2. FUNDAMENTAÇÃO TEORICA
2.3 Tribologia e sua história
2.3.2 Determinação do Coeficiente de atrito
Altan (1), Helman (2) e Schaeffer (4) citam que na conformação são vários os fatores que influenciam na estampabilidade de chapas, caracterizar o material ajuda o projetista de ferramentas e operador de prensa para minimizar defeitos e otimizar a produção. Segundo eles, alguns testes e análises são necessários para caracterizar a estampabilidade de uma chapa, e um único teste não é suficiente para isso. O Ensaio de Atrito é um dos principais testes que se dispõem para caracterização da chapa, o mesmo determina o coeficiente de atrito e também fornece informação sobre a eficiência dos lubrificantes.
Os testes para determinar a estampabilidade de chapas são imprescindíveis, quando se deseja utilizar softwares de simulação nos processos de conformação de chapas, que hoje está presente em muitas das Indústrias de estamparia. Estes dados destes testes servem de entrada (input), e tornar a simulação mais realística, devem ser conhecidos para garantir um perfeito resultado das simulações computacionais, pois o que se deseja é que o resultado real fique igual ou melhor do que o virtual (1, 2, 4).
O atrito dentro dos processos de conformação é denominado Coeficiente de Atrito (µ), e seu valor varia com as condições de força e superfícies envolvidas, sendo determinado na grande maioria dos casos de forma empírica, contudo baseado em uma teoria básica, que
relaciona as forças de contato e de deslocamento relativo (1, 2, 4). Bay et al.(18) trás uma visão geral dos diversos tipos de métodos de teste para a conformação de chapas, o mesmo propõem uma classificação dos testes em duas categorias: testes de processo e testes simulativos. Testes de processo são os realizados em operações típicas de estampagem, sem mudar a cinemática básica do processo. Testes simulativos são testes de atrito e desgaste nos quais as condições tribológicas no processo de conformação são modelados de forma especialmente controlada. Portanto, testes simulativos podem apresentar grandes diferenças na cinemática, ao compara-los aos processos de conformação encontrados na indústria. A Figura 17 ilustra esquematicamente os testes simulativos mais frequentemente usados para investigar fenômenos de atrito na estampagem.
Figura 17 – Representação dos possíveis ensaios de Atrito existentes.
Fonte: Adaptado de Bay (2006)
Schaeffer (4) e Folle (19) trazem em suas obras de forma detalhada, o estudo e aplicação do Ensaio de Dobramento sob tensão, como método para análise e medição de Coeficientes de Atrito, na Figura 18 é possível verificar a disposição construtiva da máquina criada para realizar o ensaio, e seus principais componentes funcionais. Segundo Schaeffer (4)
este equipamento foi projetado pelo LdTM (Laboratório de Transformação Mecânica) da UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul), sendo que a mesma á equipamentos encontrados em TU Dresden, TU Darmstadt e na empresa Thyssen Krupp em Dortmund - Alemanha (4).
Figura 18 – Máquina de Ensaio de atrito por Dobramento sob tensão.
Fonte: Adaptado de Schaeffer (2004) e Folle (2012)
Souza (15) em sua Tese indica o uso de uma máquina de ensaio de atrito para Ensaios de Tracionamento de chapas. Na Figura 19, pode-se observar uma imagem do equipamento e seus principais componentes funcionais. Esta máquina possui uma disposição construtiva diferente da indicada por Schaeffer (4) e Folle (19), justamente por se tratar de outro tipo de ensaio. Segundo Souza [15], esta máquina de ensaios de atrito esta disposta no Instituto de Conformação (Institut für Umformtechnik - IFU) da Universidade de Stuttgart na Alemanha (15).
Figura 19 – Máquina de Ensaio de atrito por Tracionamento de chapas.
Schaeffer (4) cita uma forma simplificada da lei de Coulomb sob a forma de uma equação para determinar o coeficiente de atrito, e da mesma forma Altan (1) e Helman (3) reforçam esta definição para determinação do coeficiente de atrito.
Ambos os autores indicam que a relação da tensão cisalhante (
τ
) com a tensão normal (σ
) como sendo o coeficiente de atrito (µ
), sendo assim tem-se a Equação 1 citada pelos autores como sendo [1, 2, 4]:μ
στ
ே
1
Baseado na lei de Coulomb, é que o método para determinação do atrito é desenvolvido. O mesmo deve ser capaz de medir a tensão cisalhante (τ
) ou força de atrito ( ) que faz o movimento relativo entre as superfícies ocorrer, e no mesmo instante de tempo medir a tensão normal (σ), ou força normal ( ), para que se possa determinar o coeficiente de atrito (1, 2, 4).Helman (2), Dieter (5) e Haar (13), indicam a Lei de Coulomb é valida somente até que a tensão de atrito atinja a tensão cisalhante do material em questão, pois após a diminuição das discordâncias, a tensão de atrito passa a ser a tensão cisalhante do próprio material, quando então a Lei de Von Mises passa a valer e tem-se
τ
= 0,577.σ, onde também é dito que neste momentoμ
= 0,577. Na Figura 20 observa-se de forma mais clara este comportamento.Figura 20 – Comportamento da Tensão de Atrito com o aumento da Tensão Normal.
Na Figura 21, de forma similar ao mostrado na Figura 20, é possível identificar de forma mais clara o aumento gradativo da área de contato com o aumento da Pressão (σ - tensão normal) e o aumento gradativo da tensão de cisalhamento (
τ
) até que a mesma atinge seu valor Máximo (τ
), ou seja, a partir deste momento a tensão de atrito passa a ser igual a tensão de cisalhamento do material (2, 5, 13, 19).Figura 21 – Representação da deformação da superfície com o aumento da Tensão Normal.
Fonte: Rodrigues e Martins apud Folle (2012)
Divido a existências de relevos (rugosidade) nas superfícies, o contato real ocorre somente dos picos dos relevos, sendo menor que a área total da superfície, e estas áreas de contato aumentam á medida em que a Força entre estas duas superfícies também é aumentada. A progressão deste aumento de força faz com que o atrito aumente até que ocorra adesão de material entre as superfícies, então a tensão de atrito passa a ser igual à tensão de cisalhamento do material. Neste instante a tensão de atrito ou força de atrito encontra seu máximo valor, não aumentando mais a partir disso, sendo ela a própria tensão de cisalhamento do material de menor resistência (2, 5).
A partir do momento em que a tensão máxima cisalhante (
τ
) é atingida, se continuar á aumentar a Força normal ou tensão normal (σ), a Lei de Coulomb (equação 1) nos indicarauma tendência de redução do Coeficiente de atrito, o que de fato não é verdade. A diminuição do atrito neste caso pode significar a ocorrência de adesão de material entre as superfícies, por tanto, uma situação de desgaste pode estar sendo estabelecida, danificando as superfícies. A Figura 22 ilustra de forma esquemática como ocorre a redução do atrito a partir do momento em que a tensão máxima cisalhante (
τ
) é atingida (2, 5, 19).Figura 22 – Representação da variação do Coeficiente de Atrito, com o aumento da Força/Tensão Normal.
Fonte: Budinski apud Folle (2012)
Baseado nas informações acima citadas, os autores Helman (2), Dieter (5), e Haar (13) Budinski apud Folle (19), apresentam uma opinião similar, quanto a aplicação de da Lei de Coulomb, onde a mesma é valida somente para níveis de tensão máxima igual ou menores que a tensão cisalhante dos materiais em questão.