Investigação teórico-experimental dos esforços de conformação mecânica na estampagem incremental assimétrica por ponto único em centros de usinagem

Abstract

Resumo: A tecnologia ISF (Incremental Sheet Forming) se destaca, sobretudo, por utilizar centro de usinagem tradicional para a produção de pequenos lotes de estampados, de protótipos ou de produtos customizados. E, eventuais forças excessivas no decorrer do processo podem comprometer a integridade da máquina, ultrapassar o limite mecânico do punção ou imprimir danos ao compenente em processamento. Assim sendo, a modelagem matemática experimental dos esforços que ocorrem durante a deformação da chapa, torna-se, essencial para a análise técnica/financeira do referido processo. Caso contrário, seria necessário a utilização do processo convencional por intermédio de matrizes e prensas de grande porte, acarretando, possivelmente, maiores custos e tempos. Desse modo, este trabalho teóricoexperimental apresenta o Delineamento de Experimentos (DOE) para a investigação do comportamento das forças de conformação mecânica - Fx, Fy e Fz - no processo de estampagem incremental assimétrica em máquinas CNC, e com ponto único de contato - SPIF - (Single Point Incremental Forming). O principal objetivo foi a concepção da função matemática, por meio da análise de regressão, que melhor representa o modelo teórico da força atuante nesse fenômeno, ou seja, o equacionamento proposto neste trabalho permite, em especial, estimar as cargas máximas presentes na deformação da peça, Fz_pico e FR, nas direções X, Y e Z, a partir dos principais fatores. Os quais: diâmetro da ferramenta dt (mm); ângulo de inclinação da parede {alfa} (°); espessura da chapa metálica t (mm); incremento vertical {delta}z (mm); e avanço do punção f (mm/min). A ferramenta foi de metal-duro K40, revestida por carbonitreto de titânio alumínio (AlTiCN), e a chapa de aço comercial ASTM A653 CS-A G90. O método estatístico escolhido foi o fatorial 25 completo , com intervalo de confiança fixado em 99% e, ademais, testado o ponto central para averiguar a respectiva linearidade. Dentre os 5 fatores investigados conclui-se: o avanço f não é significativo e pode ser maximizado para a redução do tempo de produção; o diâmetro do punção dt e a inclinação da parede ? são significativos e com leve influência sobre a força; o incremento vertical {delta}z é significativo com moderada influência sobre a força e, sobretudo, é o parâmetro de processo que deve, primeiramente, ser manipulado para a viabilização da tecnologia; e, por fim, a espessura da chapa t que, naturalmente, é significativa, porém, é especificada pela área de projeto e, nesse sentido, com pouquíssima margem de ajuste. Logo, o principal parâmetro de processo para a otimização da tecnologia ISF tende a ser o incremento vertical, {delta}z.

Abstract: The ISF technology (Incremental Sheet Forming) stands out mainly by using traditional machining center for the production of small batches of parts, prototypes or customized products. And any excessive force in the process may compromise the integrity of the machine, the punch or even could damage the compenente. Thus, experimental mathematical modeling efforts that occur during deformation of the sheet, is essential for technical / financial analysis of ISF process. Otherwise, the use of conventional process by dies and presses would be required, resulting in possibly increased costs and times. This theoretical and experimental work presents the Design of Experiments (DOE) to investigate the behavior of mechanical forming forces - Fx, Fy and Fz - in the process of asymmetric incremental stamping on CNC machines, with single point of contact - SPIF - (Single Point Incremental Forming). The primary objective was to design the mathematical function by means of regression analysis that best represents the theoretical model of force acting in this phenomenon, ie the equation proposed here allows, in particular, to estimate the maximum loads present in deformation piece Fz_pico and FR, in the directions X, Y and Z. Where as the main factors: dt tool diameter (mm); wall angle {alfa} (°); thickness of metal sheet t (mm); vertical increment {delta}z (mm); and feed of the punch f (mm/min). The tool was a carbide-K40, coated with titanium aluminum carbonitride (AlTiCN), and commercial sheet steel ASTM A653 The CS-G90 was applied. The statistical method chosen was the complete factor 25 with confidence interval set at 99% and, in addition, tested the central point to observe its linearity. Among the five factors investigated follows: the feed rate f is not significant and can be maximized for reducing production time; the diameter dt and wall angle {alfa} are significant and it has slight influence on the forces; the vertical increment {delta}z is significant with moderate influence on the force, and above all, is the process parameter that must first be manipulated to the viability of the technology; and, finally, the sheet thickness t, of course, is significant, however, is specified by the project area and, accordingly, with very little adjustment range. Therefore, the main process parameter for optimizing the ISF technology tends to be the vertical increment {delta}z.