Projeto de ferramenta de conformação a frio: materiais, estrutura e vida útil

1. Um punção que não parava de estilhaçar

Em 2022, uma fábrica de fixações no leste da China produzia um parafuso de cabeça cilíndrica sextavada interior M6 × 20 em 10B21. Duas horas depois do início do turno, o punção estilhaçou. Foi substituído, trabalhou mais uma hora e estilhaçou de novo. Cinco punções seguidos.

A investigação encontrou três coisas:

1. O punção era SKH-9, mas a redução de conformação era demasiado agressiva — um grau de recalque da cabeça de cerca de 3:1.
2. O punção não tinha inclinação de alívio nem raio na transição, pelo que a tensão se concentrava exatamente onde partia.
3. A lubrificação era insuficiente, pelo que o punção aquecia e perdia dureza na ponta.

As correções foram um punção de metal duro (YG20C), um alívio R 0.5 e maior frequência de pulverização de óleo. A vida da ferramenta passou de 20,000 para 500,000 peças.

A lição: a ferramenta de conformação a frio não é uma questão de «aço suficientemente duro». É um sistema de material, geometria e lubrificação. Este artigo baseia-se na VDI 3355, em manuais de ferramenta de conformação a frio e em vinte anos de experiência de produção.

2. Como funciona a conformação a frio

A conformação a frio alimenta fio em bobina a uma conformadora multiestação, à temperatura ambiente:

1. Alimentação e corte: o fio é alimentado automaticamente e cortado no comprimento fixo.
2. Esquadrejamento: a primeira estação achata a extremidade cortada.
3. Conformação: a segunda estação recalca a cabeça — sextavada, cilíndrica ou escareada.
4. Puncionamento: a terceira estação abre o sextavado interior.
5. Redução: a quarta estação reduz a haste ao diâmetro da rosca.

Tudo acontece à temperatura ambiente, pelo que o aço escoa plasticamente. Quanto maior a deformação, maior a carga sobre a ferramenta.

Grau de recalque

Grau de recalque = secção da cabeça ÷ secção do fio. Regras práticas:

• Até 2:1 — seguro com ferramenta normalizada.
• 2:1 a 2.5:1 — moderado; a qualidade da ferramenta começa a contar.
• Acima de 2.5:1 — severo; exige metal duro ou uma sequência de conformação em dois passos.

3. Os três materiais de ferramenta

Como escolher

• Menos de 100,000 peças: o SKH-9 chega, e é o custo total mais baixo.
• 100,000 a 1,000,000 de peças: DC53 ou ASP23 — a dureza e a tenacidade adicionais pagam-se.
• Mais de 1,000,000 de peças: metal duro. Caro à partida, o mais barato por peça.

O ponto de viragem não é fixo. Desloca-se com a geometria da peça, a dureza do fio e a qualidade da manutenção da máquina. Uma oficina em três turnos com lubrificação deficiente não verá a vida teórica do metal duro, e a economia muda.

4. Estrutura da ferramenta

4.1 Matriz principal (fêmea)

Forma o exterior da cabeça. A precisão do furo determina o aspeto visível da peça. Tipicamente metal duro ou DC53 num corpo de aço com ajuste por contração.

4.2 Punção (macho)

Comprime a forma pela frente. O punção é a peça que parte com mais frequência, porque suporta a carga alternada integral de cada golpe.

4.3 Pino ejetor

Empurra a peça conformada para fora da matriz. Nas peças pequenas o pino ejetor é o elo fraco e parte sob carga lateral.

4.4 Punção do sextavado

Corta o sextavado interior. Suporta uma carga excêntrica e é propenso a rutura se o punção não for guiado com precisão.

5. Vida e modos de falha

6. Regras de projeto que contam

6.1 Reduzir a concentração de tensões

• Arredondar todos os cantos internos com R 0.3 mm ou mais.
• Dar ao punção uma inclinação de alívio de pelo menos 1°.
• Evitar mudanças bruscas de secção; suavizá-las ao longo de um comprimento.

6.2 Lubrificação

A conformação a frio usa fosfatação com sabão no fio, ou um lubrificante à base de óleo aplicado na matriz. A lubrificação deficiente é a maior causa isolada de falha de ferramenta, e é também a mais barata de corrigir.

6.3 Ajustar o material à peça

O inox encrua muito mais do que o aço-carbono, e a carga sobre a ferramenta é cerca de 1.5× superior. O inox justifica quase sempre metal duro, mesmo em volumes moderados.

7. Custo, árvore de decisão e perguntas frequentes

Passo 1: qual é o tamanho do lote?

Menos de 100,000 → SKH-9. 100,000 a 1,000,000 → DC53. Mais de 1,000,000 → metal duro.

Passo 2: qual é o material da peça?

Aço-carbono → ferramenta normalizada. Inox → metal duro. Alumínio → ferramenta normalizada, com atenção à aderência.

Passo 3: qual é a complexidade da forma?

Multiestação com redução elevada → metal duro. Forma simples com redução moderada → SKH-9.

Perguntas frequentes

P: Porque é que a minha ferramenta não para de partir punções? Nove em cada dez vezes é redução excessiva combinada com concentração de tensões. Reduzir a redução, adicionar raios e passar ao metal duro se a geometria não puder mudar.

P: Vale realmente a pena a ferramenta de metal duro? Custa 5–10× mais e dura 10–20× mais. Acima de cerca de um milhão de peças o custo total é claramente inferior; abaixo disso, a amortização não funciona.

P: Conformação a frio ou forjamento a quente? Conformação a frio para peças pequenas de aço-carbono — é mais rápida, dá melhor acabamento superficial e mantém a tolerância. Forjamento a quente para grandes dimensões e materiais que não se deformam a frio.

P: A ferramenta pode ser reparada? As matrizes desgastadas podem ser reafiadas e revestidas de novo. Um punção estilhaçado é sucata, porque o caminho da fenda não pode ser removido de forma fiável.