UNIJUÍ- Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng- Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica- Campus Panambi
LUCAS KREMER BISOGNIN
DESENVOLVIMENTO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS DE AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA
Panambi 2018
LUCAS KREMER BISOGNIN
DESENVOLVIMENTO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS DE AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica, da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
ORIENTADOR: PROFº. MESTRE - FELIPE TUSSET
Panambi 2018
LUCAS KREMER BISOGNIN
DESENVOLVIMENTO DE ENSAIOS TRIBOLÓGICOS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS DE AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica, da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
BANCA AVALIADORA
_________________________________________________ Professor Orientador: Mestre Felipe Tusset
_________________________________________________ Professor / Banca: Mestre Patricia Carolina Pedrali
AGRADECIMENTOS
A Deus, por ter me dado saúde e força para superar as dificuldades.
A toda minha família e meus amigos que de uma forma ou outra estiveram ao meu lado.
À Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul, pelos conhecimentos. Ao professor Felipe Tusset pelo tempo dedicado à orientação e apoio na elaboração deste trabalho.
Aos colegas de trabalho da empresa Bruning Tecnometal pelo apoio e auxilio nas realizações dos ensaios.
DEDICATÓRIA
A Deus, por ser extremamente piedoso comigo, à minha noiva Rúbia F. Barbosa dos Santos pelo apoio e incentivo, aos meus pais Ben Hur Bonucielli Bisognin e Luci R. Kremer Bisognin pela motivação e colaboração e aos meus irmãos Daniel e Ana Virgínia que foram companheiros.
RESUMO
O trabalho tem como tema a realização de um estudo em ensaios práticos, sobre os efeitos tribológicos durante o processo de conformação de chapas de alta resistência mecânica, no intuito de promover melhoria contínua nos processos de conformação de ligas metálicas de aço D2, na interface ferramenta-peça. Os ensaios tribológicos foram realizados em uma máquina de atrito desenvolvida pela Área de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) da empresa Bruning Tecnometal, situada na cidade de Panambi/RS. A máquina de atrito consegue medir o coeficiente de atrito em chapas metálicas, onde os sensores que coletam as informações e alimentam a central de dados, têm seus parâmetros e variáveis identificados e configurados para melhor padronização dos resultados. Para os testes, foram utilizados corpos de prova temperado e normalizado com nitretação plasma longa de um mesmo material, mesma geometria e um polimento dentro da faixa pré-estabelecida como aceitável para os testes. Da mesma maneira, o material usado para o corpo de prova das chapas é do mesmo lote com as mesmas características técnicas. Utilizado um óleo específico, com mesma quantidade em todos os corpos de prova. Com os resultados obtidos em cada etapa, consegue-se especificar os cuidados que devem ser ressaltados para a fabricação de uma ferramenta de conformação, refletindo diretamente em sua vida útil. Desta maneira, associando os resultados gráficos obtidos pelo software da máquina de atrito com os resultados práticos (adesão de materiais e marcas) foi possível identificar que o melhor aço foi o D2 Normalizado com nitretação plasma longa.
ABSTRACT
The work has as its theme the completion of a study in practical tests, on the tribological effects during the process of conformation of plates of high mechanical resistance, in order to promote continuous improvement in the processes of formation of metal alloys of steel D2, the interface tool-part. The TRIBOLOGICAL tests were performed in a friction machine developed by Area of Research and Development (P&D) of Bruning Tecnometal company, located in the city of Panambi/RS. The grinding machine can measure the coefficient of friction in metal plates, where the sensors that collect the information and feed the data center, have their parameters and variables identified and configured for better standardization of results. For the tests, bodies of evidence were used normalized and tempered with long plasma nitriding of one and the same material, same geometry and a polishing within the pre-established as acceptable for the tests. In the same way, the material used for the body of evidence of plates is the same batch with the same technical characteristics. Used a specific oil, with the same amount in all bodies of evidence. With the results obtained in each step, you can specify the care that must be emphasized for the fabrication of a tool of conformation, reflecting directly into your life. In this way, associating the graphics results obtained by the software of the machine of friction with the practical results (accession of materials and brands), it was possible to identify that the best steel was the D2 format with long plasma nitriding.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Ferramenta de conformação com aço D2 ... 17
Figura 2 - Vista explodida ferramenta de conformação ... 18
Figura 3 - Transporte de um colosso egípcio à cerca de 1900 à 2400 a.C ... 22
Figura 4 - Representação das Forças Normais e Atrito em um corpo ... 24
Figura 5 - Comportamento das Forças: Estático e Cinética ... 25
Figura 6 - Forças de atrito presentes na operação de embutimento ... 26
Figura 7 - Representação dos possíveis ensaios de atritos existentes ... 28
Figura 8 - Máquina de Ensaio de atrito do LdTM da UFRGS ... 28
Figura 9 - Máquina de Ensaio de atrito do LdTM da UFRGS ... 28
Figura 10 - Máquina de Ensaio de atrito por Tracionamento de chapas ... 29
Figura 11 - Comportamento da tensão de atrito normalmente utilizado ... 30
Figura 12 - Representação da deformação da superfície com o aumento da Tensão Normal .. 31
Figura 13 - Variação do Coeficiente de Atrito, com o aumento da Força/Tensão Normal. ... 31
Figura 14 - Rugosidade de uma superfície antes e após contato com pressão ... 32
Figura 15 - Ferramenta Ensaio Erichsen ... 33
Figura 16 - Conceito de ferramenta para Processo de Estiramento ... 34
Figura 17 - Operação de estiramento. ... 34
Figura 18 - Ferramenta ensaio Swift ... 35
Figura 19 - Ensaio para simulação de atrito em prensa-chapa ... 35
Figura 20 - Ensaio no prensa-chapa e no raio da matriz ... 35
Figura 21 - Tensões e deformações presentes em uma peça embutida. ... 36
Figura 22 - Processo de Embutimento ... 36
Figura 23 - Conformação por embutimento ... 37
Figura 24 - Ensaio para simulação de atrito no quebra rugas ... 38
Figura 25 - Variação da Tensão de Atrito X Tensão Normal aplicada ... 38
Figura 26 - Processos de dobramento ... 39
Figura 27 - Sequência de estampagem por corte ... 40
Figura 28 - Cálculo para corte ... 40
Figura 29 - Arestas de corte ... 40
Figura 30 - Diagrama para folga de corte ... 41
Figura 31 - Curva de Stribeck ... 42
Figura 32 - Modelo de Curva de Stribeck ... 43
Figura 33 - Esquema do fenômeno de adesão e micrografia de material aderido a uma superfície ... 43
Figura 34 - Emprego de diferentes lubrificantes na estampagem de aço inoxidável. Com uso de óleo lubrificante e com uso de uma lâmina de teflon ... 44
Figura 35 - Superfície geométrica ... 47
Figura 36 - Superfície Real ... 48
Figura 37 - Superfície Efetiva ... 48
Figura 39 - Corpo de prova Aço Laminado - D2 com zoom óptico ... 49
Figura 40 - Corpo de prova Aço Fundido - VD2 com zoom óptico ... 50
Figura 41 - Projeto da Máquina de atrito e principais componentes ... 54
Figura 42 - Ambiente de trabalho do programa ... 55
Figura 43 - Painel de controle... 55
Figura 44 - Cabeçote móvel... 56
Figura 45 - Fuso máquina de atrito ... 57
Figura 46 - Amplificador de medição... 58
Figura 47 - Corpo de prova da chapa ... 58
Figura 48 - Corpo de prova ferramenta ... 59
Figura 49 - Rugosímetro ... 61
Figura 50 - Lubrificação do corpo de prova peça. ... 62
Figura 51 - Modo de posicionamento do corpo de prova ferramenta ... 63
Figura 52 - Posionamento da CP/PÇ na mesa ... 63
Figura 53 - Sistema de aperto do CP/PÇ. ... 64
Figura 54 - Máquina de atrito ... 65
Figura 55 - Gráfico do Parâmetros da rugosidade CP/F Ra e Rz - inicial ... 66
Figura 56 - Gráfico do Parâmetros da rugosidade CP/F Ra e Rz – final ... 67
Figura 57 - Ensaio CP01-02-03/D2-T ... 68
Figura 58 - Adesão superficial CP01/D2-T ... 68
Figura 59 - Dados CP01/D2-T ... 69
Figura 60 - CP/PÇ mais CP02/D2-T ... 69
Figura 61 - Adesão CP02/D2-T ... 70
Figura 62 - Dados CP02/D2-T ... 70
Figura 63 - Momento da adesão profunda CP02. ... 71
Figura 64 - Dados CP03/D2 T ... 72
Figura 65 - Ensaio CP-01-02-03/D2-N+NP ... 73
Figura 66 - Áreas de contato no vigésimo quinto ensaio ... 73
Figura 67 - Dados CP01/D2-N+NP ... 74
Figura 68 - CP/PÇ e CP02/D2-N+NP ... 75
Figura 69 - Gráfico de Coulomb x nº de chapas deslizadas, CP02/D2 N+NP ... 75
Figura 70 - CP/PÇ e CP03/D2-N+NP ... 76
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição Química do aço D2 ... 20 Tabela 2 - Apresentação das variáveis dos ensaios ... 53 Tabela 3 - Composição Química do aço D2 ... 59
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Coeficiente de atrito estático ... 25 Equação 2 - Coeficiente de atrito cinético ... 25 Equação 3 - Coeficiente de Atrito ... 30
LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES
ABNT –Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM – Sociedade Americana de Testes e Materiais AISI – Instituto Americano de Ferro e Aço
CP – Corpo de Prova
CP/PÇ – Corpo de Prova/Peça CP/F – Corpo de Prova/Ferramenta
CP/D2-T – Corpo de Prova aço D2 fundido temperado
CP/D2-N+NP – Corpo de prova aço D2 fundido normalizado com nitretação a plasma longa DIN – Deutsches Institut für Normung
FAE – Força de Atrito Estático FAC – Força de Atrito Cinético
HRC – Sistema de medição de dureza Rockwell HB – Dureza Brinell
IFU – Institut Für Umformtechnik
ISO – International Organization for Standardization N – Newton
NBR – Norma Brasileira
LISTA DE SIMBOLOS A1 – Área 1 [mm2] A2 – Área 2 [mm2] A3 – Área 3 [mm2] Ac – Área de Contato [mm2] µ – Coeficiente de atrito [-] μmax. – Coeficiente de atrito máximo [-]
F – Força [N]
FA – Força de atrito [N] FN – Força normal [N] FAC – Força Atrito Cinético [N] FAE – Força Atrito Estático [N]
τ
– Tensão cisalhante [MPa]τ
max. – Tensão máxima cisalhante [MPa]σ
n – Tensão Normal [MPa] Zp – Altura de pico do perfil [µm] Zv – Profundidade do vale do perfil [µm] Zt – Altura de um elemento do perfil [µm]R – Força de Reação [N]
Ra – Desvio aritmético médio do perfil avaliado [µm] Rz – Altura máxima do perfil [µm]
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 16 2. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 17 2.1 OBJETIVO GERAL ... 19 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 19 2.3 JUSTIFICATIVAS ... 19 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 21 3.1 HISTÓRIA DA TRIBOLOGIA ... 21 3.2 TRIBOLOGIA NA CONFORMAÇÃO ... 23
3.2.1 Determinação do Coeficiente de Atrito ... 27
3.2.1.1 Estiramento ... 33
3.2.1.2 Embutimento profundo ... 34
3.2.1.3 Estampagem profunda ou Embutimento ... 36
3.2.1.4 Embutimento profundo com estiramento... 38
3.2.1.5 Dobramento ... 38
3.2.1.6 Corte ... 39
3.2.2 Curva de Stribeck ... 42
3.2.3 Tipos de Desgastes na Conformação ... 43
3.2.4 Lubrificação ... 45
3.2.5 Lubrificantes para o processo de estampagem ... 45
3.2.6 Rugosidade ... 46
3.3 MATERIAL DO CORPO DE PROVA FERRAMENTA ... 48
3.3.1 Processo de têmpera ... 50
3.3.2 Processo de normalização ... 51
3.3.3 Processo de nitretação plasma longa ... 51
3.4 MATERIAL DO CORPO DE PROVA PEÇA ... 52
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 53
4.1 MATERIAIS ... 53
4.1.1 Máquina de ensaio de atrito ... 54
4.1.2 Corpos de prova ... 58
4.1.2.1 Corpo de prova da chapa ... 58
4.1.3 Lubrificante ... 60
4.2 MÉTODOS ... 60
4.2.1 Polimento ... 60
4.2.2 Medição da Rugosidade ... 61
4.2.3 Lubrificação da chapa ... 61
4.3 DETERMINAÇÃO DOS ENSAIOS ... 62
4.4 PROCEDIMENTO DE ENSAIO ... 63
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 66
5.1 DADOS DE RUGOSIDADE ... 66
5.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS ... 67
5.2.1 Ensaio aço D2 fundido temperado ... 67
5.2.2 Primeira bateria CP01/D2-T ... 68
5.2.3 Segunda bateria CP02/D2-T ... 69
5.2.4 Terceira bateria CP03/D2-T ... 71
5.2.5 Ensaio D2 fundido normalizado com nitretação plasma longa ... 72
5.2.6 Primeira bateria CP01/D2-N+NP ... 73
5.2.7 Segunda bateria CP02/D2-N+NP ... 75
5.2.8 Terceira bateria CP03/D2-N+NP ... 76
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 77
1. INTRODUÇÃO
Os processos de conformação em geral envolvem o contato entre duas ou mais superfícies com um lubrificante entre elas. Quando existe um movimento relativo entre uma ferramenta (de conformação) e o material que está sendo deformado, dá-se o atrito; que por sua vez possa gerar desgastes prematuros das ferramentas.
O aço ferramenta utilizado em operações de corte e conformação de metais está em grande ascensão no setor metal-mecânico, pois possui combinação ímpar entre resistência mecânica e resistência ao desgaste, dentre eles o aço D2 destaca-se ao aliar propriedades de resistência com a propriedade de tenacidade.
No processo de estampagem comumente são utilizados lubrificantes líquidos para que o próprio atrito não atue de forma causadora de defeitos; buscando-se diminuição das forças totais na operação, prevenção do desgaste de matrizes através da abrasão ou adesão das superfícies, bem como qualidade no produto final.
No desenvolvimento da conformação, sabe-se que o êxito na obtenção de uma peça depende de três fatores principais: propriedades do material da peça, geometria das ferramentas e da interação desses dois materiais na superfície de contato, sendo assim, os métodos de tentativa e erro oferecem um entendimento sólido quanto aos trabalhos de pesquisa na área.
Com base no exposto, esse trabalho busca aprofundar os estudos acerca de ensaios tribológicos por meio de testes práticos em uma máquina de ensaios de atrito, com desenvolvimento de pesquisa na empresa Bruning Tecnometal Ltda, atualmente consolidada no ramo metal mecânico, nos segmentos agrícolas, rodoviário, automotivo e construção.
2. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
No período de atuação na área de estamparia na empresa Bruning Tecnometal na cidade de Panambi/RS, observou-se que existia um déficit de informações sobre o material Aço D2 utilizado na fabricação das ferramentas de conformação de chapas metálicas, em especial chapas de alta resistência.
Na empresa atualmente existe uma carência de informações coerentes sobre o comportamento da interface ferramenta-peça, quando construídas a partir do Aço D2, bem como a resposta perante aplicações de força e pressões. Na Figura 1, observa-se uma ferramenta de conformação a frio.
Figura 1 - Ferramenta de conformação com aço D2
Fonte: O Autor (2018).
Para melhor entendimento do funcionamento dessa ferramenta, pode ser observado a seguir na Figura 2 com uma vista explodida, com aplicação do aço D2 está na matriz, local onde irá formar a peça e também no prensa chapa, local onde irá segurar a peça para ter uma melhor conformação, destacados na cor laranja.
Figura 2 - Vista explodida ferramenta de conformação
Fonte: O Autor (2018).
Algumas ferramentas que estão em fase de fabricação na empresa, apresentaram problemas relacionados com desgastes prematuros nos aços utilizados como trincas e/ou problemas de folgas nos encostos, ocasionando um custo que deve ser aplicado para fornecer suporte técnico, com máquina parada, peças sobressalentes, peças de produção fora do padrão e, parada da produção. Com o passar do tempo se faz necessário realizar manutenções nas ferramentas, pois há de se considerar danos, falhas, irregularidades bem como, vida útil da mesma.
Os custos de retrabalho nessas ferramentas em que são encontrados problemas, geram aumento de aproximadamente 15% do valor total da ferramenta, quando comparados ao valor inicial disponível, ao envolver colaboradores no tempo de reparo, pessoas qualificadas para executar essas ações e, sem contar as novas peças que deverão ser produzidas, em que na maioria das vezes num prazo menor pode encarecer a troca de peças na ferramenta.
2.1 OBJETIVO GERAL
Objetivo geral tem como elaborar e realizar ensaios tribológicos coletando dados através do acompanhamento nos processos da Máquina de Ensaio de Atrito, comparando as diferentes condições de atrito na interface ferramenta-peça durante o processo de conformação.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
A presente pesquisa tem por objetivos específicos:
Executar ensaios para determinação do coeficiente de atrito da ferramenta; Identificar características falhas na conformação das peças;
Avaliar o atrito nos ensaios;
Atuar como agente multiplicador das ações de soluções inovadoras.
2.3 JUSTIFICATIVAS
Diante da atual demanda do mercado no ramo metal-mecânico, cada vez mais competitivo, buscam-se processos que identifiquem as principais falhas, ponto de partida para soluções diretas e inovadoras, pois o caminho para aperfeiçoar os resultados está na organização das condições produtivas e do desempenho organizacional, consequentemente garantindo o progresso pleno (VILLARES, 2003).
Sendo assim, o primeiro fato que justifica esta pesquisa é a análise da utilidade do aço D2 em ferramentas da área de conformações à frio, a fim de evitar que ocorra adesão precoce em punções, matrizes, aços internos e externos utilizados nas ferramentas, além de utilização em outras finalidades, como por exemplo: repuxo e cunhagem, rolos laminadores de roscas e centros para tornos (VILLARES, 2003).
O aço D2 tem como Normas / Similares: ASTM A681 Tipo D2; ABNT D2; AISI D2; DIN 1.2379; SAE J437, J438. Tem como principais características a alta estabilidade dimensional e alta resistência ao desgaste, principalmente em condições que sejam abrasivas, conforme Tabela 1, de composição química do aço D2. Porém é um aço mais tenas comparando com outros aços da série D. Na condição temperada a dureza superficial pode alcançar até os
65 HRC, já sua dureza máxima quando recozido fica na faixa de 250HB. Deve ser realizado alívios de tensões após usinagem e antes da tempera (VILLARES, 2003).
Tabela 1 - Composição Química do aço D2
Fonte: Villares Metals (2018).
Baseado no exposto, este trabalho tem como finalidade o estudo em ensaios de tribologia para estabelecer melhores parâmetros e analisar as condições mais prudente e favoráveis para utilização desse aço.
Deste modo, a empresa beneficia-se uma vez que tende a não gerar gastos desnecessários em manutenções, fabricação de peças para reposição, mão de obra para reparos e, a tribologia é a base do estudo a ser aplicada na apresentação de avanços na utilização do aço D2.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 HISTÓRIA DA TRIBOLOGIA
Segundo Kajdas (1990), a tribologia é definida como a ciência e a tecnologia de interação entre superfícies com movimento relativo entre si, e dos fenômenos que disso recorrem. É algo que está presente em praticamente todas as interconexões onde acontece de um corpo qualquer estar em movimento, até mesmo no ar contra a superfície de um automóvel, por exemplo.
A tribologia une a ciência do atrito, lubrificação e desgaste, em que trabalha com aspectos mecânicos, metalúrgicos, físicos e químicos do movimento referente.
A palavra Tribologia tem origem do grego Τριβο (Tribo – que significa esfregar, friccionar, atritar) e Λογοσ (Logos – que significa estudo) que em tradução literal significa “Estudo do Atrito” ou a ciência que estuda o atrito. Para Stoeterau (2004), tribologia foi definida a ciência e a tecnologia de intercâmbio entre superfícies com relatividade de movimentos.
Embora ser um assunto contemporâneo e que está em evidência em várias frentes da ciência, o tema é um fenômeno que já preocupava civilizações antigas, tendo como exemplo os egípcios em aproximadamente 2000 a.C conforme citado por Stoeterau (2004), utilizavam o uso de alguns artifícios da época para minimizar o atrito e facilitar a movimentação das estátuas gigantescas ou colossos, passando de 60 toneladas e onde tem-se algumas dessas estruturas presentes até os dias de hoje, como por exemplo as pirâmides do Egito.
A Figura 3, compreende um homem (colosso) sentado sobre um treno sendo puxado por 172 escravos, derramando através de um jarro algum possível líquido com o intuito de minimizar o atrito, lubrificando desta forma a superfície de contato para assim diminuir o esforço dos escravos que estavam puxando o trenó.
Figura 3 - Transporte de um colosso egípcio à cerca de 1900 à 2400 a.C
Fonte: Adaptado de Stoeterau (2004).
Para Helman e Cetlin (1993) eles asseguram que Coulomb (1781) estudou e confirmou estudos de Amonton estabelecendo a terceira lei do atrito, onde descreve que a força de atrito independe da velocidade.
Conforme Stoeterau (2004), Coulomb diferenciou o atrito estático do cinético, notando que a força para manter um corpo em movimento era menor do que aquela útil para inicia-lo.
Dessa forma foram descritas as três leis clássicas do atrito: A força de atrito é proporcional a 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.
Baseado nessas três leis, Helman e Cetlin (1993) denominam atrito por contato como sendo o mecanismo pelo qual se desenvolvem forças na superfície de dois corpos em contato, sendo traduzidas numa resistência aos deslizamentos de um corpo multidisciplinar, onde há quatro divisões principais, descritas abaixo:
a. Mecânica dos sólidos: foco na matemática das tensões e temperaturas de contato, frequência aborda modelos de atrito e desgastes em componentes mecânicos específicos.
b. Mecânica dos fluidos: estuda a matemática e os fenômenos envolvidos no comportamento de lubrificantes líquidos entre superfícies em movimento relativo. c. Ciência dos Materiais: está disciplina se detém mais aos mecanismos atômicos e
de microescala que provocam a degradação ou desgaste das superfícies. d. Química: ênfase na reatividade entre lubrificantes e superfícies sólidas.
De modo geral, Souza (2008) afirma que a necessidade do envolvimento com problemas tribológicos de atrito é perfeitamente justificável, pois são fenômenos que estão presentes em quase todos os aspectos da nossa vida.
Para Schaeffer (2004) as atividades de lazer como futebol, escaladas, tênis, basquete têm ligações diretas com o atrito, até mesmo cortar e segurar são atos comuns do cotidiano das pessoas e a tribologia de forma despercebida está presente o tempo todo.
A capacidade de adquirir conhecimento, compreender melhor e persistir avançando nos estudos de tribologia, contribuíram em vários avanços da humanidade, desta forma inicia uma nova geração que estará fiscalizando fenômenos que até o momento eram desconhecidos e que sua interferência é direta nas relações que dizem respeito ao rendimento, desgaste, aquecimento excessivo e atividades do dia-a-dia das civilizações futuras (SCHEFFER, 2004).
3.2 TRIBOLOGIA NA CONFORMAÇÃO
As forças de atritos que estão presentes no desenvolvimento de peças de conformação utilizando ferramentas de repuxe são considerações importantes no trabalho metal-mecânico. Dependendo da situação dinâmica o atrito pode ser desejado, em outras minimamente desejado e ainda pode ser controlado (ALTAN et al, 1999).
As articulações ósseas em seres humanos e animais, em sua grande maioria 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 (ALTAN et al, 1999).
Segundo Altan et al, (1999) em processos de conformação de peças metálicas utilizando ferramentas, o atrito, desgastes e lubrificação são fatores que estão presentes em nas operações, pois em alguns casos é muito importante a ocorrência do atrito para poder conformar a peça e deixar de acordo com as simulações realizadas para a peça final, sendo assim é de suma importância que sejam avaliados e estudos como deverá proceder para que no final ocorra o trabalho de forma satisfatória. O fluxo do material entre punção e matriz, para ocorrer o estiramento adequado do material em algumas operações, somente será possível se atrito e lubrificação são empregas de forma correta no material, dessa forma o desgaste está presente, pois a pressão entre punção, material e matriz geram atrito.
Em concordância, Helman e Cetlin (1993) citam que na conformação mecânica dos metais, o atrito está presente em todos os processos, sendo geralmente, considerado nocivo.
Entre os aspectos relevantes da conformação mecânica mais diretamente ligados ao atrito, eles afirmam que podem se assinalar como:
Alteração, geralmente desfavorável, dos estados de tensão necessário para a conformação;
Produção de fluxos irregulares de metal durante o processo de conformação; Aparecimento de tensão residuais no produto;
Influência sobre a qualidade superficial do produto;
Elevação da temperatura do material a níveis capazes de comprometer-lhes as propriedades mecânicas;
Aumento do desgaste das ferramentas;
Aumento do consumo de energia necessário na conformação.
De acordo com Helman e Cetlin (1993) a força de atrito se dá através de uma simples experiência, conforme Figura 4, onde um corpo que está apoiado sobre uma superfície, que é apresentada plana, o peso do corpo (W) e sua reação (R) são de valores iguais, porém de sentidos opostos. Se for aplicado uma força (H), paralela ao plano de contato, sobre o bloco, e este não se move, admite-se a existência de uma força F atuando sobre o corpo, chamada de força de atrito.
Figura 4 - Representação das Forças Normais e Atrito em um corpo
Fonte: Helman e Cetlin (1993).
Entretanto, essa relação possui uma alteração entre o início do movimento e o seu regime permanente, onde a força que deve ser necessária para impulsionar a movimentação entre os corpos é maior que a força necessária para continuar em movimento. Essas forças são chamadas de Forças de Atrito Estático (FAE) e Força de Atrito Cinético (FAC) (SCHAEFFER,2004).
Conforme Stoeterau (2004), definiu sobre um estudo realizado com um experimento a determinação de atrito, verificando que o Coeficiente de atrito Estático é maior que o Coeficiente de atrito Cinético, a Figura 5 aponta o comportamento das forças.
Figura 5 - Comportamento das Forças: Estático e Cinética
Fonte: Adaptada de Stoeterau (2004).
Ou seja:
Para Stoeterau (2004), o Coeficiente de atrito estático é a relação entre a força máxima de atrito agindo na interface e a força normal que é dado pela Equação 1:
Equação 1 – Coeficiente de atrito estático
𝝁
𝒆=
𝑭𝑨𝑬𝑭𝑵
Onde:
𝝁𝒆 = Coeficiente de Atrito Estático [ - ] 𝑭𝑨𝑬 = Força de Atrito Estático [N]
𝑭𝑵 = Força Normal [N]
O Coeficiente de atrito cinético é a relação entre a força de atrito e a força aplicada de acordo Equação 2:
Equação 2 – Coeficiente de atrito cinético
𝝁
𝒄=
𝑭𝑨𝑪𝑭𝑵 Onde:
𝝁𝑪 = Coeficiente de Atrito Cinético [ - ] 𝑭𝑨𝑪 = Força de Atrito Cinético [N]
𝑭𝑵 = Força Normal [N]
(1)
Conforme Coulomb (1781), na conformação de peças metálicas os fenômenos físicos como atrito, desgaste e lubrificação estão presentes durante a operação realizada. Nas regiões em que existe contato da peça com a ferramenta o atrito torna-se evidente e com valor característico.
Segundo Schey (1983), apresenta como exemplo na Figura 6, uma ferramenta de embutir com várias regiões de contato, demonstrando que nas regiões 1a, 1b e 2, necessita-se um baixo coeficiente de atrito, para que o material escoe para dentro da ferramenta sem que seja preciso muito esforça e interferência. Nas regiões 3 e 4 é preciso um alto coeficiente de atrito para fazer a transferência de forças de embutimento para a zona de conformação.
Conforme Schey (1983) também cita que para estampar o blank, faz-se necessário submete-lo à diferentes tipos de deformações até que o processo final seja atingido, rompendo-se do restante do material. Quando a ferramenta de estampo não for analisada devidamente, alguns contratempos podem ocorrer, como trincas, rebarbas, acabamento e enrugamento. Dessa forma, preferencialmente um colaborador experiente deve realizar o ajuste entre a matriz e o punção, buscando acabamento excelente, em que o corte da peça deve ser aproximadamente 1/3 da espessura da peça e o estouro ficando com o restante, ou seja 2/3 da espessura do material.
De acordo com Folle (2008) o metal situado em torno da base do punção é deformado radialmente para o interior da matriz, deste modo reduzindo seu diâmetro original até o diâmetro de conformação, correspondente ao do punção.
Assim sendo, o metal sofre esforços de compressão na direção circunferencial e tração na direção radial.
Figura 6 - Forças de atrito presentes na operação de embutimento
3.2.1 Determinação do Coeficiente de Atrito
Na conformação de peças existem vários aspectos que refletem na modelagem de chapas; a espessura apresenta grande influência no processo de conformação nos diversos modelos de peças disponíveis no mercado. O ensaio de atrito se destaca como um dos principais testes, dispõem para caracterização de chapa, determinando o coeficiente de atrito e além disso, fornece informações sobre a eficiência dos lubrificantes (HELMAN E CETLIN, 1993).
Segundo Folle (2008), indica que para analisar o fenômeno de atrito na conformação de chapa, é de grande importância empregar um modelo que descreva razoavelmente bem a realidade do funcionamento na prática, principalmente quando a análise superficial é grande. Embora os grandes desenvolvimentos de softwares de simulações numéricas computacionais estejam ficando mais exatos, necessitam de ajustes práticos e técnicos, na busca de resultados precisos.
Conforme Helman e Cetlin (1993) citam que testes utilizando softwares de simulação para determinar a estampabilidade de chapas são imprescindíveis e, hoje estão presentes na indústria como apoio técnico de estamparia. Os dados dos testes servem de entrada (input), e tornam a simulação mais efetiva e devem ser conhecidos para garantir perfeito resultado das simulações computacionais, pois o produto real deve ser igual ou melhor que o virtual. O atrito nos processos de conformação é denominado Coeficiente de Atrito (µ), e seu valor varia com as condições de força e superfícies envolvidas, 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.
Segundo Bay et al (2008) traz uma visão geral dos diversos tipos de métodos de teste para a conformação de chapas, o mesmo propõe 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 compará-los aos processos de conformação encontrados na indústria.
Para Folle (2008) existem vários ensaios tecnológicos para determinar o coeficiente de atrito em estampagem, dependendo do tipo de condição de deformação. Os principais tipos de deformações em estampagem são os estiramentos puro e o embutimento e para cada um existe um ensaio correspondente para se avaliar o atrito.
A Figura 7 ilustra esquematicamente os testes simulativos mais frequentemente usados para investigar fenômenos de atrito na estampagem.
Figura 7 - Representação dos possíveis ensaios de atritos existentes
Fonte: Bay et al (2008).
Conforme Silveira Neto et al, (2004), demostra de forma detalhada em suas obras a lei de Coulomb, uma equação para determinar o coeficiente de atrito. O estudo e aplicação do ensaio de dobramento sob tensão, como método para análise e medição de Coeficiente de Atrito, na Figura 8 observa-se a disposição construtiva da máquina criada para realizar o ensaio, e seus principais componentes funcionais. Segundo Schaeffer (2004) este equipamento foi projetado pelo LdTM (Laboratório de Transformação Mecânica) da UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul), similar aos encontrados em TU Dresden, TU Darmstadt e na empresa ThyssenKrupp em Dortmund - Alemanha.
Figura 8 - Máquina de Ensaio de atrito do LdTM da UFRGS Fonte: Silveira Neto et al (2004).
Segundo Silveira Neto et al, (2004), explica que a configuração em triângulo tem como vantagem a diminuição da vibração durante o ensaio. No cilindro hidráulico esquerdo da Figura 9 é acoplada a garra que tem a função de prender e tracionar o corpo de prova. No lado direito, há outro cilindro hidráulico que tem a função de prender e exercer a contra tensão do corpo de prova durante o ensaio. No vértice superior do dispositivo há um cilindro que pode ser apoiado com ou sem rolamento, conforme Figura 9. Sob esse cilindro passa o corpo de prova com ângulo de dobra α, aproximadamente igual a 90°.
Figura 9 - Máquina de Ensaio de atrito do LdTM da UFRGS Fonte: Silveira Neto et al (2004).
Para Souza (2008) um equipamento de ensaio de tracionamento de chapas, que possui uma disposição construtiva diferente da indicada por Schaeffer (2004), por se tratar de outro tipo de ensaio. O mesmo se encontra no Instituto de Conformação (Institut Für Umformtechnik - IFU) da Universidade de Stuttgart na Alemanha, conforme Figura 10.
Figura 10 - Máquina de Ensaio de atrito por Tracionamento de chapas
Fonte: Adaptado de Souza (2008).
Conforme Schaeffer (2004), menciona de forma simplificada a lei de Coulomb na forma de uma equação para determinar o coeficiente de atrito Equação 3, do mesmo modo, Altan et al (1999) reforçam esta definição para determinação do coeficiente de atrito como:
Equação 3 – Coeficiente de Atrito
µ =
𝝉 𝝈𝒏=
𝑭𝒂 𝑭𝑵Onde:
𝝉 = Tensão cisalhante [Mpa] 𝝈𝒏 = Tensão normal [Mpa] µ = Coeficiente de atrito [ - ] 𝑭𝒂 = Força de Atrito [N] 𝑭𝑵= Força Normal [N]
Conforme Haar (1967) pode ser demostrado de forma simplificada na Figura 11 o modelo de atrito normalmente usados, onde a tensão cisalhante é mostrada como função da pressão normal aparente.
Figura 11 - Comportamento da tensão de atrito normalmente utilizado
Fonte: Haar (1967).
De acordo com Rodrigues e Martins apud Folle (2012) a forma mais clara demostrada na Figura 12, em que há aumento gradativo da área de contato com aumento da Pressão (σn -
tensão normal) e o aumento gradativo da tensão de cisalhamento (τ) até que a mesma atinge seu valor máximo (τmax), ou seja, a partir deste momento a tensão de atrito passa a ser igual a tensão de cisalhamento do material.
Figura 12 - Representação da deformação da superfície com o aumento da Tensão Normal
Fonte: Rodrigues e Martins apud Folle (2012).
Para Budinski aput Folle (2012), afirma do mesmo modo que a partir do momento em que a tensão máxima cisalhante é atingida, ao continuar aumentando a força normal ou tensão normal, a Lei de Coulomb nos indicará uma 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, portanto, uma situação de desgaste pode estar sendo estabelecida, danificando as superfícies. A Figura 13 ilustra de forma esquemática como ocorre a redução do atrito a partir do momento em que a tensão máxima cisalhante é atingida.
Figura 13 - Variação do Coeficiente de Atrito, com o aumento da Força/Tensão Normal.
Conforme citam Helman e Cetlin (1993), à medida em que a força de compressão aumenta a área de contato, consequentemente aumenta a área de cisalhamento. Essa afirmação é demostrada na Figura 14, onde através de um equipamento de análise microscópica 3D efetua-se o comparativo de uma mesma área de determinada superfície, anteriormente e posteriormente sofrer uma pressão de contato. Na Figura 14 pode ser observado nitidamente o esmagamento dos picos da rugosidade do material. O aumento da área de cisalhamento é aproximadamente proporcional à força normal aplicada. Apesar disso essa proporcionalidade não é mais notada devido ao encruamento do metal, onde a partir desse ponto, prevalece a tensão cisalhante do próprio material, ficando inexistente a Lei de Coulomb e passando a prevalecer a lei de Von Mises.
Figura 14 - Rugosidade de uma superfície antes e após contato com pressão
Fonte:Triboform (2018).
Conforme Budinski apud Folle (2012), descrevem que devido a existência de relevos (rugosidades) nas superfícies, o contato real na peça ocorre apenas nos picos dos relevos, local onde tem uma elevada saliência comparando com os demais, sendo menor que a área total da superfície. Essas áreas de contato tendem a aumentar à medida em que as forças entre essas duas superfícies também aumentam, pois os picos são diminuídos. A progressão deste aumento
de força faz com que o atrito aumente até que ocorra adesão de material entre as superfícies, dessa forma a tensão de atrito passa a ser igual a tensão de cisalhamento do material de menor resistência.
Para Folle (2008), cada tipo de estampagem existe um ensaio correspondente, sendo normalmente estiramento, embutimento profundo, embutimento profundo com estiramento.
3.2.1.1 Estiramento
De acordo com Folle (2008) a chapa (blank) é presa no prensa-chapa e é deformada por um punção esférico. O mais comum é o Erichsen onde a chapa é deformada pelo punção até a ruptura e após deformada, a altura é aferida. A Figura 15 demonstra um croqui de uma ferramenta desse ensaio.
Figura 15 - Ferramenta Ensaio Erichsen
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008).
Normatizado pela DIN 8585, nesse processo de conformação de chapas metálicas utiliza-se punção rígido, no qual a borda da chapa permanece fixa durante o processo, não existindo fluxo de material entre matriz e prensa-chapa. Dessa forma a conformação se dá puramente em virtude da espessura da chapa e sob tensões de tração (SOUZA, 2011).
O conceito pode ser melhor apresentado na Figura 16, em que caracteriza o processo por um estado biaxial de deformação, em razão de que para ocorrer o estiramento da chapa, outro deslocamento deve ocorrer para que o volume se mantenha constante e, desta forma haverá redução da espessura da chapa quando “esticada” (DIETER, 1981).
Figura 16 - Conceito de ferramenta para Processo de Estiramento
Fonte: Adaptado de SCHULER (1998).
O estiramento é uma das etapas mais complexas de estampagem de chapas finas. Encontradas peças em partes de automóveis, máquinas em geral, eletrodomésticos, entre outros (ROCHA, 2012).
Também no processo de estiramento é comum encontrar o flangeamento, em que o material é dobrado sendo submetido a esforços de tração. Normalmente o furo é cortado/estampado primeiro e, deve ter ótima qualidade, sem presença de rebarbas ou trincas, pois com um início de trinca poderá ocasionar facilmente uma fratura no flangeamento. A Figura 17 demonstra o esquema básico do processo de estiramento (SOUZA, 2011).
Figura 17 - Operação de estiramento.
Fonte: Souza (2011).
3.2.1.2 Embutimento profundo
Nesse processo, semelhante ao anterior, a chapa é conformada através de uma matriz por um punção, auxiliada pela lubrificação, gerando um fino filme de lubrificante, criando assim, gradualmente diferentes condições de contato e, consequentemente gerando condição de
lubrificação diferente em vários pontos da chapa. O ensaio de Swift é o mais comum para essa análise, conforme Figura 18 (PAUNOIU apud FOLLE, 2008).
Figura 18 - Ferramenta ensaio Swift
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008).
A simulação na zona do prensa-chapa é mais simples, onde a chapa é basicamente deslizada entre duas matrizes paralelas, podendo-se verificar a força de atrito nessa região conforme simplificado na Figura 19 (PAUNOIU apud FOLLE, 2008).
Figura 19 - Ensaio para simulação de atrito em prensa-chapa
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008).
Entretanto a correlação com ensaios de embutimento profundo é relativamente pobre, mas a vantagem adicional desse ensaio é que os efeitos de dobramento ao redor do raio da matriz são os mesmos que nos casos reais de deformação, conforme Figura 20 (PAUNOIU apud FOLLE, 2008).
Figura 20 - Ensaio no prensa-chapa e no raio da matriz
3.2.1.3 Estampagem profunda ou Embutimento
Normatizado pela DIN 8584, processo que faz de uma chapa plana, ou seja, blank, adote a forma da matriz da ferramenta (fêmea), atribuída pela ação de um punção (macho), mesmo com a ocorrência de altas pressões o processo de deformação da chapa deverá manter a espessura constante, conforme Figura 21. 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 e controlar o fluxo de material para dentro da matriz, conforme Figura 22. A pressão do prensa-chapas e as folgas entre matriz, peça e punção devem ser perfeitamente observadas e definidas para este processo, pois podem levar a ruptura precoce do material antes de finalizar a operação. A profundidade elevada da mesma forma pode causar a ruptura, por isso em alguns casos esta operação deve ser feita em mais de um estágio usando geometrias decrescentes para reduzir gradativamente a forma até a forma final (ALTAN et al, 1999).
Figura 21 - Tensões e deformações presentes em uma peça embutida.
Fonte: Dieter (1981).
Esse processo é utilizado diariamente para a fabricação de peças de todos os segmentos dentro das empresas de estamparias.
Figura 22 - Processo de Embutimento
A diferença entre estampagem rasa (Shallow) e estampagem profunda é facultativa; a rasa geralmente se refere a conformações de um corpo com profundidade menor do que a metade do seu diâmetro com pequena redução de paredes. Já a profunda, o corpo é mais profundo do que a metade do seu diâmetro (ROCHA,2012).
Para o processo ter um melhor rendimento, é indispensável que tenha lubrificação de acordo com o processo, assim, diminuirão os esforços de conformação e o desgaste do ferramental. Os óleos para extrema pressão são indicados, para garantir boa proteção contra a corrosão da chapa, ser de fácil desengraxe e não levar à oxidação do material. Na maioria das vezes, são óleos minerais com uma série de aditivos (Cl, Pb, P, gorduras orgânicas, dentre outros) (ROCHA, 2012).
Em relação ao prensa-chapa, deve-se ter cuidado com a pressão a ser aplicada, que se for menor que o recomendado, resultará em rugas nas laterais da peça e, por outro lado, se for elevada, poderá ocorrer ruptura na peça. Deve-se ter cuidado com o ferramental, para que haja folga suficiente entre a matriz e o punção que permita o escoamento do material para o interior da matriz, sem que surjam tensões cisalhantes ocasionadas pelo atrito e que levem à ruptura do metal em prensa (SOUZA, 2011).
Muitas das vezes, o tamanho do blank é superior ao tamanho da peça que será estampada, pois deverá atingir profundidade de corpo elevada. Dentro do processo de fabricação pode ser exigida uma sequência de operações de estampo, uma série de ferramentas, com dimensões decrescentes (da matriz e do punção). A quantidade de operações dependerá do tipo do material da chapa e das relações entre o disco inicial e as dimensões das peças estampadas, conforme Figura 23 (ROCHA, 2012).
Figura 23 - Conformação por embutimento
3.2.1.4 Embutimento profundo com estiramento
De forma geral, este ensaio simula o escoamento da chapa através do quebra rugas, visto na Figura 24. O sucesso na combinação entre estiramento e embutimento profundo depende do controle do escoamento da chapa para dentro da matriz, em que restrições excessivas levam a fraturas e restrições insuficientes levam a enrugamentos (PAUNOIU apud FOLLE, 2008).
Figura 24 - Ensaio para simulação de atrito no quebra rugas
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008).
De acordo com Chenot e Wagoner (1997), a lei de Coulomb é conceitualmente correta quando os esforços envolvem pequenas tensões normais. Quando a tensão (τ), entre as duas superfícies em contato é igual às tensões de cisalhamento do material, a condição é conhecida como atrito de aderência do material e é representada por τL. Para representar esquematicamente a variação da tensão de atrito (τ) em função da pressão normal (p) aplicada conforme Figura 25.
Figura 25 - Variação da Tensão de Atrito X Tensão Normal aplicada
Fonte: Chenot e Wagoner (1997).
3.2.1.5 Dobramento
Normatizado peça DIN 8586, determinado como a deformação plástica de uma chapa metálica ao longo de uma linha reta. Nas deformações planas localizadas no canto da dobra são as maiorias dos encontrados dentro das industrias. O dobramento pode ser considerado como
um sistema com sete componentes: produto, peça/material, equipamento, punção/matriz, zona de deformação, interface e ambiente, conforme Figura 26. (ALTAN,1999).
Figura 26 - Processos de dobramento
Fonte: Altan et al (1999).
Conforme Souza (2011), nas operações de dobramento existe o raio mínimo de dobra, ou seja, limite de conformação, geralmente em múltiplos da espessura da chapa, presentes na norma que define as propriedades mecânicas de cada material.
O dobramento não é somente usado para produzir geometrias funcionais tais como bordas, flanges, curvas e emendas, mas também para elevar a rigidez das peças, aumentando o momento secional transversal de inércia. (ALTAN et al, 1999).
3.2.1.6 Corte
Normatizado pela DIN 8587, nesse processo somente o cisalhamento está presente, visando obter formas geométricas ou efetuar cortes e recortes em chapas por meio de uma ferramenta de corte, em que consiste pressionar um punção ou lâmina sobre a chapa, ao iniciar o contato, a matriz gera uma reação e a pressão realizadas entre punção e matriz se converte em
esforço cisalhante, provocando a separação do material, cujo funcionamento pode ser observado na Figura 27 (ALTAN, 1999).
Figura 27 - Sequência de estampagem por corte
Fonte: Souza (2011).
Quando o punção penetra na chapa converte o esforço de compressão em esforço de cisalhamento gerando assim o corte. A Figura 28 demonstra as equações utilizadas para os cálculos essenciais para projetar uma ferramenta de corte. (SOUZA,2011).
Figura 28 - Cálculo para corte
Fonte: Souza (2011).
Para Souza (2016), a aresta de corte possui características bem especificas do processo, observadas na Figura 29, demostrando cada camada de corte em uma chapa de aço.
Figura 29 - Arestas de corte
Fonte: Souza (2016).
De acordo com Rocha (2012) menciona que corte realizado por matriz e punção (piercing ou blanking) não existe regra geral para selecionar o valor da folga entre si, pois são vários os parâmetros de influência que podem afetar o mesmo. As características que podem estabelecer a folga são: aspecto superficial do corte, imprecisões, operações posteriores e
aspectos funcionais. Se não houver nenhum atributo específico desejado para superfície do
blank, a folga é selecionada em função da força mínima de corte. A Figura 30 mostra um
diagrama de referência para determinação da folga.
Figura 30 - Diagrama para folga de corte
Fonte: Arquivos Bruning Tecnometal (2018).
Segundo Rocha (2012) dependendo do tipo de corte, são definidos diversos grupos de operações da prensa, conforme listagem abaixo:
A operação de corte é usada para preparar o material (blank) para posterior estampagem;
A parte desejada é cortada (removida) da chapa original;
A fabricação de furos em prensa (piercing ou punching) caracteriza uma operação de corte em que o metal removido é descartado;
A fabricação de entalhes (notching) nas bordas de uma chapa pode ser feita em prensa através do puncionamento destas regiões;
O corte por guilhotina é uma operação que não retira material da chapa metálica. Existe um processo relativamente recente de corte fino de blanks (fine blanking), que
se caracteriza pelo emprego de pequenas folgas (0,0002 pol.), com prensas e jogo de matrizes muito rígidos (para evitar dobramento da chapa). Com este equipamento é possível produzir blanks com superfícies de corte quase isentas de defeitos. As peças produzidas podem ser empregadas como engrenagens, cames, entre outros, sem que seja necessária a usinagem das bordas cortadas.
3.2.2 Curva de Stribeck
De acordo com estudos de Stribeck, 1902 que foi o primeiro a pesquisar e relatar a dependência do coeficiente de atrito com a velocidade de eixos em mancais de rolamentos. Em seu trabalho exibiu uma curva contendo três regimes de lubrificantes distintos, que recebeu o nome de “Curva Stribeck”. O coeficiente de atrito, em seguida foi apresentado como uma função dos parâmetros de viscosidade do lubrificante, número de rotação do eixo e a pressão normal sobre o eixo (HAAR,1996).
Conforme Stribeck (1902) também cita que os principais fatores que regem os fenômenos de atrito e desgaste são:
Velocidade relativa entre os corpos em contato; Presença de lubrificação;
Pressão de contato entre os corpos;
A maneira com que esses fatores influenciam o coeficiente de atrito pode ser ilustrada peça curva de Stribeck na Figura 31 (STRIBECK, 1902).
Figura 31 - Curva de Stribeck
Fonte: Stribeck (1902).
Para Rodrigues e Martins (2005), a curva de Stribeck evidencia o regime de transição entre a lubrificação hidrodinâmica e a lubrificação de fronteira ou de contorno. A maioria dos processos de deformação plástica possuem regimes de lubrificação situados no interior da região hachurada destacada na Figura 32.
Figura 32 - Modelo de Curva de Stribeck
Fonte: Rodrigues (2005).
3.2.3 Tipos de Desgastes na Conformação
Os desgastes estão presentes em aproximadamente todas atividades realizadas nas áreas das engenharias e que, por vezes, ocorrem de maneira despercebida, promovendo uma serie de agravantes onde, essencialmente incidem em um custo desnecessário adicionado ao processo (SOUZA, 2009).
Conforme menciona Both (2011), o desgaste pode ser definido como, o dano a uma superfície sólida causado pela remoção ou alteração do material pela ação mecânica de um corpo sólido, líquido ou gás em contato. Both também sustenta que deve ser adotado cautela em relação ao desgaste, sendo o mesmo um fenômeno totalmente mecânico, já que a corrosão pode estar associada com outros fatores de desgaste.
Segundo Souza (2009), as formas mais comuns que acontecem de desgastes na conformação de chapas são desgastes adesivos e desgastes abrasivos. Geralmente o desgaste se dá predominantemente em regiões com movimento relativo chapa/ferramenta que estão sob altas pressões de contato, como demonstrado na Figura 33. Raramente o desgaste abrasivo puro apresenta algum problema para as ferramentas, já o surgimento de desgaste adesivo se apresenta de forma mais crítica pois, através da combinação com fenômenos de abrasão poderão ocorrer danificações não apenas sob a superfície da ferramenta, como também sob a chapa durante a conformação.
Fonte: Souza (2009).
Para Han (1997), o material que se desprende da chapa, permanece soldado à superfície da ferramenta e dá procedência a um efeito acumulativo que se intensifica a cada peça que é produzida com esses agravantes. Em aços inoxidáveis ferríticos quando são conformados no processo de repuxe desenvolvem-se altas pressões sobre a ferramenta durante a conformação, logo com isso gera grande tendência à adesão.
Dessa forma a lubrificação dentro dos processos de conformação de chapas, têm ampla importância que pode: elevar a produtividade, minimizar rejeitos, desgaste da ferramenta e redução do consumo de energia, desde que esteja com os parâmetros adequados. A figura 36 demonstra um exemplo de aço inoxidável com diferentes resultados no procedimento de lubrificação, aplicando-se em uma lâmina de teflon (Figura 34b), conseguiu-se notar uma melhor estampabilidade quando comparado com o emprego de óleo lubrificante (Figura 34a) (SCHAEFFER, 2005).
Figura 34 - Emprego de diferentes lubrificantes na estampagem de aço inoxidável. Com uso de óleo lubrificante e com uso de uma lâmina de teflon
3.2.4 Lubrificação
Segundo Schaeffer (2005), a lubrificação pode ser caracterizada como uma fina camada de um material de baixa resistência ao cisalhamento, por exemplo os óleos, que deve reduzir o atrito e o desgaste entre duas ou mais superfícies com corpo sólido que estejam em movimento. Dessa forma, no local lubrificado o atrito entre os corpos deverá ser menor.
De acordo com Schaeffer (2005), descreve de forma ampla e genérica as 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.
São recomendados os lubrificantes aditivados para operações de extremas pressões, principalmente à base de bissulfeto de molibdênio. Recomenda-se o uso de lubrificantes com propriedades inibidoras de oxidação para aço carbono. O uso de filmes plásticos é recomendado para operações de embutimento, pois apresenta bons resultados (SCHAEFFER, 2005).
3.2.5 Lubrificantes para o processo de estampagem
Para Rodrigues e Martins (2005), os lubrificantes recomendados nos processos de conformação de chapas metálicas. Determinar os lubrificantes que satisfaçam todos os requisitos exigidos para certa operação, é uma tarefa delicada, uma vez que as funções e atributos que são esperados constituem um conjunto de especificações exigentes. Os elementos usualmente encontrados atuando como lubrificantes nos processos mecânicos são:
1) Óleos minerais:
Derivados do petróleo introduzem na superfície uma oleosidade característica, proporcionando regimes de lubrificação do tipo fronteira. Quando puros sua utilização é limitada, sendo geralmente melhoradas suas propriedades lubrificantes com a introdução de aditivos.
2) Óleos naturais, massas e derivados:
De origem animal, vegetal e marinha, foram os primeiros lubrificantes a serem usados. Os óleos são líquidos, enquanto que as massas são semi-sólidas e os seus derivados incluem ceras, ácidos graxos e sabões, todos usados no trabalho com metais.
3) Fluídos sintéticos:
Tem sido desenvolvido uma grande variedade de lubrificantes sintéticos para serem usados em conformação mecânica, alguns têm características semelhantes aos óleos naturais, enquanto outros não têm os equivalentes naturais, mas contêm aditivos que os tornam estáveis a elevadas temperaturas e compostos de silício que permitem que o lubrificante trabalhe em regimes hidrodinâmicos
4) Lubrificantes compostos:
Os lubrificantes mais comuns desta categoria são os óleos minerais melhorados com aditivos. Aditivos para regimes de lubrificação de fronteira. Exemplos: óleos naturais, massas e sabões. Aditivos para regimes de extrema pressão. Exemplos: compostos de fósforo, cloro e enxofre. Aditivos sólidos. Exemplos: a grafite e o bissulfeto de molibdênio. Inibidores da oxidação e da corrosão. Agentes anti-espumas e agentes germicidas para o desenvolvimento de bactérias e outros organismos.
5) Lubrificantes aquosos:
Embora a água seja um péssimo lubrificante, pode ser usada como base para agregar substâncias com propriedades lubrificantes e, assim, pode combinar o seu excelente poder refrigerante com características lubrificantes. Como exemplo, podemos citar: emulsões de gotículas de óleo misturadas com água; substâncias químicas dissolvidas em água.
6) Revestimentos:
Estes são produtos sólidos ou líquidos aplicados geralmente ao material de trabalho. (a) revestimentos metálicos, por exemplo, zinco, chumbo e outros metais que permitam a formação de uma película resistente ao deslizamento;
(b) revestimento com polímeros, como o teflon;
(c) vidro, o qual é usado na lubrificação da extrusão a quente do aço.
3.2.6 Rugosidade
A aplicação de um bom acabamento superficial passa a ser de grande importância em casos em que a exatidão passa a ser determinada, principalmente entre peças unidas e, em casos que padrões de forma e superfícies devam ser totalmente atendidos, para garantir o funcionamento dos componentes na sua aplicação. De forma geral, quando são verificadas superfícies sólidas, por mais que exista polimento e aparentemente pareça perfeita, sempre existirão irregularidades (ROSA, 2006).
Conforme a norma Alemã DIN 4762 (1989), a rugosidade é definida como um conjunto de irregularidades, isto é, pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam a superfície.
A rugosidade é normatizada no Brasil pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), valendo-se da norma NBR ISO 4287 (2002). Conforme essa norma brasileira, rugosidade é uma medida topográfica da superfície em interesse, um conjunto de desvios micro geométricos, caracterizado pelas pequenas saliências e reentrâncias presentes na superfície. Estas saliências, ondulações e riscos que classificam uma superfície no seu nível de rugosidade, e assim garantindo a necessidade para a especifica peça. O acabamento superficial é um dos principais fatores diretos que apresentarão o seu desempenho e operações (ABNT NBR ISO 4287, 2002).
Segundo Rosa (2006) a partir do perfil de rugosidade o parâmetro R é o mais utilizado, dividido nas classes Ra, Rz, Rq e Rt, destacando-se Ra e Rz citadas abaixo:
Ra: média aritmética dos valores absolutos das ordenadas de afastamento nos picos superiores e inferiores da amostra;
Rz: soma das alturas máximas dos picos do perfil da amostra.
Segundo Beer e Jonhston (2007), com uma rugosidade menor pode-se garantir que o material tenha um melhor desempenho em relação a fadiga, menor probabilidade de geração de micro trincas, dissipação de calor e melhor resistência ao atrito.
Para Filho (2011), existem três principais tipos de superfícies, que são elas: Superfície geométrica (ideal), superfície real (com desvios de acabamento) e superfície efetiva (avaliada pela equipe técnica de medição).
Superfície Geométrica: é aquela superfície ideal, estabelecida na elaboração do projeto, ou seja, que não existem erros, conforme Figura 35.
Figura 35 - Superfície geométrica
Superfície Real: basicamente essa superfície resulta do método empregado durante o processo de fabricação da peça, podendo geral um pequeno grau de irregularidades após a conclusão da peça, Figura 36.
Figura 36 - Superfície Real
Fonte: NBR ISO 4287 (2002).
Superfície Efetiva: superfície que tende a ser a mais próxima da geométrica, porém quando aplicados diferentes sistemas de medição o seu resultado poderá ser diferente, percebido na Figura 37.
Figura 37 - Superfície Efetiva
Fonte: NBR ISO 4287 (2002).
3.3 MATERIAL DO CORPO DE PROVA FERRAMENTA
O aço D2 tem como principal característica a alta estabilidade dimensional e alta resistência ao desgaste, particularmente em condições abrasivas. Sendo as peças que foram submetidas à têmpera nas temperaturas entre 1010 e 1030ºC, e logo em seguida foram revenidas, tão logo atinjam 60ºC. Recomenda-se no mínimo dois revenimentos e entre cada revenimento as peças devem resfriar lentamente até a temperatura ambiente, tempo mínimo de 2 horas para cada revenimento. Para peças maiores que 70mm, deve-se calcular o tempo em função de sua dimensão, considerando 1 hora para cada polegada de espessura, conforme Figura 38, curva de revenimento (VILLARES, 2003).
Figura 38- Curva de Revenimento
Fonte: Villares Metals (2003).
No Aço AISI D2, temos algumas diferenças entre o processo de fabricação, uma vez que são disponibilizados dois tipos de matéria prima, aço D2 fundido e aço D2 laminado, em que a composição química é igual, porém o processo em que são produzidos são diferentes, atuando na prática de formas distintas, com direcionamento de finalidade para cada utilização (VILLARES, 2003).
O aço D2 laminado é submetido a tensões compressivas elevadas, pelo fato da prensagem dos rolos e a tensões cisalhantes superficiais, gerando atrito entre os rolos e o material. Na Figura 39 o corpo de prova aço laminado é exposto acompanhado de zoom óptico de 400 vezes. A força de atrito compressiva atua puxando o metal para dentro dos cilindros para conseguir fazer o processo, onde pode ser laminação à frio ou laminação à quente. As principais aplicações são em produtos no formato de lâminas, sendo chapas ou bobinas discos, folhas, entre outros (VILLARES, 2003).
Figura 39 - Corpo de prova Aço Laminado - D2 com zoom óptico
O aço D2 fundido, mais conhecido como VD2, é mais utilizado relacionado com ferramentas, comparando com o laminado, atende a um processo de fabricação onde os metais em estado líquido (fundido), são vazados em moldes que podem ser permanentes ou não permanentes e atendendo a diferentes parâmetros técnicos em relação a sua forma final, isso depende principalmente das quantidades de peças necessárias e do seu acabamento, podendo agregar valor as peças. Na Figura 40 o corpo de prova aço fundido é exposto acompanhado de zoom óptico de 400 vezes. (VILLARES, 2003).
O método da fundição é o processo mais simples e econômico, onde existem várias formas de apresentação, cada um na sua particularidade de atender melhor a finalidade da peça, modelo e quantidade a ser produzida. As principais aplicações são em produtos como blocos, matrizes, punções, encostos, entre outros (VILLARES, 2003).
Figura 40 - Corpo de prova Aço Fundido - VD2 com zoom óptico
Fonte: O Autor (2018).
3.3.1 Processo de têmpera
O processo de têmpera é um tratamento térmico feito em aços para aumentar a dureza e a resistência. O processo consiste em duas etapas: aquecimento e resfriamento rápido. Para organizar os cristais dentro do metal o aço de ser aquecido, sendo chama de austenitização. Já o resfriamento brusco pretende obter a estrutura martensita (FERMAC, 2018).
Para obter altas temperatura entre 1020-1040ºC são através de fornos a chama ou por indução elétrica. A segunda etapa da têmpera é o resfriamento, o qual deve ser brusco, em água ou em óleo. Com o intuito de impedir que o aço mude de fase, dá obtida na temperatura de austenização, geralmente após a têmpera a peça é submetida ao revenimento (FERMAC, 2018).
O revenimento deve ser realizado imediatamente após a têmpera quando a temperatura atingir cerca de 70ºC. De acordo com a curva de revenimento do aço D2 podem ser selecionadas duas faixas de temperatura, 200 e 540ºC para uma dureza típica entre 58 -60HRC. A seleção dos ciclos de tratamento térmico deve levar em consideração as características de aplicação de cada ferramenta, mas o revenimento em temperatura elevada sempre conduz a uma maior resistência à fratura. Em qualquer caso, devem ser realizados nos mínimos dois revenimentos. Em aplicações críticas de desgaste pode ser utilizado com dureza superior a 60 HRC. Quando o material for posteriormente nitretado ou revestido por PVD. O revenimento deve obrigatoriamente ser realizado a altas temperatura. (GGD, 2018).
3.3.2 Processo de normalização
A Normalização é o processo de tratamento térmico que tem como objetivo diminuir a granulação do aço, é um tratamento que refina a estrutura do aço, dando propriedades melhores que as conseguidas no processo de recozimento. Esse processo pode ser feito no final ou pode ser um processo intermediário (CIMM, 2018).
O processo de Normalização é feito em duas partes, o aquecimento que o tempo depende da espessura da peça em atmosfera controlada e resfriamento ao ar. É feito o aquecimento (austenização) a mais ou menos 900°C e o resfriamento é até 600°C. Na alteração de temperatura, a estrutura passa de austenita para perlita e ferrita. Uma boa observação sobre a normalização é que facilita a usinagem da peça (CIMM, 2018).
3.3.3 Processo de nitretação plasma longa
A nitretação por plasma é um tratamento termoquímico e físico que modifica as propriedades superficiais de um determinado material, presente na forma de íons que constituem o plasma, é primeiro implantado no metal para depois se difundir, gerando uma camada superficial ou nitretada. É obtido através da aplicação de uma descarga elétrica nas peças, que estarão dispostas numa mistura de gases à baixa pressão, chamado de meio nitretante. Resulta no aumento da dureza da superfície através da formação da zona de difusão pelo controle das variáveis de tratamento, tais como a temperatura, composição química da atmosfera de trabalho e tempo de tratamento, objetivando-se a melhoria em propriedades específicas do mesmo, tais como: elevada dureza superficial, maior resistência à fadiga, ao desgaste e à corrosão (NITRION DO BRASIL, 2018).
