PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Renata de Oliveira Nogueira
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA LUBRIFICAÇÃO COM PARTÍCULAS SÓLIDAS NA ESTAMPAGEM DE AÇOS ABNT 1010 e 1020
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Renata de Oliveira Nogueira
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA LUBRIFICAÇÃO COM PARTÍCULAS SÓLIDAS NA ESTAMPAGEM DE AÇOS ABNT 1010 e 1020
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del-Rei, como
requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Processos de Transformação Metal-Mecânico
Orientador: Prof. Dr. Frederico Ozanan Neves
Primeiramente dedico este trabalho a Deus, que me deu a oportunidade de estar realizando mais um sonho. Em seguida ao meu esposo, Marcio, meus pais, Francisco e Regina, meus irmãos, Carlito e Daniel, e a minha avó, Maria de Lourdes.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço a Deus por esta oportunidade e por sempre estar abrindo novas portas.
Ao meu esposo, Marcio Avelino, por todo companheirismo, paciência, apoio, dedicação, auxílio na condução dos experimentos e ajuda durante toda essa etapa.
Aos meus pais, Francisco e Regina, pelo apoio, carinho, paciência, amor e principalmente por cada palavra de incentivo para que eu nunca desistisse dos meus sonhos e objetivos.
Aos meus irmãos, Carlito e Daniel, que sempre me apoiaram desde o início dessa jornada. Ao meu orientador Professor Dr. Frederico Ozanan Neves, por todos os ensinamentos, pela dedicação, paciência e orientação durante o desenvolvimento deste trabalho.
A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UFSJ, por cada ensinamento e incentivo.
Ao professor Guilherme Germano, por ter ajudado no desenvolvimento dessa pesquisa. A secretária do PPMEC Claudete, por ter auxiliado em diversas etapas deste programa. Aos técnicos dos laboratórios de fabricação, calor e fluídos, metalógrafico e caracterização de materiais da UFSJ que dedicaram e empenharam para o seguimento desse trabalho.
Aos meus companheiros de mestrado Jessica Tito, Renan Fernandes e Tatiane Oliveira, que me ajudaram durante todo o curso.
Finalmente, a todas as pessoas que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste grande sonho.
“Os que desprezam os pequenos acontecimentos nunca farão grandes descobertas. Pequenos momentos mudam grandes rotas”.
Nogueira, R.O. (2018). Análise da influência da lubrificação com partículas sólidas na estampagem de aços ABNT 1010 e 1020. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei, São João del-Rei, 2018.
RESUMO
O processo de conformação é muito utilizado pelas indústrias e consiste em alterar a forma e as dimensões do material através da aplicação de esforços mecânicos externos. Os principais processos de conformação são a laminação, trefilação, extrusão, forjamento e conformação de chapas. A conformação de chapas pode ser dívida em estiramento, dobramento, estampagem e corte. A estampagem é muito utilizada em industrias automotivas e de linha branca. Entretanto, para ocorrer a estampagem o uso de lubrificantes é preponderante. Por outro lado, o processo de estampagem provoca modificações estruturais e na superfície do produto, entre elas, a alteração da rugosidade, estricção da parede e presença de tensões residuais. Apesar do processo de estampagem ser utilizado em diversos setores, a literatura sobre lubrificação de produtos estampados com partículas sólidas e a influência da lubrificação na tensão residual do material é bem escassa. Neste trabalho foram analisadas a influência da lubrificação no processo de estampagem a frio dos aços ABNT 1010 e 1020, na geração de tensão residual e na qualidade superficial de um produto. As peças foram estampadas sem lubrificante, com lubrificante mineral e com lubrificante vegetal com partículas de PET. Nas amostras foram realizados testes de microdureza e rugosidade, a fim de verificar o acabamento superficial e a inserção de tensões residuais de compressão ou tração no material. Os resultados mostraram que a lubrificação gerou tensões de compressão nas peças estampadas. A melhor lubrificação, em relação a microdureza, foi encontrada no óleo de linhaça com partículas de PET de 150-300 𝜇m. Em relação ao acabamento superficial, os melhores lubrificantes foram entre os óleos vegetais combinados com partículas de PET menores que 150 𝜇m e o algodão com partícula entre 300-600 𝜇m. Além disso, foram realizadas simulações numéricas pelo programa Deform, a fim de comparar as tensões residuais obtidas na simulação com os resultados experimentais. Os resultados da simulação não tiveram convergência com o método experimental. Supõe-se que essa divergência seja devido ao uso da fórmula do coeficiente de atrito neste trabalho.
Nogueira, R.O. (2018). Analysis of the influence of lubrication with solid particles on the stamping of ABNT 1010 and 1020 steels. Dissertation (Master Degree) – Federal University of São João del-Rei, São João del-Rei, 2018.
ABSTRACT
The forming process is must used by industries and consists of changing the shape and dimensions of the material through the application of external mechanical stresses. The main forming processes are rolling, drawing, extrusion, forging and sheet forming. The sheet forming process can be divided into stretching, bending, deep drawing and cutting. Stamping is widely used in the automotive and white-line industries. However, for the stamping to occur the use of lubricants is preponderant. On the other hand, the stamping process causes structural modifications and on the surface of the product, such as alteration of the roughness, the tightness of the wall and the presence of residual stresses. Although the stamping process is used in several sectors, the literature on lubrication of stamped products with solid particles and the influence of lubrication on the residual stress of the material is very scarce. In this work was analyzed the influence of the lubrication in the process of cold stamping of ABNT 1010 and 1020 steels in the generation of residual stress and the surface quality of a product. The blank were stamped without lubricant, mineral lubricant and vegetable lubricant with polyethylene terephthalate particles. Hardness and roughness tests were performed in the samples to verify surface finish and the insertion of residual stresses of compressive or tensile stresses were generated on the material. The results showed that the lubrication generated compression stresses on the stamped parts. The best lubrication relative to microhardness was found in linseed oil with PET particles between 150-300 μm. Regarding surface finish, the best lubricants were vegetable oils combined with PET particles smaller than 150 μm and cotton with particles between 300-600 μm. In addition, numerical simulation was performed by the Deform program to compare the residual stresses obtained in the simulation with the experimental results. The simulation results did not converge with the experimental method. It is assumed that this divergence is due to the use of the coefficient of friction formula in this work.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Processos de conformação dos metais. Fonte: Bolanho(2017) ... 05 Figura 2. Representação esquemática dos processos de conformação mecânica. Fonte: Chiaverini (1986) ... 07 Figura 3. Esquema de ferramental típico de estampagem. Fonte: Adaptado de Hosford e Duncan (1999) ... 09 Figura 4. Potencial de aquecimento global (GWP). Fonte: Adaptado de Lawal, Choudhury e Nukman (2011) ... 13 Figura 5. Comportamento de um fluido entre placas paralelas (BRUNETTI, 2008) ... 18 Figura 6. Fluxograma da classificação do comportamento de um fluido. Fonte: Adaptado de Raguzzoni (2007) ... 19 Figura 7. Rugosidade Ra (SILVA; SILVA; SILVA, 2000) ... 22 Figura 8. Rugosidade Rz (SILVA; SILVA; SILVA, 2000) ... 23 Figura 9. Tensão residual induzida por deformação plástica: a) carregamento abaixo do limite elástico; b) carregamento acima do limite elástico; c) sem carregamento. Fonte: Adaptado de Cullitty (1956) ... 25 Figura 10. Método de indentação (RODACOSKI, 1997) ... 29 Figura 11. Esquema do efeito da tensão residual na superfície do material indentado nas curvas carga-profundidade. Fonte: Adaptado de Jang (2009) ... 30 Figura 12. Penetrador e impressão Vickers (SOUZA, 1982) ... 31 Figura 13. Preparação da matéria prima: a) chapa de aço, b) guilhotina, c) jateadora ... 34 Figura 14. Corpo de prova: a) especificações de projeto (BRAGA, 2016), b) testes experimentais ... 35 Figura 15. Teste de Estampagem: a) prensa hidráulica utilizada no experimento, b) ferramental e corpo de prova preparados para estampagem ... 36 Figura 16. Ferramental utilizado nos testes experimentais: a) punção, b) matriz, c) guia ... 37 Figura 17. Preparo para caracterização microestrutural: a) embutidora, b) aço embutido em baquelite, c) polidora metalográfica ... 38 Figura 18. Classificação das partículas de PET: a) partículas de PET antes de ser triturada, b) peinara utilizada para separar as partículas, c) material de PET sendo peneirado no agitador.. ... 39 Figura 19. Ensaio de Viscosidade: a) equipamento Reo-Viscómetro utilizado no teste, b) banho ultratermostatico para aquecer o fluido, c) densímetro para medir a densidade ... 40 Figura 20. Ensaio de Rugosidade: a) Perfilômetro Taylor Hobson utilizado para medir rugosidade, b) ensaio sendo realizado em um corpo de porva ... 42
Figura 21. Preparação da amostra para o corte: a) traçador de altura, b) corpo de prova com as
regiões de referência para analises de microdureza... 42
Figura 22. Ensaio de microdureza: a) durômetro utilizado no ensaio, b) amostra sendo indentada ... 42
Figura 23. Pontos onde foram realizados todos os ensaios de microdureza... 44
Figura 24. Ferramental e blank utilizados no programa de simulação Deform ... 45
Figura 25. Espectro de raio X: a) aço 1010, b) aço 1020 ... 46
Figura 26. Teste de normalidade para os dados de microdureza do material recebido: a) aço 1010, b) aço 1020 ... 47
Figura 27. Viscosidade média dos lubrificantes em temperatura 20 e 60ºC ... 48
Figura 28. Teste de normalidade dos dados de microdureza: a) ponto central de medição, b) ponto esquerdo de medição, c) ponto direito de medição ... 52
Figura 29. Microdureza por lubrificação e por partículas de PET ... 55
Figura 30. Microdureza por lubrificação e material ... 56
Figura 31. Média da microdureza por material, ponto de medição e lubrificação ... 56
Figura 32. Microdureza do material recebido e estampado... 57
Figura 33. Teste de normalidade dos dados de rugosidade: a) rugosidade Ra, b) rugosidade Rz ... 59
Figura 34. Rugosidade dos materiais estudados ... 60
Figura 35. Rugosidade Ra do material estampado em relação a lubrificação ... 61
Figura 36. Rugosidade Rz do material estampado em relação a lubrificação ... 63
Figura 37. Representação dos pontos 3, 4 e 5 na estampagem de uma chapa de aço 1020 com óleo de linhaça ... 64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Composição química do aço ABNT 1010 e 1020 ... 35
Tabela 2. Parâmetros de estampagem utilizados no processo. ... 41
Tabela 3. Coeficiente de atrito do aço ABNT 1010 e 1020 para as cinco condições de lubrificação estudadas... 45
Tabela 4. Resultado de dureza dos materiais recebidos ... 46
Tabela 5. Resultado do ensaio de viscosidade ... 47
Tabela 6. Analise de Variância para tipo de óleo e temperatura. ... 49
Tabela 7. Método de Tukey para comparações das viscosidades ... 49
Tabela 8. Resultado de microdureza das amostras após o processo de estampagem ... 50
Tabela 9. Analise de Variância para material, tipo de óleo e ponto de medição ... 53
Tabela 10. Contraste na lubrificação para microdureza - Aço 1010 x Lubrificação ... 53
Tabela 11. Contraste na lubrificação para microdureza - Aço 1020 x Lubrificação ... 54
Tabela 12. Média da microdureza para o método de lubrificação... 54
Tabela 13. Resultado da rugosidade Ra e Rz das amostras após o processo de estampagem...58
Tabela 14. Analise de Variância para os valores de rugosidade Ra ... 60
Tabela 15. Analise de Variância para os valores de rugosidade Rz ... 60
Tabela 16. Contraste na lubrificação para rugosidade Ra ... 61
Tabela 17. Contraste na lubrificação para rugosidade Rz ... 62
LISTA DE QUADROS
Quadro 1. Vantagens e desvantagens dos óleos vegetais como lubrificantes. Fonte: Adaptado de Shashidhara e Jayaram (2010) ... 15 Quadro 2. Mecanismos básicos de geração de tensões residuais em diferentes processos de fabricação e beneficiamento ... 26
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
Letras latinas
AA’ = Corte AA
AB = Distância entre duas placas
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas ANOVA = Análise de Variância
ASTM = Sociedade Americana de Testes e Materiais C = Carbono/grafite
CITEC = Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos CLA = Centro da linha média
CNC = Comando Numérico Computadorizado cps = Contagens por segundo
Cr = Cromo cSt = Centistoke Cu = Cobre
d = Diâmetro do furo
du/dy = Gradiente de velocidade / taxa de deformação / taxa de cisalhamento
EDS = Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X eV = Elétron-volt
F = Força externa
Fcalc = Valor calculado para a variância de Fisher Fe = Ferro
FEM = Método dos elementos finitos
F tab = Valor tabelado para distribuição de Fisher para 5% de significância GL = Grau de liberdade
h = Profundidade de penetração do indentador Ho = Hipótese de que todas as médias são iguais
H1 = Hipótese de que existe pelo menos uma média diferente HV = Dureza Vickers
ISO = Organização Internacional de Normalização keV = Mil elétrons-volt
L = Média das duas diagonais
le = Comprimento de amostragem / cut off lm = Comprimento total de avaliação
ln = Distância para atingir a velocidade de parada do apalpador lt = Distância total percorrida pelo apalpador
lv = Distância para atingir a velocidade de medição
MEV = Microscópio Eletrônico de Varredura Mn = Manganês
MoS₂ = Dissulfeto de molibdénio
MSC = Razão do tratamento analisado pelo seu grau de liberdade N = Tamanho da amostra NBR = Norma brasileira Ni = Níquel P = Fósforo p = Profundidade do furo P3 = Ponto central P4 = Ponto esquerdo P5 = Ponto direito
Pc = Carga necessária no material com tensão residual de compressão PET = Politereftalato de Etileno
Po = Carga aplicada em um material livre de tensão residual
Pt = Carga para fazer impressão no material com tensão residual de tração PTEF = Teflon ou politetrafluoroetileno
Q = Carga aplicada QM = Quadrado médio Ra = Rugosidade média
Rc = Altura média dos elementos perfil Rp = Altura máxima do pico do perfil Rt = Altura total do perfil
Rv = Profundidade máxima do vale do perfil Rz = Rugosidade máxima
S = Enxofre Si = Silício
SQ = Soma de quadrados T = Temperatura
Tm = Temperatura de fusão do metal v = Velocidade
vo = Velocidade da placa superior
yi = Média aritmética dos valores absolutos dos desvios do perfil Zi = Rugosidade parcial (Zi)
Letras gregas
𝜇 = Coeficiente de atrito 𝜇m = Micrômetro
𝜈 = Viscosidade cinemática 𝜎 = Tensão
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 01 1.1 Contexto geral ... 01 1.2 Objetivo geral ... 02 1.3 Objetivo específico ... 02 1.4 Justificativa ... 03 1.5 Organização do trabalho ... 03 2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 05 2.1 Conformação mecânica ... 05 2.1.1 Aço carbono ... 07 2.1.2 Estampagem ... 08 2.2 Atrito ... 10 2.3 Lubrificante ... 11 2.3.1 Lubrificante vegetal ... 14
2.3.2 Lubrificante com partículas sólidas ... 16
2.4 Viscosidade ... 17
2.4.1 Fluidos não newtonianos ... 20
2.5 Rugosidade ... 21
2.5.1 Rugosidade média – Ra ... 22
2.5.2 Rugosidade média – Rz ... 23
2.6 Tensão residual ... 23
2.6.1 Tipos de tensões residuais ... 27
2.6.2 Técnicas de medição de tensões residuais ... 28
2.6.2.1 Técnica de indentação ... 28
2.7 Dureza Vickers ... 30
2.8 Simulação de elementos finitos ... 32
3. MATERIAS E MÉTODOS ... 34
3.1 Materiais ... 34
3.2 Corpos de prova para estampagem ... 35
3.3 Ferramental de estampagem ... 36
3.4 Caracterização dos materiais dos corpos de prova ... 37
3.5 Caracterização da lubrificação ... 38
3.7 Procedimentos experimentais ... 41
3.8 Simulação em elementos finitos ... 44
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 46
4.1 Caracterização dos materiais dos corpos de prova ... 46
4.1.1 Análise no MEV ... 46
4.1.2 Teste de dureza ... 46
4.2 Caracterização dos lubrificantes ... 48
4.2.1 Teste de viscosidade dos lubrificantes líquidos ... 48
4.2.2 Teste de viscosidade dos lubrificantes líquidos com partículas sólidas ... 51
4.3 Estampagem das chapas ... 51
4.4 Microdureza das peças estampadas ... 55
4.5 Rugosidade das peças estampadas ... 58
4.6 Resultados da simulação ... 63
5.CONCLUSÕES ... 66
6. RECOMENDAÇÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ... 69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 70
APÊNDICE A ... 76
ANEXOS ... 80
Anexo A – Desenho do punção ... 80
Anexo B – Desenho da matriz ... 81
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 Contexto geral
Os aços são ligas à base de ferro mais amplamente aplicadas. Vários fatores contribuem para a importância que o aço tem dentre os materias industriais. Isso ocorre devido a abundância do ferro encontrado na crosta terrestre, possuindo custo relativamente baixo de produção, possibilidade para combinações de propriedades físicas e mecânicas, facilidade de reciclagem, vida relativamente curta quando descartados e consumo de energia relativamente baixo em sua produção (COLPAERT, 2008).
De acordo com a World Steel Association (2017), a produção global de aço bruto encerrou 2016 em 1,63 bilhão de toneladas. A China é a maior produtora internacional de aço, as siderúrgicas chinesas em 2016 produziram 807,6 milhões de toneladas, seguindo o Japão com 104,77 milhões de toneladas e a Índia com 95,48 milhões de toneladas. Já o Brasil em 2016 produziu aproximadamente 31,27 milhões de toneladas de aço bruto.
A estampagem é um processo de conformação mecânica onde uma chapa plana é submetida a transformação de modo a adquirir uma nova forma geométrica, plana ou oca (CHIAVERINI, 1986).Os materiais utilizados no processo de estampagem podem ser aços carbono e ligas, ligas de alumínio e titânio, superligas de ferro, níquel e cobalto, ligas de molibdênio, nióbio e tungstênio (EVANGELISTA, 2000).
De acordo com Lasmis (2002), todo processo de fabricação introduz tensão residual em peças mecânicas, o que influencia seu comportamento em relação à fadiga, resistência à fratura e até mesmo sua resistência à corrosão. Existem poucos métodos de fabricação que não produzem novas tensões.
As tensões residuais são frequentemente geradas em muitos componentes e dispositivos por processos térmicos ou mecânicos, podendo afetar fortemente sua confiabilidade e desempenho funcional. É de grande interesse cientifico e de engenharia a determinação das tensões residuais em materiais cerâmicos, vidros e metais, por meios não destrutivos. Atualmente existem estudos realizados a fim de desenvolver novos métodos de medição da tensão residual, empregando por exemplo, a técnica de indentação (JANG, 2009).
A tensão residual pode ter um efeito positivo, como um aumento no limite de fadiga, no caso de tensão residual de compressão na superfície do material. Quanto maior for a tensão
residual compressiva, maior será a resistência à fadiga. Por outro lado, pode ter um efeito negativo, como uma diminuição no comportamento de corrosão sob tensão de um material, no caso de tensão residual de tração (LASMIS, 2002).
A tensão residual de compressão, na superfície do material, aumenta a vida da peça em relação a fadiga. Isso ocorre devido um aumento da resistência contra o início e a propagação de trincas. Além disso, as tensões residuais compressivas podem aumentar a resistência de certos materiais contra a fadiga por corrosão e fragilização por corrosão sob tensão. Eles também podem melhorar a resistência ao desgaste (LOHE; VOHRINGER, 2002).
Em muitos processos de conformação, ocorre o contato entre duas ou mais superfícies com algum tipo de lubrificante. O atrito é gerado quando existe um movimento entre a ferramenta e o material que será deformado. O atrito em excesso na conformação provoca um consumo de energia desnecessário e gera desgaste prematuro nas ferramentas. A fim de reduzir o atrito, utiliza-se uma camada de lubrificante entre as superfícies de contato (FERRARINI, 2014).
Existem vários tipos de lubrificantes, destacando-se para a estampagem os lubrificantes sólidos e lubrificantes líquidos de extrema pressão (SILVA, 2007).Os lubrificantes podem se apresentar na forma de película de gás, líquido ou sólido, separando duas superfícies, a fim de reduzir esforços e desgastes gerados por seu movimento relativo. Normalmente a camada de lubrificante que separa as superfícies são muito finas e, algumas vezes, é difícil de ser observada. A espessura desse filme pode variar entre 1-100 mícrons, entretanto, maiores ou menores valores podem ser usados (OLIVEIRA, 2015).
Os lubrificantes convencionais utilizados nas indústrias normalmente são de base mineral. Esses lubrificantes podem causar prejuízos à saúde dos colaboradores e ao meio ambiente. De acordo com Pop et al. (2007), os óleos vegetais e seus derivados representam alternativas para os lubrificantes à base de minerais.
1.2 Objetivo Geral
O objetivo desse trabalho é analisar a influência da lubrificação no processo de estampagem a frio dos aços ABNT 1010 e 1020, analisando a tensão residual e a qualidade superficial do produto, apresentando as melhores combinações.
Este trabalho tem os seguintes objetivos específicos:
Comparar, através de análises estatísticas, a tensão residual e a qualidade do produto quando utilizados ou não lubrificantes com partículas sólidas;
Analisar a superfície do produto através de ensaios de rugosidade;
Analisar a dureza do produto estampado utilizando ensaios de dureza Vickers; Comparar os ensaios experimentais com a simulação numérica.
1.4 Justificativa
Apesar do processo de estampagem ser utilizado em diversos setores, a literatura sobre lubrificação de produtos estampados com partículas sólidas e a influência da lubrificação na tensão residual do material ainda é bem escassa, pouco pode ser encontrado a respeito deste tema.
Assim, este trabalho visa estudar o efeito da lubrificação com partículas sólidas em peças acabadas, a fim de buscar uma melhor qualidade e maior confiabilidade dos produtos.
O mercado onde as empresas estão inseridas exige cada vez mais a busca de processos de fabricação mais limpos. O uso de lubrificantes vegetais, em relação aos óleos minerais, causa menores efeitos negativos ao meio ambiente e menores riscos à saúde dos usuários.
Este trabalho poderá contribuir com a linha de pesquisa, utilizando conceitos de lubrificação para o processo de estampagem a frio. Tendo em vista que, através da análise de diferentes lubrificantes, será possível detectar se é interessante para as organizações o uso ou não dos lubrificantes vegetais.
1.5 Organização do trabalho
Este trabalho está organizado em 6 capítulos.
O capítulo 1 apresenta a introdução do tema trabalhado, os objetivos e a justificativa da escolha do tema.
O capítulo 2 contém a revisão bibliográfica, que consiste de pesquisas bibliográficas sobre processo de estampagem, atrito, lubrificação, rugosidade, tensão residual e simulação. Essas informações foram coletadas de livros, teses, dissertações, artigos, associações, empresas e órgãos governamentais. A etapa foi utilizada para fornecer suporte ao desenvolvimento deste trabalho.
O capítulo 3 trata dos materiais e métodos empregados, onde é descrito o ferramental, o corpo de prova e os lubrificantes utilizados nos experimentos. Essa etapa contém o planejamento de experimentos e a descrição dos procedimentos, que retrata como foi realizado o processo de estampagem e como foram coletados os resultados.
Os resultados obtidos e as discussões das etapas de ensaios experimentais e simulações numéricas encontram-se no capítulo 4, e no capítulo 5, são apresentadas as conclusões.
Finalmente, o capítulo 6 apresenta uma proposta para que trabalhos futuros possam ser realizados.
CAPÍTULO 2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Conformação mecânica
Segundo Bresciani Filho et al. (2011), os processos de conformação podem ser divididos em dois grupos: processos mecânicos e processos metalúrgicos, conforme observado na Figura 1. Nos processos mecânicos, a modificação do material ocorre devido à tensões externas, e as vezes, ao aumento da temperatura, sem atingir a faixa crítica para sua transformação de fase. Já nos processos metalúrgicos, podem ocorrer tensões externas e as vezes em altas temperaturas, ocorrendo liquefação do metal durante a fundição ou difusão de partículas metálicas, na sinterização.
Figura 1. Processos de conformação dos metais. Fonte: Bolanho(2017).
O processo de conformação plástica consiste em alterar a forma de uma peça metálica através da deformação plástica. A deformação ocorre por uma força ou tensão externa, cujo valor deve exceder o limite de escoamento do material, sem atingir o limite de resistência do mesmo. Se a temperatura de trabalho for maior que a temperatura de recristalização, o processo é chamado de trabalho a quente, caso seja menor, é conhecido como trabalho a frio (CALLISTER, 2002).
De acordo com Callister (2002), no trabalho a quente é possível obter grandes deformações com menores forças, porém pode ocorrer a oxidação na superfície do metal, resultando em perda de material e um acabamento superficial deficiente. Já o trabalho a frio aumenta a resistência do material e consequentemente reduz a ductilidade, pois o material encrua. Além disso apresenta melhor qualidade superficial, melhores propriedades mecânicas e controle dimensional mais preciso da peça acabada.
A conformação mecânica é um processo de fabricação muito utilizado, pois proporciona mínimo desperdiço de material, precisão dimensional e melhora as propriedades mecânicas da peça formada (ROQUE; BUTTON, 2000).
Evangelista (2000) diz que o processo de conformação mecânica é viável para trabalhar com produção em grande escala e peças com geometria moderadamente complexa, a fim de amortizar os custos do ferramental. Um exemplo de seu emprego são os componentes utilizados na indústria automobilística.
De acordo com Bresciani Filho et al. (2011), o processo de conformação plástica pode ser classificado conforme o tipo de esforço, sendo:
a) Conformação por compressão direta: ocorre um esforço externo de compressão e pode ser encontrado nos processos de forjamento e laminação;
b) Conformação por compressão indireta: as forças externas podem ser de tração ou compressão e a reação da peça com a matriz produz forças indiretas de compressão. Os processos desse grupo são a trefilação e a extrusão de tubos e fios e a estampagem profunda de chapas (embutimento). Na trefilação a força externa é de tração e na extrusão a força externa é de compressão. Já o embutimento a força externa de compressão ocorre somente na aba da peça;
c) Conformação por tração: a peça obtém a forma da matriz por forças de tração em suas extremidades e pode ser observado no processo de estiramento de chapas;
d) Conformação por cisalhamento: forças de cisalhamento podem ser suficientes ou não para romper o metal. Esse esforço pode ser encontrado no corte de chapas e na torção de barras;
e) Conformação por flexão: ocorre a modificação do material mediante a aplicação de um momento fletor. Exemplo desse tipo de processo é o dobramento de chapas, barras e outros produtos.
A Figura 2 apresenta os processos de conformação mecânica conforme o tipo de esforço predominante.
Figura 2. Representação esquemática dos processos de conformação mecânica. Fonte: Chiaverini(1986).
Bolanho (2017) divide o processo de estampagem em corte, dobramento e estampagem profunda de chapas. O corte e o dobramento normalmente são realizados a frio, já a estampagem profunda eventualmente pode ser realizada a quente.
2.1.1 Aço carbono
Segundo Chiaverini (1986), o aço é uma liga de ferro-carbono que normalmente possui de 0,008% a 2,11% de carbono, podendo conter também elementos residuais vindo do processo de fabricação.
Nas indústrias automobilísticas as chapas de aço são muito utilizadas, desde a estrutura do automóvel (como o chassi, monobloco e tanque de combustível) até a partes de acabamento (como laterais, portas, capô, tampa de porta mala), entre outros. A maior quantidade de peças automotivas em aço é fabricada com aço baixo carbono (SUZUKI, 2007).
Os aços comuns ao carbono contêm carbono, manganês em baixa proporção e concentrações residuais de impurezas. Já nos aços-liga são adicionados elementos de liga em concentrações específicas (CALLISTER, 2002).
Existem diversos tipos de aços disponíveis no mercado. Com isso foram criadas maneiras de classificação, sendo uma delas pela composição química. Esse sistema é utilizado no Brasil, onde os dois primeiros algarismos indicam o tipo de aço e os últimos indicam o teor de carbono. No aço carbono, os dois primeiros algarismos são representados pelo número 10 e os dois últimos algarismos indicam a porcentagem de carbono, por exemplo, 1010 e 1020 têm em média 0,1% e 0,2% de carbono, respectivamente (CHIAVERINI, 1986).
Na teoria, os aços carbono não contêm elementos de liga, pois são ligas de ferro e carbono e qualquer outro elemento poderá ser classificado como elemento de liga. Souza (2012) discorda dessa teoria e afirma que sempre existirá elementos que ficarão retidos durante o processo de fabricação. O aço carbono não pode conter mais de 1,65% de manganês, 0,30% de silício, 0,04% de fósforo e 0,05% de enxofre. Se essa porcentagem for maior, esses elementos serão considerados elementos de liga.
Além da composição química, os aços podem ser classificados pelo teor de carbono. Aços de baixo carbono possuem entre 0,10 a 0,30% de carbono, aços de médio carbono possuem entre 0,30 a 0,85% de carbono, aços de alto carbono possuem entre 0,85 a 1,5% de carbono e aços acima de 1,5% de carbono, que são fabricados somente com algumas exceções (Souza, 2012).
De acordo com Callister (2002), os aços com baixo teor de carbono não respondem a tratamentos térmicos e a resistência do material pode ser aumentada com o trabalho a frio. Esses aços possuem baixa resistência mecânica, mas apresentam ótima ductilidade e tenacidade. São usináveis, soldáveis e são os mais baratos de produzir. Os aços de baixo carbono são encontrados em componentes de carcaças de automóveis, formas estruturais e chapas empregadas em tubulações, edificações, pontes e latas de folha de flandres.
No processo de estampagem de chapas metálicas, chapas que têm formatos simples podem ser transformadas em peças com geometrias complexas e com propriedades e tolerâncias desejadas através de ferramentas ou matrizes. O processo de estampagem de chapas metálicas usualmente produz pequenas perdas de material e gera a geometria da peça final em pouco tempo, normalmente em um ou poucos golpes de uma prensa. Com isso, a estampagem de chapas oferece potencial de economia de energia e material, especialmente em produções de média e larga escala, onde os custos com ferramenta podem ser facilmente amortizados (ALTAN; TEKKAYA, 2012).
A estampagem profunda produz peças ocas de chapas planas, sem modificar e espessura do material e realizando a deformação em uma ou mais fases. As aplicações comuns desse processo são cápsulas, carrocerias e paralamas de automóveis, estojos, tubos, entre outros (CHIAVERINI, 1986).
Conforme Ferro (2015) e Xavier (2014), o processo de estampagem de chapas é muito utilizado em indústrias montadoras de automóveis, eletrodomésticos e aeronáutica. Ferro (2015) diz que, em geral, sua aplicação se deve aos custos relativamente baixos, obtenção de propriedades mecânicas diferenciadas, alternativa para reciclagem e capacidade do material adquirir formas complexas.
Nesse processo de conformação, normalmente se utilizam chapas metálicas planas, inicialmente recortadas e conhecidas como blank, onde podem ser obtidas peças sem a presença de fraturas ou afinamento localizado excessivo (XAVIER, 2014). Nesse processo, as chapas são fixadas nas extremidades através de antirrugas ou chamadas de blank-holder e o material é conformado pelo punção e pela matriz, conforme Figura 3. A pressão dos antirrugas e ou saliências (beads), encontradas na superfície dos antirrugas ou matrizes, controlam o movimento do blank (PLAUT, 2003).
Figura 3. Esquema de ferramental típico de estampagem. Fonte: Adaptado de Hosford e Duncan (1999)
Colpaert (2008) diz que é muito comum a literatura dividir o processo de conformação em dois tipos, a quente e a frio. Porém, atualmente esse conceito tem mudado e um novo processo surgiu, denominado como deformação a morno, que tem encontrado importantes aplicações no processamento dos aços. Um valor frequentemente utilizado para separar trabalho a quente de trabalho a frio é multiplicar 0,5 pela temperatura de fusão do metal (Tm), em kelvin. Outros autores preferem dizer que trabalho a frio é realizado abaixo de 0,3 Tm, trabalho a morno entre 0,3 e 0,5 Tm e trabalho a quente acima de 0,5 Tm.
De acordo com Ferrarini (2014), o sucesso para obter uma peça estampada depende de três fatores principais, sendo estes a geometria da ferramenta, as propriedades mecânicas do material e a interação entre as superfícies de contato da ferramenta e o blank.
Carcel et al. (2004) também afirmaram que no processo de estampagem, o sucesso das operações em relação a integridade das peças e qualidade superficial, depende de fatores tribológicos durante o processo. Esse comportamento é o resultado de um conjunto de fatores, como design de ferramentas, velocidade do punção, pressão do antirrugas, composição e topografia das superfícies das chapas e propriedades lubrificantes.
2.2 Atrito
O atrito é uma resistência que se opõe ao movimento. O menor valor de atrito é encontrado nos gases, seguido dos fluidos e dos sólidos. O atrito fluido é sempre menor que o atrito sólido, por isso o uso de lubrificação líquida entre duas superfícies é muito utilizado. O atrito provoca o aquecimento da peça, perda de energia pelo agarramento das superfícies, ruído e desgaste (PAULI; ULIANA, 1997).
Segundo Helman e Cetlin (1983), o atrito é a resistência a movimentação de um corpo sobre o outro. O atrito está presente em todos os processos de conformação e em alguns processos causa danos, como menor vida útil da ferramenta, maior consumo de energia para deformar uma peça, aumento de temperatura alterando as propriedades mecânica do material, menor qualidade superficial, alteração dos estados de tensão, fluxos irregulares de material e tensões residuais na peça.
Pauli e Uliana (1997) dizem que é quase impossível produzir uma superfície verdadeiramente plana ou lisa, pois toda superfície apresenta pontos salientes. Ao movimentar duas superfícies em contato haverá um aumento interno de temperatura, provocando soldagem de pequenas elevações superficiais. Para que o movimento continue é necessário aumentar a
força para romper estas microsoldas, provocando o desgaste mecânico, que é o resultado do arraste das partículas de metal na superfícies das peças.
As condições de atrito desempenham um papel importante no comportamento dos processos de conformação. Existem diversos métodos que podem ser utilizados para avaliar o coeficiente de atrito. Alguns dos métodos são o teste de compressão do anel, teste de extrusão por duplo copo e teste de compressão em forma de T (DIXIT; NARAYANAN, 2013).
Lee, Keum e Wagoner (2002) dizem que o atrito entre a chapa e o ferramental é um dos fatores importantes que afetam a qualidade da estampagem de chapas metálicas. Com base em medições, os autores desenvolveram um modelo de atrito para uso na análise de elementos finitos do processo de estampagem de chapas metálicas, mostrado na Equação 1. Esse modelo, ajustado experimentalmente através do método dos mínimos quadrados, considera a viscosidade do lubrificante e a rugosidade da superfície do material.
µ = 23,2
104,5+ 𝜈0,98− 5,3 𝑥 10−6(𝜈 − 56,6)2+ 0,24(𝜆 − 0,76)2− 0,112 (1)
Onde 𝜇 é o coeficiente de atrito, 𝜈 é a viscosidade cinemática (centistoke - cSt) e 𝜆 é a rugosidade da chapa (𝜇m).
Lee, Keum e Wagoner (2002) concluíram que o coeficiente de atrito é inversamente proporcional à viscosidade do lubrificante, ou seja, à medida que a viscosidade do lubrificante se torna menor, o coeficiente de atrito é maior. Em relação a rugosidade, os autores concluíram que quando a rugosidade da superfície é extremamente baixa, menor que 0,5 𝜇m, ou alta, maior que 1 𝜇m, o coeficiente de atrito é alto. Os valores de rugosidade entre 0,5 e 1 𝜇m apresentam coeficientes de atrito muito baixos em relação as demais rugosidades. Isso ocorre devido a redução dos reservatórios de óleo em baixa rugosidade e em altas rugosidades ocorre uma fácil destruição da lubrificação.
De acordo com Wihlborg e Gunnarsson (1999), é necessário que a chapa possua certa rugosidade, para que a superfície retenha reservatórios de lubrificação suficientes. Esses reservatórios fornecem óleo às áreas de contato, durante todo o processo de deformação.
2.3 Lubrificante
Conforme Pauli e Uliana (1997), o contato entre superfícies originam o atrito e o desgaste. A melhor maneira para diminuir a influência destes fatores é manter as superfícies separadas
através de uma camada de lubrificante. Os autores definem o lubrificante como qualquer material que reduza o atrito, normalmente localizado entre duas superfícies em contato.
Na falta de uma correta lubrificação, o deslizamento entre os componentes em operações de longa duração, provocará altos níveis de atrito e desgaste, podendo chegar a falha dos materiais em contato. Os altos valores de atrito são causados pela rugosidade dos materiais em contato e pelas altas pressões entre eles (DESHMUKH et al., 2005).
De acordo com Tigrinho (2005), lubrificante é todo ou qualquer material sólido ou líquido de baixa resistência ao cisalhamento, que tem como objetivo manter separado as superfícies da ferramenta (punção e matriz) do material a conformar, reduzindo o atrito.
Durante os processos de estampagem, os lubrificantes são usualmente aplicados ao longo da interface entre peça e ferramenta, para aumentar a estampabilidade da chapa. Esses lubrificantes fornecem camadas para separar as asperezas e permitir que as pressões de contato sejam distribuídas uniformemente, resultando no aumento da vida da ferramenta e aumento da qualidade superficial da peça estampada (LOVELL et al., 2006).
Se a superfície dos materiais em contato estiverem cobertas com um material de baixa resistência ao cisalhamento, o atrito tende a localizar no material interposto, denominado lubrificante (HELMAN; CETLIN, 1983).
O uso de lubrificantes facilita o escorregamento da peça, evitando desgaste e defeitos superficiais no material. Os lubrificantes também são utilizados para refrigerar o ferramental. Quando o lubrificante é aplicado no ferramental, ele controla o desgaste da ferramenta e, quando aplicado na peça, também é necessário aplicar um pouco na superfície da ferramenta, a fim de evitar que o lubrificante fique apenas no corpo de prova (SILVA, 2007).
Segundo Pauli e Uliana (1997), os lubrificantes líquidos são utilizados na lubrificação, podendo citar os óleos sintéticos, aditivados, compostos, minerais, vegetais e animais.
Nas indústrias é normal o uso de lubrificantes em excesso a fim de evitar danos na chapa e no ferramental. Com a busca de processos de fabricação mais limpos, o uso de óleos lubrificantes deve diminuir e deve ser trocado por outros componentes que não agridem ao meio ambiente e não prejudique as pessoas (FERRARINI, 2014).
De acordo com Lovell et al. (2006), os lubrificantes utilizados no processo de estampagem apresentam desafios ambientais e econômicos para as indústrias. Esses desafios se originam dos seguintes fatores:
É difícil obter, em condições secas, uma estampabilidade adequada e um acabamento superficial em peças de chapas metálicas;
Muitos lubrificantes utilizados na estampagem são a base de óleo ou graxa, o que introduz poluentes no fluxo de resíduos;
Os lubrificantes utilizados na estampagem normalmente trazem risco a saúde das pessoas, tanto no uso primário quanto no descarte;
Os custos associados ao descarte dos lubrificantes de estampagem tem aumentando.
Alves e Oliveira (2006) dizem que muitos problemas são identificados com o uso de lubrificantes, como riscos à saúde e ao meio ambiente. De acordo com os autores pode ser observado um grande interesse ambiental pelas indústrias, devido ao aumento da poluição, legislação preventiva e ao interesse por produtos e processos ambientalmente corretos. Nas últimas décadas, as agências ambientais e o poder público se preocupam em criar uma harmonia entre as atividades industriais e o meio ambiente, devido ao consumo irracional de recursos naturais, poluição do ar e geração de resíduos industriais.
Um estudo foi realizado com 1000 peças processadas utilizando 5 tipos de lubrificantes, a fim de determinar o impacto ambiental. A Figura 4 apresenta o potencial de impacto ambiental de alguns lubrificantes. O óleo de cozinha usado, seguido pelo produto de gordura animal, causaram o menor impacto potencial sobre o meio ambiente (LAWAL; CHOUDHURY; NUKMAN, 2011).
Figura 4. Potencial de aquecimento global (GWP). Fonte: Adaptado de Lawal, Choudhury e Nukman (2011).
Para superar os desafios ambientais e os riscos à saúde dos operadores, várias alternativas para os lubrificantes baseados em petróleo, utilizados em operações industriais, estão sendo estudadas por cientistas e tribologistas. Essas alternativas incluem lubrificantes sintéticos,
lubrificantes sólidos e lubrificantes a base de vegetais (LAWAL; CHOUDHURY; NUKMAN, 2011).
2.3.1 Lubrificante vegetal
Sharma e Sidhu (2014) afirmam que o aumento do uso de óleo mineral e à base de petróleo causam efeitos negativos sobre o meio ambiente, gerando perigos significativos para a saúde dos usuários.
Recentemente várias pesquisas são realizadas a fim de desenvolver e implementar lubrificantes que venham de recursos naturais, devido a questões de saúde, econômicas e ambientais. Esses lubrificantes tem excelentes propriedades de lubrificação sem exigir altos custos para eliminação dos mesmos. Este desenvolvimento foi incentivado pelos aumentos dramáticos no preço do petróleo bruto e pelo incentivo para utilização de óleos biodegradáveis, obtidos a partir de fontes renováveis (LOVELL et al., 2006).
Os óleos vegetais e seus derivados representam alternativas para os lubrificantes à base de minerais. Os óleos vegetais têm como vantagens alta biodegradabilidade e baixos custos de produção. Já as desvantagens como função lubricante é a baixa estabilidade termo oxidativa e propriedades inferiores em baixa temperatura (POP et al., 2007).
Os lubrificantes de óleos vegetais são de fontes renováveis, possuem menor potencial de toxidade e degradam mais facilmente no meio ambiente. A engenharia genética produz óleos vegetais com melhores propriedades lubrificantes, onde os óleos são modificados com alto conteúdo oleico, a fim de aumentar a estabilidade à oxidação (GAIRING et al., 1994).
Como os óleos vegetais são biodegradáveis por natureza, não há problemas em relação ao descarte dos resíduos e custos. O óleo vegetal também não é tóxico, com isso reduz as ameaças à saúde (SHARMA; SIDHU 2014).
Segundo Lawal, Choudhury e Nukman (2011), a estrutura de triglicerídeos dos óleos vegetais apresenta características desejadas em um lubrificante. Cadeias longas de ácidos graxos polares proporcionam filmes lubrificantes de alta resistência, que interagem com as superfícies metálicas, reduzindo o atrito e o desgaste. As fortes interações intermoleculares também são resistentes a mudanças de temperaturas e proporcionam um filme lubrificante durável. O fluido permanece biodegradável com baixa toxicidade, em todas as fases de sua vida.
Os óleos vegetais, utilizados como base para lubrificantes, apresentam algumas vantagens e desvantagens que podem ser observadas no Quadro 1. As dificuldades citadas são
normalmente resolvidas pela modificação apropriada do óleo base (SHASHIDHARA; JAYARAM, 2010).
Quadro 1. Vantagens e desvantagens dos óleos vegetais como lubrificantes. Fonte: Adaptado de Shashidhara e Jayaram (2010).
Vantagens (qualidades exigidas dos
lubrificantes) Desvantagens Alta biodegradabilidade Baixa estabilidade térmica Baixa poluição do meio ambiente Estabilidade oxidativa
Compatibilidade com aditivos Pontos de congelamento elevados Baixo custo de produção Proteção deficiente contra corrosão Amplas possibilidades de produção
Baixa toxicidade
Pontos de inflamação altos Baixa volatilidade
Altos índices de viscosidade
Lovell et al. (2006) avaliaram a influência do óleo de canola misturado com cristais de ácido bórico. Em seu trabalho, foram analisados o coeficiente de atrito, as propriedades superficiais do material e a estampagem geral do metal. Com base nos resultados obtidos, o lubrificante testado superou as condições de lubrificação de óleos usados tradicionalmente, indicando uma alternativa comercialmente viável e ambientalmente correta para o processo de estampagem.
Uma aplicação bem sucedida de um lubrificante a base de óleo de soja surgiu na área de laminação de metais. A Alcoa utiliza esse óleo em operações de laminação de alumínio, e expandiu o uso de fluidos de base biólogica em operações de corte e fundição de metais, e também para liberação de moldes. A empresa relata que o uso de óleo de base biológica proporciona economia de custos em relação ao produto tradicional (BREMMER; PLONSKER, 2008).
De acordo com Bremmer e Plonsker (2008), óleos de resfriamento e corte à base de óleo vegetal proporcionam resultados eficientes nas suas aplicações. Os autores citam que a empresa Eaton substituiu um óleo mineral por um óleo vegetal alternativo. Como resultado, ocorreram menores despesas com o tratamento e descarte de resíduos, menor utilização de biocidas, melhor aproveitamento de ferramentas e melhor rendimento do processo.
Carcel (2004) estudou cinco óleos vegetais utilizados como lubrificantes no processo de estampagem. Os óleos testados foram o azeite puro (utilizado na extração da prensa), o azeite de extração por solvente, o girassol, o milho e a soja. O desempenho desses óleos, sem aditivos,
foi comparável ou até melhor que o óleo mineral para estampagem. O coeficiente de atrito permaneceu estável com todos os óleos vegetais, quando aplicado em chapas de aço e galvanizadas. Nas chapas galvanizadas por zinco, o coeficiente de atrito permaneceu mais estável com óleos vegetais do que com óleo mineral. A proteção contra corrosão, pelos óleos testados, também foi satisfatória em testes de exposição a longo prazo.
2.3.2 Lubrificante com partículas sólidas
Nos últimos 30 anos, vários lubrificantes sólidos foram testados para reduzir o atrito e o desgaste. A maioria desses lubrificantes, que incluem grafite, dissulfeto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio, fazem parte de uma classe de materiais de sólidos lamelares (DESHMUKH et al., 2005). Os sólidos lamelares possuem fortes ligações covalentes dentro de cada camada e vínculos mais fracos de Van der Walls entre as camadas (PERSSON; FATHI-NAJAFI, 2009).
Bruce (2012) reporta que os lubrificantes sólidos possuem baixo coeficiente de atrito, devido à sua baixa resistência ao cisalhamento e à sua baixa dureza. Existem vários materiais com essas características, mas por motivos ambientais, de saúde e segurança, a quantidade de lubrificantes sólidos viáveis em uso está diminuindo. Os lubrificantes sólidos mais utilizados são teflon ou politetrafluoroetileno (PTFE), dissulfeto de molibdênio (MoS₂) e várias formas de carbono/grafite (C).
Ao adicionar partículas sólidas a uma graxa lubrificante, certas propriedades podem ser melhoradas, como separação da superfície em altas cargas, trabalho em velocidades baixas e com altas temperaturas, maior capacidade de carga, redução do desgaste e atrito e a facilitação do desempenho sob condições oscilantes. Uma das partículas mais importante para a graxa é o dissulfeto de molibdênio, pois tem excelente aderência e grava nas superfícies metálicas, em seguida o grafite (PERSSON; FATHI-NAJAFI, 2009).
A adição de partículas na graxa pode afetar as características reológicas, ou seja, pode influenciar a deformação e o escoamento da graxa. Como regra geral, a viscosidade tende a aumentar com a maior concentração de partículas, com a redução do tamanho das partículas, com a melhor distribuição das partículas, com a distribuição mais estreita do tamanho das partículas e com as forças de atração entre diferentes partículas (PERSSON; FATHI-NAJAFI, 2009).
Mello et al. (2009) afirmaram que os lubrificantes sólidos estão surgindo como uma opção promissora para controlar o atrito e o desgaste de compressores herméticos. Uma combinação
de lubrificantes sólidos e líquidos é viável e pode ter um efeito benéfico na redução do atrito e no aumento da resistência ao desgaste das superfícies de deslizamento, em especial no regime elastohidrodinâmico de lubrificação.
Lima et al. (2014) realizaram um estudo analisando a influência de lubrificantes vegetais combinados com partículas sólidas sobre a integridade superficial de produtos estampados. Os resultados obtidos, em termos de tensões residuais, indicaram que a combinação entre óleos vegetais e partículas sólidas melhoraram o produto, gerando aumento das tensões residuais compressivas. Já a rugosidade superficial não foi influenciada pelo lubrificante, ou seja, não melhorou e não piorou a qualidade superficial. Finalmente, a rugosidade Rz reduziu para algumas combinações, sendo o maior valor de Rz verificado quando utilizou-se o óleo mineral. Yoshimura et al. (2001) estudaram a lubrificação utilizando farinhas de cereais, como a farinha de trigo e a farinha de arroz, dissolvidas em água com várias concentrações, a fim de desenvolver um lubrificante não poluente para o processo de estampagem de chapas metálicas. O desempenho dos lubrificantes foi avaliado pela profundidade atingida no teste de Erichsen, onde a maioria das farinhas apresentaram valores maiores de Erichsen em relação a graxa. Além disso, foi observado que as partículas de amido cobertas com proteínas e lipídios podem reduzir o atrito entre o ferramental e o corpo de prova.
Caminaga (2003) estudou o uso de lubrificantes alternativos no processo de extrusão a frio de aços. Os lubrificantes analisados foram o Renoform MZA20, Extrudoil 319MOS, sabão em pó e farinha de trigo. O autor concluiu, que no primeiro estágio de deformação, a farinha de trigo apresentou força de extrusão estatisticamente menor que o padrão de referência. Entretanto, no segundo estágio de deformação, o lubrificante mais viável foi o Renoform MZA 20, que apresentou força de extrusão estatisticamente igual e graficamente menor que o padrão de referência.
2.4 Viscosidade
De acordo com Brunetti (2008), a viscosidade é uma propriedade representada pela dificuldade de um fluido escoar ou escorrer. Cada fluido, em dadas condições, possui um valor diferente de viscosidade. Variando-se a pressão ou temperatura do fluido, a viscosidade também mudará. A viscosidade do fluido é decorrente da forte ligação entre as moléculas e suas interações.
A Figura 5a apresenta duas placas paralelas que são separadas por um fluido, a uma distância AB, sendo a placa inferior fixa. Quando uma força externa (F) é aplicada na placa
superior, uma tensão de cisalhamento ocorre sobre a superfície superior do fluido, fazendo-o escoar. Cada camada de fluido faz surgir uma tensão de cisalhamento sobre a camada inferior a ela, mostrado na Figura 5b (VILANOVA, 2011).
O fluido, em contato com uma superfície sólida, tem a mesma velocidade que a própria superfície. A Figura (5a) mostra que a velocidade (v) varia linearmente, crescendo do zero na camada ao lado da placa fixa até vo na camada da placa superior, onde vo é igual a velocidade
da placa superior (STREETER; WYLIE, 1982).
Figura 5. Comportamento de um fluido entre placas paralelas (BRUNETTI, 2008).
Segundo Streeter e Wylie (1982), a Equação 2 representa a lei de Newton aplicada à viscosidade, onde τ equivale a tensão de cisalhamento, µ é a constante de proporcionalidade ou viscosidade do fluido e du/dy expressa a variação da velocidade, divida pela distância percorrida. O gradiente de velocidade du/dy também pode ser entendido como a velocidade na qual uma camada de fluido se move em relação à outra camada adjacente.
𝜏 = µ 𝑑𝑢 𝑑𝑦
Fox e McDonald (2001) dizem que um fluido, ao ser submetido a uma tensão de cisalhamento, experimenta uma taxa de deformação ou uma taxa de cisalhamento dada por
du/dy. Os fluidos que apresentam tensão de cisalhamento diretamente proporcional à taxa de
deformação, são conhecidos como fluidos newtonianos. Se o fluido não possuir tensão de cisalhamento diretamente proporcional à taxa de deformação, é conhecido como fluido não newtoniano.
A viscosidade é a resistência que um fluido tem ao escoamento e varia com a temperatura e pressão. A variação da pressão possui pouca influência no valor da viscosidade, ou seja, se aumentamos a pressão, a viscosidade aumenta pouco. Entretanto, a variação da temperatura é mais influente na viscosidade. Se aumentarmos a temperatura do líquido, a viscosidade diminui. (2)
Em alguns trabalhos de engenharia, é comum desprezar a variação da viscosidade devido à variação da pressão. Porém, esta regra não pode ser aplicada de forma global (WHITE, 2011). A viscosidade dos gases e dos líquidos possui comportamento diferente em relação a temperatura. A viscosidade dos líquidos diminui com o aumento da temperatura, enquanto que a viscosidade dos gases cresce com o aumento da temperatura (BRUNETTI, 2008).
O comportamento dos fluidos divide-se em newtonianos e não newtonianos. A Figura 6 apresenta a classificação dos fluidos de acordo com seu comportamento nas variações de condições.
Figura 6. Fluxograma da classificação do comportamento de um fluido. Fonte: Adaptado de Raguzzoni (2007).
Os fluídos não newtonianos não seguem a equação da lei de resistência enunciada por Newton, ou seja, a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional à taxa de deformação. Nos fluidos newtonianos, o aumento da tensão de cisalhamento ou força externa, provoca um aumento proporcional na taxa de deformação (WHITE, 2011).
Steffe (1996) cita alguns exemplos de fluidos que apresentam comportamento newtoniano. São exemplos citados: ar, gasolina, água, mercúrio, creme de café, óleo vegetal, glicerol, glicerina, mel, alcatrão, acetona, etanol, ácido acético, dentre outros.
A unidade de medida da viscosidade absoluta, no sistema métrico, é o poise (1 poise = 1 g/(cm.s) e no sistema internacional é o Pa.s (1 Pa.s = 1 N.s/m² = 1 kg/(m.s)). A viscosidade cinemática, representada pelo símbolo v, é a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica do fluido. A unidade de medida da viscosidade cinemática, no sistema métrico, é o stoke (1 stoke = 100 cSt = 1 cm²/s) (FOX; MCDONALD, 2001).
2.4.1 Fluidos não newtonianos
O fluidos não newtonianos são dividos em independente do tempo, dependente do tempo e viscoelásticos. Nos fluidos independentes do tempo, a viscosidade do fluido não depende do tempo de atuação da tensão. Podem ser categorizados em pseudoplástico, dilatante, fluidos plásticos, entre outros.
De acordo com White (2011), os pseudoplásticos são os fluidos em que a viscosidade diminui com o aumento da tensão aplicada. Fluidos com comportamento pseudoplástico também são denominados de fluidos plásticos. Essa característica pode ser encontrada em soluções de polímeros, polpa de papel em água, tinta latex, plasma sanguíneo, xarope e melados.
Shiroma (2012) também diz que os fluidos pseudoplásticos, quando em repouso, apresentam moléculas em um estado desordenado e que aumentando a tensão, as moléculas ficam alinhadas, diminuindo assim a viscosidade.
Os fluidos onde a viscosidade aumenta com o aumento da taxa de deformação, são conhecidos como fluidos dilatantes. Alguns exemplos são a suspensão de amido, a água com areia e a areia movediça. A areia movediça tende a endurecer quando é agitada (FOX; MCDONALD, 2001; WHITE, 2011).
Fluidos plásticos ou de Bingham necessitam de uma tensão de escoamento para atingir o fluxo. Abaixo da tensão de escoamento o material apresenta características sólidas (STEFFE, 1996). White (2011) cita alguns fluidos plasticos, sendo suspensões de argila, onde na suspensão o soluto não se dissolve no solvente, lama de perfuratrizes, pasta de dente, maionese, mostarde, chocolate, entre outros.
Nos materiais dependentes do tempo, a viscosidade depende da tensão de cisalhamento e do intervalo de aplicação da tensão. A resposta do fluido a tensão aplica é instantânea e o comportamento dependente ocorre devido à mundaça na estrutura do próprio fluido (STEFFE, 1996). Os fluidos dependentes do tempo são classificados em reopéticos e tixotrópicos.
Segundo Shiroma (2012), fluidos tixotrópicos são os fluidos que a viscosidade diminui com o tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. A redução da viscosidade, ao longo do tempo, é resultado da quebra de uma estrutura organizada no fluido, como nos pseudoplásticos. A estrutura organizada, conhecida como gel, é responsavel pelo aumento da viscosidade em repouso ou a baixas tensões. Alguns exemplos são as suspensões concentradas, as soluções proteicas, o petróleo cru, tintas, entre outros.
Os fluidos reopéticos possuem comportamento inverso aos fluidos tixotrópicos. A viscosidade aumenta com o tempo de aplicação da tensão. Ao retirar essa tensão, o material volta a viscosidade inicial (SHIROMA, 2012). A argila bentonita e a clara de ovo são exemplos destes tipos de fluidos.
Os fluidos viscoelásticos são fluidos que retornam parcialmente à sua forma original após deformados e quando a tensão aplicada é retirada (FOX; MCDONALD, 2001). Nesta classe, podem ser citados os fluidos Maxwell, Burgers e Kelvin.
Os fluidos Maxwell têm características de líquidos viscosos, com propriedades elásticas. Os tipos Kelvin são sólidos com propriedades viscosas. São fluidos que possuem propriedades elásticas e viscosas acopladas. Como exemplo, pode-se citar a massa de farinha de trigo, gelatinas, queijos, plasma sanguíneo, saliva, líquidos poliméricos, biopolímeros e goma xantana (SHIROMA, 2012).
Os tipos Maxwell contém um elemento sólido Hookeano, sendo uma mola em série com um elemento fluido Newtoniano, que é um amortecedor (RAGUZZONI, 2007). São utilizados para interpretar dados de relaxamento de tensão para líquidos viscoelásticos, particulamente líquidos poliméricos.
Os tipos Kelvin servem como ponto de partida para desenvolvimento de modelo mecânico, descrevendo o comportamento de deformação. Esse modelo possuí uma mola conectada em paralelo com um amortecedor (STEFFE, 1996).
Steffe (1996) diz também que o modelo Kelvin apresenta excelente retardo elástico, mas não é abrangente o suficiente para modelar a deformação em muitos materiais biológicos. A solução deste problema é a utilização do modelo de Burgers, que é um modelo Kelvin associado a um modelo de Maxwell, colocados em série.
2.5 Rugosidade
Segundo Alves (2011), os materiais possuem irregularidades nas superfícies que podem ser dividas em erros macrogeométricos, como os erros de forma, e erros microgeométricos que são as rugosidades. Os erros macrogeométricos são divergências de ondulações, circularidade, planicidade, retilineidade, ovalização, entre outros.
A rugosidade é um conjunto de pequenas elevações e cavidades que qualificam uma superfície. A rugosidade interfere nos parâmetros ópticos, mecânicos, elétricos ou magnéticos dos materiais. A maioria das peças a olho nu parecem perfeitas, porém uma análise minuciosa, com o auxílio de instrumentos específicos, mostra que existem várias imperfeições. Os
equipamentos utilizados para medir a rugosidade são o rugosímetro e o perfilômetro (CÔRTES, 2009).
De acordo com a norma NBR ISO 4287 (2002) existem vários parâmetros para determinação da rugosidade, por exemplo parâmetros de amplitude (pico e vale, média das ordenadas), parâmetros de espaçamento e parâmetros híbridos. Os parâmetros de amplitude (pico e vale) são altura máxima do pico do perfil (Rp), profundidade máxima do vale do perfil (Rv), altura máxima do perfil (Rz), altura média dos elementos perfil (Rc) e altura total do perfil (Rt).
2.5.1 Rugosidade média – Ra
A rugosidade média é também conhecida como Ra (roughness average) ou CLA (center
line average) que significa centro da linha média (SILVA; SILVA; SILVA, 2000). Segundo a
NBR ISO 4287 (2002), a rugosidade média Ra é a média aritmética dos valores absolutos das ordenadas (yi) no comprimento de amostragem (lm), conforme a Figura 7.
Figura 7. Rugosidade Ra (SILVA; SILVA; SILVA, 2000).
A rugosidade média pode ser utilizada para o controle da variável nas linhas de produção, é aplicada na maioria dos processos de fabricação. Muitos equipamentos de medição apresentam o parâmetro Ra. Riscos superficiais decorrentes do processo não alteram seu valor significantemente e é o parâmetro de medição mais utilizado no mundo. Por outro lado, o valor de Ra pode ocultar algum defeito, caso um pico ou vale anormal apareça na superfície do material. Mesmo assim, o valor da média final não sofrerá grande alteração. No cálculo dessa variável, não existe separação entre picos e vales (SILVA; SILVA; SILVA, 2000).
A Equação 3, apresenta a fórmula da rugosidade Ra (SILVA; SILVA; SILVA, 2000).
𝑅𝑎 = 𝑦1 + 𝑦2 + ⋯ + 𝑦𝑛
𝑛 = 𝜇𝑚
Onde y1, y2 e yn são os valores absolutos dos desvios do perfil e n é o total de observações.
2.5.2 Rugosidade média – Rz
A rugosidade média Rz corresponde à soma da altura máxima dos picos do perfil e a maior profundida dos vales do perfil, no comprimento de amostragem, conforme Figura 8 (NBR ISSO 4287, 2002). Ou seja, é a soma do ponto máximo e mínimo no comprimento de amostragem (SILVA; SILVA; SILVA, 2000).
Figura 8. Rugosidade Rz (SILVA; SILVA; SILVA, 2000).
Na Figura 8, a sigla lt significa distância total percorrida pelo apalpador, lm é o comprimento total de avaliação, le é o comprimento de amostragem ou cut off, lv é a distância para atingir a velocidade de medição e ln é a distância para atingir a velocidade de parada do apalpador.
De acordo com Silva, Silva e Silva (2000), para o parâmetro Rz, o apalpador deverá percorrer a distância de cinco comprimentos de amostragem, mais a distância para atingir a velocidade de medição e a distância para parar o apalpador.
2.6 Tensão residual
De acordo com Cullitty (1956), a diferença entre tensão aplicada e tensão residual pode ser ilustrada através da observação de uma barra metálica sujeita a diferentes esforços. Uma barra de metal deformada elasticamente, através de tração uniforme, recebe a aplicação da tensão simplesmente pela aplicação da força sobre a área. Se a força externa for removida, a tensão desaparece e a barra volta para seu estado inicial, sem tensão. Por outro lado, existem
certas deformações que podem ser desenvolvidas em parte do material, que vão deixar uma condição de tensão mesmo depois que a força externa for removida. Esta tensão que persiste, na ausência de força externa, é chamada de tensão residual.
De acordo com Hutchings et al. (2005), tensões residuais são tensões auto equilibrantes, existentes dentro de um corpo sólido imóvel, que permanecem quando nenhuma força é aplicada. Normalmente não são imediatamente aparentes, podem ser difíceis para medir, para prever e podem originar falhas se não forem contabilizadas. Por outro lado, se as origens são conhecidas, a tensão residual pode ser introduzida para aumentar o tempo de vida da peça. É difícil encontrar um componente modificado sem tensões residuais, causadas pelo processo de fabricação, montagem, soldagem, aquecimento ou tratamento superficial, uso ou uma combinação complexa de todos eles.
Quando se retira o carregamento de uma peça que sofreu deformação plástica de cargas diferentes, as tensões não caem para zero, a peça continua apresentando tensões. As tensões residuais podem aparecer também com deformações plásticas causadas por variação de temperatura. No esfriamento de metais fundidos também pode ocorrer tensões residuais, pois a superfície externa adquire rigidez primeiro que a parte interna. A parte interna contrai mais que a externa, ficando sujeita a tensões residuais de tração enquanto que a superfície externa é submetida a tensões residuais de compressão (BEER; JOHNSTON, 1995).
Gonzales (2009) define tensões residuais como tensões que permanecem na peça na ausência de forças, deslocamentos ou gradientes de temperatura. As tensões residuais podem ser geradas de maneira mecânica, por deformações plásticas não uniformes ou inseridas de maneira térmica pelo aquecimento ou esfriamento não homogêneo do material em tratamentos térmicos ou processos que envolvam altas temperaturas. Também podem ser inseridas metalurgicamente, possuindo relações com as reações químicas, precipitações e transformações de fases não uniformes e exposição a produtos químicos.
De acordo com Cullitty (1956) e Perini (2008), a deformação plástica pode gerar tensões residuais no material, como pode ser visto na Figura 9. A Figura 9a apresenta uma barra apoiada em dois pontos e carregada com forças iguais aplicadas em cada extremidade. Em qualquer ponto entre os dois apoios, tem-se uma tensão de tração no topo da barra e uma tensão de compressão na parte inferior da barra. O diagrama da Figura 9a apresenta como a tensão varia ao longo do corte AA’, quando toda a barra está abaixo do limite elástico, onde as tensões têm valores máximos na superfície externa e diminuem para zero no ponto neutro.
Após retirada a força externa, a barra volta ao seu estado inicial. Se aumentar o carregamento da barra para um valor que exceda o limite elástico, a deformação plástica
