comportamento tribológico de ferramentas de conformação
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Estudo do desgaste de ferramentas com e sem
revestimentos de filmes finos utilizadas em operações de
conformação a frio
Aluno: Marco Aurélio R. S. Mendes
Orientador: Prof. Dr. Roberto Martins de Souza
São Paulo
2009
Apresentação do trabalho de mestrado
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Sumário1. Introdução2. Revisão bibliográfica3. Objetivos4. Materiais e métodos
1. Trabalho em campo2. Ensaio em laboratório
5. Resultados e discussões1. Ferramentas industriais2. Ensaios em laboratório
6. Conclusões
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• Conformação a frio (Ex. estampagem)
– Processo de conformação mecânica sem remoção de cavacos
– Vantagens:– Alta produção– Reduzido custo por peça– Bom acabamento– Grande uniformidade na produção
– Principal desvantagem:– Alto custo de construção/manutenção do ferramental (punção e matriz). Ex. custo do ferramental para 1 automóvel 4 portas = R$ 12 milhões
– Oportunidade tribológica
1 - Introdução
Referência: Fernando A C de Arruda Penteado. Cursos, Estudos e Tutoriais via Internet
Fonte: Santos, A. M. M. M; Pinhão, C. M. de A . Relatório setorial BNDES 1998
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• Desgaste das ferramentas
– Esfolamento (galling): fim de vida da ferramenta
– Revestimentos PVD (TiN, TiCN, AlTiCrN, etc)
• Aumento da vida útil
• Fim do esfolamento
• Caracterização (MEV, MO e perfil de rugosidade) de
ferramentas com e sem revestimentos PVD utilizadas em
indústria
• Ensaio de deslizamento em torno CNC (avaliar desempenho
de materiais)
1 - IntroduçãoHeide e Schipper, 2003
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• 1 – Aços para ferramentas– Evoluíram de ligas de Fe e C (até 1868) para ligas com vários
elementos (Ti, Cr, V, W, Mo, Mn ...) com maior dureza e/ou tenacidade
– Seleção se baseia, muitas vezes na vida útil da ferramenta
2 – Revisão Bibliográfica
Fonte: Chiaverini, V
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2 – Revisão Bibliográfica
• 2 – Desgaste de ferramentas de conformação a frio:
– Abrasivo e/ou por deslizamento (Rooij, 1998)
• A abrasão implica na penetração superficial por uma partícula dura (aspereza, partícula abrasiva)
• Por deslizamento, inicia-se com adesão (preferencialmente nos defeitos), não há, inicialmente, um abrasivo.
Não há uma fronteira bem definida entre esses dois tipos de desgaste, podendo
inclusive, ocorrerem simultânea ou consecutivamente. (Hutchings, 1992)
(Schedin, 1994)
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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento:
– Formação de partícula de desgaste. Não mostra riscos. (Sasada,1979)
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2 – Revisão Bibliográfica
• 2 – Desgaste por deslizamento:
– Partícula aderida encruada promove abrasão. (Stachowiack e Batchelor, 2000)
Forte adesão
Forte adesãoPartícula transferida
Deslizamento
Ranhura
Trincas causadas pelas tensões de tração durante o deslizamento
Sulcamento
Esfolamento
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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Esfolamento:
– Contradição na literatura: quando ocorre o esfolamento (galling).
Burnishing
Wear
Scoring
Fonte: Budinski, K; Budinski, M; Kohler, MNorma ASTM G40
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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Esfolamento:
– Contradição na literatura: quando ocorre o esfolamento (galling).
Fonte: Andreasen; Bay; Chiffre
Heide e Schipper
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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento• Principais variáveis envolvidas no desgaste por
deslizamento
• Q, volume de material removido por unidade de distância de deslizamento;
• W, carga normal;• H, dureza do material mais mole• K, coeficiente de desgaste por deslizamento,
adimensional
HKWQ = Archard, 1953
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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento (variáveis)
K engloba diversas variáveis
Gráficos de coeficiente de desgaste (K) x
• mecanismo de desgaste;
• velocidade de deslizamento;
• rugosidade;
• lubrificação;
• revestimentos.
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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento (variáveis)
– Coeficiente de desgaste por deslizamento x lubrificação
Fonte: Hutchings, 1992
HKWQ =
Filme fino K
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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento (variáveis)
– No desgaste por deslizamento K é maior do que no oxidativo (~ 10x). Mudança de mecanismo
– Ra x quantidade de picos de rugosidade
Viáfara e Sinatora, 2009
Leite, Gomes e Sinatora, 2008
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2 – Revisão Bibliográfica
• 2 – Desgaste por deslizamento (variáveis)
– Velocidade menor adesão maior K maiorBonnet et al. 2008 Claudin et al. 2008
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2 – Revisão Bibliográfica
• 3 – Revestimentos para ferramentas
– Aplicados por (PVD) deposição física do vapor de 250 °C a 500 °C
– Evapora-se um material sólido (Ti, Al, Cr, C) por aquecimento, feixe de
elétrons ou íons positivos
– Aumento de vida útil (3X – 100X)
– Melhora a qualidade superficial da peça produzida
– Aumenta produtividade
– Reduz consumo de lubrificante
– Ferramenta com DLC estampou 5 mil peças de Al x 5 peças sem rev.
Vetter et al. 1996
Murakawa et al. 1995
Smith, 1995
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2 – Revisão Bibliográfica• 3 – Revestimentos para ferramentas
– Revestimentos com Al geram coeficientes de atrito menoresClaudin et al. 2008
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2 – Revisão Bibliográfica
• 3 – Revestimentos para ferramentas
– Limitações
– Revestimentos sempre apresentam defeitos:
• sulcos, picos, poros e vazios que se formam durante o processo de
deposição
– Induzidos
• pelo substrato (riscos, asperezas, resíduos de polimento, sujeiras)
• pelo próprio processo de deposição
(Panjan et al. 2009)
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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios para reproduzir o esfolamento
– Norma ASTM G98 estabelece configuração
Fonte: ASTM G98
•Rotação manual;
•Carga crescente a cada
ensaio;
•Contato conforme
•Repetição de trilha
Esfera para aplicação de força
Pino rotacionado
Disco fixo
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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios
– Na literatura há críticas ao ensaio ASTM G98
• Não considera a natureza estatística do fenômeno
• Ausência de velocidade constante
• Necessidade de grande número de amostras
• Equipamento capaz de aplicar elevadas cargas
– Proposição de outros ensaios
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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios
– Gurumoorthy et al. 2007
Contato conforme
Acionamento mecânico
Cargas elevadas: 9,81 kN;
14,72 kN e 19,62 kN
Repetição de trilha
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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios não conformes
Controle de velocidade
Uma amostra por ensaio
Repetição de trilha
Hummel, 2001Podgornik et al 2004
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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios
Podgornik et al 2004
Claudin et al. 2008
Gaard, Bergstrom e Krakhmalev, 2009 •Contato não conforme
•Velocidade controlada
•Não repete trilha
•Ensaios por amostra
•Equipamentos específicos
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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios
•Podgornik et al. 2004
Dis
tânc
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amen
to (m
)
Car
ga c
rític
a (N
)
Car
ga c
rític
a (N
)
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3 – Objetivos
– Analisar o desgaste em ferramentas de conformação a
frio e tentar reproduzir o desgaste por deslizamento com
ensaios em um torno CNC
– Qualificar o desempenho das amostras ensaiadas
quanto sua resistência ao desgaste e quanto à força
tangencial medida.
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4 – Materiais e métodos• 1 – Trabalho em campo
Calibragem Pranchamento
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4 – Materiais e métodos• 1 – Trabalho em campo
Estampagem de chapas de aço AISI 5115 (~0,15 %C) 140 HV, de espessura igual a 0,8 mm e lubrificadas com óleo para estampagem (aditivos EP)
Substrato AISI M2 – 750 HV
Substrato AISI H13 – 595 HV
Revestimento TICN – 3000 HV
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4 – Materiais e métodos• 2– Ensaio em laboratório
•LFS e FSA
•Velocidade de
deslizamento até 0,5 m/s
•Profundidade de
penetração
programada:
0,1 mm e 0,3 mm
•Aquisição da
força tangencial de cima para baixo
à 2500 Hz
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4 – Materiais e métodos• 2– Ensaio em laboratório Cabeçote do
porta ferramenta
Pastilha ou ferramenta ou amostra
Diâmetro da amostra 18 mm
Espessura da amostra 6 mm
AISI M2
870 HV
AISI 1045
250 HV
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4 – Materiais e métodos• 2– Revestimentos
– TiN de 4,6 μm e 2300 HV0,2 (DUROTIN Tm)
– AlTiCrN de 4,9 μm e 3300 HV0,2 (EXXTRAL PLUS Tm)
AlTiCrN
-1
0
1
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
milímetro
mic
rôm
etro
TiN
-1
0
1
2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
milímetro
mic
rôm
etro
AlTiCrN TiN
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4 – Materiais e métodos• 2– Revestimentos
– Distribuição de altura de asperezas
AlTiCrN
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
0 500 1000 1500 2000 2500
TiN
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
0 500 1000 1500 2000 2500
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de corte 175 (mil) 63 x na lupa
Contato não conforme
Alteração de textura não constitui esfolamento
ASTM G98 e Budinski
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de corte 175 (mil). MEV
Deformação plástica da matriz
Riscos contornando carbonetos
50 μm
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de dobra 175 (mil)
Alteração de textura não constitui esfolamento
ASTM G98 e Budinski
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de calibragem (32 mil)
•Material aderido (setas pretas)
•Riscos radiais (seta vermelha)
•Material aderido supõe esfolamento na chapa
10 x na lupa
•Contato não conforme
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de pranchamento (94 mil)
•Riscos na matriz contornando carbonetos
•Esfolamento de Andreasen, Bay e Chiffre
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (revestidas)
Punção de calibragem (32 mil)
•Material aderido (setas pretas)
•Riscos radiais (seta vermelha)
Punção de calibragem com TiCN (1milhão)
Não houve qualquer esfolamento
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (revestidas)
•Falhas no revestimento
•Desplacamento localizado
Punção de pranchamento (94 mil)
sem revestimentoPunção de pranchamento com TiCN (1 milhão)
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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (revestidas)
Punção de pranchamento com TiCN (1 milhão)
Desplacamento do revestimento
Dano iniciando nos defeitos
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5 – Resultados e discussões
• 2 – Ensaios em laboratório
– LFS – Mini Torno Fresadora Conjugados (MDSI)
• Registrou-se cargas tangenciais de até 55 N
– FSA – Romi Centur 30 S
• Mais robusto, proporcionou maior rigidez
• Registrou-se cargas tangenciais até 120 N
• Partículas de desgaste azuladas
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório (LFS)
Diferença de carga e revestimento
0,1 mm 0,3 mm
AlTiCrN
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório (FSA)
Diferença apenas de carga
0,1 mm 0,3 mm
AlTiCrN
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5 – Resultados e discussões
• 2 – Ensaios em laboratório– Menor velocidade maior influência absoluta da adesão sobretudo na não
revestida picos iniciais
– Revestida não sofreu influência perceptível da variação de velocidade devido a
baixa parcela de adesão em relação à não revestida (μ
= cte)
μ ≅ 0,3Bonnet et al. 2008
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Profundidade de penetração (mm)
Forç
a ta
ngen
cial
(N)
FSA-SRFSA-TiNFSA-AlTiCrNLFS-SRLFS-TiNLFS-AlTiCrN
Inversão entre AlTiCrN e TiN
Al μ, K
+ defeitos
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório
– Ferramentas sem revestimentos LFS
• Mais material aderido para maior penetração
Penetração de 0,1 mm Penetração de 0,3 mm
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório
– Ferramentas sem revestimento FSA
Penetração de 0,1 mm Penetração de 0,3 mm
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório TiN
LFS
FSA
Penetração de 0,1 mm Penetração de 0,3 mm
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório AlTiCrN
Penetração de 0,1 mm Penetração de 0,3 mm
LFS
FSA
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5 – Resultados e discussões2 – Ensaios em laboratório
Adesão preferencial nos “defeitos”
TiNAlTiCrN
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5 – Resultados e discussões2 – Ensaios em laboratório
0,1 mm FSA (menor esforço)
Sentido de avanço
Desgaste severo
Saliências macroscópicas
ESFOLAMENTO !
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório
– 0,3 mm; TiN; FSA (maior esforço)
Sentido de avanço
Não há esfolamento
Acabamento melhor!
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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório
– 0,3 mm; AlTiCrN; FSA (maior esforço)
Sentido de avanço
Não há esfolamento
Acabamento melhor!
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6 – Conclusões• Ensaio relativamente fácil: equipamento pronto (CNC)
– Qualificação de ferramentas quanto ao desgaste por deslizamento
– Condição mais próxima dos ensaios mais recentes e da situação real de conformação
• Ferramentas industriais– Sem revestimento:
• Esfolamento para Andreasen, Bay e Chiffre; Heide e Schipper. Perfil de rugosidade
• Não o esfolamento da ASTM G40 ou Budinski– Com revestimento:
• Não se observou do esfolamento. Desplacamento• Importância do acabamento superficial do filme• Resultados mais próximos da condição industrial do
que o de Podgornik et al.• Baixa adesão promovida pelos filmes foi mais
importante do que a diferença de dureza entre os filmes
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FIM