Nos processos de dobragem de tubos existem diversas variáveis a ter em conta começando pelo material que vai ser utilizado mais especificamente pelas suas propriedades mecânicas e geométricas, isto é, a sua microestrutura e o seu perfil o que interfere na facilidade ou dificuldade de efetuar a dobra. Consoante o material utilizado e a geometria final pretendida o método de dobragem será diferente. É, por isso, necessário ter em conta alguns aspetos técnicos de cada processo de dobragem sendo apresentados alguns processos como a dobragem por movimento axial de um cunho móvel, a dobragem por intermédio de rolos, a dobragem por compressão, a dobragem por estiramento e a dobragem por indução. Apesar de se apresentarem alguns processos existem variáveis destes e outros métodos utilizados consoante as necessidades de cada dobragem. Algumas empresas partem dos métodos tradicionais e aplicam ao caso particular de modo a rentabilizarem ao máximo os seus equipamentos. Verifica-se, hoje em dia uma, grande utilização das máquinas CNC no fabrico de dobras consecutivas em tubos o que diminui o tempo de produção e a ocorrência de erros por parte do operador.
5.1- Dobragem por movimento axial de um cunho móvel
Este processo consiste na aplicação de uma força sobre um cunho móvel onde se encontra o tubo de modo a fazê-lo dobrar através da utilização de dois apoios, como é possível observar na figura 28. A ferramenta utilizada permite a dobragem num determinado raio de curvatura e para uma gama limitada de diâmetros exteriores do tubo. Para além disso, o interior dos tubos tem que ser cheio com um material incompressível, normalmente areia ou cera, para evitar o achatamento mas, ao mesmo tempo, permitir a deformação plástica por flexão. É um processo mais utilizado para calibrar a geometria final das peças que tenham sido obtidas por outros processos apresentando uma baixa cadência de produção não sendo, por isso, um processo adequado ao caso em estudo. [35]
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Figura 28 - Dobragem por movimento axial de um cunho móvel. Fonte: [36]
Figura 29 – Variantes do processo a) dobragem com aplicação de força axial de tração nas extremidades da peça; b) variantes deste processo: controlo por extensão com a peça fixa nas extremidades. Fonte: [36]
5.2- Dobragem por intermédio de rolos
O equipamento utilizado neste tipo de dobragem é constituído por três rolos montados em pirâmide e dois rolos defletores que servem de guia ao tubo de modo a evitarem torções e outras deformações. A dobragem é realizada de uma forma progressiva à medida que se reduz a distância entre o rolo superior e o inferior por cada passagem da peça na zona de dobragem. Estas máquinas permitem a realização de diferentes raios de curvatura com a variação da distância entre os rolos superiores e inferiores permitindo assim, uma grande flexibilidade do processo. Com este processo é possível realizar dobragem em praticamente todo o tipo de geometrias. [36, 37]
Este método seria uma possibilidade na dobragem de tubos elípticos porém, no caso em análise, a distância entre as duas dobras é reduzida, dificultando a dobragem por intermédio de rolos. Para além disso, o ângulo de curvatura das duas extremidades da serra são diferentes o que implicaria alterações do equipamento na passagem de uma dobra para a outra.
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Figura 30 – Dobragem por intermédio de rolos. Fonte: [37]
5.3- Dobragem por compressão
Neste caso, a dobragem é realizada pela fixação de uma das extremidades do tubo e pelo movimento de uma ferramenta móvel designada por cunho móvel sobre um molde fixo.
Com este processo o cunho móvel e o molde fixo só permitem a dobragem de um determinado tipo e geometria de perfis tendo-se que proceder à sua substituição sempre que se pretende dobrar outros perfis ou ângulos de curvatura. [35]
A dobragem por compressão poderá permitir a dobragem de tubos elípticos e, caso seja necessário, podem-se utilizar mandris, areias ou ceras de modo a evitar o achatamento do tubo aquando da sua dobragem e, assim, evitar a ovalização. Na dobragem de tubos elípticos as matrizes utilizadas teriam que ter na zona de contacto com o tubo uma forma semi elíptica de modo a evitar as deformações e seria necessário dois equipamentos para permitir a dobragem dos dois ângulos de curvatura presentes no arco.
Na figura seguinte (figura 31) visualiza-se o processo de dobragem por compressão.
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5.4- Dobragem por estiramento
A máquina-ferramenta utilizada neste caso fixa o tubo, num dispositivo de fixação, a um molde móvel que vai executar um movimento de rotação em torno de um eixo e o raio de dobragem do tubo vai variar consoante o raio desse molde. [35] Os dispositivos de guiamento, como se pode observar na figura 32, amortecem a tensão residual durante o processo de conformação plástica e suportam os esforços da parte exterior do tubo. [36]
Figura 32 – Dobragem por estiramento. Fonte: [37]
Para o caso em análise este processo, à semelhança do anterior, também poderá permitir a dobragem dos tubos elípticos tendo-se sempre em atenção ao facto de se poder ter que utilizar mandris ou areias no seu interior por forma a evitar o achatamento da parede na zona de curvatura e a ovalização do tubo. Neste processo são necessários dois moldes móveis para descrever as duas curvaturas dos tubos.
5.5- Dobragem por indução
A dobragem por indução é a menos utilizada, devido a ser mais dispendiosa, sendo que é mais aplicada em dobragem de gasodutos, oleodutos, tubulações especiais de vapor de alta pressão, entre outras aplicações. Esta consiste em realizar um aquecimento indutivo obtido através de um efeito eletromagnético que gera uma grande quantidade de calor numa determinada zona. O tubo é introduzido no equipamento passando pelas bobines de indução e os rolos guia até ser fixada a sua extremidade ao carro impulsor. A outra extremidade é agarrada pelo grampo, ficando ligado ao braço giratório. A corrente elétrica, ao percorrer as bobinas de indução, gera um campo magnético concentrado na zona do tubo localizada abaixo da bobina.
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Esse campo provoca o aquecimento do tubo até uma determinada temperatura de modo a facilitar a dobragem do mesmo. Assim que essa temperatura é atingida, o carro impulsor realiza uma força que obriga o tubo a deslocar-se segundo a curvatura pré-estabelecida.
Assim que o tubo é dobrado é arrefecido com um jacto de água ou ar ou então é arrefecido à temperatura ambiente consoante o tipo de material. Como o tubo se encontra fixo ao braço giratório, este fica sujeito a uma tensão de curvatura concentrada na zona aquecida que o obriga a deformar continuamente produzindo um arco de raio contínuo, como se observa na figura 33. [36, 38]
Figura 33 – Dobragem por indução. Fonte: [36]
Este processo proporciona grande flexibilidade de fabrico de tubos e perfis com diferentes raios, ângulos e geometria podendo-se utilizar diversos materiais como aço carbono, aço ligado, aço inoxidável, alumínio, entre outros. [36, 38]
A utilização deste processo no caso em estudo poderá permitir a dobragem dos tubos elípticos sem que ocorram defeitos uma vez que proporciona uma maior facilidade ao material em se deformar. Por outro lado, como o material utilizado será um aço de elevada resistência permitia também, facilitar o processo de dobragem, uma vez que estes possuem uma maior resistência e, consoante a temperatura utilizada seria mais fácil dobrar o material mantendo as propriedades mecânicas. No entanto, este processo tem a desvantagem de exigir a utilização de dois braços giratórios ou pelo menos a possibilidade de alterar o raio do braço e, também apresenta um custo superior pelo gasto energético nas bobines e o tempo necessário para que se atinja a temperatura adequada para a dobragem.
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Em todos os processos de dobragem de tubos existem duas consequências resultantes do processo: a ovalização principalmente no caso dos tubos de secção circular e a redução de espessura no lado que fica sujeito à tração.
5.6- Hidroformagem de tubos
O processo de hidroformagem consiste numa expansão tubular dos tubos metálicos, através da utilização de um fluído pressurizado injetado no interior do tubo. A pressão é suficientemente elevada, e faz com que o tubo se deforme plasticamente e se ajuste à cavidade pré-existente da matriz. É, assim, possível conferir diferentes geometrias e formas a um tubo. Este processo permite obter peças de elevada tensão de cedência, elevada rigidez, um peso otimizado e um bom rigor geométrico.
Neste processo pode-se usar Low Pressure Hydroforming – LPH com pressões até 35 MPa, High Pressure Hydroforming – HPH com maior aplicação em automóveis e pressões de 105 a 210 MPa e algumas com cerca de 690 MPa, Pressure Sequence Hydroforming – PSH onde a pressão vai aumentando progressivamente à medida que a matriz fecha reduzindo o atrito entre as paredes do tubo e a matriz. Quando a matriz está completamente fechada é aplicada uma pressão mais elevada para definir as arestas da peça e evitar a recuperação elástica.
Figura 34 - Hidroformagem de um tubo. Fonte: [39]
Para se obter um tubo elíptico utilizando esta técnica de dobragem é necessário primeiro realizar as dobragens pretendidas num tubo de secção circular utilizando um dos processos
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anteriormente expostos. De seguida, é necessário possuir uma matriz com o formato do tubo que se pretende obter tendo em conta que o tubo circular tem que caber no seu interior. Após o tubo ser inserido na matriz esta é fechada e é pressurizado um fluído dentro do tubo que o obriga a se deformar segundo a geometria da matriz. No fim deste processo é, assim possível obter um tubo elíptico. Neste processo é necessário ter em atenção ao diâmetro base do tubo para garantir que este ao ser inserido na matriz esta consiga ser fechada e, por outro lado, ao material utilizado para que aquando da pressurização este não rompa ou fique com uma espessura muito reduzida. Apesar das vantagens, este processo torna o processo de produção muito demorado e com custos mais elevados porque o tempo de fabrico é mais elevado necessitando-se de realizar numa primeira fase a dobragem do tubo de secção circular e depois o processo de hidroformagem. Para além disso, é uma técnica que está em desenvolvimento e neste momento encontra-se em aperfeiçoamento e poucas empresas possuem ou utilizam esta técnica.
5.7- Ovalização de tubagens
Um dos aspetos importantes aquando da dobragem de tubos é a sua ovalização provocada pela distribuição de tensões na zona de dobragem. A parte do extradorso fica sujeita a forças de tração enquanto, o intradorso fica sujeito à compressão havendo assim, um movimento de material resultante destas duas forças a atuar em lados opostos do tubo o que faz com que ocorra a ovalização. Este fenómeno verifica-se pelo deslocamento de material na zona de dobragem, em que a parte que fica sujeita à compressão sofre um aumento de espessura, e a outra que fica sujeita à tração, uma redução de espessura.
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O extrados e intrados que são as duas partes opostas do tubo no alinhamento com o eixo central da curva e tendem-se a inclinar sobre esse causando o achatamento do tubo como na figura 35. As componentes radiais da tensão longitudinal provocam uma distorção oval na secção circular transversal. Como resultado no momento de dobragem as forças de compressão e tração geradas atuam em direções opostas favorecendo a compressão da secção transversal circular inicial. [40]
A ovalização é o resultado da distribuição de forças à volta circunferência ou da elipse durante a curvatura e é inversamente proporcional à relação raio/diâmetro e diretamente proporcional á relação diâmetro/espessura da parede do tubo.[36]
Nos tubos de parede fina e em processos de dobragem com raio reduzido a ovalização é mais notória e observa-se maiores achatamentos do tubo.
É necessário verificar o nível de ovalização de modo a determinar se esta vai interferir com o desempenho final da estrutura. A diminuição de espessura deve ser igualmente avaliada para saber se o componente mantém as características. Algumas empresas realizam ensaios de qualidade aferindo a ovalização do tubo e comparando com algumas tabelas onde é possível determinar se os valores se encontram dentro dos padrões.
5.8- Defeitos e formas de os evitar
Para além da ovalização e da variação da espessura da parede, ao longo da secção onde ocorreu a curvatura existem outros defeitos que se podem observar nos tubos após a dobragem como:
- enrugamento do tubo;
- riscos ou marcas feitas na linha central do tubo; - colapso do tubo com ou sem rugas ao longo da curva; - marcas do mandril ao longo da curva;
- marcas da ferramenta ou riscos ao longo da curva; podendo ser observados nas figuras seguintes (figura 36 e 37).
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Figura 36 – Defeitos a) enrugamento do tubo; b) riscos ou marcas na linha central do tubo; c) colapso do tubo com ou sem rugas ao longo da curva. Fonte: [41]
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Figura 37 – Defeitos d) marcas do mandril ao longo da curva; e) marcas da ferramenta ou riscos ao longo da curva. Fonte: [41]
O enrugamento do tubo é um defeito que pode acontecer devido ao escorregamento do molde móvel, a uma má colocação do mandril ou a possíveis desalinhamentos entre o molde móvel e fixo. Convém realizar-se alguns ajustes no equipamento ao longo da sua utilização pois existe sempre desgaste nas ferramentas e, por outro lado, é necessário ter em atenção a existência de pouca pressão sobre o molde móvel ou o tipo de lubrificação utilizado que pode ser excessivo ou inadequado. [36, 41]
Os riscos ou marcas feitas na linha central do tubo podem advir de desalinhamentos entre as ferramentas, da aplicação de forças não adequadas ao material, da existência de contaminantes no tubo ou nos próprios dispositivos de fixação que fazem com que a fixação não seja correta e risquem o tubo durante a dobragem. [36, 41]
O colapso do tubo deve-se à utilização de um material inadequado para a curvatura pretendida ou equipamento que está a ser utilizado, ao escorregamento no molde móvel, ao aperto excessivo no dispositivo de fixação e excesso de pressão provocando o arrastamento do tubo, fazendo com que este rompa. [36, 41]
As marcas do mandril ao longo da curvatura resultam do posicionamento incorreto do mandril ou de uma escolha incorreta do tipo de mandril. O mandril deve ser escolhido em
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função do diâmetro do tubo, da curvatura, do material entre outras propriedades de modo a permitir um movimento deste correto aquando da deformação do tubo para que assim, este evite o achatamento e a alteração da geometria. [36, 41]
As marcas da ferramenta ou risco ao longo da curva são o resultado de sujidades existentes nas ferramentas ou no tubo devendo-se limpar o equipamento e verificar o alinhamento, assim como, a pressão exercida na fixação e durante a dobragem. [36, 41]
5.9- Utilização de areias
Os processos de dobragem tradicionais poderão ser utilizados na dobragem de alguns tubos elípticos com a ajuda de elementos que preencham o interior dos tubos, como por exemplo, a areia. Esta deve ser lavada, bem compactada e tapada de modo a evitar a saída do interior do tubo aquando da dobragem Os tubos em que a dobragem utilize areias não devem ser utilizados em aplicações em que a existência de alguns grãos não removidos possam criar problemas durante a sua utilização uma vez que pode ser difícil, principalmente em tubos de diâmetros reduzidos, eliminar todos grãos de areia. Por outro lado, também não se deve utilizar quando os tubos são de ligas leves como ligas de cobre ou de alumínio pois existe o risco de alguns grãos ficarem presos nas paredes dos tubos, o que acontece quanto menor for a espessura das paredes.
5.10- Utilização de mandris
A utilização de mandris permite a obtenção de curvas sem que ocorra o enrugamento ou achatamento dos tubos podendo estes ser rígidos, articulados ou flexíveis.
No caso dos rígidos estes não conseguem realizar todo o perímetro de curvatura existindo um risco de ovalização, assim sendo, é necessário ter em atenção o seu posicionamento uma vez que podem danificar o tubo. Regra geral são torneados, retificados e polidos obtendo um bom acabamento superficial. Normalmente são de metal podendo também ser de plástico possuindo estes um coeficiente de atrito menor e, assim, facilitam a operação de inserir e remover do tubo, porém, apresentam um maior desgaste e distorção da secção
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resistente. Em média podem-se fazer cerca de 200 dobragens. Na figura 38 pode-se visualizar um mandril rígido. [36]
Figura 38 – Mandril rígido. Fonte: [36]
Os mandris articulados são constituídos por elementos esféricos que encaixam uns nos outros e estão ligados entre si por um cabo flexível de aço. O acabamento superficial é de boa qualidade e conseguem acompanhar de uma forma mais eficaz toda a curvatura do tubo. Podem não eliminar completamente os defeitos resultantes da dobragem mas durante a extração do mandril existe uma operação de calibração da geometria do tubo que faz com que esses defeitos sejam reduzidos. Estes mandris têm um custo de produção mais elevado o que os torna viáveis na dobragem de uma grande quantidade de tubos. Na figura seguinte (figura 39) observa-se um mandril articulado.
Figura 39 – Mandril articulado. Fonte: [36]
Por fim, os mandris flexíveis são formados por lâminas metálicas ou por camadas de PVC ou nylon e são mais utilizados para tubos com secção transversal retangular. As lâminas apenas se deformam elasticamente e são fixas numa das extremidades do mandril. Porém, existe a dificuldade de serem introduzidos e removidos do interior das peças sendo difícil a sua utilização com sistemas automáticos de dobragem. Na figura 40 pode ser observado um mandril flexível.
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Figura 40 – Mandril flexível. Fonte: [35]
Posto isto, verifica-se que a utilização de mandris na dobragem de tubos elípticos tem que ser devidamente analisada de modo a determinar o mais adequado à dobragem de tubos consoante o tipo de secção e curvatura.
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6. ESTUDO DO PROCESSO DE DOBRAGEM