Segundo Schey (1983), fenômenos tribológicos típicos da conformação de metais diferem de outros tipos de ocorrências devido às deformações sofridas pela peça durante o processo, que modificam a superfície original. Tais deformidades tendem a reagir quimicamente com a superfície oposta (por exemplo, com a matriz, o punção ou o prensa-chapas) ou com o lubrificante ^{(2, 3)}. Desta forma, a análise de fenômenos tribológicos na conformação requer abordagens específicas, que considerem as altas pressões superficiais nas regiões de contato, o uso de lubrificantes especiais e as particularidades das superfícies da ferramenta e do blanque ^{(3, 9, 12)}.

As condições tribológicas são demasiadamente complexas para serem descritas por um simples valor característico, devido às condições de contato nas várias regiões da peça processada ^{(7, 13)}. Assim, ensaios de tracionamento de tiras têm sido usados em investigações de processos de estampagem ^{(14, 15)}, nos quais uma amostra plana feita do material da ferramenta é pressionada contra uma tira de chapa, que durante o ensaio é tracionada. A força de tracionamento e a força normal são medidas, podendo o coeficiente de atrito ser calculado ao longo do comprimento da tira.

Fig. 1 – Máquina para ensaios de atrito e desgaste

 

O ensaio reproduz as condições de matrizes e prensas-chapas, cuja desvantagem é a desconsideração das mudanças que ocorrem na superfície da chapa devido ao dobramento e estiramento ^{(4, 5)}.

Além da superfície da ferramenta e da chapa a ser processada, um fator de extrema importância na estampagem é a lubrificação adequada, que determina a vida útil da ferramenta de conformação. Segundo Schaeffer ⁽¹⁰⁾, as funções principais da lubrificação são: evitar o contato direto da peça e da ferramenta e aumentar ou diminuir o atrito e o esforço do prensa-chapas. Altan ⁽¹⁾ e Helman ⁽⁸⁾ definem as funções e características dos lubrificantes usados na conformação. Existem basicamente três condições de lubrificação que determinam os valores do coeficiente de atrito: condição de contorno, em que o atrito varia entre 0,1 < μ Coulomb < 0,3; condição mista, na qual os valores de coeficiente de atrito variam entre 0,01 < μ Coulomb < 0,1; e condição hidrodinâmica, na qual o atrito é μ Coulomb < 0,01 ⁽⁶⁾.

O objetivo deste trabalho é apresentar alguns resultados obtidos por meio de ensaios de conformação realizados em uma máquina de ensaios tribológicos que simula as condições de estampagem, sob quatro condições diferentes de lubrificação da superfície de chapas.

Materiais e métodos

Máquina para ensaios de atrito e desgaste

A máquina para ensaios de atrito concebida na Bruning Tecnometal consiste em uma estrutura que conta com um cilindro hidráulico utilizado para a aplicação de uma força normal ( FN ), além de

Fig. 2 – Corpo de prova da ferramenta

 

uma mesa sobreposta a um fuso, o qual, quando em movimento linear e sob uma força normal aplicada, resulta numa força de reação contrária a este movimento, que corresponde à força de atrito (FA). A figura 1 (pág. 22) ilustra os principais componentes do equipamento.

A medição das forças normal e de atrito é feita por sensores resistivos acoplados a um cabeçote móvel preso ao flange do cilindro hidráulico. Os sensores enviam sinais a um condicionador de sinais no qual eles são amplificados e seguem para a placa de aquisição de dados, sendo enviados, em seguida, ao computador e lidos pelo software LabView. O cabeçote móvel comporta um corpo de prova, nomeado como corpo de prova da ferramenta, com o intuito de simular a superfície de uma ferramenta de estampagem.

Corpos de prova

Corpo de prova da ferramenta

O corpo de prova da ferramenta (figura 2) tem o objetivo de representar a superfície de uma ferramenta de estampagem no ensaio de atrito. O utilizado para este estudo foi confeccionado em aço VF800AT e apresentava três áreas distintas, identificadas como A1, A2 e A3. A identificação das

Fig. 3 – Corpo de prova da chapa

 

áreas do corpo de prova é importante, pois os resultados do início da adesão são apresentados em relação à ocorrência de fenômeno para cada uma delas. Como a superfície do corpo de prova da ferramenta tem influência direta sobre o coeficiente de atrito obtido no ensaio, o corpo de prova é submetido ao polimento padrão, processo desenvolvido pela Bruning Tecnometal.

Corpo de prova da chapa

Os corpos de prova da chapa foram retirados de uma bobina laminada a frio NBR 5915, na condição superficial decapada e oleada, com espessura de 1,2 mm. A superfície deles, antes do ensaio de atrito, foi limpa com pano de algodão e acetona para remover contaminantes sólidos e evitar que o óleo na chapa interferisse no resultado. As dimensões dos corpos de prova da chapa, em milímetros, são demonstradas na figura 3.

Planejamento experimental

As quatro condições de lubrificação selecionadas para este estudo foram ensaiadas com pressões de contato constante sobre o corpo de prova. O óleo Ferrocote 214 M da fabricante Quaker foi utilizado para a lubrificação das chapas no ensaio de atrito. Ele foi gotejado por uma pipeta padronizada e espalhado uniformemente com um rolo de poliuretano, para impedir a sua absorção pelo rolo, sobre toda a superfície do corpo de prova com pressão constante. A tabela 1 (pág. 24) apresenta os parâmetros utilizados.

Cada uma das condições de lubrificação reproduziu quatro repetições com parâmetros idênticos, sendo verificado o percurso máximo a partir do qual a

Equipamento

adesão começou a ocorrer. Foi identificada também a distância total percorrida pelos corpos de prova antes do início da adesão.

No ensaio, o corpo de prova da chapa é preso à mesa da máquina para ensaios de atrito por um mordente. O cilindro hidráulico então é acionado e o corpo de prova da ferramenta acoplado ao cabeçote é pressionado contra o corpo de prova da chapa, aplicando-se uma força normal pré-estabelecida pela abertura da válvula e medida pelo sistema de aquisição de dados. Em seguida é dado o sinal para o avanço da mesa, cujo deslocamento foi de 600 mm em cada ensaio, a uma velocidade constante de 100 mm/s. O atrito dos corpos de prova combinado com a força normal (FN) resulta em uma força aplicada contra a célula de carga quando a mesa é movimentada, designada como força de atrito (FA).

Resultados

Aqui é relatado o aspecto de influência da condição de lubrificação da superfície da chapa, em relação aos coeficientes de atrito e à vida útil da ferramenta até a ocorrência de adesão macroscópica. É analisado o comportamento do atrito durante os ensaios e são confrontados os resultados das diferentes condições ensaiadas. Nos gráficos dos coeficientes de atrito estão identificados os pontos em que a adesão ocorreu para cada área do corpo de prova da ferramenta, bem como o valor do atrito médio até o final do deslocamento total, considerando as quatro repetições para cada condição ensaiada. Na figura 4 é apresentado o gráfico do coeficiente de atrito médio e a distância média percorrida pelas áreas do corpo de prova no início da adesão, para a condição sem lubrificação.

A medição da distância percorrida para o início da adesão foi feita com uma trena de resolução de aproximadamente 1 mm. É possível observar na figura 4 que o aumento do atrito ocorreu a um valor máximo entre 20 e 30 mm de deslocamento, e é possível observar que a adesão foi tanta que a força de atrito excedeu a capacidade da máquina, travando o movimento do corpo de prova próximo aos 87 mm de percurso.

A distância percorrida nos ensaios sem lubrificação foi pequena, em que nenhum dos corpos de prova percorreu a distância de 600 mm, estipulada para cada ensaio, sendo os valores de atrito médio para esta condição de aproximadamente 0,19 μ Coulomb. Isto comprova os resultados relatados por Folle ⁽⁶⁾, em que a condição de lubrificação para estes ensaios pode ser considerada uma condição de contorno (seco), tendo em vista a ausência de lubrificante neste regime, e o coeficiente de atrito é determinado pela aderência entre as duas superfícies.

Fig. 4 – Gráfico do coeficiente de atrito e distância para o início de adesão, sem lubrificação.

 

Fig. 5 – Gráfico do coeficiente de atrito e distância para o início de adesão; duas gotas de óleo lubrificante.

 

Equipamento

Na figura 5 (pág. 24) são mostrados os resultados para a condição de lubrificação de 0,71 g/m2, ou duas gotas de óleo lubrificante.

No gráfico da figura 5, podemos observar o aumento do atrito logo no início do deslocamento, vindo a estabilizar logo em seguida, o que se deve à passagem do atrito estático para o atrito dinâmico. Também podemos observar uma significativa redução do atrito médio em relação à condição sem lubrificação, ficando, neste caso, com 0,094 μ Coulomb. Vale ressaltar que não ocorreu a adesão na área identificada como “A3” no corpo de prova da ferramenta e que neste caso as distâncias percorridas pelos corpos de prova são maiores, chegando próximo aos 60 0 mm, valor estipulado para o percurso do corpo de prova em cada ensaio. De forma similar ao ensaio sem lubrificação, o agravamento da adesão é tanto que a força de atrito excedeu a capacidade da máquina, travando o movimento do corpo de prova próximo aos 459 mm percorridos.

A figura 6 mostra os resultados para a condição de lubrificação de 1,06 g /m2, ou três gotas de lubrificante. Vale ressaltar que para esta condição de lubrificação cada corpo de prova da ferramenta percorreu uma distância de quase dois ensaios antes do início do fenômeno de adesão. Desta forma, a figura 6 mostra o gráfico do último ensaio do corpo de prova antes do início da adesão, neste caso após dois ensaios, ou 1.179 mm percorridos, sendo este valor a somatória dos 600 mm correspondentes ao primeiro ensaio, mais os 579 mm correspondentes ao segundo ensaio.

Na figura 6 é possível observar que a adesão ocorreu somente na área “dois” do corpo de prova da ferramenta. O valor do coeficiente

Fig. 6 – Gráfico do coeficiente de atrito e distância para o início de adesão; três gotas de óleo lubrificante.

 

de atrito médio para esta condição de lubrificação foi de 0,089 μ Coulomb. A figura 7 mostra os resultados obtidos para a condição de lubrificação de 1,41 g/m2, ou quatro gotas de óleo lubrificante. São apresentados os resultados médios dos últimos ensaios, visto que para esta condição de lubrificação cada corpo de prova da ferramenta foi ensaiado, em média, 25 vezes, ou seja, 15.000 mm de percurso sem a ocorrência de adesão. Como visto na figura 7, as distâncias percorridas pelos corpos de prova são bem superiores às ensaiadas, reduzindo, desta forma, o atrito entre o corpo de prova da ferramenta e o corpo de prova da peça, impedindo assim a adesão metálica entre os dois. No que diz respeito ao coeficiente de atrito a média foi de 0,084 μ Coulomb, sendo a condição de lubrificação para este caso predominantemente mista, ou seja, com a presença de um fino filme de lubrificante envolvendo toda a superfície de contato ⁽⁶⁾.

Conclusões

 

Neste trabalho foi tratada a influência da quantidade de lubrificante na determinação do coeficiente de atrito e da vida útil de ferramentas nos processos de conformação, e pode-se concluir que:

• O equipamento desenvolvido permite avaliar o comportamento tribológico da ferramenta /chapa em condições semelhantes às de processos de estampagem;

Fig. 7 – Gráfico do coeficiente de atrito e distância para o início de adesão; quatro gotas de óleo lubrificante.

 

• A quantidade de lubrificante é um fator de extrema importância para o resultado do coeficiente de atrito, sendo o mesmo influente no desgaste prematuro da ferramenta;
• É possível observar que a condição sem lubrificação do corpo de prova da chapa não é ideal para o aumento da vida útil do ferramental, visto que nessa condição foi percorrida a menor distância até o início da adesão e foram obtidos os maiores valores de coeficiente de atrito;
• A condição mais favorável para a vida útil do ferramental mostrou ser aquela em que são aplicadas quatro gotas de lubrificação, ou 1,41 g/m2, percorrendo uma distância muito maior em relação às demais condições apresentadas.

Referências

 

1. A ltan, T., OH, S. I., Gebel H. L.: Conformação de metais: fundamentos e aplicações. São Paulo: EESC-USP, 350 p., 1999.
2. Bay, N.: The state of the art in cold forging lubrication. Journal of Materials Processing and Technology 46, pp. 19 – 40, 1994.
3. Bay , N., Martins, P. A. F., Wibom, O.: Testing of friction and lubrication in bulk metal forming. Int. Mech. Engn. Conf. and Exhibition, IMECE 98, 1998.
4. de Souza, J. H. C.: New design approaches for sheet metal forming dies using polymeric materials. PhD Thesis. 1. Ed. Oberursel: DGM Verlag, v. 150. 146 p,2009.
5. de Souza, J. H. C., Liewald , M.: Analysis of the tribological behaviour of Polymer composite tool materials for sheet metal forming. Wear (Lausanne), v. 268, p. 241-248, 2010.
6. Folle, L. F.: Estudo do coeficiente de atrito para processos de estampagem. Tese de doutorado, Centro de Tecnologia da Escola de Engenharia da UFRGS, Porto Alegre, 2012.
7. Haar , R.: Friction in sheet metal forming. The influence of (local) contact conditions and deformation. PhD Thesis, Twente University, 1996.
8. Helman, H., Cetlin, P. R.: Fundamentos da conformação mecânica dos metais. 2a ed. Belo Horizonte: Fundação Christiano Ottoni, 1993.
9. Petersen, S. B., Bay , N., Martins, P. A. F.: Friction in bulking metal forming: a general friction model vs. the law of constant friction. Journal of Materials Processing and Technology 66, pp. 186 –194, 1997.
10. Schaeffer, L.: Conformação mecânica. Porto Alegre: Imprensa Livre Editora, 193 p., 2004.
11. Schey , J. A.: Tribology in metalworking. American Society for Metals. ISBN 0- 7170-155-3, 1983.
12. W anheim, T., Bay, N.: A model for friction in metal forming processes. CIRP, 27, pp. 189 –194, 1978.
13. Steinicke, M.: Modifiziertes reibgesezt für die finite-elemente-simulation des tiefziehens. PhD Thesis, Universität Stuttgart, 2003.
14. W agner, S.: 3D-Beschreibung der Oberflächenstrukturen von Feinblechen. PhD Thesis, Universität Stuttgart, 1996.
15. W agner, S.: Optimizing friction between die and sheet metal. Second Global Symposium on Innovations in Materials Process & Manufacturing. New Orleans, February 12-15, 2001.