Matéria, Vol 8, N° 1 (2003) 35 - 49

http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10301/10301.pdf

Influencia de La Velocidad de Deslizamiento en El Ensayo de Fricción de Chapas Entre Herramientas Plana e Cilíndrica

Insausti J. W., Benedetti P., Ziegler D., Iurman L., Lucaioli A., Traversa P. Universidad Nacional del Sur, Avda. Alem 1253, 8000 Bahía Blanca, Argentina

e-mail: insausti@criba.edu.ar, sam@criba.edu.ar

RESUMEN

La fricción y la lubricación juegan un rol muy importante en el conformado de chapas metálicas. Existen diferentes ensayos para su análisis, en función de los distintos parámetros que intervienen en el régimen de lubricación. Uno de ellos es el ensayo conocido como tipo Inland, en el cual la chapa desliza entre dos herramientas, una plana y la otra cilíndrica, sometida a presión normal y recubierta con el lubricante cuyo comportamiento se desee estudiar. En el Laboratorio de Metalurgia de la Universidad Nacional del Sur se ha diseñado y construido un equipo para llevar a cabo estos ensayos.

En el presente trabajo se describen las experiencias realizadas en ensayos de fricción del tipo mencionado, variando la velocidad de deslizamiento de la chapa presionada sobre las herramientas. Se calculan los valores del coeficiente de roce y se determina el daño superficial en la chapa ensayada, luego de una o de varias pasadas, con diferentes lubricantes. Las características superficiales de las chapas luego de los ensayos de fricción se evalúan mediante técnicas de rugosimetría eléctrica y análisis de imágenes de microscopía electrónica de barrido.

Los ensayos se llevan a cabo con dos chapas de acero de bajo carbono, de diferentes calidades superficiales.

Los resultados obtenidos se correlacionan con los regímenes de lubricación actuantes durante los respectivos ensayos.

Palabras claves: Fricción, coeficiente de roce, chapas de acero, desgaste, regímenes de lubricación.

ABSTRACT

The friction and the lubrication play a very important role in sheet-metal working. Different tests exist for their analysis, in function of the different parameters intervening in the lubrication regime. One of them is the test known as Inland type, in which the sheet slips between two tools, one plane and the other cylindrical, subjected to normal pressure and covered with the lubricant whose behavior is wanted to study. In the Laboratory of Metallurgy of the National University of the South a machine has been designed and built to carry out these tests.

In this paper the trials carried out in tests of friction of the mentioned type are described, varying the speed of slip of the sheet pressed on the tools. The values of the friction coefficient are calculated and the surface damage is determined in the tested sheet, after one or several runs, with different lubricants. The surface characteristics of the sheets after the tests of friction are evaluated by means of electric roughness techniques and image analysis by scanning electronic microscopy.

The tests are carried out with two low carbon steel sheets, of different surface qualities.

The obtained results are correlated with the regimens of lubrication acting during those tests.

Key words: Friction, friction coefficient, steel sheets, wear, lubrication regimes.

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1. INTRODUCCIÓN

En los procesos de conformado de chapas metálicas, la fricción juega un rol muy importante. En efecto, la misma incide en el grado de embutido y estirado, sobre la calidad superficial del producto obtenido [1], e incluso sobre la posibilidad de realizar la operación de conformado con éxito, al incidir sobre las fuerzas puestas en juego y que se ejercen sobre la chapa que está siendo procesada [2].

Los regímenes de lubricación que pueden estar actuando durante la operación de estampado dependen de la presión ejercida sobre la chapa, de la viscosidad del lubricante empleado y de la velocidad relativa de la chapa con respecto a la herramienta [3]. También influye el estado superficial de la chapa [4].

Para poder evaluar el coeficiente de fricción entre chapa y herramienta, se propusieron varios ensayos. Uno de ellos, conocido como ensayo Inland, obliga a una probeta plana a deslizar entre una herramienta plana y otra de perfil cilíndrico mientras es sometida a una fuerza normal N [5]. Se mide la fuerza de tiro F necesaria para hacer deslizar la probeta y se calcula el coeficiente de fricción µ (ver Figura 1).

Sobre esta misma base, hay una propuesta de la Cía. Rénault que normaliza las condiciones del ensayo [6].

Figura 1 - Esquema de ensayo Inland.

El ensayo descrito se usa además para calificar lubricantes y determinar posibles daños superficiales en la chapa, luego de una o varias pasadas por el equipo de ensayo.

En el Laboratorio de Metalurgia de la Universidad Nacional del Sur se diseñó y construyó un equipo para llevar a cabo los ensayos de fricción tipo Inland [7]. Con el mismo se realizaron las experiencias que se reseñan en este trabajo, tendientes a estudiar la relación entre la velocidad de deslizamiento entre ambas superficies (chapa y herramental) y el coeficiente de fricción medido. También se analiza la calidad superficial obtenida.

Los regímenes de lubricación posibles según el trabajo citado [3] se muestran en la Figura 2.

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Figura 2 - Regímenes de lubricación.

En la misma, se ve que al variar la velocidad, se puede alterar el régimen que actúa en una situación determinada. Esta circunstancia es válida para lubricantes líquidos, y será tanto más fácil obtener un régimen de lubricación mixta o hidrodinámica cuanto mayor sea la viscosidad del lubricante.

El estado superficial de la chapa influye en la separación entre las superficies deslizantes, y por lo tanto en la mayor o menor facilidad de obtener una componente hidrodinámica en la lubricación, a través de la relación h/Ra, donde h es el espesor de la película de lubricante y Ra es la rugosidad de la chapa [8] (en este esquema de razonamiento se supone que la herramienta es lisa, en otros casos, se toma un valor medio de las rugosidades de ambas superficies en contacto).

En este trabajo se muestran los ensayos de fricción realizados sobre dos tipos de chapas de acero de bajo carbono variando las velocidades de deslizamiento superficial (20 y 280 mm/min), y manteniendo constantes las otras variables (geometría del herramental y presión de contacto), para tres tipos de lubricantes, dos líquidos y uno sólido.

2. EXPERIENCIAS REALIZADAS

A continuación se describen brevemente las condiciones en que se llevaron a cabo los ensayos.

2.1 Materiales empleados

2.1.1 Chapas ensayadas

Se ensayaron dos tipos de chapas: A y B. En la Tabla 1 se muestran las características relevantes de las mismas

Tabla 1 - Características de las chapas ensayadas

Chapa A Chapa BEspesor [mm] 0,97 0,91 Dureza HV5 93,4 93,4 Tamaño de grano ASTM Entre 7 y 8 6

Rugosidad inicial Ra [µm] (Delante) 1.14 0.89

Rugosidad inicial Ra [µm] (Reverso) 1.2 0.82

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2.1.2 Lubricantes usados

Los lubricantes utilizados fueron:

- Aceite TSD 996, recomendado para ensayo SWIFT [9]. Viscosidad 764 cST.

- Aceite PRELUBE. Viscosidad 67 cST.

- Polietileno, 40 micrones de espesor.

La viscosidad se midió a temperatura ambiente (21°C).

Se lubricaron ambas caras en todos los casos. Previamente, las probetas fueron desengrasadas en un baño de tetracloruro de carbono a temperatura ambiente, mediante la aplicación de ultrasonido durante 25 minutos.

A continuación, las superficies fueron lubricadas y dejadas escurrir durante más de 24 horas en un ambiente libre de polvos.

2.2 Condiciones del ensayo

En todos los casos, la fuerza normal aplicada entre el herramental y la chapa fue de 500 daN, como lo estipula la recomendación Rénault [6].

Las velocidades empleadas fueron de 20 mm/min y 280 mm/min.

2.3 Análisis superficial

Se midieron los parámetros de rugosidad Ra y Rt con rugosímetro Prazis 04 de palpador piezoeléctrico, en carreras de medición de 4,8 mm en dirección normal al deslizamiento y con cut-off de 0,8 mm.

El estudio del aspecto superficial se completó con imágenes en perspectiva de 3D y curvas de superficie portante, ambas obtenidas a partir de imágenes de Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) tratadas con analizador de imágenes Mountains Map Universal.

Tanto las medic iones de coeficiente de rozamiento y parámetros de rugosidad como la obtención de las imágenes de SEM se realizaron aproximadamente a 50 mm del comienzo del deslizamiento de la probeta, para asegurar condiciones estacionarias.

3. RESULTADOS OBTENIDOS

3.1 Coeficientes de fricción

Los coeficientes de fricción se obtuvieron mediante la relación µ = F/2.N ya vista.

En la Figura 3 se comparan curvas obtenidas con aceite TSD 996 en la chapa A, a las dos velocidades de deslizamiento estudiadas. La Figura 4 muestra el tipo de curvas obtenidas usando PRELUBE como lubricante en la misma chapa.

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Figura 3 - Fuerzas de arrastre en la 1° y 10° pasada para ambas velocidades. Chapa A lubricada con aceite TSD 996.

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Figura 4 - Fuerzas de arrastre en la 1° y 10° pasada para ambas velocidades. Chapa A lubricada con PRELUBE.

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Con el polietileno los resultados no fueron tan consistentes, dado que en algunas pasadas la película se rompía más que en otras, sin tendencia posible de determinar. De todos modos, y con la salvedad indicada, en las curvas que se muestran en las Figuras 5 y 6 se indican también los valores de coeficientes de roce obtenidos con este lubricante.

Figura 5 - Coeficiente de roce de la chapa A en función de pasadas.

Figura 6 - Coeficiente de roce de la chapa B en función de pasadas.

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Figura 7 - Coeficientes de roce de las chapas A y B con lubricantes líquidos.

En las Figuras 5, 6 y 7 se puede ver la variación del coeficiente de roce en las dos chapas con las velocidades estudiadas y con los diferentes lubricantes empleados.

En la Tabla 2 se muestran los valores de coeficientes de roce luego de una y diez pasadas, para ambas chapas y ambas velocidades, ensayadas con lubricante TSD 996, y en la Tabla 3 se hace lo propio para lubricante PRELUBE.

Tabla 2 - Variaciones de coeficientes de roce utilizando lubricante aceite TSD 996.

Lubricante Aceite TSD 996 ChapaA Chapa B µ∆ BA−

pasada 1ª µ 0.178 0.181 -0.003

pasada 10ª µ 0.183 0.171 0.012 V=20 mm/min

µ∆ 101− -0.005 0.010 ------

pasada 1ª µ 0.134 0.121 0.013

pasada 10ª µ 0.129 0.108 0.021 V=280 mm/min

µ∆ 101− 0.005 0.013 ------

vµ∆ pasada 1ª 0.044 0.060 ------

vµ∆

vµ∆ pasada 0ª 1 0.054 0.063 ------

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Tabla 3 - Variaciones de coeficientes de roce utilizando lubricante PRELUBE.

Lubricante PRELUBE ChapaA Chapa B µ∆ BA−

pasada 1ª µ 0.192 0.148 0.044

pasada 10ª µ 0.164 0.151 0.013 V=20 mm/min

µ∆ 101− 0.028 -0.003 ------

pasada 1ª µ 0.162 0.156 0.006

pasada 10ª µ 0.132 0.121 0.011 V=280 mm/min

µ∆ 101− 0.030 0.035 ------

vµ∆ pasada 1ª 0.030 0.008 ------

vµ∆

vµ∆ pasada 0ª 1 0.032 0.030 ------

3.2 Estados superficiales de las chapas ensayadas

Las Figuras 8 y 9 muestran las imágenes de las superficies luego de una y diez pasadas, de las chapas recubiertas con lubricante líquido ensayadas con velocidad 280 mm/min, obtenidas con el SEM a 480 aumentos.

Figura 8 - Chapa A lubricada con PRELUBE y TSD 996 luego de una y diez pasadas, a v=280mm/min.

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Figura 9 - Chapa B lubricada con PRELUBE y TSD 996 luego de una y diez pasadas, a v=280mm/min.

En las Tabla 4 se muestran los parámetros de rugosidad luego de una y diez pasadas, de ambas chapas ensayadas con lubricante TSD 996 y PRELUBE a velocidad de 20 mm/min, y en la Tabla 5 se muestran los correspondientes a 280 mm/min.

Tabla 4 - Parámetros de rugosidad de chapas ensayadas a 20 mm/min con lubricante TSD 996 y PRELUBE

Chapa Lubricante Pasadas Ra [µm] Rt [µm]

1 0.700 ± 0.017 7.04 ± 0.27

TSD 996 10 0.268 ±

0.023 4.50 ± 0.22

1 0.665 ± 0.013 6.64 ± 0.13

A

PRELUBE10 0.276 ±

0.020 4.60 ± 0.24

1 0.510 ± 0.013 4.20 ± 0.15

TSD 996 10 0.222 ±

0.008 2.68 ± 0.18

1 0.475 ± 0.010 3.94 ± 0.19

B

PRELUBE10 0.228 ±

0.009 2.275 ± 0.117

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Tabla 5 - Parámetros de rugosidad de chapas ensayadas a 280 mm/min con lubricante TSD 996 y PRELUBE

Chapa Lubricante Pasadas Ra [µm] Rt [µm]

1 0.792 ± 0.016

7.577 ± 0.234

TSD 996 10 0.541 ±

0.015 4.600 ± 0.183

1 0.786 ± 0.022

9.572 ± 0.351

A

PRELUBE 10 0.386 ±

0.005 3.820 ± 0.127

1 0.653 ± 0.057

6.235 ± 0.622

TSD 996 10 0.511 ±

0.008 4.623 ± 0.147

1 0.428 ± 0.08

3.953 ± 0.077

B

PRELUBE 10 0.326 ±

0.087 2.928 ± 0.179

Con las imágenes de microscopía electrónica y los valores de Rt, se llevaron a cabo análisis de topografía superficial con determinación de la curva portante o de Abbott.

Debido a problemas de disponibilidad de espacio, se muestra como ejemplo uno de los casos analizados. (Figura 10).

Figura 10 - Chapa B ensayada con TSD 996 a 20 mm/min, después de 1 pasada.

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4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

El análisis de los valores del coeficiente de roce a lo largo de pasadas sucesivas, en las diferentes condiciones ensayadas, permite hacer las siguientes observaciones:

En general, al aumentar la velocidad de deslizamiento, se produce una disminución del coeficiente de roce tanto más importante cuanto mayor es la viscosidad del lubricante. En este sentido, el efecto mencionado se nota con mayor intensidad al lubricar con aceite TSD 996, mucho más viscoso que el PRELUBE.

Es evidente la influencia del estado superficial inicial de la chapa. Por esta razón, los menores valores de coeficientes de roce se obtuvieron en la chapa B, de menor rugosidad y superficie más homogénea que la de la chapa A.

Con sucesivas pasadas, el lubricante PRELUBE, de menor viscosidad, ejerce un efecto de alisado de la superficie (régimen de lubricación mixta), por lo cual el coeficiente de roce en la chapa A va tendiendo a valores similares a los de la chapa B.

Con el lubricante TSD en cambio, los valores del coeficiente de roce se mantuvieron más homogéneos a lo largo de las sucesivas pasadas.

El análisis de imágenes mostró que a las diez pasadas, las superficies de ambas chapas, y con ambos lubricantes, se asemejaban bastante, tanto en su topografía como en la distribución de su superficie portante, acentuándose la porción central de las curvas de Abbott y disminuyendo los extremos indicadores de crestas o valles.

Dada la variación observada en los valores de los coeficientes de roce con la velocidad de deslizamiento, cabría la duda sobre la conveniencia de adoptar la recomendación Rénault para su determinación y uso en el modelado de procesos de conformado de chapas, donde las velocidades relativas entre chapa y herramienta son más altas.

Se entiende que será necesario continuar y profundizar los estudios reseñados en este trabajo.

5. CONCLUSIONES

Se ha puesto de manifiesto y cuantificado la incidencia del estado superficial inicial de las chapas, de la velocidad de deslizamiento y de la viscosidad del lubricante, en el coeficiente de roce cuando la chapa desliza entre una herramienta plana y otra cilíndrica, mientras es sometida a fuerza normal constante.

Los resultados obtenidos son coherentes con las teorías aceptadas en el estado actual del conocimiento sobre el tema.

6. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la colaboración del Ing. Guillermo Bergé, del señor César Larrea, la Dra. María Julia Yañez y de los alumnos que cursaron el Seminario de Metalurgia en el Departamento de Ingeniería de la Universidad Nacional del Sur, durante el 1° cuatrimestre del año 2002.

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7. REFERENCIAS

[1]. IURMAN L., MAZINI N., INSAUSTI J. W., LUCAIOLI A., BENEDETTI P., ZIEGLER D., Efecto Del Régimen De Lubricación Sobre La Calidad Superficial De Piezas Embutidas, IV Congreso Internacional de Materiales, Saltillo, México, 1997, p. 230-241.

[2]. PLEVY ,T. A. H.., A Review of Sheet and Strip Lubricants and Their Application Prior To Forming Operations, Sheet Metal Industries, February 1980. p.136-149.

[3]. CHEN, H. S., Lubrication Regimes, in Friction, Lubrication and Wear Technology, ASM Handbook, edited by ASM International, vol 18, 1995, p. 89-97.

[4]. BENEDETTI P., INSAUSTI J., IURMAN L., LUCAIOLI A., ZIEGLER D., Influencia De La Geometría, Estado Superficial Y Régimen De Lubricación En La Fuerza De Embutido, V Congreso Internacional de Materiales, Saltillo, México, 1998, p. 425-436.

[5]. BERNICK L., HILSEN R. R., WANDREI C. L.. Development of a Quantitative Sheet Galling Test, Wear, 48(1978), p. 323-346.

[6]. Régie Nationale des Usines Rénault. Méthode d´Essai D31 1738, Tôles Aptitude au Glissement, 1991.

[7]. LUCAIOLI A., IURMAN L., BERGÉ G., ZIEGLER D., INSAUSTI J. W., Diseño Y Construcción De Una Máquina De Fricción Y Desgaste Para Chapas Metálicas. V CIDIM, Mérida, Venezuela, 2001, p. 1401-1408.

[8]. DELAMARE F. y FELDER E., The Tribology of Sheet Metal Forming, in The Book of Steel, edited by Lavoisier Publishing, Paris, 1996, p. 442-465.

[9]. KEMMIS, O. H., The Assessment of the Drawing and Forming Qualities of Sheet Metal by the SWIFT Cup-forming Test, Sheet Metal Ind., March(1957), p. 203-208.