;

* realizar o corte em etapas, deixando-se pequenos pontos de uniao entre a peca cortada e a chapa de forma que o processo de separacao possa ser terminado depois, fora da maquina de corte a laser;

* trocar o tipo de produto de chapa oriunda de bobinas (produzidas por laminador continuo) para chapas oriundas de laminador reversivel (que nao foram bobinadas anteriormente).

[FIGURA 7 OMITTED]

4 CONCLUSOES

O historico de experiencias, analises e acoes para melhoria da utilizacao dos produtos da Usiminas-Cubatao, aqui apresentados, levam as seguintes conclusoes, que se tornam recomendacoes importantes para o corte e dobramento de chapas:

* o processo de corte pode ser variado, assim como a influencia sobre o processo de dobramento posterior;

* o resultado com a peca cortada depende do material, mas tambem de como esta foi cortada e manuseada; e

* praticas diferenciadas, como as descritas neste trabalho, podem ser adotadas de forma a melhorar o desempenho em corte e dobramento de produtos planos de aco, aplicaveis para casos e condicoes particulares.

doi: 10.4322/tmm.00701010

REFERENCIAS

(1) BENSON, S. D. Lasers, punches, press brakes & shears. Asma: LLC Interactive Textbook, 2002. 1 CD.

(2) MORAIS, W. A.; BORGES, H. C. Condicoes tecnico-economonicas para viabilizar o emprego de acos planos de elevada resistencia mecanica em aplicacoes praticas. Tecnologia em Metalurgia, Materiais e Mineracao, v. 6, n. 1, p. 1-6, jul.-set. 2009.

(3) MAGNABOSCO, A. S. Resistencia mecanica X conformabilidade. In: MORAIS, W. A.; MAGNABOSCO, A. S; NETTO, E. B. M. Metalurgia fisica e mecanica aplicada. 2. ed. Sao Paulo: ABM, 2009. p. 481-500.

(4) CALLISTER, W. D. Materials science and engineering. 4. ed. New York: John Wiley & Sons, 1997.

(5) KESTENBACH, H. J.; CAMPOS, S. S. Contribuicao da precipitacao interfasica a resistencia mecanica em tiras a quente. Tecnologia em Metalurgia e Materiais, v. 1, n. 1, p. 28-33, jul. 2004.

(6) ZELT, A. L.; KERNS, H.; BRESNAHAN, F. Slitting knives and setups. In: THEIS, H. E. Handbook of metalforming process. New York: Marcel Dekker, 1999. Cap. 4., p.117-44.

(7) KONIECZNY, A.; HENDERSON, T. On formability limitations in stamping involving sheared edge stretching. In: STEEL INNOVATIONS, FATIGUE RESEARCH, SHEET/HYDRO/GAS FORMING TECHNOLOGY & ADVANCED HIGH STRENGTH STEEL DEVELOPMENT, 2007, Detroit. Proceedings ... Warrendale: SAE International, 2007. p. 41-50.

(8) KONDO, K. Recent developments of shearing in Japan. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v. 29, n. 1, p. 29-38, 1989.

(9) LIMA, E. G. Corte a plasma. Revista da Soldagem, v. 2, n. 9, p.18-26, 2006. Disponivel em: <http://www.baw.com.br/ images/products/sup_3_Artigo_Corte_Plasma.pdf>. Acesso em: 13 abr. 2010.

(10) MANOHAR, M. C[O.sup.2] laser beam cutting of steels: material issues. Journal of Laser Applications, v. 18, n. 2, p. 101-2, 2006.

(11) INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 9013--Welding and allied processes: quality classification and dimensional tolerances of thermally cut (oxygen/fuel gas flame) surfaces. Geneva, 2002.

(12) MORAIS, W. A. Analise das relacoes entre as caracteristicas dos acos e sua tenacidade. In: CONGRESSO ANUAL DA ABM, 65., 2010, Rio de Janeiro, RJ. Anais ... Sao Paulo: ABM, 2010. p. 2545-56.

(13) ASHBY, M. F. Materials selection in mechanical design. Oxford: Pergamon Press, 1993.

(14) ASTM INTERNATIONAL. ASTM. A1001/A1011M--Specification for steel, sheet and strip, hot-rolled, carbon, structural, high-strength low-alloy and high-strength low-alloy with improved formability, and ultra-high strength. West Conshohocken, 2010.

(15) ASSOCIACAO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR. 6655--Chapas de aco com caracteristicas melhoradas de propriedades mecanicas, conformabilidade e soldabilidade. Rio de Janeiro,l984.

(16) ASSOCIACAO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR. 6656--Chapas e bobinas de aco acalmado com caracteristicas especiais de propriedades mecanicas, conformabilidade e soldabilidade. Rio de Janeiro, 2008.

(17) USIMINAS. SX-3900-Q-8NT0027--Norma de produtos corporativa. Belo Horizonte, 2010.

(18) KARELOVA, A. et al. Influence of the edge conditions on the hole expansion property of dual-phase and complex-phase steels. In: MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY, 7., 2007, Detroit. Proceedings ... Tokyo: AIST, 2007. p. 159-70.

(19) HARTUNG, H. G.; JAENECKE, M.; SASSE, C. New shearing line for a more efficient production of plates with few inherent stress. Stahl und Eisen, v. 129, n. 10, p. 55-9, Oct. 2009.

Recebido em: 13/10/2010

Aceito em: 27/01/2011

Willy Ank de Morais [1]

Herbert Christian Borges [2]

[1] Doutorando, Mestre, Engenheiro Metalurgista, Tecnico em Metalurgia, Engenheiro de Produto Senior da Usiminas de Cubatao, Professor da Faculdade de Engenharia da Unisanta e Diretor da divisao tecnica "Aplicacoes de Materiais" da ABM. U2 Ctrl. Prod. Usiminas-Cubatao.

Rod. Conego Domenico Rangoni, s/n, Jardim das Industrias. E-mail: willyank@unisanta.br ou willy.morais@usiminas.com

[2] Mestrando, Engenheiro Metalurgista, Engenheiro de Assistencia Tecnica Pleno da Usiminas de Cubatao. U2 Ctrl. Prod. Usiminas-Cubatao.

Rod. Conego Domenico Rangoni, s/n, Jardim das Industrias. E-mail: herbert.borges@usiminas.com
Tabela 1. Exemplos de qualidades de aco e suas caracteristicas
mecanicas

Tipo de aco             Qualidade       Calco de dobramento
                      (norma e grau     a 180[degrees] (b)
                        aplicavel)

Estruturais comuns      ASTM Al0ll           l,5.e (*)
                       SS36 Tl (l4)
  ([DR.sub.Med] =    Al0ll SS50 (l4)          2,5.em

  15 MPa/mm)           Al0ll HSLAS            2,0.em
                        50 Cl (l4)
Estruturais com          NBR 6655              0,5.e
  boa                   LN24 (l5)
  conformabilidade   ASTM Al0ll HSLAS        l,5.e (*)
  ([DR.sub.Med] =       50 C2 (l4)
  20 MPa/mm)            ASTM Al0ll           l,0.e(*)
                      HSLAS-F50 (l4)
Estruturais com          NBR 6656              0,0.e
  otima                LNE260 (l6)
  conformabilidade       NBR 6656              0,0.e
  ([DR.sub.Med] =      LNE380 (l6)
  35 MPa/mm)         USI LN 500 (l7)           0,5.e

Tipo de aco              Limite de       Desempenho relativo  Melhor
                        escoamento        (Equacao 1; e =     [down
                     ([[sigma].sub.LE])       5,0 mm)         arrow]

Estruturais comuns   [greater than or        l4 MPa/mm
                     equal to] 250 MPa
  ([DR.sub.Med] =    [greater than or        l5 MPa/mm
                     equal to] 340 MPa
  15 MPa/mm)         [greater than or        l7 MPa/mm
                     equal to] 340 MPa
Estruturais com      [greater than or        l9 MPa/mm
  boa                equal to] 240 MPa
  conformabilidade   [greater than or        l9 MPa/mm
  ([DR.sub.Med] =    equal to] 240 MPa
  20 MPa/mm)         [greater than or        23 MPa/mm
                     equal to] 240 MPa
Estruturais com      [greater than or        26 MPa/mm
  otima              equal to] 240 MPa
  conformabilidade   [greater than or        38 MPa/mm
  ([DR.sub.Med] =    equal to] 240 MPa
  35 MPa/mm)         [greater than or        40 MPa/mm
                     equal to] 240 MPa

e = Espessura nominal do material. (*) Neste caso, a norma nao
oferece esta garantia e sim uma recomendacao.
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Title Annotation:articulo en portugues
Author:de Morais, Willy Ank; Borges, Herbert Christian
Publication:Tecnologia em Metalurgia e Materiais
Date:Jul 1, 2010
Words:3024
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