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Jornadas SAM – CONAMET – AAS 2001, Septiembre de 2001
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DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES DE ROCE EN CHAPAS DE
EMBUTIDO PROFUNDO PARA DIFERENTES CONDICIONES DE
LUBRICACIÓN Y ACABADO SUPERFICIAL
(a)
(a)
(b)
(b)
(b)
(a)
J. W. Insausti , P. Benedetti , L. Iurman , A. Lucaioli , D. Ziegler , P. Traversa
a
b
Universidad Nacional del Sur. Dto. De Física.
Universidad Nacional del Sur. Dto. de Ingeniería.
Avda. Alem 1253. 8000 Bahía Blanca. Fax: 54-291-4595156 Tel: 54-291-4595157.
E mail: insausti@criba.edu.ar; sam@criba.edu.ar
RESUMEN
En el embutido de chapas de acero se ponen en juego importantes fuerzas de fricción.
Ellas dependen, además de la geometría de la herramienta, del coeficiente de roce entre las
superficies en contacto. Este parámetro a su vez varía con el régimen de lubricación imperante
en el proceso, el acabado superficial de la chapa y los deslizamientos sucesivos que ésta sufre.
Existen ensayos normalizados para medirlo, con diferentes geometrías de herramental.
En el presente trabajo se describen los ensayos llevados a cabo en una máquina
diseñada y construida en el laboratorio, que responde a los ensayos tipo Inland, siguiendo las
recomendaciones contenidas en la especificación D31 1738/--A de la Cía. Rénault.
Los ensayos se realizaron utilizando diferentes condiciones de lubricación mediante el
empleo de polietileno y aceites especiales usados en operaciones industriales. Para evaluar la
influencia del acabado superficial se utilizaron chapas de acero de calidades diferentes. Se
compararon los resultados obtenidos en cada caso y se estudiaron las variaciones ante
deslizamientos sucesivos.
Palabras claves
Fricción, lubricación, conformado, ensayos
INTRODUCCIÓN
En las operaciones de conformado de chapas metálicas, el material es obligado a
deslizarse sobre el herramental, y las condiciones en que tiene lugar este deslizamiento son
importantes por cuanto: [1]
• Definen la magnitud de las fuerzas y por lo tanto de las energías puestas en juego en el
proceso.
• Influyen en la calidad superficial de la pieza obtenida.
• Son responsables del éxito o del fracaso de la operación por cuanto fuerzas excesivas del
punzón pueden conducir a roturas de la chapa, o bien una relación diferente entre embutido
y estirado puede no dar lugar a la obtención de una pieza final con las características de
forma o mecánicas deseadas.
• Incide en la vida útil del herramental usado en el proceso de conformado.
Por la importancia del tema, se han desarrollado numerosos ensayos para analizar las
condiciones en que deslizan las chapas sobre el herramental [2].
Mediante los mismos se pretende:
• Determinar el coeficiente de roce.
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• Estudiar los posibles daños superficiales producidos por condiciones inadecuadas de
deslizamiento entre chapa y herramental.
Uno de los ensayos propuestos para el estudio señalado es el que se conoce como
“Ensayo Inland” . [3, 4]. En el mismo se utiliza un herramental compuesto por una placa
plana y una herramienta de perfil circular, entre las cuales se hace pasar una chapa recubierta
con el lubricante cuyo comportamiento se quiere analizar. Ver Figura 1.
Figura 1. El ensayo Inland. a) Geometría, b) variación de la
fuerza de roce al comienzo del ensayo, c) Relación entre el
cociente de las fuerzas de roce y la aparición de daño
superficial (“galling”) para diferentes presiones de contacto.
La chapa es apretada entre las placas con una fuerza N, y se hace deslizar mediante la
aplicación de una fuerza F. El coeficiente de roce se determina con la expresión
μ =
F
2⋅ N
(1)
Una variante de este ensayo lo constituye la especificación D31 1738/-A de la
Compañía Rénault [5]. En la misma se estipulan, entre otras, las condiciones en que se debe
realizar el ensayo, el radio de la herramienta de perfil circular (10 mm), la fuerza normal de
sujeción N (500 daN), y la velocidad de deslizamiento de la chapa (20 mm/min).
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Una característica del ensayo tipo Inland es que las condiciones tratarían de reproducir
las presiones usuales de los prensachapas en las operaciones industriales de conformado, que
2
son del orden de 35 Kgf/cm . En la especificación Rénault mencionada, estas presiones son
mayores, con lo que las condiciones del ensayo se vuelven más críticas.
EXPERIENCIAS REALIZADAS
Los ensayos se llevaron a cabo sobre dos chapas de acero de bajo carbono, cuyas
características figuran en la Tabla 1.
Tabla 1. Características de las chapas ensayadas
Chapa “A”
Chapa “B”
Espesor [mm]
0,97
0,91
Dureza HV5
93,4
93,4
Tamaño de grano ASTM
Entre 7 y 8
6
1.14
0.89
Rugosidad inicial Ra [µm] (Delante)
1.2
0.82
Rugosidad inicial Ra [µm] (Reverso)
Como lubricantes se usaron dos tipos de aceite y película de polietileno.
Los aceites empleados fueron: TSD 996 recomendado para ensayo SWIFT y Prelube
ANTICORIT PL 3802 L anticorrosivo con propiedades de estampado. Las características de
los lubricantes se indican en la Tabla 2.
Tabla 2. Características de los lubricantes utilizados
Color
Amarillento oscuro
Densidad a 15 °C
Gr/ml
0.88
PRELUBE
Viscosidad a 40°C
Cst
26
Aditivos
Punto de inflamación
°C
140
anticorrosivos
disueltos en aceite Ensayo de 4 bolas
N
4000
mineral
Cámara de humedad
Horas
480
Cámara de Rocío salino (vertical)
Horas
72
ACEITE
Aceite mineral
con aditivos de EP
(TSD 996)
POLIETILENO
Color
Viscosidad Redwood a 93,3 °C
Punto de inflamación
Acidez orgánica KOH/gramo máx
Acidez inorgánica
seg
°C
mg
Amarillento oscuro
70 a 80
215
0.10
ninguna
Espesor
µm
40
Las probetas de 50 mm de ancho y 40 cm de longitud, fueron desengrasadas en un baño
de tetracloruro de carbono sometido a vibración por ultrasonido durante 10 minutos. Luego
fueron inmersas en el lubricante y dejadas escurrir durante un mínimo de 20 horas en un
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CHAPA A
Prelube
Aceite
Pasada 1
Pasada 10
Polietileno
Pasada 1
Pasada 10
Figura 2. Variaciones de las fuerzas de fricción con el número de pasadas en la chapa A.
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CHAPA B
Prelube
Pasada 1
Pasada 10
Aceite
Pasada 1
Pasada 10
Polietileno
Pasada 1
Pasada 10
Figura 3. Variaciones de las fuerzas de fricción con el número de pasadas en la chapa B.
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ambiente libre de polvos.
Los ensayos se llevaron a cabo en un equipo diseñado y construido al efecto en el
Laboratorio de Metalurgia y Tecnología Mecánica de la Universidad Nacional del Sur [4].
En todos los casos se realizó primero una pasada única y en otro sitio de la probeta, un
conjunto de 10 pasadas por el herramental, registrándose en todos los casos tanto N como F
durante el desplazamiento de la chapa. Las carreras de arrastre fueron de aproximadamente 55
mm. El objetivo de realizar dos recorridos diferentes a lo largo de las probetas fue el de
retener las características superficiales luego de una pasada en una zona, y a las diez pasadas,
en otra.
RESULTADOS OBTENIDOS
Se registraron las fuerzas de fricción a lo largo de cada pasada para todos los ensayos.
En la Figura 2 se muestran a modo de ejemplo los gráficos correspondientes a la primera y la
décima pasada para cada tipo de lubricante utilizado en los ensayos realizados a la chapa A y
en la Figura 3 se hace lo propio para la chapa B.
Se calcularon los coeficientes de fricción dinámicos para cada pasada y tipo de
lubricante y se levantaron gráficos que se muestran en la Figura 4 para la chapa A y en la
Figura 5 para la chapa B. Los coeficientes de fricción se calcularon para las condiciones de
fuerzas existentes a los 50 mm de desplazamiento de la chapa, de acuerdo con la
especificación Rénault citada.
Figura 4. Variación de los coeficientes de fricción dinámicos en función del
número de pasadas para diferentes lubricantes sobre la chapa A.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS OBTENIDOS
Los valores de µd obtenidos son concordantes con otros trabajos similares [6].
Hay ruidos en los registros de fuerza de arrastre correspondientes a los ensayos de la
chapa A con respecto a la B cuando se lubricó con polietileno y con aceite TSD 996, pero no
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tanto en la lubricada con Prelube. Se están investigando las posibles causas, mediante análisis
por microscopía de las superficies y curvas de Abbott [7].
Figura 5. Variación de los coeficientes de fricción dinámicos en función del
número de pasadas para diferentes lubricantes sobre la chapa B.
El menor coeficiente de roce encontrado al lubricar con el aceite TSD 996
probablemente se deba a la presencia de aditivos EP en su formulación.
Los aceites Prelube, en general, son compuestos que protegen la superficie de la chapa
en el período que transcurre entre su fabricación y el conformado. Adicionalmente, se
comportan como lubricantes en operaciones ligeras de conformado.
El bajo coeficiente de roce obtenido con el polietileno se debe a que separa mejor las
superficies del herramental y chapa, por sus características de lubricante sólido. En las curvas
Fuerza de desplazamiento-tiempo, se puede apreciar una variación permanente de la fuerza.
Al hacer los ensayos con este lubricante se podía ver la rotura de la película de polietileno,
más pronunciada a medida que se sucedían las pasadas. Sin embargo, la fuerza de
desplazamiento no crecía en pasadas sucesivas, como se puede ver en las Figuras 4 y 5. Se
atribuye este resultado al hecho que, al romperse la película, quedaba trozos de polietileno
adheridos y recalcados sobre la superficie de la chapa, actuando como lubricante.
En las curvas Fuerza de desplazamiento-tiempo, no se observan en general variaciones
tan claras entre los valores correspondientes al momento de inicio del desplazamiento y los
posteriores, como los mostrados esquemáticamente en la Figura 1. Sin embargo, en algunos
casos se pudo apreciar un cierto daño superficial en las chapas, principalmente rayado.
Dado que las condiciones en las que se realiza el ensayo especificado por Rénault son
un tanto diferentes a las descritas en el ensayo Inland original [8], principalmente en lo que se
refiere a las presiones normales sobre la chapa y a las velocidades de aplicación de la carga
para provocar el desplazamiento de la probeta, será necesario estudiar con mayor detalle la
influencia de estas variables sobre el aspecto mencionado.
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CONCLUSIONES
Se cuenta con un equipo y procedimientos idóneos para la medición de coeficientes de
roce en deslizamiento de chapas metálicas sobre herramental plano–cilíndrico.
Los valores obtenidos son concordantes con los informados en la literatura específica.
Se puede medir la variación de lubricidad en desplazamientos reiterados de las
superficies, lo que permite determinar grados de calidades de lubricantes para conformado de
chapas.
Existen comportamientos diferenciados de un mismo lubricante sobre chapas de
diferentes características, cuyo estudio es necesario profundizar.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el aporte de los alumnos de Ingeniería Industrial de la U.N.S. que
cursan el Seminario de Metalurgia y Tecnología Mecánica en 1° cuatrimestre del 2001, por
las experiencias llevadas a cabo con la supervisión del Ingeniero Guillermo Bergé.
REFERENCIAS
1. P. Benedetti, J. Insausti, L. Iurman, A. Lucaioli, D. Ziegler. “Influencia de la geometría,
estado superficial y régimen de lubricación en la fuerza de embutido”. Memoria del XX
Encuentro de Investigación Metalúrgica y V Congreso Internacional de Materiales. Pp.
425-436. Instituto tecnológico de Saltillo. Noviembre de 1998. Saltillo. México.
2. F. Delamare and E. Felder, “The tribology of sheet metal forming”. The Book of Steel. pp
441-465, 1996.
3. K. G. Budinski. “Laboratory Testing Methods for Solid Friction”. ASM Handbook, 10 th
Ed., Vol. 18, pp 45-58, 1995.
4. A. Lucaioli, L. Iurman, J. W. Insausti, G. Bergé, D. Ziegler. “Diseño y construcción de
una máquina de ensayo de fricción y desgaste para chapas metálicas”. CIDIM 2001.
5. Régie Nationale des Usines Rénault, “Methode d’Essai D31 1738, Toles Aptitude au
Glissement”, 1991.
6. J. Culcasi, A. González. “Evaluación de fricción en chapas para conformado mediante
ensayos de deslizamiento”. Anales de las XX Jornadas Metalúrgicas SAM’96 y Encuentro
Nacional de Metales Preciosos. San Salvador de Jujuy. Junio de 1996.
7. J. W. Insausti, L. Iurman, P. Benedetti, A. Lucaioli, P. Traversa, D. Ziegler.
“Comparación de las curvas de Abbott en superficies de copas embutidas con diferentes
regímenes de lubricación”. Memoria del IBEROMET VI. Pp 117-124. Universidad de
Barcelona. Junio 2000. Barcelona. España.
8. L. M. Bernick, R. R. Hilsen, C. L. Wandrei. “Development of a Quantitative Sheet
Galling Test”.Wear, 48 , pp 323-346. 1978.
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