DCEEng - Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
ANDERSON MANOEL DA ROSA
INFLUÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE LUBRIFICANTES E DA
PRESSÃO DE CONTATO NO ATRITO E DESGASTE DE
FERRAMENTAS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS
Panambi
2016
ANDERSON MANOEL DA ROSA
INFLUÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE LUBRIFICANTES E DA
PRESSÃO DE CONTATO NO ATRITO E DESGASTE DE
FERRAMENTAS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS
Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Cristiano Rafael Lopes. Me. em Eng. Mecânica.
Panambi/RS 2016
INFLUÊNCIA DE DIFERENTES TIPOS DE LUBRIFICANTES E DA
PRESSÃO DE CONTATO NO ATRITO E DESGASTE DE
FERRAMENTAS PARA CONFORMAÇÃO DE CHAPAS
Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Banca examinadora ________________________________________ Cristiano Rafael Lopes, Me. Eng. - Orientador
________________________________________ Felipe Tusset Panambi, novembro de 2016
AGRADECIMENTOS
À Deus, pelas imensas bênçãos que tens me concedido todos os dias, com saúde para correr atrás dos objetivos, e por seu grande amor e misericórdia;
À família e amigos, pela paciência, apoio e compreensão em todos os momentos; Ao Dr. Eng. João Henrique de Souza, que tornou o trabalho desafiador aguçando ainda mais a vontade de conhecer mais sobre a área em estudo;
À empresa Bruning Tecnometal, pelo suporte financeiro, pela disponibilidade de tempo e pela oportunidade de trabalho durante este período.
Aos colegas que atuam na Área de Pesquisa e Desenvolvimento da Empresa Bruning, Eng. Diego Tolotti de Almeida e em especial o Estudante de Eng. Jonathan Drunn, pela grande colaboração e auxílio prestados.
A todos os professores que de uma forma ou de outra contribuíram ao longo do curso para que esse trabalho fosse concluído com êxito, em especial ao orientador Cristiano Rafael Lopes, pelos ensinamentos e por ter aceitado o desafio de orientar esse estudo.
DEDICATÓRIA
Este trabalho é fruto de um sonho que está perto de ser alcançado. A felicidade maior será de compartilhar o sucesso com as pessoas que tanto amo e que fizeram parte dessa caminhada, acreditando a todo momento que era possível alcançar os objetivos e me incentivando a continuar, sendo meus amados pais que incessantemente fizeram o máximo para facilitar meus recursos durante o período de estudos, e todos os meus queridos amigos, e em especial Cezar Gomes, Everaldo Behling, Germano Strey e Maria Lucia C. Spaniol.
Juntamente com esses amigos, não posso deixar de lado duas pessoas incríveis que tornaram meus dias mais alegres enquanto estávamos juntos. Antônio Luiz de Oliveira Spaniol (in memorian), eternamente serei grato pelo seu carinho, dedicação, ensinamentos, sabedoria, tempo e amor. Mateus Candaten dos Santos (in memorian), muito obrigado por tudo o que passamos juntos desde nossa infância. Foi pouco tempo ao lado de vocês, mas valeu cada segundo. Espero ansioso o momento em que novamente nos encontraremos, e ficaremos juntos para sempre. Para todo o sempre!
Tenho certeza que Deus prepara um propósito muito grande para cada um de nós, e cada segundo que vivemos ao lado de alguém, compõe uma história única no qual, está sendo traçado um caminho para a eternidade.
Amo todos vocês!
“Ainda que eu falasse a língua dos homens e dos anjos, e não tivesse amor, nada seria.” 1Cor. 13-1
“Agora, pois, permanecem a fé, a esperança, o amor, estes três; mas o maior destes é o amor.” 1Cor. 13-13
RESUMO
Este trabalho apresenta um comparativo do comportamento de diferentes tipos de óleos lubrificantes para processos de conformação mecânica em chapas, utilizando-se de ensaios tribológicos. Juntamente com a análise da interferência da lubrificação no processo, em um estudo paralelo se efetuou outra verificação constatando quais os impactos que a pressão de contato possui sobre as superfícies das ferramentas nos processos de conformação. A metodologia adotada visa analisar o coeficiente de atrito existente entre chapas metálicas e ferramentas, considerando uma situação crítica de adesão de material da chapa na ferramenta. Os testes e ensaios são desenvolvidos em uma máquina específica para análise das forças envolvidas no atrito, sendo dotada de sensores que coletam as informações e alimentam uma central de dados. Para padronização dos testes, são utilizadas ferramentas de um mesmo material, mesma geometria, e um polimento dentro de uma faixa pré-estabelecida como aceitável para os testes, garantindo com isso que os comparativos são confiáveis. Da mesma forma, o material utilizado para o corpo de prova das chapas é o mesmo para todas as análises. São utilizados 4 tipos diferentes de óleos, avaliando seu comportamento e impacto nos processos. Em seguida, avalia-se o desempenho de diferentes pressões de contato. Com os dados obtidos em cada etapa, pode-se especificar qual a condição ideal para aumentar a vida útil das ferramentas utilizadas em conformações de chapas, assim como os cuidados a serem observados para fabricação de uma ferramenta de conformação.
ABSTRACT
This report presents a comparison of the behavior of different types of lubricating oils for sheet forming processes using tribological tests. Along with the analysis of the interference of lubrication in the process, in a parallel study if conducted another scan noting what the impacts that the contact pressure has on the surfaces of the tools in the process of formation. The methodology adopted aims at analyzing the friction coefficient between sheet metal and tools, whereas a critical situation of accession of material of the plate on the tool. The tests and trials are developed on a specific machine for analysis of the forces involved in the friction, being equipped with sensors that collect the information and feed a data center. For Standardization of the tests, tools are used in the same material, same geometry, and a polishing within a pre-established range as acceptable for the tests, ensuring that the comparatives are reliable. Similarly, the material used for the body of evidence of the plates is the same for all analyses. Are used 4 different types of oils, evaluating their behavior and impact on processes. Then, evaluate the performance of different contact pressures. With the data obtained in each step, you can specify what the ideal condition to increase the service life of the tools used in sheet conformations, as well as the precautions to be observed for the manufacture of a forming tool.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Análise computacional de simulação numérica de uma peça ... 18
Figura 2 – Ferramenta com adesão e simulação numérica ... 19
Figura 3 – Norma DIN 8580 – Processos de manufatura ... 22
Figura 4 – Processo de embutimento ... 24
Figura 5 - Forças atuantes em um processo de embutimento ... 25
Figura 6 – Processo de estiramento ... 26
Figura 7 – Sequência de um processo de corte ... 27
Figura 8 – Regiões de uma aresta de corte ... 27
Figura 9 – Processo de dobramento com matriz sem forma ... 28
Figura 10 – Croqui de uma condição de dobramento ... 28
Figura 11 – Processo de Dobra com ferramentas “V” ou “U”. ... 29
Figura 12 – Processo de Dobra continua, dobra por rolos... 29
Figura 13 - Transporte de um colosso egípcio a cerca de 1900 á 2400 A.C ... 31
Figura 14 - Forças presentes no deslizamento de um corpo. ... 33
Figura 15 - Gráfico das forças: estática e cinética ... 34
Figura 16 – Regiões de atrito presentes na Operação de embutimento. ... 35
Figura 17 – Representação dos possíveis ensaios de Atrito existentes. ... 36
Figura 18 - Modelo de atrito normalmente usado ... 37
Figura 19 – Rugosidade de uma superfície antes e após sofrer pressão de contato ... 37
Figura 20 – Representação da variação do Coeficiente de Atrito, com o aumento da Força/Tensão Normal. ... 38
Figura 21 - Ferramenta ensaio Erichsen ... 39
Figura 22 - Ferramenta ensaio Swift ... 39
Figura 23 - Ensaio para simulação de atrito em prensa chapas ... 39
Figura 24 – Máquina de Ensaio de atrito por Tracionamento de chapas. ... 40
Figura 25 - Ensaio no prensa chapa e no raio da matriz ... 40
Figura 26 - Ensaio para simulação de atrito no quebra rugas ... 40
Figura 27 - Subdivisões dos grupos de desgastes ... 41
Figura 28 – Caracterização de deformação de uma superfície ... 42
Figura 29 - Modelo simplificado para desgaste abrasivo ... 43
Figura 30 - Mecanismos de desgaste abrasivos ... 44
Figura 32 - Modelo de Curva de Stribeck ... 51
Figura 33 - Superfície plana analisada microscopicamente ... 52
Figura 34 - Perfil efetivo de uma superfície ... 54
Figura 35 – Representação dos comprimentos de Avaliação e de Amostragem ... 54
Figura 36 – Elementos do perfil ... 55
Figura 37 - Rugosímetro portátil ... 56
Figura 38 – Projeto da Máquina para ensaios de atrito e seus principais componentes ... 58
Figura 39 – Tela do programa de aquisição de dados. ... 59
Figura 40 – Condicionadora de sinais e Painel de controle da máquina ... 60
Figura 41 - Cabeçote móvel da máquina ... 61
Figura 42 - Corpo de prova da chapa ... 62
Figura 43 - Corpo de prova da ferramenta ... 63
Figura 44 – Comparativo das áreas entre Ferramenta A e B ... 64
Figura 45 – Rugosímetro efetuando medição ... 67
Figura 46 – Medição de rugosidade no Corpo de Prova da Chapa ... 67
Figura 47 – Posicionamento da ferramenta em relação ao sentido de tração da chapa ... 69
Figura 48 – Pipeta gotejando Óleo no corpo de prova. ... 71
Figura 49 – Aplicação do Óleo no corpo de prova para 2 gotas. ... 71
Figura 50 – Rolo espalhando as gotas de óleo sobre a superfície ... 72
Figura 51 – Organograma de Planejamento dos experimentos ... 73
Figura 52 – Gráfico com parâmetros de rugosidade medidos na chapa ... 76
Figura 53 – Análise da Chapa após apresentar adesão superficial ... 78
Figura 54 – Comparativos das áreas de contato na região de adesão ... 78
Figura 55 – Início da adesão no corpo de prova da chapa teste 11 ... 78
Figura 56 – Comparativo das áreas no corpo de prova onze ... 79
Figura 57 – Região de adesão no sexto corpo de prova ... 79
Figura 58 – Área de contato ampliada na região de adesão ... 80
Figura 59 – Gráfico do coeficiente de atrito em relação a distância percorrida ... 80
Figura 60 – Corpo de prova da chapa na região de adesão ... 81
Figura 61 – Comparativo das áreas de contato ... 81
Figura 62 – Comparativo das áreas de contato na região de adesão ... 82
Figura 63 – Comparativo das áreas no ponto de adesão... 82
Figura 65 – Áreas de contato no vigésimo quinto corpo de prova ... 83
Figura 66 – áreas de contato no vigésimo corpo de prova ... 85
Figura 67 – Gráfico do número de ensaios x bateria de cada óleo ... 86
Figura 68 – Gráfico do Coeficiente (µ) de atrito x óleo ensaiado ... 86
Figura 69 – Gráfico µ Coulomb vs Deslocamento ponto de início de adesão ... 88
Figura 70 – Gráfico início da adesão profunda ... 89
Figura 71 – Gráfico µ Coulomb vs Deslocamento do Corpo de Prova 25 ... 90
Figura 72 – Gráfico com o início da adesão profunda ... 90
Figura 73 – Adesão no corpo de prova da chapa ensaiada ... 91
Figura 74 – Gráfico curva de atrito nos pontos de adesão... 92
Figura 75 – Gráfico análise da curva do coeficiente de atrito ... 92
Figura 76 – Gráfico curva de atrito no ponto de adesão ... 93
Figura 77 – Ferramenta com adesão nas áreas de contato ... 93
Figura 78 – Gráfico dos ensaios por bateria de teste ... 94
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação dos Desvios de Superfície. ... 53
Tabela 2 - Classe de rugosidade Ra e valor correspondente ... 56
Tabela 3 - Tabela com símbolos básicos ... 57
Tabela 4 - Símbolos de acabamento superficial com informações complementares ... 57
Tabela 5 – Composição química e propriedades mecânicas do material VF800AT. ... 62
Tabela 6 – Classificação do padrão R3 de polimento ... 64
Tabela 7 – Caracteristicas de cada óleo ... 65
Tabela 8 – Dados dos ensaios analisados ... 74
Tabela 9 – Dados dos ensaios analisados ... 75
Tabela 10 – Comparativo do número de ensaios de cada óleo ... 85
LISA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DIN – Deutsches Institut für Normung
ABNT – Associação Brasileiras de Normas Técnicas NBR – Norma Brasileira
ISO – International Organization for Standardization
LabVIEW - Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench CP – Corpo de Prova
LISTA DE SÍMBOLOS A1 – Área 1 [mm2] A2 – Área 2 [mm2] A3 – Área 3 [mm2] A – Área de Contato [mm2] µ – Coeficiente de atrito [-]
μ . – Coeficiente de atrito máximo [-]
μ . – Componente de adesão [-]
μ . – Componente de penetração [-]
F – Força [N]
F – Força de atrito [N]
F – Força normal [N]
F – Força Atrito Cinético [N]
F – Força Atrito Estático [N]
τ
– Tensão cisalhante [MPa]τ
. – Tensão máxima cisalhante [MPa]σ
– Tensão Normal [MPa]τ
– Tensão cisalhante [MPa]– Comprimento total [mm]
– Comprimento de Amostragem [mm]
– Comprimento de Avaliação [mm]
Z – Altura de pico do perfil [µm]
Z – Profundidade do vale do perfil [µm]
Z – Altura de um elemento do perfil [µm]
X – Largura de um elemento do perfil [µm]
R – Força de Reação [N]
H – Força de arraste [N]
W – Força peso [N]
R – Desvio aritmético médio do perfil avaliado [µm]
R – Altura máxima do perfil [µm]
R – Altura total do perfil [µm]
S – Espessura inicial [mm]
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 17 1.1 JUSTIFICATIVAS ... 18 1.2 OBJETIVOS ... 19 1.2.1 Objetivo Geral ... 19 1.2.2 Objetivo Específico ... 20 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 21 2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO ... 21 2.2 CONFORMAÇÃO ... 22 2.2.1 Embutimento ... 23 2.2.2 Estiramento ... 25 2.2.3 Corte ... 26 2.2.4 Dobra ... 28 2.3 TRIBOLOGIA ... 30 2.3.1 Definição de tribologia ... 30 2.3.2 Tribologia na conformação ... 32
2.3.3 Tipos de ensaios para determinação do coeficiente de atrito ... 35
2.3.4 Tipos de desgastes ... 41
2.4 LUBRIFICANTES ... 47
2.4.1 Características desejadas dos lubrificantes ... 48
2.4.2 Tipos de lubrificantes ... 49
2.4.3 Regimes de lubrificação e Curva de Stribeck ... 50
2.5 CARACTERIZAÇÃO DE SUPERFÍCIE - RUGOSIDADE ... 52
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 58
3.1 MATERIAIS ... 58
3.1.1 Máquina para ensaio de atrito e desgaste ... 58
3.1.2 Corpo de prova ... 61
3.1.3 Lubrificantes ... 64
3.2 MÉTODOS ... 65
3.2.1 Procedimento de Polimento ... 65
3.2.3 Procedimento de Ensaio ... 68
3.2.4 Preparação e lubrificação da chapa ... 70
3.3 PLANEJAMENTO DOS EXPERIMENTOS ... 72
3.3.1 Etapa 1 ... 74
3.3.2 Etapa 2 ... 75
4. ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 76
4.1 ANÁLISE DA ETAPA 1 ... 77
4.1.1 Óleo A ... 77
4.1.2 Óleo B ... 81
4.1.3 Óleo C ... 83
4.1.4 Óleo D ... 84
4.1.5 Comparativo dos testes / Discussões ... 85
4.2 ANÁLISE DA ETAPA 2 ... 87
4.2.1 Pressão 370 MPa ... 88
4.2.2 Pressão 423 MPa ... 89
4.2.3 Pressão 475 MPa ... 91
4.2.4 Comparativo dos testes de pressões/ Discussões ... 94
5. CONCLUSÃO ... 97
1. INTRODUÇÃO
O atrito é um fenômeno onde muitos estudiosos afirmam a grande dificuldade de atribuí-lo de forma precisa a algum processo, justamente pelo fato de que existem diversas variáveis que interferem diretamente nas condições de contato entre duas superfícies, sendo que muitas dessas variáveis não são fatores controláveis e muitas vezes acabam sendo desconhecidos.
A tribologia, é uma ciência que estuda esses comportamentos de interação entre duas superfícies em movimento relativos, vem somar no entendimento de como seriam as melhores soluções para condições negativas (como os desgastes em ferramentas) oriundas de processos de conformação, como também para aprimoramento nos processos onde deseja-se obter um atrito controlado.
A determinação do coeficiente de atrito correto, para muitos casos nos processos de conformação mecânica, pode ser um fator fundamental na construção de uma ferramenta complexa, pois quanto maior for a precisão nas análises de elementos finitos efetuadas em softwares de simulações, menor o índice de retrabalho sobre a ferramenta e consequentemente maior o êxito do projeto.
Contudo, na maioria dos casos, as análises computacionais assumem o coeficiente de atrito como sendo um valor único, para determinada simulação devido ao material utilizado e outras variáveis significativas do processo. Porém, na maioria dos casos esse valor não se comporta na prática como sendo uma constante. Dentro de uma ferramenta, pelo fato de possuir variadas geometrias e regiões de contato, as pressões sobre o material variam, assim como as condições de lubrificação sobre a superfície. Esses dois fatores são praticamente os principais elementos que possuem relação direta com os desgastes que atuam nas ferramentas de conformação.
Baseado nisso, esse trabalho busca aprofundar os estudos sobre essas duas variáveis para entende-las de forma mais específica, focando em quais os impactos que as mesmas possuem em um processo de conformação, assim como diagnosticando quais as possíveis soluções a serem consideradas para melhorar os processos e condições de fabricação de ferramentas futuras.
Para isso, esse estudo foi executado através de ensaios práticos em uma máquina de ensaio de atrito específica para essa finalidade, onde diferentes óleos foram sendo cuidadosamente observados. Em um segundo momento, a relação das pressões de contato foi
sendo avaliada, para assim atingir os objetivos estabelecidos para esse trabalho. Toda essa atividade foi desenvolvido pela área de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) em conjunto com a Engenharia Industrial, na empresa Bruning Tecnomental LTDA, sendo essa consolidada no ramo metalomecânico, com grandes clientes que atuam nos segmentos agrícola, rodoviário, automotivo e construção.
1.1 JUSTIFICATIVAS
Atualmente várias empresas que atuam na área de estampagem de chapas de metal sofrem com um problema não muito fácil de controlar – a adesão de material na ferramenta.
Esse fenômeno conhecido como adesão, causará algumas consequências negativas tanto para a ferramenta quanto para a qualidade da peça que está sendo processada. Na Figura 1 pode-se perceber uma análise computacional de uma simulação de elementos finitos desenvolvida em um produto, onde buscou-se analisar quais os pontos críticos para que pudessem ser ajustados e feitos as devidas correções antes mesmo de fabricar a ferramenta.
Figura 1 – Análise computacional de simulação numérica de uma peça
Fonte: Próprio autor
Normalmente, o coeficiente de atrito de Coulomb é considerado constante em simulações numéricas de um processo de conformação, assumindo uma condição de que todas as regiões da peça estarão dentro de uma mesma relação de atrito, o que por sua vez sabe-se que na condição prática isso não funciona exatamente dessa forma. Apesar da simulação numérica diminuir consideravelmente a incidência de possibilidades de erros, o não conhecimento do verdadeiro comportamento das condições de atrito na ferramenta tornam a
(a) (b) obtenção dos dados menos precisos para uma condição real de produção, e com isso os problemas ainda persistem. Na Figura 2a pode-se perceber uma imagem de uma ferramenta com regiões onde o material da chapa que estava sendo conformada aderiu à superfície da ferramenta, e na Figura 2b lado pode-se perceber a simulação computacional.
Figura 2 – Ferramenta com adesão e simulação numérica
Fonte: Arquivos Bruning Tecnomental
O tempo de testes de validação (try-out) de ferramentas pode ser reduzido em cerca de 40% através de simulações que tenham resultados mais próximos da realidade.
Outro fator relevante é o aumento de uso das chapas de aço de alta resistência para conformação, que possuem como objetivo a redução de massa e aumento da resistência mecânica dos produtos finais. Porém a conformação desse material faz com que as ferramentas sejam mais exigidas em virtude das altas pressões de contato envolvidas.
Sabendo que os fatores das variáveis envolvidas nesses processos ainda são amplamente desconhecidos, o presente trabalho buscou aprofundar mais o entendimento dos impactos reais que a condição de lubrificação e a pressão de contato podem causar e somar-se a esses frequentes problemas que causam muitas dores de cabeça nas áreas de produção.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
O presente trabalho tem por objetivo avaliar os fenômenos tribológicos envolvidos num processo de conformação de chapas, fazendo-se uso de uma máquina para ensaios de atrito do tipo tracionamento de tiras, dando ênfase no desgaste prematuro das ferramentas e no coeficiente de atrito inerente ao processo.
1.2.2 Objetivo Específico
Busca-se atender os tópicos abaixo relacionados:
• Investigar quatro tipos de lubrificantes para conformação de chapas quanto ao desempenho, relacionando-os com o aparecimento prematuro de desgaste adesivo e com o coeficiente de atrito.
• Verificar a influência da pressão de contato existente entre superfícies ferramenta/chapa no que diz respeito ao aparecimento do desgaste adesivo e ao atrito decorrente do processo de conformação de chapas.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Desde as civilizações antigas, o homem sempre buscou evoluir e conquistar seu território e sustento para a auto sobrevivência. Muitas coisas surgiram com a capacidade de raciocinar, tornando a atividade da caça mais prática e eficaz para buscar seu alimento diário. Ferramentas feitas pedra e madeira ativaram a criatividade no cérebro do homem de tal forma, que até os dias de hoje incessantemente busca por meios de aprimorar e aperfeiçoar cada dia mais suas atividades, tornando sua vida mais prática e cômoda. Assim começou a busca do homem por novas formas de instrumentos que tornassem sua rotina mais fácil. Com o passar do tempo, foram surgindo os primeiros utensílios de metais, onde estudos revelam estimativas que os primeiros registros históricos do uso de processos de conformação são de aproximadamente 6.000 a.C.
A utilização do ferro deu início então ao que chamados de processos de fabricação, onde é composto por várias formas diferentes de moldar e conformar o material até chegar ao produto final. Atualmente, nos processos de manufatura para produtos industrializados, uma grande e significativa proporção diz respeito aos processos de conformação. A norma DIN 8580 separa esses processos em três grandes grupos, sendo eles:
- Criação de forma; - Modificação de forma;
- Modificação das propriedades.
Dentro desses grupos são encaixados processos específicos que atuam de forma mais direcionada para determinadas tarefas, facilitando assim a segmentação dos diferentes tipos de processos.
Alguns desses processos são focados especificamente em alterações geométricas e mecânicas das peças, contudo outro trabalham na composição química, alterando com isso as propriedades do material e tornando as peças adaptadas ás atividades pelas quais elas foram projetadas.
Na Figura 3 percebe-se as separações dos grupos de manufatura especificados pela norma. Esses processos compõe boa parte das industrias modernas com o que há de mais avançado em tecnologias, onde cada dia mais busca-se aprimoramentos para que a automatização seja uma realidade cada vez maior.
Figura 3 – Norma DIN 8580 – Processos de manufatura
Fonte: Adaptado de Souza - 2016
2.2 CONFORMAÇÃO
A norma DIN 8582 define conformação como sendo a alteração controlada da forma, superfície e das características de um corpo, mantendo a sua massa e composição químicas originais.
Dentro dos processos de manufatura, Altan e Gebel (1999) cita que os processos de conformação em específico, podem ser classificados em duas grandes categorias: Conformação massiva e a Conformação de Chapas.
Na conformação massiva, Rodrigues e Martins (2005) afirma que o material inicial é um tarugo, barra ou vergalhão, que sofrerá uma considerável deformação onde o volume permanecerá o mesmo, mas aumentará significativamente a superfície. Basicamente os processos de conformação massiva são extrusão, forjamento, laminação e trefilação.
Os processos que se enquadram na categoria de conformação massiva, tem a seguintes características:
• O componente sofre uma grande deformação plástica, resultando numa apreciável mudança de forma e seção transversal;
• São necessárias elevadas forças para efetuar essa conformação, o que acarreta em uma elevada exigência das ferramentas;
• Gera um elevado grau de encruamento;
• A proporção do componente que sofre deformação plástica é, geralmente, muito maior do que a que sofre deformação elástica, portanto o retorno elástico é insignificante.
Já para a conformação de chapas, Altan e Gebel (1999) afirma que um blank de chapa (platina) é plasticamente transformado em um objeto tridimensional sem qualquer mudança significativa na espessura da chapa original ou nas características superficiais. O blank é de um pedaço de material (chapa) que possui uma geometria determinada e características controladas para sofrer algum processamento posterior.
Como principais características da conformação de chapas, cita-se:
• O componente é uma chapa ou fabricado a partir de uma chapa;
• A deformação normalmente causa mudanças significativas na formam mas não na seção transversal da chapa;
• Em alguns casos a magnitude da deformação plástica permanente é comparável a deformação elástica, portanto o efeito mola ou retorno elástico pode ser significativo;
Alguns processos que se enquadram nessa categoria de conformação de chapas são os processos de: embutimento, estiramento, corte e dobra.
Conforme citado por Folle (2008), em ambos os casos, as superfícies do material deformado e das ferramentas estão em contato e o atrito entre elas tem grande influência no processo.
Na sua grande maioria, a conformação de chapas é processada em máquinas denominadas como prensas mecânicas ou hidráulicas. As ferramentas básicas utilizadas nesse processo são punção e matriz, sendo geralmente o punção o elemento móvel.
2.2.1 Embutimento
De acordo com Ponomarov (2011), embutimento (ou estampagem profunda) é uma operação de conformação de chapas, onde o material é forçado a entrar em uma cavidade (matriz) por meio de um punção, formando uma peça com a forma côncava ou de copo, sem
que haja aparecimento de rugas e trincas e, geralmente, sem variar a espessura. A operação pode ser feita em uma ou mais fases (etapas).
De uma forma um pouco diferente pode-se afirmar que embutimento é um processo de conformação de chapas com punção rígido, no qual a chapa é totalmente ou parcialmente deslocada para dentro da matriz durante o processo, havendo fluxo de material entre a matriz e o prensa-chapas, onde a espessura da chapa tende a permanecer constante, pois as tensões de tração e compressão ocorrem simultaneamente na região de conformação (informação verbal)1. A Figura 4 demonstra essas afirmações.
Schaeffer (2004) define embutimento como sendo o processo de fabricação cuja matéria-prima é uma chapa metálica plana que é transformada em diferentes formas geométricas com saliências profundas ou rasas. Ele ainda afirma que trata-se de um processo de conformação que envolve uma contínua intervenção entre ferramenta, lubrificante, material de conformação e equipamento.
Figura 4 – Processo de embutimento
Fonte: Adaptado de Schuler - 1998
Nesse processo, forças radiais de tração e forças tangenciais de compressão, são aplicadas no material, onde na Figura 5 pode-se verificar os principais pontos em que cada força atua.
Existem alguns ensaios que conseguem analisar a estampabilidade da chapa, como o ensaio de Swift por exemplo, que segundo Wentz (2015) nada mais é do que um ensaio que consiste na deformação de uma chapa presa em uma matriz, com um punção na forma cilíndrica que conforma a chapa e com isso pode-se analisar a estampabilidade da mesma. O objetivo da análise de estampagem profunda é determinar as relações geométricas entre o
1 Informação citada pelo Sr. Eng. João Henrique Correa de Souza, em sua ministração de uma disciplina de
máximo diâmetro do blank e o mínimo diâmetro do punção possível para conformar um copo cilíndrico sem que ocorra ruptura ou falhas superficiais.
Figura 5 - Forças atuantes em um processo de embutimento
Fonte: Adaptado de Folle (2008)
Em termos gerais, pode-se dizer que a relação de embutimento é definida como sendo a relação entre o maior blank possível de embutir completamente e o diâmetro do punção.
2.2.2 Estiramento
Trata-se de um processo de conformação de chapas onde o blank é fixo em garras (caracterizadas como prensa-chapas), que podem ser fixas ou móveis, enquanto um punção rígido, através da ação de um cilindro hidráulico, é pressionado contra a chapa fazendo com que a mesma sofra um estiramento e adquira o formato do punção. Nesse processo, a borda da chapa permanece fixa, ou seja, não há fluxo de material entre a matriz e o prensa chapas. A conformação se dá puramente por forças de tração que irão “esticar” o material da peça, fazendo com que ocorra uma redução de espessura.
Dieter (1981) define estiramento como sendo o processo de conformação que consiste na aplicação de forças de tração de maneira a esticar o material sobre uma ferramenta ou bloco-modelo. Esse processo é muito empresado na indústria aeronáutica para produzir peças com grandes raios de curvatura, e frequentemente, com dupla curvatura.
Na Figura 6 pode-se observar uma imagem com a simplificação de um processo de estiramento.
Figura 6 – Processo de estiramento
Fonte: Adaptado de Schuler (1998)
Conforme portal do CIMM (2016), o limite de conformação no estiramento pode ser estabelecido pelo fenômeno da estricção. A estricção é a redução das dimensões da seção transversal, provocada pelas cargas de tração do processo. No estiramento deve ser evitada estricção localizada, comumente conhecida por empescoçamento.
2.2.3 Corte
O processo de corte, consiste em um processo de separação realizado por meio de um punção e uma matriz rígidos, no qual a chapa é submetida a esforços de cisalhamento que levam a sua separação e ruptura, de acordo com a geometria estabelecida pelo punção e a matriz (informação verbal).2
Segundo Schaeffer (2004) o corte é realizado através do movimento relativo de um punção de corte contra uma matriz, causando a separação do material da chapa. O objetivo do corte pode ser tanto para realizar um furo com o formato do punção na chapa quanto para separar o componente (também com o formato do punção) da chapa.
Conforme Dieter (1981), a força necessária para cortar uma chapa metálica, desprezando o atrito, é igual ao produto do comprimento de corte pela espessura da chapa e a resistência do metal ao cisalhamento. A Figura 7 nos apresenta a sequência das etapas do corte.
2 Informação citada pelo Dr. Eng. João Henrique Correa de Souza, em sua ministração de uma disciplina de
Figura 7 – Sequência de um processo de corte
Fonte: Adaptado de Souza (2016)
A folga de corte entre punção e matriz está diretamente ligada com a qualidade do corte e o desgaste da ferramenta, sendo que com uma folga muito pequena, existirá um aumento no desgaste da ferramenta e na força de corte. Do contrário, se a folga for muito grande, existirá uma diminuição na força de corte e no desgaste da ferramenta, mas a qualidade da peça será ruim. Logo, com isso pode-se constatar que a folga de corte ideal é uma relação de compromisso entre a qualidade do corte e o desgaste da ferramenta (informação verbal).3
A aresta de corte, possui algumas características bem específicas do processo, onde na Figura 8 pode-se verificar cada uma das camadas, que são basicamente o que demonstrará a qualidade da peça.
Figura 8 – Regiões de uma aresta de corte
Fonte: Adaptado de Souza (2016)
3 Informação citada pelo Dr. Eng. João Henrique Correa de Souza, em sua ministração de uma disciplina de
2.2.4 Dobra
Altan e Gebel (1999) define dobramento como sendo um processo de conformação largamente empregado em chapas com seções lineares, angulares, canais ou em forma de chapéus. Há duas formas típicas de dobramento: com ou sem matriz de forma. Na operação com matriz de forma, o componente é suportado por uma cavidade (matriz) fêmea no ângulo desejado, conforme pode-se verificar na Figura 11. Na segunda forma, o ângulo final é dado pelo limite de movimento vertical do punção. A Figura 9 ilustra essa condição sem matriz de forma.
Figura 9 – Processo de dobramento com matriz sem forma
Fonte: Coelho (2012)
Schaeffer (2004) caracteriza as tensões envolvidas no dobramento como uma zona onde atuam tensões de tração, uma linha de transição e outra zona onde as tensões são de compressão, conforme ilustrado na Figura 10.
Figura 10 – Croqui de uma condição de dobramento
Da mesma forma Dieter (1981) define dobramento como sendo um processo de conformação que transforma segmentos retos em curvos, utilizado para transformar chapas metálicas em calhas, tambores, etc.
As camadas externas afinam-se devido as tensões de tração. Na região interna, as camadas são comprimidas, devido à tensão de compressão.
O processo de dobramento, normalmente é feito em uma prensa viradeira mecânica, cuja a base é muito longa e estreita, justamente para atender seu objetivo principal que é formar dobras longas e retas em peças como calhas, e chapas corrugadas por exemplo. Para que essas peças sejam dobradas, existe um raio mínimo de dobramento, onde geralmente é expresso em múltiplos da espessura da chapa.
Figura 11 – Processo de Dobra com ferramentas “V” ou “U”.
Fonte: Adaptado de Schuler (1998)
Dieter (1981) considera que o processo de dobramento também pode ser considerado como contínuo, onde tiras de chapas enroladas em bobina passam por uma sequência de diferentes perfiz de rolos, que vão dobrando o material e lhe conferindo um perfil de dobra definido, conforme mostrado na Figura 12.
Figura 12 – Processo de Dobra continua, dobra por rolos.
2.3 TRIBOLOGIA
Esse tópico buscará apresentar conceitos básicos sobre o que é a tribologia, sua história, para que serve e quais os impactos que a mesma causa.
2.3.1 Definição de tribologia
O tribologia está presente em praticamente todas as interfaces onde existe um corpo em movimento, até mesmo no ar contra a superfície de um carro por exemplo. 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. A tribologia engloba a ciência do atrito, desgaste e lubrificação, trabalhando com aspectos físicos, mecânicos, metalúrgicos e químicos do movimento relativo.
A origem da palavra Tribologia, é derivada do grego Τριβο (Tribo – que significa esfregar, atritar, friccionar) e Λογοσ (Logos - que significa estudo) que em tradução literal significa ‘Estudo do Atrito’, ou a ciência que estuda o atrito. Stoeterau (2004), define tribologia como sendo a ciência e a tecnologia de interação entre superfícies com movimento relativo e dos assuntos e práticas relacionadas.
Apesar se ser um assunto atual e que está em pauta em várias frentes da ciência, o atrito é um fenômeno que já preocupava civilizações antigas, como por exemplo o povo egípcio em aproximadamente 2000 A.C., conforme descrito por Stoeterau (2004), onde faziam uso de artifícios para minimizar o atrito e facilitar a movimentação de gigantescas estátuas ou colossos, pesando cerca de 60 toneladas. A Figura 13, pode-se perceber um homem (colosso) sentado sobre um trenó sendo puxado por 172 escravos, sendo que sobre o trenó está um homem derramando através de um jarro, possivelmente um líquido com o intuito de “lubrificar” a superfície de contato, e com isso minimizar o atrito existente, facilitando o esforço dos escravos.
Durante toda sua história o homem sempre buscou de uma forma ou de outra atenuar o atrito durante a realização de suas variadas atividades, onde vários registros históricos podem comprovar isso, contudo foi Leonardo da Vinci (1452-1519) o pioneiro em constatar que a força de atrito é proporcional a carga independente da área nominal de contato. Após cerca de 200 anos, Guillaume Amonton, um físico francês, por volta de 1699, realizou estudos e
através de investigações experimentais descrevendo suas leis sobre o atrito, afirmando que o coeficiente de atrito é independente da carga normal, sendo que a medida que a força normal aumenta, a área de contato cresce.
Figura 13 - Transporte de um colosso egípcio a cerca de 1900 á 2400 A.C
Fonte: Adaptado de Stoeterau - 2004
Helman e Cetlin (1993) afirmam que Coulomb, em 1781, confirmou os estudos de Amonton e estabeleceu a terceira lei do atrito, onde descreve que a força de atrito independe da velocidade. Conforme Stoeterau (2004), Coulomb distinguiu o atrito estático do cinético, observando que a força para manter um corpo em movimento era menor do que aquela necessária para iniciá-lo.
Ficando então as três leis clássicas do atrito descritas como:
• 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.
Com base nessas 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, que se traduzem numa resistência aos deslizamento de um corpo sobre o outro.
Ludema (1996) afirma que a tribologia é uma ciência multidisciplinar, onde há quatro divisões principais, sendo elas:
a. Mecânica dos sólidos: foco na matemática das tensões e temperaturas de contato, frequentemente 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: esta disciplina se detém mais aos mecanismos atômicos e de microescala que provocam o desgaste ou degradação das superfícies.
d. Química: ênfase na reatividade entre lubrificantes e superfícies sólidas.
De âmbito geral, Loose (2015) constata que a necessidade do envolvimento com problemas tribológicos de atrito é perfeitamente justificável, pois esses fenômenos afetam quase todos os aspectos da nossa vida. Nas máquinas estão presentes em várias regiões como mancais por exemplo. Doenças como artrite, podem ser minimizadas com o conhecimento da tribologia. Atividades de laser como escaladas, basquete, futebol, tênis, dentre outras, todas possuem ligação direta com o atrito. Segurar, cortar, escovar, são procedimentos rotineiros onde a tribologia está presente o tempo todo.
O entendimento e avanço dos fenômenos envolvidos na tribologia, ajudará em várias questões o avanço da humanidade, pois iniciará uma nova geração que estará controlando fenômenos que até antão eram desconhecidos e que sua interferência é direta nas relações que dizem respeito ao desgaste e ou rendimentos de processos e atividades rotineiras da civilização moderna.
2.3.2 Tribologia na conformação
As forças de atrito desenvolvidas entre a peça e a ferramenta de conformação são considerações importantes no trabalho mecânico dos metais. Loose (1015) afirma que o nível de atrito pode ser desejável em muitos casos, mas não é uma regra, depende da situação dinâmica em questão, o atrito pode ser desejado, não desejado (mínimo possível), ou mesmo controlado. As articulações ósseas de humanos e também dos animais, em sua grande maioria se deseja o mínimo de atrito possível, porém, em sistemas mecânicos como freios e embreagens um elevado atrito é desejável, o mesmo ocorre para o pneu de um veículo com a pista de rodagem, ou com a sola dos sapatos ao piso/solo quando nos movimentamos.
Helman e Cetlin (1993) cita 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, ele afirma que podem se assinalar como:
• Alteração, geralmente desfavorável, dos estados de tensão necessários para a deformação;
• Aparecimento de tensões 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 desgastes das ferramentas;
• Aumento do consumo de energia necessário na conformação.
O fluxo do material entre punção e matriz, assim como o estiramento adequado do material em algumas operações, somente é possível se atrito e lubrificações corretas são empregadas, e da mesma forma o desgaste nas ferramentas podem ser elevados ou minimizados com o entendimento desse fenômeno.
Helman e Cetlin (1993), evidencia através de uma experiência simples, conforme ilustrado na Figura 14, um bloco que está apoiado sobre uma superfície, que é apresentada plana, onde o peso do corpo (W) e sua reação (R) são forças iguais e em 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 14 - Forças presentes no deslizamento de um corpo.
Fonte: Adaptado de Helman e Cetlin (1993)
Contudo, essa relação possui uma variação entre o início do movimento e o seu regime permanente, onde a força necessária para iniciar o movimento entre os corpos é maior que a força necessária para mantê-los em movimento. Essas forças são descritas como Força de Atrito Estático (!"#) e Força de Atrito Cinético (!"$).
Stoeterau (2004) defini através de um experimento a determinação da força de atrito, constatando que o Coeficiente de atrito estático é maior que o Coeficiente de atrito cinético, conforme demonstrado na Figura 15.
Figura 15 - Gráfico das forças: estática e cinética
Fonte: Adaptada de Stoeterau (2004) Ou seja:
Coeficiente de atrito estático é a relação entre a máxima força de atrito que age na interface e a força normal:
%
&=
()*(+ [1]
Coeficiente de atrito cinético é a relação entre a força de atrito e a força aplicada:
%
,=
()-(+ [2]
Na conformação de peças metálicas, como por exemplo no processo de embutimento, existem várias regiões onde o atrito pode ser desejado ou não, o que torna a determinação do coeficiente de atrito com um valor específico cada vez mais complexa. A Figura 16 ilustra um exemplo típico de uma ferramenta de embutimento mostrando várias regiões de contato. Nas regiões 1a, 1b e 2, deseja-se um baixo coeficiente de atrito, para que o material escoe para dentro da ferramenta sem muito esforço e interferência. Já nas regiões 3 e 4 objetiva-se elevados coeficientes de atrito para que seja possível transferir as forças de embutimento para a zona de conformação.
No processo de estampagem, o blank é submetido a diferentes tipos de deformações, até atingir a forma final. Essas deformações quando não analisadas devidamente, podem acarretar em problemas como enrugamentos, trincas e até levar ao rompimento das peças estampadas.
Folle (2008) em seus estudos, afirma que o metal situado ao redor da base do punção é deformado radialmente para o interior da matriz, reduzindo assim seu diâmetro original, até o diâmetro de conformação, que corresponde ao do punção. Assim o metal sofre esforços de compressão na direção circunferencial e tração na direção radial.
Figura 16 – Regiões de atrito presentes na Operação de embutimento.
Fonte: Adaptado de Schey apud Souza (2008)
2.3.3 Tipos de ensaios para determinação do coeficiente de atrito
Em processos de estampagem, existem muitas variáveis que afetam diretamente na qualidade da peça, assim como nos parâmetros que a mesma irá obter. O fenômeno de atrito é um dos mais importantes, pois ele conduzirá ao bom desempenho da máquina e ferramental que garantam a perfeita condição final da peça. Folle (2008) descreve que para analisar o fenômeno de atrito na estampagem, é importante usar um modelo que descreva razoavelmente bem a realidade, principalmente quando a superfície de análise é grande. Apesar do grande desenvolvimento de modelos que descrevem o comportamento dos materiais, simulações numéricas computacionais geralmente não oferecem resultados corretos. Isso é devido ao uso de modelos muito simplificados de atrito.
Segundo Loose (2015), testes para determinar a estampabilidade de chapas são imprescindíveis, quando se deseja utilizar softwares de simulação nos processos de conformação de chapas, que hoje está presente em muitas das indústrias de estamparia. Os dados obtidos por esses testes servem como entrada (input) para os softwares, onde os mesmos tornam a simulação mais realística, pois do contrário dados informados de forma equivocada, podem criar grandes problemas em projetos de ferramentas.
Bay (2008) traz uma visão geral de que os diversos tipos de testes para análise do atrito em conformações de chapas podem se diferenciar em duas categorias: testes de processos e testes simulativos.
Folle (2008) por sua vez, afirma que existem vários ensaios tecnológicos para se determinar o coeficiente de atrito em estampagem, dependendo do tipo de condição de deformação. Os principais tipos de deformações em estampagem são o estiramento puro e o embutimento, e para cada um existe um ensaio correspondente para se avaliar o atrito.
A Figura 17 ilustra esquematicamente os testes simulativos mais frequentemente usados para investigar fenômenos de atrito na estampagem, conforme citado por Bay (2008).
Figura 17 – Representação dos possíveis ensaios de Atrito existentes.
Fonte: Bay (2008)
Schaeffer (2004) caracteriza de uma forma simplificada a lei de Coulomb como sendo a forma de uma equação para determinar o coeficiente de atrito, definida como a relação da tensão cisalhante (
τ
) com a tensão normal (σ
) sendo essa o coeficiente de atrito (µ
), e comisso tem-se a Equação 3:
μ =
τ
σ
=
!
.!
+[3]
Harr (1967) traz na Figura 18 uma simplificação do modelo de atrito normalmente usado, onde a tensão cisalhante é mostrada como função da pressão normal aparente.
Figura 18 - Modelo de atrito normalmente usado
Fonte: Adaptado de Harr (1967)
Helman e Cetlin (1993) afirma que a medida que a força de compressão aumenta, a área de contato, consequentemente a área de cisalhamento, também aumenta. Essa afirmação pode ser vista na Figura 19 onde através de um equipamento de análise microscópica 3D se efetua um comparativo de uma mesma área de uma determinada superfície, antes de sofrer uma pressão de contato e após exercida a pressão. Nessa imagem percebe-se claramente o esmagamento dos picos da rugosidade do material. O aumento da área de cisalhamento é aproximadamente proporcional à força normal aplicada. Contudo essa proporcionalidade desaparece devido ao encruamento do metal, onde a partir desse ponto, prevalece a tensão cisalhante do próprio material, deixando assim de existir a Lei de Coulomb e passando a prevalecer a Lei de Von Mises.
Figura 19 – Rugosidade de uma superfície antes e após sofrer pressão de contato
Fonte: Triboform.com (2016)
Loose (2015) afirma que a partir do momento em que a tensão máxima cisalhante é atingida, se continuar á aumentar 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, por tanto, uma situação de desgaste pode estar sendo estabelecida, danificando as superfícies. A Figura 20 ilustra de forma esquemática como ocorre a redução do atrito a partir do momento em que a tensão máxima cisalhante é atingida.
Figura 20 – Representação da variação do Coeficiente de Atrito, com o aumento da Força/Tensão Normal.
Fonte: Budinski apud Folle (2012)
Para determinação do coeficiente de atrito, conforme descrito e mostrado anteriormente pela Figura 17, existem vários ensaios tecnológicos possíveis de serem aplicados para determinar parâmetros de estampagem, variando o tipo de condição de deformação.
Folle (2008) afirma que para cada tipo de estampagem existe um ensaio correspondente, sendo normalmente:
• Estiramento: onde a chapa (blank) é presa no prensa chapas e é deformada por um punção esférico. O mais comum é o Erichsen onde a chapa é deformada pelo punção até a ruptura e a altura da chapa deformada é medida. A Figura 21 mostra um croqui de uma ferramenta desse ensaio.
• Embutimento profundo: similar ao anterior, nesse ensaio a chapa é conformada através de uma matriz por um punção, onde a lubrificação facilita o processo, formando um filme de lubrificante fino, fazendo com que a condição de contato vá gradualmente mudando fazendo com que a condição de lubrificação torne-se diferente em vários pontos da chapa. O ensaio de Swift é o mais comum para essa análise, conforme ilustrado na Figura 22.
Figura 21 - Ferramenta ensaio Erichsen
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008) Figura 22 - Ferramenta ensaio Swift
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008)
A simulação na zona do prensa chapas 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 23.
Figura 23 - Ensaio para simulação de atrito em prensa chapas
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008)
Souza (2008) apresenta em sua tese um equipamento com conceito de ensaio de tracionamento de chapas, sendo que esse está disposto no Instituto de Conformação (Institut für Umformtechnik - IFU) da Universidade de Stuttgart na Alemanha. Na Figura 24 pode-se observar a máquina de ensaios por tracionamento citada por Souza, com seus principais componentes.
Figura 24 – Máquina de Ensaio de atrito por Tracionamento de chapas.
Fonte: Adaptado de Souza (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 mostra a Figura 25.
Figura 25 - Ensaio no prensa chapa e no raio da matriz
Fonte: Paunoiu apud Folle (2008)
• Embutimento profundo com estiramento: esse ensaio geralmente simula o escoamento da chapa através do quebra rugas, visto na Figura 26. O sucesso na combinação entre estiramento e embutimento profundo depende do controle do escoamento da chapa para dentro da matriz: restrições excessivas levam a fraturas, insuficientes restrições levam a enrugamentos.
Figura 26 - Ensaio para simulação de atrito no quebra rugas
2.3.4 Tipos de desgastes
Os desgastes são sintomas que estão presentes em praticamente todos os ramos da engenharia, e muitas vezes não merecem a atenção merecida, principalmente quando não incidem em custos elevados. Contudo, obter o entendimento dos fatores causadores de desgastes, pode facilitar muito em um processo produtivo, prolongando significativamente a vida útil de um equipamento, máquina ou ferramenta.
De acordo com 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 sólido, líquido ou gás em contato. Ele ainda afirma que deve ser assumido com cautela que o desgaste é um fenômeno totalmente mecânico, já que a corrosão química pode estar associada com outros fatores de desgaste.
O desgaste de um modo geral, possui uma classificação bastante utilizada e difundida por Budinski (2001), onde refere-se a quatro diferentes categorias para essa finalidade, sendo: abrasão, erosão, adesão e fadiga superficial.
Outra abordagem também amplamente avaliada é o tipo de contato entre os sólidos, dividindo os desgastes entre provocado por deslizamento entre superfícies e o provocado por partículas duras. A Figura 27 apresenta as subdivisões dos diferentes grupos de desgaste.
Figura 27 - Subdivisões dos grupos de desgastes
De forma geral, Stoeteral (2004) afirma que o desgaste também pode ser definido como a indesejável e cumulativa mudança em dimensões motivada pela remoção gradual de partículas discretas de superfície em contato e com movimento relativo, devido, predominantemente, as ações mecânicas. Na realidade, a corrosão muitas vezes interage com o processo de desgaste modificando as características da superfícies sob desgaste, através da reação com o meio ambiente.
Ele ainda afirma que dentre os diferentes tipos de desgaste, o de maior ênfase é o de adesão, por ser o maior responsável pelos danos na maioria dos sistemas práticos, onde depende de uma série complexa de fatores e variáveis, como a natureza das superfícies em escorregamento, sua compatibilidade e a existência de lubrificantes ou contaminantes, o que pode determinar o grau de agressividade no processo.
Folle (2012) afirma e ilustra na Figura 28 que a deformação de uma chapa metálica o coeficiente de atrito é encontrado por duas componentes diferentes, sendo:
Força adesiva atuando nas áreas reais de contato;
Força de deformação atuando durante a penetração das asperezas da ferramenta que é mais dura que a chapa.
Figura 28 – Caracterização de deformação de uma superfície
Fonte: Adaptado Folle (2012)
2.3.4.1 Desgaste abrasivo
O desgaste abrasivo conforme descrito por Both (2011), é provocado por partículas ou protuberâncias duras que se movimentam enquanto são forçadas contra uma superfície. Na Figura 24 apresentada anteriormente, percebe-se que são divididos em Baixa tensão, Alta tensão, Goivadura e Polimento. Para ambos os casos de modo geral um material só é severamente danificado ou arranhado por outro material que apresente maior dureza.
Existem diferentes formas do material ser removido de uma superfície por abrasão; - Plowing ou aragem é quando há a formação de cristas ao lado de um arranhão.
- O corte é uma forma mais severa de desgaste em materiais dúcteis, onde quando a frente do elemento desgastante há formação e remoção de um cavaco.
- Microtrincamento e microfadiga normalmente são desgastes que acontecem em materiais mais frágeis, quando as forças excedem o limite de fadiga.
Stoeteral (2004) afirma que é a forma de desgaste que ocorre quando uma superfície rugosa e dura, ou uma superfície mole contendo partículas duras, desliza sobre uma superfície mais mole, gerando uma série de ranhuras nesta superfície. O material das ranhuras é deslocado na forma de partículas de desgaste, geralmente soltas. Ele ainda afirma que também pode ocorrer quando partículas duras e abrasivas são introduzidas entre as superfícies deslizantes, desgastando-as.
Esse desgaste é amplamente utilizado para operações de acabamento, por exemplo, em limas, papel abrasivo, tecidos abrasivos e rebolos.
Rabinowicz (1995) desenvolveu um modelo simplificado para o desgaste abrasivo, considerando uma forma cônica para as asperezas cortantes, ou partículas, similares á uma lima, conforme mostra a Figura 29.
Figura 29 - Modelo simplificado para desgaste abrasivo
Fonte: Adaptado de Rabinowicz (1995)
Conforme Hokkirigawa e Li (1998) pode-se observar na Figura 30 que uma partícula dura está causando riscos em um material mais mole. Esta é uma partícula abrasiva e os danos promovidos por diferentes condições de abrasão foram caracterizados e divididos basicamente em três condições gerais para abrasão:
a) Sulcamento – o material riscado sobre apenas uma sutil deformação plástica e o abrasivo desloca o material para sua lateral, onde não há formação de partículas de desgaste;
b) Formação de proa – acontece um profundidade de penetração um pouco maior que faz com que haja deslocamento do material para a frente do abrasivo, além do deslocamento para a lateral;
c) Corte – acontece uma grande profundidade de penetração que faz com que as tensões sejam elevadas a ponto de causar a ruptura do material mais mole, resultando na remoção do material. Torneamento é um exemplo de abrasão de corte.
Figura 30 - Mecanismos de desgaste abrasivos
Fonte: Hokkirigawa e Li (1998)
2.3.4.2 Desgaste erosivo
Both (2011) define desgaste erosivo por partículas sólidas como sendo a perda de material da superfície causada pelos impactos repetidos de pequenas partículas solidas. Sua ocorrência é esperada quando partículas duras incidem em um sólido a uma determinada velocidade (maior que 1 m/s).
Hutchings (1992) afirma que a extensão do desgaste depende do número e da massa das partículas incidentes, e também de sua velocidade de impacto.
A principal diferença entre os desgastes por erosão e abrasão trata-se de que a abrasão é o desgaste causado por deslizamento de partículas sobre um solido através de uma força externa, e a erosão se refere à incidência de uma série de partículas sobre a superfície de um
a) Sulcamento
b) Formação de proa
sólido a uma determinada velocidade (energia) o que com o impacto irá perder força (energia) e remover material da camada superficial.
As principais variáveis para análise nesse tipo de desgaste são:
- as que analisam o impacto e o fluxo da partícula, tendo como premissa o ângulo de incidência da mesma.
- as que descrevem as partículas incididas sobre a superfície; - o material das partículas e da superfície.
Esse tipo de degaste varia de moderado para severo, conforme o ângulo de ataque das partículas.
2.3.4.3 Desgaste adesivo
Uma forma simplificada utilizada por Both (2011) para descrever o desgaste adesivo consiste em ser uma transferência de material de uma superfície para outra sob carga e movimento relativo, causada por soldagem no estado sólido. O surgimento e subsequente fratura deste ponto soldado fazem com que as partículas de uma superfície fiquem aderidas na outra de maneira temporária ou permanente. Ele também afirma que a severidade desse desgaste é determinada pela presença ou ausência de filmes, como óxidos ou lubrificantes.
Já Stoeteral (2004) fortes soldagens a frio são formadas em alguns pontos de contato entre picos das superfícies, e essas soldagens devem ser rompidas para permitir s continuidade do escorregamento. O rompimento das asperezas soldadas provocam severo dano a superfície, em geral sob forma de crateras visíveis (macroscópicas). Este tipo de desgaste pode ser um problema quando se tem dois materiais de mesma natureza em contato ou quando ocorre uma lubrificação deficiente e temperaturas altas, ou velocidades de escorregamento elevadas.
Quando duas superfícies sólidas estão em contato, não importa o quão polidas forem as mesmas, sempre apresentarão picos e ondulações, fazendo com que a área de contato real fique caracterizada por uma distribuição de protuberâncias e asperezas. Quando as superfícies são colocadas em contato, somente alguns desses picos são tocados, sendo essa uma pequena parcela da área de contato aparente.
Essas áreas de contato real, quando sob uma determinada pressão, apresentam uma plastificação local, o que leva ao contato muito intimo entre os átomos fazendo com que surjam forças de adesão muito fortes. Com isso, quando submetido a superfície a um
movimento relativo de escorregamento, as junções soldadas são rompidas. Essa partícula rompida pode se desprender da superfície, como também pode ser transferida para a outra superfície, iniciando com isso o processo de desgaste por adesão.
Quanto maior a densidade de picos de rugosidade, maior será a quantidade de material aderido à superfície, sendo a quantidade mais significativa que a altura.
A velocidade também possui um fator importante nessa relação, onde a adesão é mais influente com velocidades de deslizamentos menores.
Stoeteral (2004) apresenta na Figura 31 um esboço de como funciona o processo de adesão entre os picos de duas superfícies sólidas em contato.
Figura 31 - Contato e transferência de partículas no desgaste por adesão
Fonte: Stoeteral (2004)
Juntamente com os conceitos de Stoeteral (2004), Both (2011) confirma que o desgaste adesivo é um fenômeno que depende da interação e ligação entre átomos, que ocorre em materiais similares e/ou que possuam afinidade entre si. Portanto o uso de materiais dissimilares quando possível é uma forma de tentar contornar o problema.
O processo de desgaste adesivo pode ser dividido em fretting (vibrações na interface), desgaste adesivo (afinidade entre átomos), emperramento (ou seizure), escoriação (ou galling).
Both (2011) define galling, ou esfolamento, como sendo uma forma severa de desgaste adesivo, caracterizada por transferência de massa e danos macroscópicos, com deformações em uma ou ambas as superfícies de contato.
O galling se inicia com a ruptura da camada do filme lubrificante e consequentemente ocorre a adesão do metal mais mole aos picos da rugosidade do material mais duro, podendo também ser considerado como um processo de deformação plástica.
Um grande número de métodos são usados para controlar o desgaste, não só por adesão mas também por abrasão; eles podem ser classificados em três categorias principais, conforme descrito por Stoeteral (2004), sendo elas:
1. Princípios de revestimentos (camadas) protetores - incluindo proteção por lubrificantes, película superficiais, pinturas, fosfatização e outros revestimentos químicos.
2. Princípio de conversão – o desgaste é convertido de destrutivo para níveis permissíveis, através da escolha adequada do par de metais, dureza, acabamento superficial ou pressão de contato;
3. Princípio de desvio – o desgaste é deslocado para um elemento de desgaste economicamente substituível de tempos em tempos. Por exemplo, o uso de materiais moles e de baixo ponto de fusão em mancais radiais, de modo que o desgaste é desviado do munhão para o mancal.
2.3.4.4 Desgaste por fadiga
Stoeteral (2004) afirma que quando duas partículas atuam em contato com rolamento, o fenômeno de desgaste é diferente do desgaste que ocorre entre superfícies que escorregam.
Kajdas (1990), define esse tipo de desgaste como sendo a remoção de partículas destacadas por fadiga causada por variações cíclicas de tensões. Os esforços cíclicos provocam a iniciação e propagação de trincas no material, que no caso do desgaste por fadiga, ocorrem na superfície ou logo abaixo dela, ocasionando fratura e desprendimento da partícula.
2.4 LUBRIFICANTES
Ao colocar dois materiais sólidos em contato, e as superfícies desses corpos forem previamente cobertas com um material de baixa resistência ao cisalhamento (por exemplo: óleo), o processo de atrito tenderá a localizar-se neste material, e só afetará parcialmente os corpos em contato. Conforme Helman e Cetlin (1993), é esse material interposto que pode ser sólido, líquido ou gasoso que denomina-se “lubrificante”. Nessas circunstancias as forças de
