Por Eren Billur. Orientação de Taylan Altan*

 

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de abril de 2011.

 

Muitos graus de ferro fundido e aço são usados na confecção de ferramentas para a indústria de estampagem. O custo desses materiais varia consideravelmente mas, com os tratamentos de superfície, revestimentos e lubrificantes apropriados um material mais econômico para matriz pode superar o desempenho de alternativas mais dispendiosas.

 

A seleção requer uma avaliação sistemática dos materiais, revestimentos e tratamentos térmicos para ferramentas, considerando-se o custo como um dos parâmetros. O conhecimento adequado dos tratamentos e revestimentos superficiais pode permitir a redução de custos na execução da matriz para estampagem.

 

Estudos comparativos

Diversos estudos classificaram materiais e revestimentos para ferramentas usando um ensaio padronizado amplamente aceito^{(1, 2)}. Contudo, eles não proporcionaram informações quantitativas em termos da vida do ferramental sob condições de estampagem industrial.

 

Fig. 1 – Diversos estudos classificaram os materiais e revestimentos para ferramentas usando um ensaio padronizado amplamente aceito.

 

 

Há diversas publicações que descrevem estudos comparativos sobre o desgaste de matrizes, ainda que poucos tenham incluído os aços avançados de alta resistência mecânica (AHSS, Advanced High-Strength Steel) como material para chapas. A figura 1 mostra um resumo dos resultados obtidos nessa classificação⁽³⁾.

 

 

Estudos quantitativos

Os estudos quantitativos proporcionam uma avaliação numérica da vida do ferramental (número de boas peças estampadas) para um dado material e revestimento. Os ensaios de conformação foram conduzidos até que fossem visíveis ocorrências de descamação e riscos sobre o material da chapa.

 

Fig. 2 – Um ensaio para conformação de canal usando o aço bifásico DP600 foi executado até que as ocorrências de descamação e riscos fossem visíveis sobre a chapa metálica.

 

 

O primeiro estudo empregou um ensaio de conformação de canal usando aço bifásico DP600 sem revestimento. A figura 2 mostra os resultados desse estudo. Um estudo similar foi feito com o aço bifásico DP980 sem revestimento usando a peça mostrada na figura 3. Os ensaios de conformação foram executados até serem obtidas 52.000 peças estampadas. Os resultados podem ser vistos na mesma figura⁽⁴⁾.

 

Fig. 3 – Um ensaio de conformação foi executado até se obterem 52.000 peças estampadas usando-se o aço bifásico DP980 sem revestimento.

 

 

Como referência, a conformação da parte interna de uma coluna B também mostrou que materiais convencionais para ferramentas falham, apresentando forte descamação após terem produzido algumas poucas centenas de peças estampadas em aço AHSS. A figura 4 mostra como a vida de um ferramental feito com aço D2 se altera ao se usarem três diferentes revestimentos⁽⁵⁾.

 

 

Fig. 4 – Resultados da conformação da parte interna de uma coluna B usando aço bifásico DP980 sem revestimento mostram como a vida do ferramental, feito com aço-ferramenta D2, se alterou em decorrência do uso de três diferentes revestimentos.

 

 

Diretrizes e recomendações

No caso da conformação de peças feitas de aço AHSS com limite de resistência entre 500 e 800 MPa, diversas empresas fabricantes de aços-ferramenta, especialistas industriais e institutos de pesquisa recomendam os seguintes materiais, tratamentos e revestimentos para ferramentas^(6-7), propondo o uso de tratamentos do tipo deposição física de vapor (PVD, physical vapour deposition), deposição química de vapor (CVD, chemical vapour deposition) e difusão térmica (TD, thermal diffusion):

 

• Carmo temperado (aço para trabalho a frio da Assab Steels);

• D2 + TD;

• D2 + PVD CrN;

• D2 + CVD TiC;

• Vanadis 4E (aço-ferramenta da Bohler-Uddeholm) + PVD CrN;

• Vanadis 4E (aço-ferramenta da Bohler-Uddeholm) + CVD TiC;

• Vanadis 6 (aço-ferramenta da Bohler-Uddeholm) + PVD CrN;

• Vanadis 6 (aço-ferramenta da Bohler-Uddeholm) + PVD TiC;

• Vancron 40 temperado (aço para trabalho a frio da BohlerUddeholm).

 

 

Previsão do desgaste de ferramentas via análise por elementos finitos

O coeficiente de desgaste pode ser usado para simular a progressão do desgaste usando-se a análise por elementos finitos. Uma vez que a distribuição de pressão e as distâncias de deslizamento não são constantes ao longo da matriz de estampagem, podem ser usados insertos para reduzir o desgaste em locais críticos nas matrizes. Neste caso as simulações podem ser úteis para projetar adequadamente os insertos da matriz.

 

 

Fig. 5 – A simulação via análise por elementos finitos compara o desgaste real verificado em um punção para estampagem.

 

 

A figura 5 mostra como as simulações podem ser usadas para determinar os locais de desgaste leve e severo na matriz. Quando são conhecidos o coeficiente de desgaste e a dureza superficial dos materiais do ferramental e da chapa, pode-se usar a análise por elementos finitos para estimar quantas peças bem-sucedidas podem ser estampadas antes que as descamações e riscos se tornem visíveis. Com esses parâmetros pode-se estimar a vida útil do ferramental, e também melhorar o projeto dos insertos.

 

Esta é a terceira parte de uma série de três artigos que abordam os materiais usados na fabricação de matrizes para conformação de aços avançados de alta resistência mecânica (AHSS, advanced high strength steels), e os tratamentos usados para inibir a ocorrência de falhas em sua superfície. A primeira parte tratou das relações entre as condições de processo e os mecanismos de falha do ferramental, enquanto a segunda abordou os ensaios para avaliação de descamação e desgaste dos materiais e dos revestimentos para ferramentas.

 

 

Referências

 

1) Kim, H.; Han, S.; Yan, Q.; Altan, T.: Evaluation of Tool Materials, Coatings and Lubricants in Forming Galvanized Advanced High Strength Steels (AHSS). CIRP Ann. Manuf. Technol. 57, pp. 299- 304, 2008.

 

2) Cora, N.: Development of Rapid Die Wear Test Method for Assessment of Die Life and Performance in Stampings of A/UHSS Sheet Materials. Dıss. VCU, 2009.

 

3) Liljengren, M.; Kjellsson, K.; Johansson, T.; Asnafi, N.: Die Materials, Hardening Methods and Surface Coatings for Forming of High, Extra High & Ultra High Strength Steel Sheets (HSS/EHSS/ UHSS); in proceedings from IDDRG, 2008.

 

4) Young, D.; Mulholland, T.; Klein, M.: Investigation of Tooling Durability for Advanced High-Strength Steel; in proceedings from the Seminar on Great Designs in Steel, Livonia, Michigan, 2009.

 

5) Mihail, A.; Rozdik, M.; Nadkarni, G.: Design & Manufacturing a DP980 BPillar Inner for the GM Chevy Equinox / Pontiac Torrent; in proceedings from the Seminar on Great Designs in Steel, Livonia, Michigan, 2008.

 

6) Liljengren, M.: Die Materials, Hardening Methods and Surface Coatings.

 

7) Sandberg, O; Hogman, B.; Johansson, B.; Thuvander, A.: New Tool Steel Concept for Stamping of HSS and AHSS Sheet; in proceedings from IDDRG, 2008.

 

8) Hoffmann, H.; Hwang, C.; Ersoy, K.: Advanced Wear Simulation in Sheet Metal Forming. CIRP Ann. Manuf. Technol. 54, pp. 217-220, 2005

 

*Este estudo foi preparado por Eren Billur, pesquisador do Centro para Conformação de Precisão (Center for Precision Forming, CPF – www.cpforming.org) da Ohio State University (Columbus, EUA), sob a orientação de Taylan Altan (www.ercnsm.org), professor e diretor do instituto. Este artigo foi publicado originalmente na seção “R&D Updates” do periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de abril de 2011 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

Tecnologia em conformação

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