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A importância de simular eficazmente a tribologia de um processo de estampagem

03/03/2021

A análise tribológica das superfícies de estampagem, tanto dos materiais como das ferramentas, é um desafio com o qual a indústria automóvel se defronta, desde os designers até aos fabricantes de peças. Dispor de informação tribológica rigorosa pode fazer toda a diferença no aumento da produtividade. Através de um estudo detalhado, a Universidade de Mondragón e a AutoForm realizaram uma análise da influência de diferentes sistemas tribológicos nos resultados da estampagem de várias peças. Para definir estes sistemas foi utilizada a ferramenta TriboForm, um software da AutoForm que permite definir sistemas complexos nos quais a fricção depende de múltiplos fatores.

A criação de um sistema tribológico detalhado requer uma série de ensaios para a obtenção de todos os parâmetros que têm influência na fricção de um processo. Começando por um ensaio de tração para obter as características mecânicas do material, posteriormente é necessário medir a rugosidade das superfícies a nível microscópico e realizar um ensaio de fricção. Para este último ensaio utiliza-se uma réplica do material das ferramentas e diferentes amostras do material de estampagem. Aplicando diferentes pressões e velocidades faz-se deslizar uma amostra sobre a superfície da réplica obtendo-se desta forma diferentes valores para a fricção. O software TriboForm permite conjugar toda esta informação num único modelo, de forma a que os respetivos valores de fricção sejam aplicados quando ocorrerem na simulação as condições que os geram.

Antes de se começar a realizar estas análises para caracterizar um sistema tribológico, que implicam tempo e recursos, é recomendável analisar se o processo que se está a simular revela algum tipo de sensibilidade à fricção. Por este motivo, a AutoForm realizou um estudo pormenorizado no qual concluiu que são três os fatores principais que têm influência na sensibilidade à fricção de um processo, tratando-se: da complexidade da peça, do risco de falha e do tipo de material e espessura do mesmo.

Quando se fala da complexidade da peça, significa que as geometrias maiores e com maior número de detalhes mostrarão uma maior sensibilidade à fricção do que as de tamanho mais reduzido. Outro dos fatores estudados foi o tipo de material. Neste caso viu-se que os materiais de alta resistência revelam muito menos sensibilidade do que aqueles que têm umas características mecânicas inferiores. Por fim, o elemento que demonstrou ter uma maior influência foi o risco de falha. Isto quer dizer que em peças próximas da rutura ou nas quais, inclusivamente, ocorrem ruturas é onde a fricção tem uma maior influência.

Figura 1. Elementos que têm influência na sensibilidade à fricção
Figura 1. Elementos que têm influência na sensibilidade à fricção.

De salientar também que não têm de ser cumpridos os três fatores em simultâneo para que os processos revelem sensibilidade à fricção. Da mesma forma, pelo facto de se cumprir um dos fatores, tal não significa que se esteja perante um processo sensível à fricção.

O trabalho proposto pela Universidade de Mondragón não implica apenas a utilização de um sistema tribológico para um conjunto de ferramentas e procura ir um pouco mais além. Para isso, propõe-se utilizar diferentes sistemas tribológicos para diferentes zonas de cada ferramenta. Sabe-se que os processos de fabrico das ferramentas geram diferentes rugosidades na superfície das mesmas, o que leva à existência de diferentes condições de fricção para as diferentes zonas e, por conseguinte, existirão diferentes sistemas tribológicos em convivência numa mesma ferramenta. Partindo desta premissa, o estudo tenta avaliar o efeito que tem numa simulação a implementação de diferentes condições de fricção em diferentes áreas de uma mesma ferramenta.

O primeiro passo foi a caracterização dos sistemas tribológicos. Para isso, foi utilizada uma ferramenta de referência sobre a qual foram efetuadas múltiplas medições da topografia da superfície em muitos pontos da ferramenta com o objetivo de quantificar a rugosidade superficial. Estes tipos de medições costumam ser realizadas com resinas epóxi que têm a capacidade de copiar as superfícies a nível microscópico. Posteriormente, é feita uma medição microscópica da altura dos picos e vales dessa superfície.

Segundo a zona da superfície da ferramenta foi feita uma divisão na qual foram consideradas diferentes zonas planas e vários raios. Esta consideração foi feita com base nas características geométricas da superfície e do acabamento que se obtém pelo processo de fabrico da superfície. Para cada zona superficial foram feitas suficientes medições para se obter uma caracterização precisa da topografia da superfície. A partir de todas as medições foi obtido um valor médio da rugosidade de cada zona, que posteriormente seria utilizado para modelar o sistema tribológico.

Figura 2. Modelos topográficos de várias superfícies
Figura 2. Modelos topográficos de várias superfícies.

Com vista ao seguinte passo foi feita uma seleção de várias simulações de referência com as quais seria possível comparar e utilizar os dados da informação fornecida pela Universidade de Mondragón. A seleção foi feita com base nos critérios que se utilizam para saber se uma simulação revelará sensibilidade à fricção. Por isso, foram utilizadas simulações de geometria complexa, como podem ser os reforços de portas ou os guarda-lamas. Os materiais utilizados foram aços de baixa resistência e alumínios.

Em seguida, foi feita uma divisão da geometria das ferramentas para se poder atribuir a cada zona o sistema tribológico mais adequado. Para se poderem utilizar sistemas tribológicos na zona do travão, foram utilizados travões geométricos em toda a simulação, visto que desta forma se podem selecionar as suas superfícies e convertê-las numa ferramenta independente. Na figura 3 é apresentada uma parte de uma das ferramentas na qual se podem ver algumas das zonas nas quais foi dividida. Cada uma das cores mostra uma zona diferente. É possível observar com clareza a divisão que foi realizada para diferenciar entre zonas de raio e zonas planas, assim como a zona dos travões.

Figura 3. Exemplo de divisão por zonas de uma ferramenta
Figura 3. Exemplo de divisão por zonas de uma ferramenta.

Uma vez chegados a este ponto, foram gerados os modelos dos sistemas tribológicos com o software TriboForm. Para completar a informação das medições realizadas pela Universidade de Mondragón foram utilizadas as bibliotecas próprias que o programa inclui. A geração dos sistemas tribológicos no TriboForm requer a introdução de informação relativa à superfície da chapa, ao lubrificante e à superfície da ferramenta. Para se poderem comparar os dados, foi utilizada a biblioteca do TriboForm para definir tanto o lubrificante como os materiais e para estes últimos também foi utilizada uma rugosidade média. Em relação à superfície das ferramentas foram utilizados os valores experimentais. Por último, exportaram-se os sistemas tribológicos para se poderem utilizar nas simulações dos processos de estampagem.

Figura 4. Aplicação de um modelo de fricção do TriboForm na embutidura de uma peça
Figura 4. Aplicação de um modelo de fricção do TriboForm na embutidura de uma peça.

Por último, foram realizadas as simulações de referência selecionadas dentro do AutoForm em combinação com os ficheiros de fricção provenientes do TriboForm. Visto que a operação de embutidura é onde a influência da fricção é mais importante, apenas esta foi simulada para todos os casos selecionados. As condições das simulações foram as mesmas em todos os casos, sempre com o objetivo de se poderem comparar os resultados obtidos. Foram realizadas várias simulações de cada um dos exemplos selecionados para se poder analisar a influência da utilização de diferentes sistemas tribológicos numa mesma operação face a um único ou face a um coeficiente de fricção constante.

Para calibrar o comparativo fez-se primeiro uma simulação utilizando um coeficiente de fricção de 0,15 para os aços e de 0,12 para o alumínio, e seguindo as recomendações do AutoForm em termos de malha quando se utilizam travões geométricos. Na mesma simulação foram modificadas as condições de fricção e foi utilizado um sistema tribológico do TriboForm para a ferramenta completa. Depois, foi utilizada a simulação na qual se tinham dividido as ferramentas em zonas e simulou-se com um coeficiente de fricção constante em todas as zonas para confirmar que se obtinham os mesmos resultados que com uma única zona. Em seguida, repetiu-se esta simulação com o mesmo sistema tribológico utilizado anteriormente, mas para todas as zonas. Com isto, confirmou-se que os resultados não variavam, mesmo que se fizessem modificações nas ferramentas, e assim foi possível comparar com maior fiabilidade os resultados entre a utilização de uma única ferramenta e uma ferramenta dividida por zonas. No final, foram aplicados nas simulações os sistemas tribológicos obtidos através das medições realizadas pela Universidade de Mondragón às diferentes zonas das ferramentas.

Por fim, fez-se um comparativo dos resultados obtidos entre as simulações para estudar o efeito das considerações feitas pela Universidade de Mondragón e utilizar múltiplos sistemas tribológicos nas ferramentas de uma mesma operação. De forma geral, foi possível observar uma alteração importante no comportamento das simulações pelo facto de a influência da fricção ser importante nelas. É também no coeficiente de fricção que se observam importantes diferenças entre simulações, visto que são os modelos mais complexos aqueles que permitem considerar que a fricção é maior nas zonas onde é aplicada menos pressão e que é muito menor nas zonas de alta pressão, como podem ser os raios. Também é esta fricção variável que provoca resultados como o que se observa na Figura 5, na qual se pode ver a variável de resultado Formability para uma das simulações utilizadas. À esquerda é apresentada a simulação com um coeficiente de fricção constante e à direita o resultado da utilização de sistemas tribológicos com uma fricção variável.

Figura 5. Formability num reforço de porta com fricção constante (esq.) e modelo de fricção do TriboForm (drt.).
Figura 5. Formability num reforço de porta com fricção constante (esq.) e modelo de fricção do TriboForm (drt.).

Depois desta análise deve-se destacar a importância de caracterizar corretamente os sistemas tribológicos nas simulações de estampagem. Analisar em primeiro lugar quais os elementos que terão influência na fricção e fazer os ensaios necessários, em caso de necessidade. O software TriboForm desempenha um papel fundamental, visto que é a ferramenta que permite passar de forma fiável essa informação às simulações. Antecipar o comportamento de um processo de estampagem pode ser determinante para se conseguir um determinado rácio de produção ou inclusivamente para que os custos se mantenham dentro das margens esperadas.

A Universidade de Mondragón tem uma ampla experiência em processos de conformação adquirida através de uma colaboração contínua com empresas de transformação de chapa e forja ao longo das últimas décadas. Por um lado, a qualidade científica dos seus investigadores é comprovada através de palestras internacionais, publicações em revistas de prestígio e desenvolvimento de patentes. No entanto, a investigação que é realizada caracteriza-se pela sua proximidade às empresas e aos produtos, bem como pela natureza prática da mesma.

A AutoForm disponibiliza soluções para empresas de matrizes e de estampagem durante toda a cadeia de processo e é reconhecida como fornecedor especializado em software que visa a exequibilidade do produto, o cálculo de custos de ferramentas e materiais, a conceção de matrizes e a melhoria do processo virtual.

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