Dimensionamento da força de prensa para furo de barramento

A força de furo é uma das poucas coisas na fabricação de barramento que se calcula exatamente, a partir de princípios básicos, em cerca de trinta segundos. É também uma das que mais se especificam copiando o que a máquina anterior tinha. Esses dois fatos convivem mal, porque a conta não é difícil e o custo de errá-la corre nas duas direções: uma prensa subdimensionada trava justamente no serviço que importa, e uma superdimensionada é capital que você não precisava gastar.

A fórmula

Furar cisalha um cilindro de material para fora da barra. A área cisalhada é o perímetro do furo multiplicado pela espessura, e a força é essa área multiplicada pela resistência ao cisalhamento do material:

F = perímetro × t × τ

Para um furo redondo, o perímetro é π × d, o que dá a forma que a maioria memoriza:

F = π × d × t × τ

com d e t em milímetros e τ em N/mm², produzindo força em newtons. Divida por 1000 para kN, por 9807 para toneladas métricas.

Para um furo conformado (um rasgo, um retângulo, um oblongo, uma veneziana de barramento blindado), o perímetro é o comprimento de corte desenvolvido, não uma medida nominal. Um rasgo retangular de 20 × 40 mm com raios de canto de 5 mm tem perímetro de cerca de 2 × (20 + 40) − 8 × 5 + 2π × 5, o que dá aproximadamente 111 mm em vez dos 120 mm que se obtêm ignorando os cantos. Em um único furo essa diferença é ruído. Em um conjunto de oito, não é.

Valores de resistência ao cisalhamento que vale a pena usar

A resistência ao cisalhamento é a variável que decide a resposta, e é a que as pessoas chutam. Os valores abaixo vêm de dados publicados por fornecedores de ferramental para as ligas e têmperas que de fato aparecem como barramento. São valores típicos para dimensionamento, não mínimos certificados, e um certificado de material sempre vence uma tabela.

Duas correções aos números que circulam informalmente. Primeira, o cobre é muitas vezes citado em 200-230 N/mm², o que é alto; esses valores são resistências à tração usadas como se fossem de cisalhamento. Sob a EN 13601, a barra de Cu-ETP é especificada em 220-260 N/mm² de tração para R220 mole, 240-300 para R240 meio-duro e 300-360 para R290 duro. Os valores medidos de cisalhamento acima ficam em aproximadamente 0.65-0.70 do valor de tração correspondente, não nos 0.8 que a regra de bolso comum sugere. Onde você não tiver nada melhor do que um valor de tração, 0.8 × tração é uma alternativa conservadora e vai superestimar o cobre em 15-20%.

Segunda, "alumínio é coisa de 80 N/mm²" só é verdade para os graus condutores moles da série 1xxx. A 6101-T6, que é a liga padrão para barramento extrudado sempre que resistência mecânica e resistência à fluência importam, está em aproximadamente o dobro disso. Uma prensa dimensionada com 80 N/mm² e depois alimentada com barra 6101-T6 vai ficar sem força, e o modo de falha não é uma parada limpa, e sim um furo pela metade com o punção preso nele.

Um exemplo trabalhado

Tome um caso comum: um furo de passagem para M12, 13 mm de diâmetro, em cobre meio-duro de 10 mm.

F = π × 13 × 10 × 179
  = 40.84 × 10 × 179
  = 73 100 N
  ≈ 73 kN  (7.5 toneladas)

Agora o mesmo furo na mesma barra em alumínio 6101-T6, τ ≈ 150:

F = π × 13 × 10 × 150 = 61 300 N ≈ 61 kN

E o maior furo que costumam pedir a uma máquina de faixa média, 32 mm em cobre duro de 16 mm:

F = π × 32 × 16 × 193 = 310 400 N ≈ 310 kN  (31.7 toneladas)

Esse último é o número que decide qual máquina você compra, e saiu de uma linha de aritmética. O mesmo cálculo para qualquer combinação de furo e material roda na calculadora de força de furo em barramento.

Força de extração, e por que ela entra no total

Depois que o recorte se separa, a barra retorna elasticamente sobre o flanco do punção e o aperta. Tirar o punção exige força real, fornecida pelo extrator, e ela é reagida através da máquina.

Regras de bolso publicadas põem a força de extração em 5-20% da força de furo, com a orientação de projeto de matrizes da MetalForming citando 10-30% e observando que materiais mais moles e folgas mais apertadas exigem mais. O cobre é mole e tende à parte alta dessa faixa. Para fins de dimensionamento em barramento de cobre, 15% da força de furo é um valor de trabalho defensável, e 20% se você estiver rodando a folga na ponta apertada da faixa.

No exemplo de 310 kN isso acrescenta aproximadamente 45-60 kN. Não ocorre simultaneamente com o pico da força de furo, então não se soma pura e simplesmente à exigência de tonelagem, mas carrega o extrator, o porta-ferramenta e a estrutura, e é a razão pela qual uma máquina nominalmente adequada pode trepidar ou derivar na posição do furo. Se a sua força de extração está alta, a causa em geral é a folga, e não a prensa, o que é tratado no artigo sobre folga entre punção e matriz.

Dimensione para o pior caso, não para a média

O furo médio em um serviço de conjuntos de manobra é um furo de passagem para M10 ou M12 em cobre de 6-10 mm, o que exige 40-75 kN. Dimensionar uma máquina por esse número garante que você não consiga fazer o serviço.

O pior caso é a combinação de:

• o maior furo do conjunto de desenhos, incluindo rasgos e recortes, medido pelo perímetro desenvolvido em vez do tamanho nominal
• a barra mais espessa que você vai processar, que muitas vezes não é a barra que leva o maior furo
• a têmpera mais dura que você vai aceitar. Barra encruada é aproximadamente 8% mais resistente ao cisalhamento do que a meio-dura e 27% mais do que a recozida, e o setor de compras substitui têmpera quando o fornecimento aperta
• o maior conjunto de punções, se você furar vários furos em um golpe

Não é preciso que essas condições ocorram juntas em uma peça real para que a máquina precise sobreviver a elas. Basta que sejam possíveis. Uma especificação de edital que diz "cobre até 12 mm" com um conjunto de desenhos que traz um furo de 32 mm significa que você tem de supor um furo de 32 mm em cobre duro de 12 mm, o que dá 233 kN, exista ou não essa peça ainda.

A substituição de têmpera merece atenção especial porque é invisível. A barra parece idêntica. O primeiro sintoma normalmente é altura de rebarba e deriva na posição do furo em uma máquina que estava bem no mês passado.

Furo em conjunto e furo múltiplo

Furar vários furos em um golpe multiplica a força pelo número de furos, exatamente. Quatro furos M12 em cobre meio-duro de 10 mm em um único golpe dão 4 × 73 = 292 kN, e isso não cabe em uma máquina de 300 kN depois de considerar a extração e a deflexão da estrutura.

Há dois jeitos de tornar os conjuntos viáveis. Escalonar os comprimentos dos punções para que engatem sequencialmente em vez de simultaneamente, o que distribui a força ao longo do curso ao custo de um curso mais longo e de cargas laterais maiores. Ou furar sequencialmente em alta cadência, que é para isso que uma máquina CNC de barramento foi feita. A 150-200 golpes por minuto, a penalidade de tempo por furar quatro furos individualmente em vez de em conjunto fica abaixo de dois segundos, e isso elimina por completo o problema de tonelagem. Na maior parte do trabalho de conjuntos de manobra vale fazer essa troca.

Faces de punção retificadas com ângulo de cisalhamento

Uma face de punção plana corta o perímetro inteiro de uma vez, então a força de pico iguala a força calculada e o alívio de rompimento é abrupto. Retificar um ângulo de cisalhamento na face do punção escalona o corte e reduz o pico.

O ganho depende da profundidade do ângulo em relação à espessura do material e, em barramento grosso, é menor do que o marketing sugere. A orientação publicada da Roper Whitney é que o ângulo de cisalhamento pode reduzir a força de furo em até 50%, com a ressalva de que ele é mais eficaz em chapa de 14 gauge e mais fina. A tabela de fator de cisalhamento de H. Weiss é mais útil para as nossas espessuras: em material de 1/4 in (6.35 mm), uma profundidade de 1/16 in (1.6 mm) dá fator 0.90, uma de 3/32 in (2.4 mm) dá 0.85, e uma de 3/16 in (4.8 mm) dá 0.65.

A leitura prática para barramento é que uma profundidade modesta compra 10-15% em cobre de 6 mm e proporcionalmente menos em 12 mm, porque a profundidade teria de crescer junto com a espessura para manter a mesma razão. Não dimensione uma máquina supondo que o ângulo de cisalhamento vai salvá-lo. Trate-o como seguro contra o choque de rompimento brusco e como auxílio no controle do recorte, e calcule a tonelagem pelo valor de punção plano.

Use ângulo em duas águas, e não ângulo único, em qualquer coisa que não sejam os furos menores. Um ângulo único produz uma força lateral desequilibrada que deflete o punção e carrega a guia.

A regra de margem

Tome a força de furo do pior caso e depois aplique margem para as coisas que a fórmula não modela:

• Estado da ferramenta: um punção desgastado exige sensivelmente mais força do que um afiado, porque o raio de aresta cresce e mais do corte vira deformação. Este é o maior termo isolado não modelado.
• Tolerância de têmpera e de espessura: a barra chega no topo da sua tolerância de espessura e no topo da sua faixa de resistência com frequência suficiente para importar.
• Deflexão da estrutura e redução hidráulica: a força nominal é no martelo, na pressão nominal, na temperatura de trabalho.
• Trabalho futuro: a máquina vai ficar na oficina por quinze anos e o mix de serviços vai mudar.

Uma regra de trabalho é dimensionar de modo que a força calculada do pior caso não passe de aproximadamente 60-70% da força nominal da máquina. Isso não é norma, é prática acumulada, mas é coerente com onde os limites publicados de máquina realmente ficam. Nas máquinas de 800 kN abaixo, o maior furo publicado na barra mais espessa publicada dá aproximadamente 485 kN em cobre duro, cerca de 61% do valor nominal. Não é por acaso.

Traduzindo para uma escada real de máquinas

Rodar a aritmética do pior caso contra a capacidade publicada de cada tamanho de estrutura dá uma tabela de seleção direta. Todos os valores abaixo usam cobre duro a 193 N/mm², que é o caso pessimista.

As linhas marcadas com "máx. publicado" trazem o diâmetro máximo de furo declarado pelo fabricante na espessura máxima declarada. As duas linhas "derivado" trazem o maior furo que a aritmética permite a aproximadamente dois terços da força nominal, já que essas máquinas não publicam um diâmetro máximo de furo.

Leia essa tabela como guia de dimensionamento, não como lista de preços. A classe de 300 kN cobre trabalho de painel em barra de 160 × 15 mm com padrões de furo M12 e M16 e nada exótico. A EMAC-BP-40 de 400 kN cobre a maior parte dos conjuntos de manobra em barra de 12 mm a 150 golpes por minuto. O degrau para 600 kN compra capacidade de 16 mm, e não apenas mais força, e o degrau para 800 kN compra 20 mm e furos de 40 mm.

Se o serviço inclui recortes grandes, venezianas de barramento blindado ou qualquer coisa em que o perímetro desenvolvido passe de 100 mm, suba uma classe independentemente do que a aritmética de furo redondo disser. O perímetro é o termo que cresce mais rápido.

A classe de 800 kN também importa por uma razão que nada tem a ver com furos. Em uma máquina combinada de furo e corte, a estação de corte tem de seccionar a seção inteira da barra e, em cobre de 300 × 20 mm, isso é uma face de corte de 6000 mm². A força necessária para o corte é governada pela geometria da lâmina e pelo ângulo de inclinação, e não pela fórmula simples de perímetro, mas a estrutura tem de suportá-la, e frequentemente é o corte, e não o furo, que fixa o tamanho da estrutura em barra larga e pesada.

Duas coisas que a fórmula não conta

Força não é o mesmo que capacidade de fazer o serviço. Uma prensa com tonelagem adequada e precisão de posicionamento inadequada produz furos no lugar errado, o que em um padrão de junta parafusada conforme a DIN 43673-1 é uma barra sucateada. Precisão de passo entre furos, repetibilidade e rigidez do avanço da barra são especificações separadas e merecem escrutínio separado.

A força também não diz nada sobre a cadência de golpes, e é a cadência que determina se a máquina se paga. Uma máquina de 400 kN a 150 golpes por minuto e uma de 800 kN a 200 golpes por minuto são propostas de produção diferentes e, em um serviço dominado por furos de passagem M10 e M12, em que nenhuma das duas chega perto do seu limite de força, a cadência é o único número que importa. A relação entre cadência, vida da ferramenta e o custo real de um furo é tratada em vida da ferramenta e custo por furo, e a mecânica do próprio corte, na visão geral do processo de furo.