A dobragem de chapa para a confecção dos tubos é a operação que sucede ao corte em tiras e é definida como uma deformação permanente produzida sob ação de uma força em três fases, segundo Marcos (1975).
Na fase inicial, há aplicação de duas forças constantes; na intermediária, uma central de intensidade variável e na final, uma força deslizante. A fig. 6.6 ilustra as três fases.
Figura 6.6 - Fases do processo de dobragem de chapas
Os parâmetros importantes do processo de dobragem são: o raio de curvatura e a elasticidade do material. É recomendável evitar ângulo vivo para maior qualidade do processo.
Para melhor compreensão do processo de dobragem define-se Linha Neutra como sendo uma região na peça dobrada que não é tracionada nem comprimida e pode ser determinada experimentalmente. Pela definição de linha neutra, o seu comprimento antes e após a dobra deve ser mantido. Para chapas finas, a linha neutra localiza - se próximo à linha média.
Figura 6.7. Dimensões da peça antes e após ser dobrada
A eq. (6.1) expressa a relação do comprimento antes e após a dobragem da chapa como sendo:
) ( 5 , 0 r x b a l = + + π + (6.1) ou π π a br x= 2(1− −0,5 ) (6.2)
A confecção de tubos é um processo de fabricação por conformação a volume constante, sem perda de massa, pelo qual uma forma geométrica simples é transformada em outra de maior complexidade por meio de deformação plástica. Esta é induzida por uma força externa ou uma tensão, cuja intensidade deve exceder a tensão de escoamento do material. As ferramentas guardam as formas geométricas e impõem pressões no material por meio da interface ferramenta - material. A manufatura de tubos pode ser considerada um processo particular da dobragem de chapas em que, a partir de fitas de aço bobinadas, há uma linha de produção contínua culminando com tubos circulares, seguida de soldagem longitudinal por resistência elétrica e remoção do excesso de solda por usinagem.
O fenômeno físico que descreve a operação de conformação é influenciado por um grande número de variáveis do processo. Partindo-se da condição de volume constante obtém-se o equacionamento do processo de conformação
FILHO et al. (2007) propõem equações específicas para o cálculo da potência necessária em processo de conformação contínua por rolos com formas próprias e especiais. O equacionamento considera as simplificações propostas por Altan et al. (1999) que consiste em desprezar as deformações elásticas e o efeito Bauschinger pelo qual há a redução da tensão de escoamento quando uma peça de metal é comprimida e então submetida à tração em uma direção oposta. Considera-se também que:
a - são desprezíveis as deformações residuais em peças e no ferramental para efeito de precisão dimensional;
b - o material é um meio contínuo negligenciando aspectos metalúrgicos como grãos, tamanho dos grãos e discordâncias;
c - os valores característicos do material, obtidos em ensaios uniaxiais, são correlacionados com tensão de escoamento em condições de tensão multiaxial;
d - a anisotropia, variação das propriedades físicas em diferentes direções, é desprezível;
e - o atrito é expresso segundo a Lei de Coulomb, que equivale à tensão de cisalhamento constante.
A formação de perfis ou contornos por rolagem é um processo para transformação de chapas metálicas ou lâminas em formas desejadas com seção transversal constante e uniforme, que ocorre devido à passagem de uma tira de metal por uma sequência de estações de trabalho, equipadas com discos ou rolos perfilados, dispostos aos pares ou com mais elementos (HAN et al. 2004). A deformação da tira de metal ocorre de forma contínua segundo etapas demonstradas na fig. 6.8.
Figura 6.8. Sucessivas deformações sofridas por uma tira de aço no processo de
obtenção de tubos circulares.
O fator determinante para o projeto da linha de produção de tubos é o valor da tensão atuante na chapa, obtida pelo grau de deformação imposto pelas estações de rolos. Esta particularidade é utilizada para estabelecer a distância entre as estações, a potência de acionamento, além de características geométricas e físicas dos rolos.
O estabelecimento de uma sequência de deformação permite a distribuição de tensões ao longo da linha de conformação, evitando heterogeneidade naquelas e garantindo melhor aproveitamento da potência motora do equipamento.
A vantagem deste processo de conformação em relação a outros métodos é a de permitir que lâminas de qualquer comprimento possam ser conformadas em velocidades relativamente elevadas.
Os cálculos e o dimensionamento de um processo de conformação podem ser obtidos por meio de programas específicos, como, por exemplo, o software COPRA 2004.
Como elementos de controle do processo são incorporados sensores de espessura que garantem, por meio da movimentação dos rolos, a uniformidade de espessura do tubo ou perfil conformado.
Ao término do processo de dobragem e como parte integrante da linha de produção, inicia-se a soldagem. Este processo atua como limitador de velocidade de deslocamento da tiras metálicas. Velocidades inadequadas influem na qualidade do cordão de solda obtido.
Mori et al. (1994) estabeleceram um método de determinação da velocidade ótima de operação das ferramentas com o uso do Método de Elementos Finitos (MEF).
A fig. 6.9 exemplifica a soldagem das bordas dos tubos por caldeamento, exibindo os componentes principais do equipamento a saber: rolos de compressão, bobina de aquecimento por indução e a ferramenta de acabamento externo para remoção do excesso de material de solda.
Figura 6.9. Processo de união da bordas dos tubos por caldeamento
Uma variação para o processo de soldagem descrito é a geração de energia térmica pela passagem de corrente elétrica pelo material (aquecimento indutivo). No entanto, há limitação das linhas de corrente ao trecho requerido para a soldagem, utilizando conjuntos de ímãs cilíndricos que diminuem a distribuição da corrente por toda a seção do tubo em processo de fabricação, concentrando a energia térmica gerada na borda a ser unida.
A fig. 6.10 ilustra o processo E.W.R de soldagem e a 6.11 demonstra o ângulo de rotação.
Figura 6.10. Tubo sendo costurado pelo sistema E.W.R.
Figura 6. 11. Ilustra o ângulo de rotação
Segundo FILHO (2007), aplicando a teoria clássica da resistência dos materiais, a expressão para o cálculo da potência de conformação (P) é dada pela eq. (6.3) :
(6.3)
onde:
E = Módulo de elasticidade em MPa(abs); L = Percurso da deformação em mm; t = Espessura do material; r = Raio de curvatura em mm; θ = Ângulo de curvatura; b = Largura da tira; V = Velocidade de corte; µ = Coeficiente de atrito.