O que é uma ferramenta progressiva

Uma ferramenta progressiva corta, fura ou dobra uma peça em várias estações, ao longo de um único golpe de prensa por avanço da fita de chapa. A peça sai acabada da última estação, enquanto as anteriores já estão a processar as peças seguintes.

• Cada estação faz uma operação (furar, cortar, dobrar, estampar).
• A fita avança um passo entre golpes, sempre a mesma distância.
• É a solução de eleição para grandes séries de peças metálicas simples: anilhas, terminais, chapas de fixação.

Este é o percurso completo desta UC: do estudo do componente ao dossiê técnico pronto para produção.

O que se vai fazer nesta UC

Referencial da UC (o que se avalia):

• Estudar os requisitos técnicos e funcionais do componente a obter.
• Desenvolver o projeto da ferramenta progressiva: cálculos, dimensionamento, desenhos e dossiê.

Isto exige rigor em cada etapa: um erro na folga de corte ou no centro de pressão não aparece só no papel, aparece na ferramenta partida na prensa.

Contexto de aplicação: indústria metalomecânica, em qualquer sector que produza peças metálicas planas em série (ferragens, eletrodomésticos, automóvel, construção).

As duas metades: punção e matriz

Uma ferramenta progressiva de corte tem sempre duas metades, montadas na prensa:

• Metade superior (presa ao carneiro/aríete da prensa): placa porta-punções, punções, placa de choque, base superior, espiga.
• Metade inferior (presa à mesa da prensa): matriz, base inferior, serra-chapas (guia/apoio da fita).
• Colunas e guias: ligam as duas metades e garantem que descem sempre alinhadas, golpe após golpe.

A espiga é o pino central que a prensa agarra: é por ele que toda a força desce até à ferramenta.

Função de cada componente principal

Cada componente do Bloco 12 (ligações) e do Bloco 4 (tratamentos térmicos) refere-se a esta lista: aprende-a bem.

Dureza e resistência ao corte

Cada componente da ferramenta trabalha sob esforços diferentes, e por isso usa materiais diferentes:

• Dureza (HRC, Rockwell C): resistência ao desgaste e à indentação. Os componentes de corte (matriz, punções) precisam de dureza alta, tipicamente 58 a 62 HRC.
• Resistência mecânica (Rm, MPa): tensão máxima que o material aguenta antes de romper.
• Resistência ao corte (τ, MPa): a que interessa para calcular forças de corte (Bloco 6). Para o aço macio usado em chapa (ex.: DC01), toma-se tipicamente τ ≈ 320 MPa.

Regra: quanto mais duro o material da chapa a cortar, maior a força necessária e maior tem de ser a dureza da matriz e dos punções.

Aços típicos por componente

Escolher o material certo para cada componente é uma das aptidões avaliadas nesta UC.

Tratamentos térmicos: têmpera e revenido

Os componentes de corte recebem têmpera (aquecimento acima da temperatura crítica seguido de arrefecimento rápido) para atingir a dureza necessária, seguida de revenido (reaquecimento a temperatura mais baixa) para retirar fragilidade sem perder muita dureza.

• Matriz e punções: temperados e revenidos a 58 a 62 HRC.
• Placa de choque: temperada a dureza intermédia (45 a 50 HRC), para absorver impacto sem estilhaçar.
• Espiga: endurecida localmente na zona roscada/de aperto, mantendo o núcleo tenaz.

Sem revenido, um componente temperado é duro mas quebradiço: parte ao primeiro choque.

Tratamentos termoquímicos: cementação e nitruração

Nos componentes que precisam de superfície dura com núcleo dúctil, usam-se tratamentos termoquímicos:

• Cementação: difusão de carbono na superfície de um aço de baixo teor de carbono, seguida de têmpera. Usada nas colunas e casquilhos de guia, que precisam de resistir ao desgaste do deslizamento repetido sem serem frágeis.
• Nitruração: difusão de azoto, a temperaturas mais baixas, dá dureza superficial elevada com pouca distorção. Boa alternativa em componentes de precisão.

A escolha entre têmpera direta e tratamento termoquímico depende da função do componente: corte puro (têmpera) versus guiamento com atrito repetido (cementação).

Passo, ponte e margem lateral

O passo é a distância que a fita avança a cada golpe. Depende do tamanho da peça e das margens de segurança do material entre peças:

• Ponte (b1): material que sobra entre duas peças consecutivas, ao longo do avanço.
• Margem lateral (b2): material que sobra entre a peça e o bordo da fita.

Regra prática usada nesta UC, para aço macio: b1 ≈ 1×e, b2 ≈ 1,3×e (e = espessura da chapa), nunca inferior a um mínimo de fabrico.

Exemplo de referência (anilha Ø30 mm exterior, furo Ø10 mm, e = 1,5 mm): b1 = 1,5 mm, b2 = 2 mm.

Aproveitamento da banda

O aproveitamento mede que fração do material comprado fica de facto na peça, o resto é desperdício (esqueleto da fita).

Para o exemplo de referência: área da anilha = π/4 × (30² − 10²) = 628,32 mm²; área do retângulo do passo = 31,5 × 34 = 1071 mm².

Um aproveitamento baixo significa mais desperdício de chapa: é dinheiro. Para 100 000 peças, 41,3% de desperdício custam cerca de 626 €, contra 1513 € de material total, ao preço de 1,20 €/kg.

A fórmula da força de corte

O corte por punção e matriz é, fisicamente, um corte por cisalhamento ao longo de todo o perímetro cortado.

onde P é o perímetro cortado (mm), e a espessura da chapa (mm) e τ a resistência ao corte do material (MPa = N/mm²). O resultado sai em newtons.

Exemplo de referência (aço macio, τ = 320 MPa, e = 1,5 mm):

• Furo Ø10 mm: P = π×10 = 31,42 mm → F_furo = 31,42 × 1,5 × 320 = 15 080 N ≈ 15,08 kN
• Corte total Ø30 mm: P = π×30 = 94,25 mm → F_corte = 94,25 × 1,5 × 320 = 45 240 N ≈ 45,24 kN

Forças de dobra e de estampagem

Quando a ferramenta progressiva também dobra ou estampa (embute), as fórmulas mudam porque o esforço já não é corte puro:

• Força de dobra (dobra em V, aproximada): , onde L é o comprimento da dobra, V a abertura da matriz de dobra e K uma constante do processo (tipicamente 1,2 a 1,33).
• Força de estampagem (embutidura): , onde d é o diâmetro do punção de embutir e C um coeficiente que depende da relação entre espessura e diâmetro.

No exemplo de referência desta UC (anilha simples, só furo + corte total), estas fórmulas não entram em jogo, mas fazem parte do referencial e aparecem em ferramentas progressivas mais complexas, com estações de dobra ou de embutidura.

Força de extração e força de expulsão

Depois de cortar, a chapa agarra-se ao punção (força de extração) e o retalho ou a peça precisa de ser empurrado para fora da matriz (força de expulsão). São frações da força de corte total:

Valores de referência para aço macio: K_e ≈ 4%, K_d ≈ 3%.

Exemplo de referência: F_corte total = 15,08 + 45,24 = 60,32 kN.

Escolher a prensa, com margem

A força calculada nunca é a força a exigir da prensa: aplicam-se sempre uma margem de segurança (folgas de projeto, desgaste da ferramenta, variação do material) antes de escolher a prensa de catálogo.

Exemplo de referência: .

As prensas vêm em capacidades normalizadas (63, 100, 160, 250 kN…). A primeira capacidade igual ou superior a 80,68 kN é a de 100 kN (≈10,2 tf): margem real sobre a força calculada de 54,9%, mais do que suficiente.

Porque é que o centro de pressão importa

O centro de pressão é o ponto onde, em cada golpe, a resultante de todas as forças de corte atua. É o coração do projeto de uma ferramenta progressiva:

• A espiga tem de ficar posicionada exatamente sobre este ponto.
• Se não ficar, a força da prensa desce descentrada, a ferramenta inclina ligeiramente a cada golpe.
• O resultado é desgaste desigual, colunas a fletir, folgas a variar e, no limite, a ferramenta parte.

O centro de pressão não se estima a olho: calcula-se pela média ponderada das forças de cada estação.

Cálculo do centro de pressão

Fórmula da média ponderada, para forças F_i aplicadas nas posições (x_i, y_i) de cada estação:

Exemplo de referência: estação 1 (furo, F₁ = 15,08 kN) na origem x₁ = 0; estação 2 (corte total, F₂ = 45,24 kN) a um passo à frente, x₂ = 31,5 mm. Ambas centradas no eixo da fita, logo y = 0 nas duas.

O centro de pressão fica a 7,88 mm antes da estação 2, puxado para o lado da força maior. É aí, e não a meio, que a espiga é posicionada.

A folga de corte: uma regra, sempre a mesma

A folga de corte (j) é o espaço radial entre o punção e a matriz. Define-se uma vez, em função da espessura e do material, e aplica-se sempre da mesma forma:

Para aço macio, c ≈ 6%. No exemplo de referência (e = 1,5 mm): j = 0,06 × 1,5 = 0,090 mm por lado (folga diametral 0,180 mm).

Uma folga insuficiente aumenta a força e desgasta a ferramenta; uma folga excessiva dá rebarba e uma peça fora de tolerância. Nem mais, nem menos.

Em que lado fica a folga: a regra que não se erra

A folga aplica-se sempre no componente que NÃO define a medida final:

• Quer-se um furo à medida (a peça fica com aquele diâmetro por dentro) → o punção é o nominal, a folga vai para a matriz (matriz maior).
• Quer-se a peça à medida (o contorno exterior) → a matriz é a nominal, a folga vai para o punção (punção menor).

Exemplo de referência:

Trocar este lado inutiliza a ferramenta: é o erro clássico da matéria.

Número de estações

Cada operação distinta (furar, cortar, dobrar) ocupa, em princípio, uma estação. Antes de fechar o layout, verifica-se se há espaço de material suficiente entre furos vizinhos para a matriz não fragilizar.

Regra prática: a parede mínima de material entre dois cortes vizinhos deve ser, no mínimo, 2 vezes a espessura da chapa.

Exemplo de referência: distância entre os bordos do furo (Ø10) e do corte total (Ø30), com passo = 31,5 mm → 11,50 mm de parede, contra um mínimo de 2 × 1,5 = 3,00 mm. Está larga margem acima do mínimo: não é preciso estação vazia entre as duas.

Se a parede ficasse abaixo do mínimo, introduzir-se-ia uma estação vazia (sem punção) só para dar espaço à matriz.

Ajustamentos entre componentes móveis

Os ajustamentos (fits ISO) definem a folga ou aperto entre duas peças que se montam, em função das suas tolerâncias:

• Colunas e casquilhos de guia: ajustamento com folga de guiamento (ex.: H7/g6), para deslizarem suavemente golpe após golpe, sem jogo excessivo que desalinhe a ferramenta.
• Punção na placa porta-punções: ajustamento com aperto (ex.: H7/n6), para o punção não rodar nem sair do seu alojamento sob o esforço de corte.
• Espiga no carneiro da prensa: ajustamento com aperto, fixo por parafuso ou grampo.

Escolher o ajustamento certo é tão importante como calcular a força: um punção com folga a mais desalinha-se sozinho.

Toleranciamento dimensional e geométrico

O critério de desempenho "considerar os requisitos técnicos e funcionais na aplicação do toleranciamento" aplica-se a cada desenho de fabrico:

• Tolerâncias dimensionais: nos diâmetros de corte, aplicam-se as classes de acordo com a folga de corte já definida (Bloco 9), nunca soltas ao critério do desenhador.
• Tolerâncias geométricas: perpendicularidade e planeza das faces da matriz e da placa porta-punções; coaxialidade entre punção e o respetivo furo na matriz; paralelismo entre bases superior e inferior.

Sem estas tolerâncias geométricas, mesmo com folgas dimensionais corretas, o punção pode entrar torto na matriz e tocar num lado só, gerando desgaste assimétrico.

Encurvadura das colunas (fórmula de Euler)

As colunas de guia são elementos esbeltos sob compressão: podem falhar por encurvadura antes de atingir a tensão de rutura do material.

Exemplo (coluna Ø20 mm, comprimento 200 mm, aço E = 210 000 MPa, biarticulada):

Com um coeficiente de segurança de 3: F_admissível ≈ 135,7 kN. A carga real por coluna (F_total = 64,54 kN, repartida por 4 colunas) é 16,14 kN: muito abaixo do admissível, verificação cumprida.

Flexão da matriz

A matriz, entre os seus pontos de fixação, comporta-se como uma viga sob a carga de corte. Modelo simplificado (viga simplesmente apoiada, carga concentrada ao centro):

Exemplo (matriz 50×25 mm de secção, vão entre apoios L = 100 mm, F_total = 64,54 kN):

Contra uma flecha admissível de referência de L/1000 = 0,100 mm: a matriz cumpre, mas com margem apertada: se a peça crescer, é preciso engrossar a matriz.

Parafusos: fixação e verificação à tração

Os parafusos apertam e fixam as placas da ferramenta entre si (placa porta-punções, placa de choque, serra-chapas). Não se destinam a resistir ao esforço de corte principal, mas têm de resistir às forças que tendem a separar as placas, como a força de extração.

Exemplo (4 parafusos M8, classe 8.8, área resistente 36,6 mm², a fixar a serra-chapas contra F_extração = 2,41 kN):

Contra uma tensão admissível de ≈192 MPa (classe 8.8, com coeficiente de segurança 2): larga margem, verificação cumprida.

Pinos: alinhamento e verificação ao corte

Os pinos (cavilhas cilíndricas, aço temperado) garantem o posicionamento relativo exato entre placas, e resistem a pequenas forças laterais residuais que os parafusos, sozinhos, não devem absorver.

Exemplo (2 pinos Ø8 mm, força lateral residual estimada em 5% da força de corte total = 3,02 kN):

Contra uma tensão de corte admissível de ≈300 MPa (aço temperado): larga margem.

Divisão de papéis: os parafusos apertam e resistem a tração; os pinos alinham e resistem a corte lateral. Um projeto que troque as funções está mal feito, mesmo que os cálculos "deem".

Sistema pneumático de alimentação da chapa

O avanço automático da fita, entre golpes, é feito por um sistema pneumático:

• Cilindro pneumático: empurra ou traciona a fita exatamente um passo por golpe.
• Válvulas distribuidoras: comandam o sentido e o momento do avanço, sincronizadas com o ciclo da prensa.
• Fins de curso: sensores que confirmam que o avanço terminou antes do próximo golpe descer.

Exemplo: cilindro Ø32 mm, pressão de rede 6 bar (0,6 MPa) → , cerca de 3,2 vezes a força de atrito estimada (150 N) a vencer no avanço da fita: margem confortável.

Efeito de GAP no corte por erosão de fio

Quando a matriz ou o punção são maquinados por erosão por fio (wire EDM), o fio nunca corta exatamente na sua trajetória: existe sempre um GAP (espaço de descarga elétrica) entre o fio e o material.

Exemplo: fio Ø0,25 mm (raio 0,125 mm), gap de descarga 0,020 mm → offset total ≈ 0,145 mm, que tem de ser compensado no programa de corte, deslocando a trajetória do fio para dentro ou para fora do contorno nominal, consoante se maquina a matriz ou o punção.

É a mesma lógica da folga de corte (Bloco 9): o lado do offset depende de qual peça se está a maquinar e de qual medida final se quer garantir.

Desenhos de definição, de fabrico e lista de peças

O projeto termina em desenho, não só em cálculo:

• Desenho de definição da montagem: a ferramenta completa montada, com lista de peças e balões de referência numerados a apontar para cada componente.
• Desenhos de fabrico: um por componente a fabricar (matriz, punções, placas, colunas), com cotas, tolerâncias e acabamento superficial.
• Dossier técnico: reúne todos os desenhos, os cálculos (forças, centro de pressão, folgas), a lista de materiais e tratamentos térmicos, e as instruções de montagem e manutenção.

Um dossiê incompleto é uma ferramenta que ninguém consegue reparar ou reproduzir daqui a cinco anos.

Segurança na prensa: a prioridade acima de tudo

As prensas de corte estão entre as máquinas que mais amputações provocam na metalomecânica. O projeto de uma ferramenta não está completo sem as medidas de segurança:

• Proteções fixas ou distância de segurança que impeçam o acesso à zona de corte.
• Comando bimanual ou cortina ótica: a prensa só desce com as duas mãos do operador ocupadas nos comandos, ou se nenhum obstáculo cortar o feixe da zona de perigo.
• Nunca as mãos na zona de trabalho, mesmo "só um segundo".
• Montagem e afinação da ferramenta, mudança de ferramenta, limpeza e manutenção: sempre com consignação (energia da prensa bloqueada e sinalizada), dissipação da energia residual (purgar o ar comprimido do contrapeso e da embraiagem, descer o carneiro ao ponto morto inferior, testar o arranque), calço de segurança mecânico a impedir a descida do carneiro, e EPI (luvas anticorte, proteção ocular) em todas estas tarefas.

Nenhum ganho de produtividade justifica saltar uma destas medidas.

Se acontecer um acidente

Mesmo com todas as proteções, um acidente pode acontecer numa prensa de corte. A sequência a seguir importa:

1. Premir a paragem de emergência.
2. Ligar 112.
3. Nunca libertar a vítima presa sem consignar a prensa e colocar o calço de segurança primeiro: é assim que se faz uma segunda vítima.
4. Estancar a hemorragia por compressão direta.
5. Em caso de amputação: conservar o membro seco, num saco fechado, dentro de outro com água e gelo, nunca em contacto direto com o gelo.
6. Não desmontar a prensa antes da investigação do acidente.