Por Soumya Subramonian e Taylan Altan*

Publicado em Corte e Conformação de Metais, edição de junho de 2011.

 

A lubrificação é um dos parâmetros mais importantes para melhorar a qualidade de uma peça estampada. Isso fica muito evidente no processamento de chapas de aço galvannealed (GA). Esse material é difícil de estampar devido ao seu revestimento de ferro duro. Uma melhor lubrificação pode expandir a janela de conformação (figura 1) e reduzir a taxa de rejeitos.

 

Fig. 1 – No ensaio de estampagem profunda, blanques circulares de aço 270D/GA com 305 mm de diâmetro e 0,74 mm de espessura foram estampados em uma prensa hidráulica com 160 t de capacidade.

 

O Centro para Conformação de Precisão da Universidade Estadual de Ohio, em cooperação com a empresa Honda of America Manufacturing Inc., conduziu um estudo detalhado para avaliar 21 diferentes tipos de lubrificantes, alguns já em uso nessa empresa e em plantas internacionais (figura 2).

 

Doze lubrificantes que apresentaram bom desempenho nos ensaios de embutimento de tira foram adicionalmente testados pelo ensaio de estampagem profunda.

 

Princípios do ensaio

 

Os níveis mais severos de fricção na estampagem profunda ocorrem na área do flange. A condição de lubrificação neste local influencia a estricção e a falha na parede lateral de um copo estampado. À medida que a pressão do prensa-chapas aumenta, também a tensão de fricção se eleva.

 

Portanto, os lubrificantes podem ser avaliados no ensaio de estampagem profunda por meio da medição da força máxima aplicável no prensa-chapas sem que ocorra falha na parede do copo, como também pela medição do perímetro dos copos conformados com o uso de diferentes lubrificantes para um mesmo valor de força no prensa-chapas.

 

Fig. 2 – Perímetro do flange e força do punção registrados para 11 condições de lubrificação, com força de prensa-chapas igual a 20 toneladas (o lubrificante M+L18 falhou). Note-se que o eixo ‘y’ do gráfico não se inicia no valor zero. As bandas de erro mostram desvio máximo de 7%.

 

Considera-se que os lubrificantes que podem ser usados sob maiores valores de força são aqueles que apresentam melhor desempenho. Para um mesmo valor de força, os lubrificantes que produziram copos com menor perímetro de flange são considerados os que apresentaram melhor desempenho.

 

Arranjo experimental

 

O valor da razão de estampagem (diâmetro do blanque em relação ao diâmetro do punção) foi fixado em 2,0. A profundidade de estampagem foi fixada em 80 mm, de forma a deixar alguma área de flange para que se pudesse efetuar a medição do comprimento do blanque arrastado pelo embutimento para dentro da cavidade da matriz e o perímetro do flange.

 

Blanques circulares feitos com aço 270D/GA, com 305 mm de diâmetro e 0,74 mm de espessura, foram estampados usando-se prensa hidráulica com capacidade de 160 toneladas (figura 1). Foram efetuadas simulações pelo método de elementos finitos para determinar a faixa de valores aplicáveis de força de prensa-chapas ao se estampar o copo.

 

Foi adotada na simulação uma intensidade máxima de estricção igual a 28% do valor inicial da espessura da chapa, para determinar o valor máximo de força de prensa-chapas aplicável. As simulações mostraram que uma força de prensa-chapas entre 20 e 30 toneladas seria adequada para estampar os copos.

 

Fig. 3 – Perímetro do flange e força do punção registrados para 11 condições de lubrificação, com força de prensa-chapas igual a 22 toneladas (o resto falhou). Note-se que o eixo ‘y’ do gráfico não se inicia no valor zero. As bandas de erro mostram desvio máximo de 3%.

 

Os lubrificantes foram aplicados com o uso de aplicador espiral e pipeta, atendendo a uma concentração específica de 1,5 ± 0,3 gm/m², emulando as condições de lubrificação existentes nas plantas de estampagem, que usam de 0,6 a 0,8 gm/m² de lubrificante nos blanques. Os copos foram estampados com o mesmo valor de altura (79,5 ± 0,3 mm) e o perímetro do flange foi medido em todos os experimentos.

 

Quanto menor o perímetro do flange, menor a estricção da parede lateral e melhor o fluxo de material. Isso implica no fato de que o lubrificante pode ser considerado bom e que o coeficiente de fricção é baixo. Foram estampados copos sob valores de força de prensa-chapas iguais a 20, 22 e 24 toneladas.

 

Resultados experimentais

 

As figuras 2, 3 e 4 mostram os resultados dos ensaios de estampagem profunda em relação aos perímetros de flange para diferentes condições de lubrificação. A letra “M” indica a presença de óleo de máquina sobre as chapas de aço, enquanto “L” denota o lubrificante. Os lubrificantes L6 e L15 apresentaram o melhor desempenho entre todos os produtos usados.

 

Simulações pelo método de elementos finitos

 

As simulações pelo método de elementos finitos foram executadas por meio do programa computacional PAM-STAMP (da empresa francesa ESI Group), com o objetivo de prever os valores de coeficiente de fricção na interface ferramental-blanque.

 

Fig. 4 – Perímetro do flange e força do punção registrados para 11 condições de lubrificação, com força de prensa-chapas igual a 24 toneladas (os lubrificantes L1 e L10 falharam). Note-se que o eixo ‘y’ do gráfico não se inicia no valor zero. As bandas de erro mostram desvio máximo de 7%.

 

Os resultados da análise por elementos finitos para a força de prensa-chapas igual a 20 toneladas podem ser vistos na figura 5. Resultados similares também foram obtidos para valores de força iguais a 22 e 24 toneladas. O perímetro de flange obtido ao final do curso na simulação foi comparado com o valor do mesmo parâmetro obtido no experimento e foi usado para determinar o coeficiente de fricção a partir da simulação.

 

Conforme os resultados mostrados na figura 5, o lubrificante M+L15 apresentou coeficiente de fricção igual a 0,09, enquanto o M+L9 apresentou valor de 0,10 sob força de prensa-chapas de 20 toneladas.

 

Resultados

 

Dois lubrificantes destacaram-se entre todos os que foram testados neste trabalho. Em geral, os lubrificantes à base de água e os sintéticos apresentaram melhor desempenho que os derivados de petróleo.

 

Fig. 5 – Esta comparação entre os valores de perímetro de flange obtidos a partir de simulação e de experimentos prevê o coeficiente de fricção para o aço 270D/GA sob força de prensa-chapas igual a 20 toneladas.

 

As simulações por elementos finitos revelaram que o coeficiente de atrito diminuiu à medida que se elevou a força de prensa-chapas para a mesma condição de lubrificação. Foi possível observar variações na magnitude do coeficiente de fricção quando ocorreram flutuações nas condições de lubrificação.

 

Agradecimentos

 

Os autores agradecem especialmente a Milan Jurich (milan_jurich@ham.honda.com) e Doug Staats (Doug_staats@ham.honda.com), da Honda of America Manufacturing Inc., por seu apoio e valiosas informações. Os autores também manifestam gratidão às empresas Henkel Corp., IRMCO, Quaker Chemicals, Tower Oil Corporation, Houghton International, Fuchs Lubricants Company, Parker Industries e Dauber Chemical Company pelo fornecimento de lubrificantes.

 

Este artigo é a segunda parte de um estudo, dividido em duas publicações, que aborda a avaliação de lubrificantes para a estampagem de aços galvannealed (GA). A primeira parte abordou o ensaio de embutimento da tira.

 

*Este estudo foi preparado por Soumya Subramonian, pesquisadora graduada associada ao Centro para Conformação de Precisão da Universidade Estadual de Ohio (Center for Precision Forming; CPF – www.cpforming.org) e Taylan Altan (www.ercnsm.org), professor e diretor do instituto. Este artigo foi publicado originalmente no periódico norte-americano Stamping Journal e na edição de junho de 2011 da revista Corte e Conformação de Metais. Tradução e adaptação de Antonio Augusto Gorni. Reprodução autorizada.

 

Tecnologia em conformação

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