DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
DOUGLAS EDVIN LOOSE
DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA DE ENSAIOS
TRIBOLÓGICOS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS
Panambi
2015
DOUGLAS EDVIN LOOSE
DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA DE ENSAIOS
TRIBOLÓGICOS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: João Henrique Correa de Souza, Dr. Eng.
Panambi/RS 2015
DESENVOLVIMENTO DE METODOLOGIA DE ENSAIOS
TRIBOLÓGICOS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS
Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Banca examinadora ________________________________________ João Henrique Correa de Souza, Dr. Eng. - Orientador
________________________________________ Roger Schildt Hoffmann, Me. Eng.
AGRADECIMENTOS
À Deus, pela saúde e pela sabedoria concedidas a mim, para que assim pudesse ter condições de buscar meus objetivos;
À família e amigos, pela paciência, apoio e compreensão em todos os momentos; Ao meu orientador, Professor João Henrique, pela orientação e participação;
À empresa Bruning Tecnometal, pelo suporte financeiro e pela oportunidade de trabalho durante este período.
Aos colegas que atuam na Área de Pesquisa e Desenvolvimento da Empresa Bruning, Eng. Diego Tolotti de Almeida e Estudante de Eng. Jonathan Drunn, pela grande colaboração e auxílio prestados.
Enfim, a todos que fazem parte da UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
DEDICATÓRIA
Este trabalho é dedicado às pessoas que sempre estiveram ao meu lado me apoiando e acreditando em mim: meus pais, Cilmar Loose e Ines Natalina Loose e à minha namorada Janice Moreira.
Dedico também aos meus sogros Ari Moreira e Cerlê de Fátima Camargo Moreira (in memorian), que sempre me trataram como filho, amáveis e prestativos, sempre presentes em minha vida desde o momento que os conheci.
“Dona Cerlê (como sempre a chamava), tenho certeza que o céu esta em festa desde a sua chegada, e a alegria que nos contagiava hoje esta nas alturas. Você permanecerá eternamente em nossas lembranças, e principalmente em nossos corações”.
RESUMO
Este trabalho apresenta uma metodologia para ensaios tribológicos em chapas para conformação mecânica. Tem por objetivo apresentar um método para determinação do coeficiente de atrito entre chapas metálicas e ferramentas, buscando como resultado uma situação crítica de atrito, na qual ocorre adesão de material no punção (ferramenta). Um novo equipamento foi desenvolvido na Área de Pesquisa e Desenvolvimento da empresa Bruning Tecnometal, para medir coeficientes de atrito em chapas. Essa máquina tem seus parâmetros e variáveis identificados e configurados. Esta mesma máquina realizou a medição das forças envolvidas e o deslocamento relativo com velocidade constante. Ensaios preliminares foram realizados, para testar o equipamento, e identificar uma condição geométrica ideal do punção (representa a ferramenta no processo). Para a fabricação dos punções, foram usados dois diferentes materiais, e para os corpos de prova também foram usados dois tipos de material. Quatro diferentes condições de superfície são analisadas, variando a lubrificação. Com os resultados obtidos nessas quatro condições, identificaram-se, de forma quantitativa, os valores de coeficiente de atrito, pressão e distância percorrida até a ocorrência da adesão de material. Também foi possível associar os resultados gráficos fornecidos pela máquina de ensaios, com os resultados práticos (marcas e adesões de materiais nos punções e nos corpos de prova).
ABSTRACT
This paper presents a methodology for tribological tests on plates for metal forming. It aims to present a method for determining the coefficient of friction between metal plates and tools, seeking a critical situation as a result of friction, in which membership is material on the punch (tool). New equipment was developed in the Research and Development area of the company Bruning Tecnometal to measure friction coefficients in plates. This machine has its identified and configured parameters and variables. This same machine performed the measurement of the forces involved and the relative displacement at constant speed. Preliminary tests were performed to test the equipment, and identify an optimal geometric condition of the punch (the tool is in the process). For the manufacture of punches, we used two different materials, and the samples were also used two types of material. Four different surface conditions are analyzed, ranging lubrication. With the results obtained in the four conditions were identified, quantitatively, the friction coefficient values, pressure and distance until the occurrence of adhesion material. It was also possible to combine the graphics output of the testing machine, with practical results (trademarks and material adhesions in punctures and specimens).
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Forjamento com matriz aberta ... 20
Figura 2 – Forjamento com matriz fechada ... 20
Figura 3 – Tipos de extrusão: a) direta, b) indireta. ... 21
Figura 4 – Processo de Trefilação: a) desenho esquemático de bancada de trefilação, b) seção transversal de uma matriz de trefilação. ... 21
Figura 5 – Laminação de barras e perfis estruturais ... 22
Figura 6 – Tensões e deformações presentes em uma peça embutida... 23
Figura 7 – Conceito de ferramenta para Processo de Embutimento... 24
Figura 8 – Conceito de ferramenta para Processo de Estiramento ... 24
Figura 9 – Tensões atuantes do processo de Dobra ... 25
Figura 10 – Processo de Dobra com ferramentas “V” ou “U”. ... 25
Figura 11 – Processo de Dobra continua, dobra por rolos... 26
Figura 12 – Processo de Corte em ferramenta progressiva de estampo ... 26
Figura 13 – Transporte de um colosso egípcio a cerca de 1900 á 2400 A.C ... 27
Figura 14 – Representação das Forças Normal e Atrito em um corpo. ... 30
Figura 15 – Comportamento das Forças de Atrito Estáticas e Cinéticas... 31
Figura 16 – Forcas de atrito presentes na Operação de embutimento. ... 31
Figura 17 – Representação dos possíveis ensaios de Atrito existentes. ... 33
Figura 18 – Máquina de Ensaio de atrito por Dobramento sob tensão... 34
Figura 19 – Máquina de Ensaio de atrito por Tracionamento de chapas. ... 34
Figura 20 – Comportamento da Tensão de Atrito com o aumento da Tensão Normal. ... 35
Figura 21 – Representação da deformação da superfície com o aumento da Tensão Normal. 36 Figura 22 – Representação da variação do Coeficiente de Atrito, com o aumento da Força/Tensão Normal. ... 37
Figura 23 – Desenhos representativos dos quatro modos de desgaste. ... 38
Figura 24 – Desenho representativo dos pontos de contato e adesão. ... 39
Figura 25 – Desenhos representativos da ocorrência da adesão e ruptura de partículas. ... 40
Figura 26 – Desenho representativo de superfície abrasiva antes e depois do desgaste, e superfície abrasiva com partículas aderidas na superfície. ... 41
Figura 27 – Desenho representativo de um grão abrasivo entre duas superfícies. ... 41 Figura 28 – Representação da cavidade gerada pelo desprendimento de material por Fadiga. 42
Figura 29 – Curva genérica de Stribeck. ... 44
Figura 30 – Curva esquemática de Stribeck. ... 45
Figura 31 – Croqui de superfícies: (a) geométrica; (b) real; (c) efetiva. ... 48
Figura 32 – Perfil de Superfície e Coordenadas. ... 49
Figura 33 – Característica de transmissão dos perfis de rugosidade e de ondulação ... 50
Figura 34 – Diagrama de elementos de influencia no perfil da superfície ... 50
Figura 35 – Representação dos comprimentos de Avaliação e de Amostragem ... 51
Figura 36 – Elementos do perfil ... 53
Figura 37 – Elementos do perfil para Rugosidade - Ra ... 54
Figura 38 – Elementos do perfil para Rugosidade - Rz ... 55
Figura 39 – Símbolo padrão para indicação da condição de Superfície. ... 56
Figura 40 – Vista isométrica da Máquina de ensaio de atrito. ... 62
Figura 41 – Máquina de atrito e seus principais componentes ... 62
Figura 42 – Ambiente de programação em LabView... 63
Figura 43 – Tela do programa de aquisição de dados. ... 63
Figura 44 – Máquina de atrito e seus principais componentes ... 64
Figura 45 – Máquina de atrito e seus principais componentes ... 64
Figura 46 – Máquina de atrito e seus principais componentes ... 65
Figura 47 – Máquina de atrito e seus principais componentes ... 66
Figura 48 – Primeira geometria de punção ... 69
Figura 49 – Segunda geometria de punção ... 70
Figura 50 – Terceira geometria de punção ... 70
Figura 51 – Posicionamento do punção do carro deslizante. ... 72
Figura 52 – Posicionamento e fixação do corpo de prova. ... 72
Figura 53 – Gotejamento do Óleo no corpo de prova. ... 75
Figura 54 – Aplicação do Óleo no corpo de prova para 4 gotas. ... 75
Figura 55 – Processo usado para espalhar o óleo no corpo de prova. ... 76
Figura 56 – Etapas de lixamento para desbaste ... 77
Figura 57 – Posicionamento do punção para Lixamento – 1° Etapa ... 78
Figura 58 – Movimentos de lixamento ... 78
Figura 59 – Sentidos de Medições de Rugosidade dos punções ... 79
Figura 60 – Região e sentido das medições de rugosidade nos punções ... 79
Figura 62 – Valores de Rugosidade dos punções para os Abrasivos usados. ... 82
Figura 63 – Valores de Rugosidade dos punções - Ra. ... 83
Figura 64 – Valores de Rugosidade dos punções - Rz. ... 83
Figura 65 – Primeiro conceito de Punção com adesão de material. ... 85
Figura 66 – Gráfico do Atrito com adesão para material NBR 5915 e pressão 163,95 MPa – Punção segunda concepção – VC 131 ... 86
Figura 67 – Imagem da Adesão no corpo de prova, na 2° Bateria de Ensaios – Punção segunda concepção – VC 131 ... 87
Figura 68 – Gráfico do Atrito com adesão para material DIN EN10149-2 S355MC e pressão 117,11 MPa – Punção segunda concepção – VC 131 ... 87
Figura 69 – Imagem da adesão no corpo de prova/punção, na 3° Bateria de Ensaios – Punção segunda concepção – VC 131 ... 88
Figura 70 – Gráfico do Atrito com adesão para material DIN EN10149-2 S355MC (Jateada) e pressão 117,11 MPa – Punção segunda concepção – VC 131 ... 88
Figura 71 – Foto dos Ensaios sem Lubrificação-Punção VF-9 ao VF-13. ... 90
Figura 72 – Exemplo de verificação e marcação de inicio de adesão no corpo de prova. ... 91
Figura 73 – Ensaio sem Lubrificação VF-9 e distancias de adesão ... 91
Figura 74 – Punção VF-9 - Gráfico de coeficiente atrito, e distancias de adesão – sem óleo. . 92
Figura 75 – Punção VF-13 - Gráfico de coeficiente atrito, e distancias de adesão – sem óleo. ... 93
Figura 76 – Punção VF-9 - Gráfico de coeficiente atrito, distâncias de adesão, e imagens das adesões no corpo de prova e punção – sem óleo. ... 93
Figura 77 – Ensaios com Lubrificação - 2 gotas (todos). ... 95
Figura 78 – Punção VF-10 - Gráfico de coeficiente atrito, e distancias de adesão – 2 gotas de óleo. ... 96
Figura 79 – Punção VF-10 - Gráfico de coeficiente atrito, distâncias de adesão, e imagens das adesões no corpo de prova e punção – 2 gotas de óleo. ... 97
Figura 80 – Ensaios com Lubrificação - 3 gotas (todos). ... 98
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação dos Desvios de Superfície. ... 48
Tabela 2 - Seleção de comprimento em função da distancia entre sulcos ... 52
Tabela 3 - Seleção de comprimento em função da rugosidade esperada. ... 52
Tabela 4 - Simbologia básica da condição de Superfície sem complementos. ... 57
Tabela 5 - Simbologia básica da condição de Superfície com complementos. ... 57
Tabela 6 - Simbologia básica da condição de Superfície com indicação da Característica principal da Rugosidade - Ra... 58
Tabela 7 – Composição química e propriedades mecânicas (NBR 5915 EM). ... 67
Tabela 8 – Composição química e propriedades mecânicas (DIN EN10149-2 S355MC). ... 67
Tabela 9 – Composição química e propriedades mecânicas do material VC131. ... 68
Tabela 10 – Composição química e propriedades mecânicas do material VF800AT. ... 68
Tabela 11 – Quantidade de gotas e peso específico de óleo para o corpo de prova com área 0,0665 m². ... 75
Tabela 12 – Medição de Rugosidades dos Corpos de Prova (chapa NBR 5915) ... 81
Tabela 13 – Distância percorrida até a adesão (sem Lubrificante) ... 94
Tabela 14 – Distância percorrida até a adesão (com Lubrificante – 2 gotas) ... 97
Tabela 15 – Distância percorrida até a adesão (com Lubrificante – 3 gotas) ... 99
LISA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DIN – Deutsches Institut für Normung
ABNT – Associação Brasileiras de Normas Técnicas NBR – Norma Brasileira
ISO – International Organization for Standardization IEC – International Electrotechnical Commission.
LabVIEW - Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench IFU - Institut für Umformtechnik
LISA DE SIMBOLOS S – Espessura inicial [mm] S – Espessura final [mm] A – Área de Contato [mm2] A – Área de Cisalhamento [mm2] µ – Coeficiente de atrito [-]
μ. – Coeficiente de atrito máximo [-]
F – Força de atrito [N]
F – Força normal [N]
τ
– Tensão cisalhante [MPa]τ
. – Tensão máxima cisalhante [MPa]σ
– Tensão Normal [MPa]τ
– Tensão cisalhante [MPa]σ
௬ – Tensão Normal [MPa] ௧ – Comprimento total [mm] – Comprimento de Amostragem [mm] – Comprimento de Amostragem [mm] – Comprimento de Avaliação [mm] – Comprimento de Avaliação [mm]Z – Altura de pico do perfil [µm]
Z – Profundidade do vale do perfil [µm]
Z – Altura de um elemento do perfil [µm]
X – Largura de um elemento do perfil [µm]
R – Desvio aritmético médio do perfil avaliado [µm]
R – Altura máxima do perfil [µm]
R – Desvio médio quadrático do perfil avaliado [µm]
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 16
2. FUNDAMENTAÇÃO TEORICA ... 18
2.1 Conformação mecânica ... 18
2.2 Principais processos de conformação ... 18
2.2.1 Conformação Massiva ... 19
2.2.2 Conformação de Chapas ... 22
2.3 Tribologia e sua história ... 27
2.3.1 Atrito na Conformação ... 29
2.3.2 Determinação do Coeficiente de atrito ... 32
2.3.3 Desgaste na Conformação ... 37
2.3.4 Lubrificação na Conformação ... 43
2.4 Rugosidade ... 46
2.4.1 Caracterização da superfície ... 47
2.4.2 Parâmetros de Rugosidade... 53
2.4.3 Indicação de Estado de Superfície ... 56
3. OBJETIVOS ... 59
3.1 Objetivos Gerais ... 59
3.2 Objetivos Específicos ... 59
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 61
4.1 Equipamentos e Materiais ... 61
4.1.1 Máquina de Ensaios de Atrito ... 61
4.1.2 Material das Chapas de corpos de prova ... 66
4.1.3 Material e Geometria dos Punções de corpos de prova ... 68
4.1.4 Lubrificante ... 71
4.2 Métodos ... 71
4.2.1 Procedimento de Ensaio ... 71
4.2.2 Preparação das chapas dos Corpos de Prova ... 73
4.2.3 Determinação de quantidade de Lubrificante e Aplicação ... 73
4.2.4 Procedimento de Polimento e Medição de Rugosidades dos Punções ... 76
5.1 Medições de rugosidades ... 80
5.2 Testes e experimentos Preliminares ... 84
5.2.1 Teste e Ensaio Preliminar I ... 84
5.2.2 Teste e Ensaio Preliminar II ... 85
5.2.3 Teste e Ensaio Preliminar III ... 89
5.3 Ensaios com a terceira geometria de punção ... 89
5.3.1 Ensaio sem Lubrificante ... 89
5.3.2 Ensaio com Lubrificante ... 94
6. CONCLUSÃO ... 102
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 103
ANEXO A – Medições de Rugosidade de Chapas ... 106
ANEXO B – Medições de Rugosidade dos Punções - Ensaio sem Lubrificante ... 108
ANEXO C – Medições de Rugosidade dos Punções - Ensaio com Lubrificante .. 110
1. INTRODUÇÃO
A Tribologia é uma ciência, a qual estuda o comportamento e a interação entre duas superfícies com movimentos relativos. O Atrito é o termo comumente associado e mais conhecido, mas também envolvem os conhecimentos a respeito do Desgaste e Lubrificação. Nos processos de Conformação Mecânica, o atrito esta presente na interface ferramenta-material, sendo ele muito complexo tendo influencia no fluxo de ferramenta-material, esforços de conformação, defeitos no processo, desgaste e vida útil das Ferramentas usadas no processo. Os tipos matérias que estão submetidos ao atrito, e a condição superficial destes, também influenciam no atrito e desgaste, onde a lubrificação entre estas superfícies influencia positivamente na maioria dos casos.
Na determinação das forças de Conformação Mecânica, as forças de atrito em muitos casos não são consideradas, por uma questão de simplicidade, porém, na maioria dos processos, o atrito é um dos fatores predominantes, neste meio o mesmo é denominado como sendo Coeficiente de Atrito (µ). As principais variáveis que influenciam o atrito são às forças de compressão, e a força que realiza o movimento relativo entre estas duas superfícies. Devido à importância que o atrito tem nos processos de conformação, o mesmo tem sido objeto de estudo e pesquisa há vários anos, até os tempos atuais, isso se justifica pela sua significância dentro dos processos, e os custos que negligenciar com este assunto podem representar.
A complexidade do atrito e sua importância nos processos de Conformação Mecânica justificam o interesse em tê-lo como tema de pesquisa. As condições tribológicas que envolvem uma situação de atrito dependem de muitas variáveis, o que torna complexa a sua determinação, sendo recomendado na maioria dos casos o uso de resultados empíricos, pois transmitem um resultado muito mais confiável e realístico. O resultado do Coeficiente de Atrito de forma precisa e exata vem de encontro à necessidade de preencher uma lacuna importante em Softwares de simulação, que usam o Coeficiente de Atrito para simular processos de conformação, e prever com antecedência ações de melhoria durante as fases de Projeto e Planejamento das ferramentas.
Baseado no exposto, este trabalho terá como objetivo definir parâmetros específicos para a realização de ensaios de atrito, e fazê-lo em condições em que a adesão possa ser percebida visualmente, assim como é percebido hoje pelos operadores dentro das áreas de
Estamparia. Pretende-se, simular situações variadas de lubrificação e analisar seus efeitos, apresentando quantitativamente os resultados destes ensaios, em termos de Coeficiente médio de Atrito e durabilidade da ferramenta, até a ocorrência de Adesão de material. Todo o desenvolvimento deste trabalho foi realizado na Área de Pesquisa e Desenvolvimento da empresa Bruning Tecnometal LDTA, localizada na cidade de Panambi – RS.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEORICA
2.1 Conformação mecânica
Muitos são os processos de manufatura adotados para que produtos industrializados possam tomar sua forma final, na grande maioria, os processos de conformação estão presentes, e representam um grupo altamente significativo para a produção industrial. Para tal processo o mínimo necessário para sua realização vem a ser o uso de uma matéria prima, e uma máquina ou equipamento, que aplica energia física sob a forma de força, para alteração desta matéria prima (1, 2).
A norma DIN 8582 define conformação como sendo a alteração controlada da forma, superfície e das características de um corpo, mantendo a sua massa e composição químicas originais (3).
A busca por soluções que atendam a demanda de maior resistência e menor massa das peças desenvolvidas, trás a disposição diferentes materiais metálicos, até mesmo com variações entre eles, contudo, em ambos, as propriedades que tem maior influência nos processos de conformação é a elasticidade e a plasticidade. A elasticidade é a capacidade que o material tem de se deformar e retornar a forma anterior, ao aplicar um esforço sobre ele. A plasticidade consiste na capacidade do material se deformar e manter esta deformação, quando aplicado um esforço superior e prolongado, porém sem que ocorra a sua ruptura (1, 2).
2.2 Principais processos de conformação
Junto com a descoberta dos primeiros metais já de desenvolveram os primeiros processo para fabricação de chapas. No inicio do século XVIII o processo de laminação de chapas teve surgimento, impulsionando o desenvolvimento de processos de conformação de chapa (4). A partir deste momento a pesquisa e desenvolvimento de Processos de Conformação e suas variações foram dominadas e sendo implantadas dentro das Indústrias, em especial as de produção em massa (1, 4).
Hoje se tem desenvolvidos no mercado vários processos de conformação, mas que seguem o principio base de processos que os deram origem e os caracterizam. Os processos de conformação se dividem em duas grandes Categorias, os processo de Conformação Massiva e os de Conformação de Chapas (1).
2.2.1 Conformação Massiva
Esta categoria de processo possui uma característica muito particular no processo, que vem a ser a mudança da forma através do deslocamento da massa do material. De forma abrangente é caracterizado por (1, 5):
- Alterar grandes secções e /ou grandes geometria de média e elevada complexidade; - Proporcionar elevados graus de encruamento;
- Demanda elevadas forças para ocorrer à conformação; - Devido às elevadas força, as ferramentas são muito exigidas; - Causam grandes deformações no material durante o processo;
Dentro desta categoria de processo de conformação, tem-se a classificação de quatro processos, o Forjamento, a Extrusão, a Trefilação e a Laminação, os quais servem de base para a variação de determinação de outros processos, mas que variam sempre a partir do princípio de um deles (1, 2, 5):
- Forjamento: Processo realizado pela aplicação de compressão sobre um material
onde tende a assumir o contorno de geometria definida de uma ferramenta ou de uma forma que se deseja. Teve origem á vários séculos antes de Cristo, sendo um dos primeiros processos de conformação conhecidos, que inicialmente era produzido for um ferreiro que manualmente aplicava força sobre a peça aquecida com uma ferramenta manual, mudando a sua forma. Com o desenvolvimento de máquinas que permitem uma força muito superior à capacidade humana, hoje o forjamento pode ser feito com a peça fria, mas também ocorre o processo á quente, ou mesmo morno. De forma geral quanto mais aquecida a peça menor o esforço necessário para conforma-la. As operações variam também quanto ao tipo de ferramenta que será usado no processo, tendo dois principais tipos, com Matriz aberta (forjamento livre), mostrado na Figura 1, e o com Matriz fechada, conforme mostrado na Figura 2 (1, 5).
Figura 1 – Forjamento com matriz aberta
Fonte: Altan (1999)
Figura 2 – Forjamento com matriz fechada
Fonte: Altan (1999)
- Extrusão: Processo que consiste em forçar a passagem de um tarugo de um material
por um orifício chamado de matriz, esta possui geometria definida de acordo com o perfil desejado, este possui seção transversal constante. Permite uma variada forma de perfis, e seu processo pode ser feito a frio ou a quente dependendo do material que se esta usando e ductilidade do mesmo. O processo é aplicado em vários tipos de materiais, mas é mais comum encontrar peças fabricadas com alumínio, devido a sua elevada ductilidade, um exemplo é a fabricação de quadros para janelas e portas, facilmente encontrados nos dias de hoje em lojas de ferragens e esquadrias. A extrusão pode ser direta ou indireta, conforme mostrado na Figura 3, direta quando a matriz fica estática, e o punção empurra o material na direção da matriz; e indireto quando o material fica estático e a matriz e movimentado sobre o material, fazendo o material fluir no sentido contrario de avanço da matriz (1, 5).
Figura 3 – Tipos de extrusão: a) direta, b) indireta.
Fonte: Dieter (1981).
- Trefilação: Processo onde o material é tracionado, forçando sua passagem por uma
matriz com forma similar ao perfil original do material, porém com seção transversal menor, o material entra de um lado e tração no material ocorre no lado contrario, ao passar pela matriz o material reduz sua seção transversal, conforme mostrado a Figura 4. Este tipo de processo e mais comum de ser aplicado em seção que possuem simetria axial, como por exemplo, perfis redondos, arames e tubos. O processo é geralmente feito a frio e confere a peça elevada precisão dimensional, grande redução da seção, e melhorias nas propriedades mecânicas (1, 5).
Figura 4 – Processo de Trefilação: a) desenho esquemático de bancada de trefilação, b) seção transversal de uma matriz de trefilação.
Fonte: Dieter (1981).
- Laminação: Processo em que o material é tracionado entre rolos com o perfil do
produto desejado, que ajudam na tração do material, estes rolos comprimem o material reduzindo e alterando sua seção/espessura. A laminação pode ser aplicada para a produção de produtos planos como chapas e também para perfis (barras, vergalhões e tubos), conforme mostrado a Figura 5, geralmente o processo é feito a quente o que facilita e permite elevados níveis de deformação, além de evitar tensões residuais no material. A laminação oferece maior variabilidade dimensional, quando necessário um controle maior, outras operações posteriores são realizadas, sendo uma delas a Laminação a Frio, que confere maior estabilidade dimensional, porém não permite elevados níveis de deformação. A Laminação a frio também é aplicada quando se deseja elevar o encruamento do material melhorando suas propriedades mecânicas e de conformabilidade, por vezes esta melhoria pode ser feita somente superficialmente (1, 5).
Figura 5 – Laminação de barras e perfis estruturais
Fonte: Dieter (5).
2.2.2 Conformação de Chapas
Esta categoria de processo possui uma característica muito particular no processo, que vem a ser a utilização de um material plano ao qual se deseja alterar sua forma, aplicando-lhe
esforços através de uma matriz e/ou punção. Com a aplicação da destes esforços a chapa originalmente plana adquire uma nova forma geométrica. A mudança da forma é gerada pelo deslocamento de volume do material nas três direções, ou pelo simples corte do mesmo que também é considerado um processo de conformação (1, 5).
Dentro desta categoria existe a classificação de quatro processos, que se classificam pelo tipo de operação empregada, sendo eles a Embutimento, o Estiramento, a Dobra e o Corte (1, 5):
- Embutimento: Processo também conhecido como estampagem profunda, é
normatizado pela DIN 8584. Neste tipo de processo deformação de tração e compressão ocorrem simultaneamente o tende a manter a espessura constante, conforme mostrado na Figura 6. O material é empurrado por um Punção para dentro de uma Matriz, é usado o recurso de prensa chapas neste tipo de processo, para evitar a origem de rugas na peça e também controlar o fluxo de material para dentro da matriz, conforme mostrado na Figura 7. A pressão do prensa chapas e as folgas entre Matriz, peça e punção devem ser muito bem observadas e definidas para este processo, pois podem levar a ruptura precoce do material antes de completar a operação, a profundidade muito eleva também pode levar a ruptura, por isso em alguns casos esta operação deve ser feita em mais de um estagio usando geometrias decrescentes para ir reduzindo gradativamente a forma até a forma final (1, 3, 5).
Figura 6 – Tensões e deformações presentes em uma peça embutida.
Figura 7 – Conceito de ferramenta para Processo de Embutimento
Fonte: Adaptado de SCHULER (1998)
- Estiramento: O processo é normatizado pela DIN 8585, neste tipo de processo
somente deformação de tração esta presente. O processo consiste em fixar a chapa plana em garras (prensa-chapas), as quais podem ser moveis para garantir que o esforço de tração esteja sempre em linha com a direção do material, o estiramento ocorre pela ação de um punção, o qual é pressionado na direção da chapa por um pistão, fazendo com que o material sofra o estiramento e adquira a forma do punção, conforme mostrado na Figura 8. Este processo se caracteriza por um estado biaxial de deformação, pois para ocorrer o estiramento da chapa outro deslocamento deve ocorrer para que se mantenha o volume constante, e o que ocorre é a redução da espessura da chapa, por tanto, enquanto a chapa é “esticada” a espessura é reduzida na mesma proporção (1, 3, 5).
Figura 8 – Conceito de ferramenta para Processo de Estiramento
Fonte: Adaptado de SCHULER (1998)
- Dobra: O processo é normatizado pela DIN 8586, neste tipo de processo deformação
conforme mostrado na Figura 9. Em geral o processo consiste e transformar uma seção plana em duas seções concorrentes que forma um ângulo entre elas, para isso uma dobra e feita sobre a superfície da peça em forma de raio, esforços de tração e compressão estão presentes neste raio, na parte interna tensões de compressão estão presentes e na parte externa tensões de tração, entre estas existe uma linha neutra que não sofre nenhuma destas tensões. (1, 3, 5).
Figura 9 – Tensões atuantes do processo de Dobra
Fonte: Portal CIMM (2015)
A operação pode ser feita com uma matriz em forma de “V” ou “U” e o material pressionado sobre ela por um punção, fazendo assim a dobra em ângulos, comprimento e quantidade de dobras variadas conforme mostrado na Figura 10 (1, 3, 5).
Figura 10 – Processo de Dobra com ferramentas “V” ou “U”.
Mas também processo de dobramento contínuo, onde fitas enroladas em bobina passam por uma sequencia de diferentes perfiz de rolos, que vão dobrando o material e lhe conferindo um perfil de dobra definido, conforme mostrado na Figura 11 (1, 3, 5).
Figura 11 – Processo de Dobra continua, dobra por rolos.
Fonte: SCHULER (1998)
- Corte: O processo é normatizado pela DIN 8587, neste tipo de processo somente o
cisalhamento esta presente. Esta operação visa obter formas geométricas ou efetuar cortes e recortes necessários à peça, consiste em pressionar um punção ou lamina sobre a chapa, ao iniciar o contato, a matriz gera uma reação, e a pressão realizadas entre punção e matriz se converte e esforço cisalhante provocando a separação do material, conforme mostrado na Figura 12. Um fator importante neste tipo de processo é a folga entre punção e matriz, a qual possui relação direta com a espessura e o tipo de material que se deseja cortar (1, 3, 5).
Figura 12 – Processo de Corte em ferramenta progressiva de estampo
2.3 Tribologia e sua história
Originalmente, o termo tribologia tem sua origem no grego Τριβο (Tribo – que significa esfregar, atritar, friccionar) e Λογοσ (Logos - que significa estudo) que em tradução literal significa Estudo do Atrito. O atrito não é algo que preocupava somente a civilização moderna. Apesar de não dominar cientificamente, esta já era compreendida por civilizações antigas, quando á aproximadamente 2000 A.C. se utilizavam de artifícios para minimizar o atrito, e facilitar o deslocamento de grandes cargas, é caso da imagem mostrada na Figura 13, onde uma estatua (colosso) de aproximadamente 60 toneladas era puxada por 172 escravos (8, 9, 10).
Na Imagem é possível verificar que a estatua esta sobre trenós é acima destes, um homem está posicionado, e derramando o que parece ser um liquido no caminho onde passará o trenó, muito provavelmente com a intenção de facilitar o deslocamento daquela carga (8, 9, 10).
Figura 13 – Transporte de um colosso egípcio a cerca de 1900 á 2400 A.C
Fonte: Stoeterau (2004)
Muitos são os registros históricos de técnicas desenvolvidas e empregadas pelo homem para minimizar o atrito durante a realização de movimentação de cargas, mas foi Leonardo da Vinci (1452-1519), o primeiro a constatar que a força de atrito é proporcional à carga e independente da área nominal de contato. Isso ocorreu quase 200 anos antes que estas leis fossem enunciadas por Guillaume Amonton, em 1699. Amonton, independentemente de Leonardo da Vinci, realizou investigações experimentais e postulou suas leis. O século XVIII viu consideráveis desenvolvimentos tribológicos devido ao crescente envolvimento do
homem com novas máquinas. Em 1780, aproximadamente, Coulomb confirmou as leis de atrito de Amonton e estabeleceu a terceira lei, em que a força de atrito é independente da velocidade. Essas três leis ainda são usadas e podem ser encontradas nos livros atuais de física e engenharia sobre o atrito (8, 9, 10).
Formalmente a tribologia passou a ser considerada como um novo ramo do conhecimento humano, a partir de 9 de Março de 1966, quando Jost H.P.(11) realizou a apresentação de um relatório feio para o Departamento de Educação e Ciência da Inglaterra, com o titulo: Lubrication (tribology) education and research. A palavra que definia esta nova ciência era nova, mas o assunto a que a mesma se refere não, pois a mesma esta relacionada a assuntos já conhecidos que são o atrito, o desgaste e a lubrificação (8, 9, 10). Neste relatório Jost (11, 12) associou o conhecimento sobre a Tribologia à redução de perdas por desgaste de superfície, e melhora na eficiência de transmissões de potencia.
Jost (11) definiu a tribologia como sendo a ciência e tecnologia que estuda e analisa a interação entre superfícies com movimento relativo, de temas e praticas associadas. O sentido do termo apresentado por Jost (11), fazia referência a uma parte da Ciência cujo objetivo era analisar a tecnologia de duas ou mais superfícies em atrito entre si, assim como os aspectos práticos que este atrito poderia trazer. Do ponto de vista ambiental este estudo possui um impacto positivo significativo, pois a redução com as perdas por desgaste aumentou a durabilidade de componentes e o melhor aproveitamento (eficiência) da energia (combustíveis) (8, 9, 10).
A tribologia apresenta diferentes interesses nas diversas áreas do conhecimento tecnológico, com uma série de disciplinas científicas se ocupando de problemas tribológicos, tais como (8, 9, 10, 11, 12):
• a ciência dos materiais, com o desenvolvimento de materiais tribológicos especiais; • a química, com o estudo de lubrificantes, aditivos e problemas de camada limite; • a física, com estudos de novos materiais e processos de revestimentos, e estudo do atrito no nível atômico / quântico;
• a fabricação, com estudo da qualidade de superficial proveniente da fabricação e suas relações com a tribologia;
• a metrologia, com a qualificação superfícies tribológicas e a automação de sistemas; • o projeto, com a aplicação de superfícies tribológicas;
• a automação, com o estudo da influência do atrito em sistemas de controle; entre outras.
Apesar de Jost (11) determinar o termo de Tribologia, o estudo do atrito já vinha sendo estudado á muito mais tempo e as leis que determinam o atrito já haviam sido estudadas e determinadas. As leis clássicas do atrito podem ser descritas como se segue (9, 10):
- A força de atrito é proporcional à força (ou carregamento) normal; - A força de atrito é independente da velocidade de escorregamento; - A força de atrito é independente da área de contato aparente.
As duas primeiras leis descrevem o atrito essencialmente como um contato elástico. Estas foram idealizadas por Leonardo Da Vinci (1452-1519) e ao físico francês Guillaume Amontons (1699). Charles Augustin de Coulomb (1736–1806) distinguiu o atrito estático do dinâmico, observando que a força para manter um corpo em movimento era menor do que aquela necessária para inicia-lo (8, 9, 10).
Em 2006 Jost (12), escreveu um artigo chamado Tribology: How a word was coined 40
years ago, comemorativo aos 40 anos da criação e popularização da ciência da Tribologia no
meio Cientifico, trazendo as memórias e lembranças da história da Tribologia.
2.3.1 Atrito na Conformação
O nível de atrito pode ser desejável em muitos casos, mas não é uma regra, depende da situação dinâmica em questão, o atrito pode ser desejado, não desejado (mínimo possível), ou mesmo controlado. As articulações ósseas de nós humanos e também dos animais, em sua grande maioria se deseja o mínimo de atrito possível, porém, em sistemas mecânicos como freios e embreagens um elevado atrito é desejável, o mesmo ocorre para o pneu de um veículo com a pista de rodagem, ou com a sola dos sapatos ao piso/solo quando nos movimentamos.
Na conformação de peças metálicas o atrito, desgaste e lubrificação estão presentes durante as operações, conhecer seu comportamento nos processos de conformação é de suma importância para que os mesmo ocorram de forma satisfatória. O fluxo do material entre matriz e punção, bem como o estiramento adequado do material em algumas operações, somente é possível se atrito e lubrificações corretas são empregadas, da mesma forma o desgaste esta presente devido ao atrito que a peça sobre com punção e matriz (1, 2, 4).
Para facilitar o entendimento do que vem a ser o atrito, pode-se tomar uma situação muito simples como exemplo, ao observar a Figura 14, verifica-se o corpo B sobre a superfície A, o peso do corpo W e sua reação R são de valores iguais, mas de sentidos opostos. Ao tentar deslocar o bloco paralelamente ao plano da esquerda para a direita, a força
H, encontrará uma força de resistência (força F), que tentará impedir o movimento, no exato instante em que H for igual á F o movimento terá inicio, e enquanto H ≥ F, o bloco permanecerá em movimento. A força resistiva F sempre terá uma relação fixa com a força de contato R, e esta relação dependerá dos materiais, da aspereza e condição de lubrificação das Superfícies [2].
Figura 14 – Representação das Forças Normal e Atrito em um corpo.
Fonte: Helman (1993)
Esta resistência pode ser considerada como uma força necessária para realizar o movimento, onde Schaeffer (4) a define como sendo força de atrito (ܨ), já Altan (1) e Dieter
(5) a definem como sendo tensão de cisalhamento de atrito ou tensão cisalhante na interface (
), a força de atrito ou tensão de atrito são termos equivalentes, pois estão submetidos à mesma área. Esta força/tensão de atrito esta diretamente relacionada com a pressão ou força de contato entre as superfícies, denominadas tensão normal (σ
) ou Força Normal ( ) (1, 2, 4).Esta força/tensão de atrito possui uma variação, entre o inicio do movimento e em regime permanente, pois a força necessária para iniciar o movimento relativo entre os corpos é maior do que a força necessária para manter o movimento em regime permanente, mesmo mantendo a mesma carga entre os dois corpos (2, 8). Para melhor definir estas forças, estas são definidas como Força de Atrito Estático (ܨா) e Força de Atrito Cinético (ܨ). A Força de
Atrito Estático (ܨா) é a qual se faz necessária para inicia o movimento, e a Força de Atrito
Cinética (ܨ) é a força necessária para manter deslocamento em uma velocidade constante.
No gráfico mostrado na Figura 15 é possível visualizar o comportamento destas forças, quando se percebe um pico no esforço gerado pela Força de Atrito Estático (ܨா) e uma queda
Figura 15 – Comportamento das Forças de Atrito Estáticas e Cinéticas.
Fonte: Adaptada de Stoeterau (2004)
Na conformação de peças metálicas o atrito, desgaste e lubrificação estão presentes durante as operações, e presentes em varias regiões de contato da peça, tornando complexa a determinação do atrito com um valor característico, na Figura 16 é possível verificar um exemplo típico de operação de embutimento onde se percebe o atrito entre a chapa e a ferramenta em dois pontos distintos, regiões A e B. As forcas de atrito citadas anteriormente estão presentes nesta situação assim como em outras operações de Conformação (1, 4, 13, 14, 15).
Figura 16 – Forcas de atrito presentes na Operação de embutimento.
Nas regiões 1a, 1b e 2 da Figura 15, um baixo atrito é desejado para minimizar as forças de conformação. Nas regiões 3 e 4 (lateral e raio do punção) são desejáveis altos valores de coeficiente de atrito, para transferir a força de embutimento para a zona de conformação no prensa-chapas. No caso do processo de estiramento, baixas forças de atrito entre a chapa e o punção são desejáveis, e também na conformação de peças planas onde predominam condições de estiramento, com objetivo de se alcançar o grau necessário de conformação e encruamento na região média da peça (15).
Como já citado anteriormente o atrito são forças (forças de atrito) que dificultam o movimento entre duas superfícies, no caso da conformação isso ocorre geralmente entre duas superfícies metálicas. Não importa o quanto às superfícies em contato sejam lisas e/ou polidas, elas sempre vão possuir microscópicas irregularidades, o atrito ocorre devido ao contato destas pequenas irregularidades. Durante o movimento relativo estas irregularidades se travam e se chocam gerando alguma consequência que geralmente resulta em um desgaste das partes metálicas (17).
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
σ
τ
ே
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.
2.3.3 Desgaste na Conformação
Dentro da Tribologia o desgaste é um dos principais focos de estudo, devido principalmente as variações dimensionais que o mesmo pode gerar, e o efeito cascata disso logo após, sendo um deles o financeiro (11, 12).
A Organização para Cooperação Econômica e Desenvolvimento (OECD – Organisation
for Economic Co-operation and Development) da ONU, define o desgaste como sendo um
dano progressivo que envolve a perda de material, perda a qual ocorre na superfície de um componente como resultado de um movimento relativo a um componente adjacente (8). De formar geral o desgaste pode ser definido como uma mudança cumulativa e indesejada em
uma geometria, devido à remoção gradual de pequenas partículas de material da superfície em contato e com movimento relativo, devido principalmente a ações mecânicas (8, 9).
Os custos envolvidos pelo estudo da tribologia, sempre foram destacados por Jost (11, 12) desde 1966 quando o termo Tribologia ganhou notoriedade, principalmente em importante artigo escrito por ele em 1990 (Tribology – origin and future.), quando relatou dados de recursos desperdiçados devido a negligencia, falta de informação e pesquisa em relação à tribologia. O mesmo, com bom humor cita, que se Newton tive escorregado em uma casca de banana, e analisado este fenômeno, ao invés de analisar a maça que havia caído sobre usa cabeça, 300 anos de desperdícios haviam sido evitados Em seu estudo apresentado em 1966, estimou que naquele ano a Inglaterra teria um custo (desperdício) equivalente á 515 milhões de Libras (10, 11).
Nas das máquinas e equipamentos, o desgaste compromete o perfeito funcionamento dos mesmos, gerando erros nas atividades executadas por elas, gerando descarte de peças ou necessidade de refazer as operações, também da necessidade de interromper o funcionamento das máquina e equipamentos para substituição dos componentes desgastados, e em casos mais extremos a máquina ou equipamento deve ser substituído por completo, todos estes problemas geram problemas de improdutividade e custos elevados (8, 9, 11, 12).
O desgaste é um processo complexo que resulta de processos independentes ou conjuntos, tradicionalmente podem-se destacar quatro principais subcategorias de desgaste: por adesão, por abrasão, por corrosão, e por fadiga superficial, na Figura 23 verificam-se os quatro modos de desgaste, com uma ilustração que mostra a diferença entre ambos. Em seguida este principais princípios de desgastes são caracterizados (8, 9, 10, 13, 14):
Figura 23 – Desenhos representativos dos quatro modos de desgaste.
- Desgaste Adesivo: Nos materiais metálicos, ocorre devido á fenômenos físicos e
mecânicos que ocorrem sucessivamente. Devido às elevadas pressões que os picos de aspereza (microscópicos) sofrem, somada a elevação da temperatura neste ponto, ocorre um caldeamento (Solda a frio) nestas pequenas junções. Para que o movimento relativo continue ocorrendo essas soldas devem ser rompidas, e então, ocorre um severo dano a superfície. Este rompimento pode ocorre na interface original, o que não vem a ser um grande problema, mas pode ocorrer e uma interface diferente (2, 8, 9).
A força normal ( ) ou tensão normal (σ), gerada nos pontos de contato (picos de asperezas) A, pode produzir o encruamento do material, gerado pela deformação plástica, e gerar uma solda na fase solida (solda fria), tornando esta região, mais resistente que a deformação plástica suportada pela partícula em outro ponto próximo á ela. Na Figura 24 percebe-se como este fenômeno ocorre, sendo que o cisalhamento da partícula possivelmente venha a ocorrer, em uma área A, diferente da área onde ocorreu a soldagem da partícula (2).
Figura 24 – Desenho representativo dos pontos de contato e adesão.
Fonte: Helman (1993)
Com o rompimento da partícula, ocorre à transferência da mesma de um ponto da superfície para outro, caracterizando o desgaste por adesão (8, 9).
Na figura 25 observa-se esse tipo de desgaste ocorrendo nas seguintes etapas: - Superfícies em contato, soldadas a frio;
- Ruptura na interface sem transferência de partículas;
- Ruptura logo abaixo da junção de interface, com consequente transferência de partículas.
As partículas removidas podem se deslocar e/ou permanecer unida á outra superfície com escorregamentos posteriores. Se este tipo de desgaste se elevar, uma transferência elevada de metal pode levar ao fenômeno de Raspagem. Se a raspagem se tornar muito severa pode levar á outro fenômeno chamado engripamento, de modo que o movimento relativo pare de ocorrer pelo “travamento” entre as duas superfícies (8, 9).
Figura 25 – Desenhos representativos da ocorrência da adesão e ruptura de partículas.
Fonte: Stoeterau (2004)
- Desgaste Abrasivo: A compreensão do desgaste abrasivo pode ser mais bem
compreendida quando associado á processos empregados na indústria, é do uso de ferramentas como limas, lixas, rebolos, e operações de polimento e lapidação, estas ferramentas e processos usam o conceito da abrasão para remover material (8, 9).
O desgaste abrasivo é uma forma de desgaste que ocorre quando uma superfície rugosa e dura se desloca sobre uma superfície de material mole, neste deslocamento as asperezas da superfície mais dura risca a superfície mais mole e remover partículas da mesma, estas partículas geralmente ficam soltas e se deslocam pelas duas superfícies, podendo sofrer adesão em outro pondo da superfície mais mole (8, 9). Outra forma de desgaste abrasivo pode ocorrer quando uma partícula dura de material é introduzida entre duas superfícies mais moles, esta partícula poderá aderir temporariamente em um ponto da superfície, removendo partículas da superfície contraria, e se deslocando para outra posição ou superfície e riscando e removendo partículas de material em ambas as superfícies (8, 9).
O desgaste abrasivo envolvendo uma superfície dura e rugosa com outra mole é conhecida como desgaste abrasivo de dois corpos, este tipo de desgaste pode ser mostrado na Figura 26. Este tipo de desgaste pode ler eliminado ou minimizado se a superfície mais dura for lisa (menor rugosidade possível) (2, 8, 9).
Figura 26 – Desenho representativo de superfície abrasiva antes e depois do desgaste, e superfície abrasiva com partículas aderidas na superfície.
Fonte: Stoeterau (2004)
O desgaste abrasivo envolvendo um grão duro e abrasivo, e duas outras superfícies moles, é conhecido como desgaste abrasivo de três corpos, este tipo de desgaste pode ser mostrado na Figura 27, este tipo de desgaste pode ler eliminado ou minimizado se as partículas duras forem muito pequenas ou de dureza inferior ao material das superfícies (8, 9). Este tipo de desgaste pode ser eliminado ou minimizado, se a superfície mais dura tiver sua rugosidade minimizada, e se ambas as superfícies estiverem isentas de partículas duras. Contudo fragmentos provenientes de outros processos de desgaste podem ser endurecidos por oxidação e darem inicio ao processo de desgaste por abrasão (8, 9).
Figura 27 – Desenho representativo de um grão abrasivo entre duas superfícies.
- Desgaste por Fadiga: É um tipo de desgaste particular que não ocorre em superfícies
deslizantes e sim, em superfícies em contato com rolamento. As tensões de contanto geram logo abaixo da superfície tensões de cisalhamento, as quais variam de Zero a um valor máximo e volta a Zero, e isso ocorre de forma cíclica a cada momento que o ponto sobre esta tensão, levando a uma falha por fadiga do material (8, 9). Esta falha pode se transformar em uma trinca que pode se propagar até a superfície, vindo a desprender uma partícula de material e formando uma cavidade na superfície, na Figura 28 possível verificar uma representação de uma cavidade gerada pelo desprendimento de uma partícula causada pelo desgaste por fadiga (8, 9).
Figura 28 – Representação da cavidade gerada pelo desprendimento de material por Fadiga.
Fonte: Stoeterau (2004)
O tamanho das partículas geradas por este tipo de desgaste são maiores (ordem de grandeza de 100m), enquanto as partículas geradas pelo desgaste por adesão são bem menores (ordem de grandeza de 30 m). Este tipo de desgaste ocorre em máquinas e componentes que envolvam mancais de rolamento, dentes de engrenagens, cames e superfícies em rolamento (8, 9).
- Desgaste corrosivo (Tribo químico): Ocorre em meios corrosivos, líquidos e
gasosos, de forma pratica, ocorre quando a superfície deslizante interage quimicamente com o meio, e forma um produto a partir desta reação e este é raspado da superfície. Para exemplificar pode-se usar como exemplo uma superfície nua de metal, que é exposta á um meio onde pode reagir, como um ambiente que contenha oxigênio, neste exemplo ocorre primeiramente o ataque corrosivo na superfície, similar a um processo comum de corrosão (8, 9). Na sequencia ocorre a raspagem deste produto da corrosão, deixando a superfície novamente expostas para que ocorra a corrosão novamente, além disso, simultaneamente ocorre o processo de adesão e abrasão, principalmente por abrasão, quando as partículas
provenientes da corrosão forem duras, estas interagem entre as superfícies de forma similar ao processo de desgaste abrasivo de três corpos (8, 9).
2.3.4 Lubrificação na Conformação
Segundo Schaeffer (4), todas as operações de estampagem necessitam de uma lubrificação adequada, em especial as operações de Embutimento, o mesmo cita de forma abrangente e genérica, três funções principais para os lubrificantes no processo de conformação:
- Evitar o contato direto entre a peça e a ferramenta; - Aumentar ou diminuir o atrito do prensa-chapa; - Aumentar ou diminuir o esforço do prensa-chapa.
Em operações de extremas pressões os lubrificantes aditivados são recomentados, principalmente os a base de bissulfeto de molibdênio. Para aço carbono se recomenta o uso de lubrificantes com propriedades inibidoras de oxidação. O uso de filmes plásticos é recomendado para operações de Embutimento, pois tem bons resultados (4).
Altan (1) e Helman (2) definem de forma mais detalhada, as funções e características desejáveis aos lubrificantes a serem usados nos processos de conformação:
- Reduzir atrito entre matriz/punção e peça, usando lubrificantes de alta “lubricidade”, mesmo em altas pressões e temperaturas;
- Impedir a Adesão metálica entre matriz e produto processado;
- Agir prevenindo a aderência entre matriz/punção e peça e o desgaste por adesão; - Possuir boas propriedades de isolamento térmico, nos casos de forjamento a quente, para minimizar a perda de calor da peça para a matriz/punção;
- Não apresentar toxidade ao ambiente, ser inerte para evitar/minimizar reações entre matriz/punção e peça com as elevadas temperaturas durante o forjamento;
- Não ser abrasivo para evitar o desgaste por abrasão ou marcas nas peças;
- Ser livre de componentes poluidores ou venenosos, não produzir gases perigosos, ou possuir odor desagradável;
- Facilidade na aplicação e remoção da matriz/punção e peça; - Ser de fácil disponibilidade para compra ao menor custo possível;
- Possuir condutividade elétrica, para ajudar a dissipar as cargas elétricas estáticas produzidas pelo atrito.
Em 1902, Stribeck foi o primeiro pesquisador a relatar a dependência do coeficiente de atrito com a velocidade de Eixos em Mancais de rolamento. Seu trabalho apresentou uma curva com três regimes de lubrificação distintos, que recebeu o nome de “Curva Stribeck”. O coeficiente de atrito, posteriormente foi apresentado como uma função dos parâmetros de Viscosidade do Lubrificante, Numero de rotações do Eixo e a Pressão normal sobre o Eixo (13).
Existem basicamente três condições de Lubrificação (1, 13, 19):
- Condição de contorno (BL): Esta condição apresenta situações de elevadas pressões e temperaturas, não permite a lubrificação em regime hidrodinâmico. Este tipo de lubrificação não permite uma análise confiável, a maioria dos conhecimentos sobre esta condição de lubrificação é empírica (baseado em observação, sem comprovação cientifica). A presença de lubrificante neste regime é praticamente inexistente e o coeficiente de atrito é determinado pela aderência entre as duas superfícies, os valores de coeficiente de atrito variam entre 0,1< µ <0,3.
- Condição Mista (ML): Esta é a condição normalmente presente nos processo de conformação de metais, nesta um fino filme de lubrificante envolve toda a superfície de contato, ela é intermediaria entre a Condição de Contorno e Hidrodinâmica, os valores de coeficiente de atrito variam entre 0,01< µ <0,1.
- Condição Hidrodinâmica (HL): Nesta, uma camada espessa de fluido envolve as superfícies de contato, e as tensões geradas dependem fortemente da viscosidade de fluido, onde os estudos de Mecânica de fluidos são aplicados, os valores de coeficiente de atrito são de µ < 0,01.
Figura 29 – Curva genérica de Stribeck.
Na Figura 29 a Curva genérica de Stribeck é mostrada, onde se observam os três regimes de lubrificação de forma distinta. Na Figura 30, Folle (19), traz uma imagem similar que mostra de forma representativa a quantidade de lubrificante entre as superfícies em cada um dos regimes de Lubrificação (13, 19).
Figura 30 – Curva esquemática de Stribeck.
Fonte: Folle (2012)
Alguns casos, principalmente quando o processo dominante de desgaste é o desgaste por adesão, são utilizados produtos corrosivos, como fosfatos, sulfetos e cloretos metálicos, eles corroem o material proveniente da adesão e formam um filme macio proveniente da ação corrosiva, com baixos volumes de desgaste e com boas características lubrificantes (baixo atrito, bom acabamento superficial). Alguns lubrificantes usados em processos de corte de metais contem de forma proposital cloro, enxofre e fósforo como aditivos para encorajar um desgaste corrosivo, em lugar do desgaste por adesão que acabaria ocorrendo e trazendo consequências piores ao processo. Sulfetos hidrogenados gasosos e hidrocarbonetos halogenados são usados com o mesmo propósito em lubrificantes, onde as operações apresentam situações de extrema pressão (lubrificantes E.P.) (8, 20).
Bay (20) detalha a influencia das condições de lubrificação no processo de forjamento, e sua variação em função do tipo e severidade do processo. Em sua obra o mesmo relata de forma detalhada as recomendações de lubrificante para o processo de forjamento. Sendo os óleos lubrificantes os mais utilizados nos processos são hidrocarbonetos de petróleo (óleos minerais), os mesmos apresentam boa versatilidade na maioria das operações, contudo em
