INFLUÊNCIA DA LUBRIFICAÇÃO COM ÓLEOS VEGETAIS COMBINADOS COM PARTÍCULAS SÓLIDAS EM PRODUTOS ESTAMPADOS
Frederico Ozanan Neves - Matheus Antonio de Lima – Durval Uchôas Braga – Alex Sander Chaves da Silva
Praça Frei Orlando 170 – Centro – CEP 36.307-352 – São João del Rei - MG Departamento de Engenharia Mecânica – UFSJ
RESUMO
O efeito dos lubrificantes e da lubrificação sobre a superfície estampadas vem sendo estudada com certa ênfase. Este estudo apresenta o efeito da lubrificação com óleos vegetais, aos quais foram adicionados partículas sólidas de baixa tensão cisalhante sobre a rugosidade e tensões residuais em estampados. O produto estampado é uma pequena porção de um para-lamas automotivo. Os lubrificantes vegetais utilizados foram os óleos de milho, soja, girassol e canola. Como aditivos sólidos foram empregados o PET - (Poli(Tereftalato de Etileno)), sabão em pó e farinha de trigo. Para comparação empregou-se um óleo mineral comumente utilizado na indústria. Foram medidas as rugosidades Ra e Rz e a microdureza do produto. Como conclusão geral, pode-se indicar o uso de óleo de canola com partículas PET para aumentar a resistência mecânica, sem prejuízo da rugosidade final do produto.
Palavras chave: lubrificantes vegetais, estampagem, tensões residuais, rugosidade.
1.INTRODUÇÃO
A integridade da superfície deve ser entendida como a inexistência de quaisquer fatores que possam reduzir a resistência mecânica do produto em serviço, assim como também a inexistência de falhas que comprometam visualmente a aparência do produto, tornando-o inaceitável. Dentre os diversos fatores que podem comprometer a integridade superficial do produto podem ser arrolados a rugosidade, trincas e microtrincas, microdureza e tensões residuais. O efeito dos lubrificantes e da lubrificação sobre a integridade das superfícies vem sendo estudada com certa
ênfase para os processos de fabricação por estampagem (CARCEL, 2005) e por usinagem (S. KANNAN, H.A. KISHAWY, 2008; RECH, at al, 2008).
Dentre os fatores que caracterizam a integridade superficial, as tensões residuais apresentam um papel importante porque, dependendo de sua intensidade e da natureza trativa reduzem significativamente a vida em serviço do produto.
Tensões residuais são aquelas tensões que existem no corpo quando não há cargas externas aplicadas sobre ele. Tais tensões são consequência de tratamentos térmicos, de deformações mecânicas, de usinagem ou outros processos de fabricação. Nas peças mecânicas, as tensões residuais se apresentam na superfície trabalhada e podem ser de natureza trativa ou compressiva. As tensões residuais trativas devem ser evitadas em peças submetidas a esforços mecânicos cíclicos devido ao fato de, por sua natureza, facilitarem a nucleação e a propagação de trincas, levando-as a falharem por fadiga mecânica (BIANCH, E. C. et al, 2000). Em face disso, uma abordagem é reduzi-las ao máximo, através da determinação de parâmetros ótimos de operação.
Para avaliar as tensões residuais utilizamos a técnica do ensaio de indentação (CHEN, YAN e KARLSSON, 2006). Se uma superfície estiver sob tensão residual à compressão é de esperar que o recuo será difícil e dureza irá ser maior do que uma superfície sem tensão residual. No caso de tracção tensão residual presente na superfície, a reentrância irá ser mais fácil e dureza irá ser menor do que uma superfície sem tensão residual. (BOCCIARELLI E MAYER, 2006). Assim, um mapa de distribuição e o nível de tensão residual pode ser facilmente obtida sem a necessidade de equipamento sofisticado a baixo custo.
As peças conformadas a frio apresentam boa qualidade superficial, tolerâncias dimensionais mais fechadas e controladas, além do aumento da resistência mecânica por causa da estrutura de distribuição das fibras e encruamento (MONEZI, C., 2005). Aqui também, deseja-se minimizar as tensões residuais trativas em elementos submetidos a esforços mecânicos cíclicos, pelas mesmas razões de que tais tensões facilitam a falha desses elementos por fadiga. Conhecer a natureza das tensões residuais, isto é, se tratativas ou compressivas, de um produto e a sua intensidade é fundamental para determinar sua vida útil, bem como estabelecer parâmetros de processamento para a fabricação que minimizem os efeitos prejudiciais dela decorrentes.
Por outro lado, a conformação a frio exige a presença de lubrificação para reduzir as forças envolvidas e o desgaste das ferramentas. Entretanto, este elemento é via de regra agressivo ao homem e a natureza. Tem-se dado atenção à substituição de lubrificantes de base mineral por lubrificantes de base renovável (Willing, A., 2001; WAGNER et al, 2001 e WILING, 2001). Os benefícios advindos da aplicação de lubrificantes vegetais em contraste com os lubrificantes de base mineral vem sendo apontados na literatura. Além de serem oriundos de fontes renováveis, tais lubrificantes são biodegradáveis, com um tempo de degradação curto. Em trabalho recente, Nagendramma e Kaul (2012) apresentaram uma vasta revisão sobre as possibilidades de utilização de óleos vegetais como lubrificantes na fabricação. O poder lubrificante dos óleos vegetais também tem sido objeto de estudo. Adhvaryu at al (2004) avaliaram a performance tribológica de lubrificantes de base vegetal como fluídos industriais. Suas conclusões indicam a possibilidade, do ponto de vista mecânico, da substituição de lubrificantes minerais por óleos vegetais em sistemas dinâmicos. Os óleos vegetais não poluem o meio ambiente, são de fácil degradação e a estrutura triacilglicerol do óleo vegetal é um grande candidato para uso funcional como lubrificante nas industrias. A longa cadeia de acidos graxos e presença de polaridades nas moléculas tornam o óleo vegetal um sistema anfifílico, ou seja, o sistema possui em sua estrutura quimica uma parte polar e hidrofílica e outra apolar e hidrofóbica e, portanto, podemos usá-lo na lubrificação hidrodinâmica. A avaliação do uso de lubrificantes vegetais, em substituição a produtos minerais, na estampagem foi feita por Carcel et al (2004). Estampando aços e ligas em folhas galvanizadas ou com cobertura de zinco, concluíram que os resultados forma iguais aos obtidos com produtos minerais. Contudo, um estudo da eficiência de tais lubrificantes nos processos de fabricação no que tange a tensões residuais, não foram ainda bem estabelecidos.
O objetivo deste trabalho foi investigar o desempenho de lubrificantes oriundos de fontes renováveis quando associados com elementos sólidos de baixa tensão de cisalhamento sobre a integridade superficial de produtos estampados, comparados a produtos estampados com lubrificante convencional.
Foram utilizados um lubrificante mineral de uso comum na indústria. Este lubrificante é o Renoform MZA 20, composto de óleo mineral sintético com adição de partículas de molibdênio. Foram também utilizados óleos vegetais: milho, soja, girassol e canola, adquiridos no mercado comum. Como aditivos sólidos foram empregados o PET - (Poli(Tereftalato de Etileno)), sabão em pó e farinha de trigo. A resina de PET do tipo pós-condensada-azul foi preparada no Laboratório de Fabricação do DEMEC/UFSJ, triturada em um liquidificador doméstico e depois selecionada em peneiras vibratórias de acordo com a ISO 3310/1. Foram utilizadas peneiras granulométricas de 30, 50, 80 e 100 milímetros por micrometro (mm/µm). A granulometria foi identificada por letras: (C) para grãos menores que 100mm/µm, (D) para grãos entre 100 mm/µm e 80 mm/µm e (E) para grãos entre 80mm/µm e 50mm/µm. A letra A foi utilizada para indicar o sabão em pó comercial e B para indicar a farinha de trigo comercial. Números foram utilizados para indicar os lubrificantes, sendo (1) girassol, (2) soja, (3) milho, (4) canola e, para fins de comparação, (5) para o lubrificante RENOFORM. Os lubrificantes foram misturados com os lubrificantes líquidos. As misturas de óleo e aditivo foram estabelecidas de maneira que se tivesse uma mistura próxima de uma homogênea. As misturas foram feitas na proporção de 5 mililitros de partículas sólidas para 15 mililitros de óleo, em os casos, exceto o RENOFORM que foi utilizado puro. Para realizar os ensaios o lubrificante foi agitado por 1 minuto antes de cada estampagem.
Para a estampagem foi utilizada uma ferramenta para fabricação de uma seção real de um para-lamas automotivo. A Figura 1 apresenta a peça estampada. A peça tem 100 mm de comprimento por 50 mm de largura. O material da peça foi um aço ABNT 1005.
Denominou-se blank o material que não passou por estampagem e teve suas propriedades medidas para fins de comparação
Foram feitos os ensaios de estampagem, lavando-se a matriz a cada troca de lubrificante com água corrente e detergente liquido. A matriz foi seca após cada lavagem.
Como variáveis de resposta, foram medidas a microdureza Vickers e a rugosidade superficial Ra e Rz (cut-off de 0,8 mm) do produto. As medidas foram feitas na região H, mostrada na Figura 1.
3.RESULTADOS
Os dados valores médios obtidos para os ensaios de microdureza estão apresentados na Tabela 1.
Figura 1 – Resultados dos ensaios de microdureza Vickers.
Uma Análise de Variancia (ANOVA) do tipo fator único, com 95% de confiança foi utilizada para análise dos resultados. A análise mostrou que os tipos de lubrificante têm influência na microdureza. UIm teste de contrastes ortogonais foi feito para analisar as diferenças. Como explicado anteriormente, a microdureza é uma medida relativa da tensão residual. Comparando-se os resultados da estampagem com o material não estampado, o blank, verifica-de o aumento da dureza. Em consequência podemos afirmar que a estampagem induziu tensões residuais compressivas no produto. Em relação ao produto estampado com óleo mineral, nenhuma condição apresentou dureza inferior, de modo que podemos
afirmar que em termos de tensões residuais estas outras condições melhoraram o produto ou foram iguais.
Dos ensaios de rugosidade extrairam-se medidas de Ra e Rz. As médias das rugosidades Ra para cada condição examinada é mostrada na Figura 2.
Figura 2 – Médias das rugosidades Ra para cada condição avaliada
A Análise da Variancia (ANOVA) do tipo fator único, com 95% de confiança, mostrou que a Rugosidade Ra não é influenciada pelo lubrificante.. Donde se pode concluir que a introdução dos elementos sólidos no lubrificante não melhora e não piora a qualidade superficial do produto em relação à Ra.
Os valores das médias de Rugosidade RZ são apresentados na Figura 3.
A Análise de Variância (ANOVA) do tipo fator único, com 95% de confiança, mostrou que o tipo de lubrificante influencia a Rugosidade Rz. Possivelmente isto se deu porque a Rugosidade Rz é mais sensível ao processo de fabricação.
Teste de contrastes mostram que a Rugosidade Rz não se alterou significativamente em relação matéria prima (condição 5). Entretanto , a rugosidade Rz diminuiu significativamente na condição do óleo de soja aditivado com sabão em pó ou farinha de trigo. Também reduziu para as combinações de óleo de milho com sabão em pó, farinha de trigo e PET e canola com farinha de trigo e PET. O maior valor de Rz foi verificado para o lubrificante óleo mineral. Isto permite concluir que, para a Rugosidade Rz, o uso de lubrificante com partículas sólidas é indicado, no caso em estudo, para melhorar a integridade superficial do produto.
4.CONCLUSÕES
A estampagem de um produto fabricado em aço ABNT 1005, correspondendo a uma seção de um para-lama automotivo foi executada utilizando-se um lubrificante convencional a base de óleo mineral aditivado com molibdênio. Esta mesma estampagem foi executada empregando-se lubrificantes vegetais combinados com elementos sólidos de PET, farinha de trigo e sabão em pó. Os resultados mostraram que a combinação com partículas de PET melhorou a resistência mecânica do produto, tendo aumentado as tensões residuais compressivas. As demais combinações não alteraram a resistência mecânica em relação à matéria prima e tampouco em relação ao produto obtido com o óleo mineral convencional.
Considerando a rugosidade superficial do produto, não houve alteração significativa para as medidas de rugosidade Ra. Para Rz, houve redução da Rugosidade para algumas combinações de óleo de soja, milho e canola, indicando que estas combinações podem ser adotadas sem prejuízo para o produto.
Como conclusão geral, pode-se indicar o uso de óleos de canola com partículas PET para aumentar a resistência mecânica, sem prejuízo da rugosidade final do produto. Em todas as condições, a lubrificação com lubrificantes vegetais combinados com partículas sólidas melhorou ou não alterou a resistência mecânica do produco e, nem tampouco, a rugosidade final.
5.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. ADHVARYU, A.; ERHAN, S. Z.; PEREZ, J. M. Tribological studies of thermally and chemically modified vegetable oils for use as environmentally friendly lubricants.
Wear, v. 257, n. 3, p. 359-367, 2004.
2. BIANCHI, E. C. et al. Análise do comportamento da microestrutura de materiais endurecidos retificados com rebolos de CBN. Materials Research, v. 3, n. 4, p. 147-154, 2000.
3. BOCCIARELLI, M.; MAIER, G. Indentation and imprint mapping method for identification of residual stresses. Computational Materials Science, v. 39, n. 2, p. 381-392, 2007.
4. CARCEL, A. C. et al. Evaluation of vegetable oils as pre-lube oils for stamping.
Materials & design, v. 26, n. 7, p. 587-593, 2005.
5. CHEN, X.; YAN, J.; KARLSSON, A. M. On the determination of residual stress and mechanical properties by indentation. Materials Science and Engineering: A, v. 416, n. 1, p. 139-149, 2006.
6. KANNAN, S.; KISHAWY, H. A. Tribological aspects of machining aluminium metal matrix composites. Journal of Materials Processing Technology, v. 198, n. 1, p. 399-406, 2008.
7. NAGENDRAMMA, P. KAUL, S. Development of ecofriendly/biodegradable lubricants: An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 16, n. 1, p. 764-774, 2012.
8. RECH, J. et al. Characterization and modelling of the residual stresses induced by belt finishing on a AISI52100 hardened steel. Journal of Materials Processing
Technology, v. 208, n. 1, p. 187-195, 2008.
9. WAGNER, H.; LUTHER, R.; MANG, T. Lubricant base fluids based on renewable raw materials: their catalytic manufacture and modification. Applied Catalysis A:
General, v. 221, n. 1, p. 429-442, 2001.
10. WILLING, A.. Lubricants based on renewable resources–an environmentally
compatible alternative to mineral oil products. Chemosphere, v. 43, n. 1, p. 89-98, 2001.
INFLUENCE OF LUBRICATION WITH VEGETABLE OILS COMBINED TO SOLID PARTICLES ON STAMPED PRODUCT
ABSTRACT
The effect of lubricants and lubrication on stamped surface has been studied with some emphasis. This study shows the effect of vegetables oils combined to solid particles of low shear stress on the surface roughness and residual stress in stamped products. The stamped product is a small portion of an automotive fender. The vegetables lubricants oils used were corn, soybean, canola and sunflower. As solid elements were used PET - Polyethylene terephthalate, powder soap and wheat flour. They were compared to a mineral oil commonly used in industry. Ra and Rz roughnesses and microhardness were measured to evaluate the surface integrity of the product. As a general conclusion, can be indicate the use of canola oil with PET particles to increase the mechanical strength and maintain the final roughness of the product.
