Influencia de la Velocidad de Deslizamiento en el - Matéria

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: [email protected], [email protected]
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.
Matéria, 8,1 (2003), Insausti J. W., Benedetti P., Ziegler D., Iurman L., Lucaioli A., Traversa P.
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
Espesor [mm]
Dureza HV5
Tamaño de grano
ASTM
Rugosidad inicial Ra
[µm] (Delante)
Rugosidad inicial Ra
[µm] (Reverso)
Chapa A
0,97
93,4
Chapa B
0,91
93,4
Entre 7 y 8
6
1.14
0.89
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
V=20 mm/min
A− B
0.178
0.181
-0.003
µ 10ª pasada
0.183
0.171
0.012
-0.005
0.010
------
µ 1ª pasada
0.134
0.121
0.013
µ 10ª pasada
0.129
0.108
0.021
0.005
0.013
------
∆µ
∆µ v
∆µ
µ 1ª pasada
∆µ
V=280 mm/min
ChapaA Chapa B
1−10
1−10
∆µv
1ª pasada
0.044
0.060
------
∆µ v
1 0ª pasada
0.054
0.063
------
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Tabla 3 - Variaciones de coeficientes de roce utilizando lubricante PRELUBE.
Lubricante PRELUBE
V=20 mm/min
A− B
0.192
0.148
0.044
µ 10ª pasada
0.164
0.151
0.013
0.028
-0.003
------
µ 1ª pasada
0.162
0.156
0.006
µ 10ª pasada
0.132
0.121
0.011
0.030
0.035
------
∆µ
∆µ v
∆µ
µ 1ª pasada
∆µ
V=280 mm/min
ChapaA Chapa B
1−10
1−10
∆µv
1ª pasada
0.030
0.008
------
∆µ v
1 0ª pasada
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
Ra [µm]
Rt [µm]
1
0.700 ±
0.017
7.04 ± 0.27
10
0.268 ±
0.023
4.50 ± 0.22
1
0.665 ±
0.013
6.64 ± 0.13
10
0.276 ±
0.020
4.60 ± 0.24
1
0.510 ±
0.013
4.20 ± 0.15
10
0.222 ±
0.008
2.68 ± 0.18
1
0.475 ±
0.010
3.94 ± 0.19
10
0.228 ±
0.009
2.275 ± 0.117
Chapa Lubricante Pasadas
TSD 996
A
PRELUBE
TSD 996
B
PRELUBE
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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
10
0.541 ±
0.015
4.600 ±
0.183
1
0.786 ±
0.022
9.572 ±
0.351
10
0.386 ±
0.005
3.820 ±
0.127
1
0.653 ±
0.057
6.235 ±
0.622
10
0.511 ±
0.008
4.623 ±
0.147
1
0.428 ±
0.08
3.953 ±
0.077
10
0.326 ±
0.087
2.928 ±
0.179
TSD 996
A
PRELUBE
TSD 996
B
PRELUBE
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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Lavoisier Publishing, Paris, 1996, p. 442-465.
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