centro universitário positivo análise da performance de diferentes

Transcrição

CENTRO UNIVERSITÁRIO POSITIVO
ANÁLISE DA PERFORMANCE DE DIFERENTES GEOMETRIAS
DE AFIAÇÃO NA FURAÇÃO DO AÇO SAE 4140
CURITIBA
2006
2
NICOLAS FURTADO SALOMÃO
ANÁLISE DA PERFORMANCE DE DIFERENTES GEOMETRIAS
DE AFIAÇÃO NA FURAÇÃO DO AÇO SAE 4140
Trabalho apresentado como requisito
parcial à obtenção de grau de Engenheiro
pelo Curso de Engenharia Mecânica, do
Setor de Ciências Exatas e Tecnológicas
do Centro Universitário Positivo.
Orientador: Prof. Pablo Deivid Valle
CURITIBA
2006
.
0
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES...............................................................................iii
0
LISTA DE TABELAS ....................................................................................... iv
1
LISTA DE ANEXOS ......................................................................................... iv
2
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 1
1.1 IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA........................................................... 2
2 OBJETIVOS E JUSTIFICATIVA ................................................................... 3
2.1 Objetivo geral........................................................................................... 3
2.2 Objetivos específicos.............................................................................. 3
2.3 Justificativa.............................................................................................. 4
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 5
3.1 Processos de usinagem.......................................................................... 5
3.2 Furação..................................................................................................... 6
3.3 Materiais para ferramentas de corte ..................................................... 6
3.4 Brocas ...................................................................................................... 9
3.5 Cavaco.................................................................................................... 18
4 ENSAIO PRELIMINAR.............................................................................. 20
5 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ........................................................ 28
6 RESULTADOS E CONCLUSÕES ............................................................ 37
6.1 Ensaios preliminares.............................................................................. 38
6.2 Experimentos definitivos ....................................................................... 38
6.3 Experimentos complementares ............................................................ 46
6.4 Conclusões finais ...................................................................................47
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...........................................48
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 48
.
1
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Corpo de prova................................................................................ 2
Figura 2 – Classificação dos processos de fabricação. .................................... 5
Figura 3 – Operação de furação...................................................................... 6
Figura 4 – Microestrutura ................................................................................. 8
Figura 5 – Denominação dos elementos de uma broca helicoidal ................... 9
Figura 6 – Arestas e superfícies de corte da broca helicoidal. ....................... 11
Figura 7 – Perfis transversais das brocas. ..................................................... 12
Figura 8 – Causas do desgaste na usinagem. ............................................... 16
Figura 9 – Tipos de desgaste ......................................................................... 17
Figura 10 – Cavaco tipo fita............................................................................ 18
Figura 11 – Cavaco tipo segmentado. ............................................................ 19
Figura 12 – Cavaco tipo Vírgula. .................................................................... 19
Figura 13 – Corpo de prova............................................................................ 20
Figura 14 – Porta ferramenta e pinça. ............................................................ 21
Figura 15 – Centro de usinagem. ................................................................... 22
Figura 16 – Fixação dos corpos de prova. ..................................................... 22
Figura 17 – Escopo dos ensaios. ................................................................... 23
Figura 18 – Fotos das geometrias de ponta. .................................................. 28
Figura 19 – Fotos dos perfis. .......................................................................... 28
Figura 20 – Perfil da broca na afiação tipo “A”. .............................................. 29
Figura 21 – Afiação de ponta e perfil transversal: tipo “A”. ............................. 29
Figura 22 – Perfil da broca na afiação tipo “B”. .............................................. 30
Figura 23 – Afiação de ponta e perfil transversal: tipo “B”. ............................. 30
Figura 24 – Perfil da broca na afiação tipo “C”. .............................................. 31
Figura 25 – Afiação de ponta e perfil transversal: tipo “C”.............................. 31
Figura 26 – Escopo dos experimentos. .......................................................... 32
Figura 27 – Microscópio Óptico. ..................................................................... 33
Figura 28 – Medição de desgaste do gume principal. .................................... 33
Figura 29 – Medição de desgaste do gume secundário. ................................ 34
Figura 30 – Relógio comparador. ................................................................... 34
Figura 31 – Gráfico 1. ..................................................................................... 39
.
2
Figura 32 – Gráfico 2. ..................................................................................... 39
Figura 33 – Espessura de filete. ..................................................................... 40
Figura 34 – Gráfico 3. ..................................................................................... 41
Figura 35 – Ângulos de folga.......................................................................... 41
Figura 36 – Gráfico 4. ..................................................................................... 42
Figura 37 – Gráfico 5. ..................................................................................... 42
Figura 38 – Núcleo da broca. ......................................................................... 43
Figura 39 – Gráfico 6. ..................................................................................... 43
Figura 40 – Gráfico 7 ...................................................................................... 44
Figura 41 – Forma do Cavaco.........................................................................45
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composição química da liga SAE 4140........................................20
Tabela 2 – Comparativo de afiação entre os tipos A, B e C............................28
Tabela 3 – Resumo dos ensaios preliminares.................................................38
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1 – Parâmetros de corte fornecidos pelo fabricante de ferramenta.....50
Anexo 2 – Dados do procedimento experimental............................................51
.
1
1 INTRODUÇÃO
A crescente busca das organizações por novos mercados, pela
redução dos custos e agregação de valor ao produto tem sido acompanhada de
soluções compromissadas com produtividade, segurança da qualidade e tempo
de entrega.
Neste contexto, a indústria automobilística e seus fornecedores vêm
buscando cada vez mais melhorar sua tecnologia e produtos, bem como
desenvolver novos processos que permitam alcançar lucro satisfatório.
Neste desenvolvimento pelo aumento de qualidade dos produtos, o
material a ser trabalhado possui características que interessam ao cliente final,
por exemplo, a busca de alta resistência mecânica e fadiga para uma bomba
injetora. Estes fatores dificultam os processos intermediários devido ao alto grau
de complexidade das ferramentas e operações que requerem tolerâncias
dimensionais apertadas e acabamento superficial adequado.
Os problemas de usinabilidade basicamente são divididos em três
campos: melhoria do aço por fatores metalúrgicos; aprimoramento das técnicas
de usinagem e desenvolvimento dos materiais das ferramentas para usinagem.
Este trabalho tem como objetivo estudar o processo de usinagem de
furação do aço SAE 4140, explorando os limites de utilização de brocas inteiriças
de metal duro revestido, de 4,6 mm de diâmetro. Durante os ensaios serão
observados os tipos de avarias e desgastes das ferramentas, o tipo de cavaco
formado, a variação dimensional e a rugosidade dos furos produzidos nos corpos
de prova.
A execução do trabalho consiste na avaliação dos tempos de vida das
ferramentas e na qualidade dos furos usinados, gerados pelos experimentos com
os diferentes tipos de afiação e características construtivas das brocas. Os
resultados buscarão identificar a melhor condição de geometria de ponta e
demais aspectos de afiação para a usinagem do aço, visando uma boa condição
de produtividade e custo baixo.
A redação do trabalho estará estruturada da seguinte forma: capítulo 1,
uma breve explanação geral; no capítulo 2 os objetivos e justificativas que
motivaram a execução do trabalho.
2
No capítulo 3, será mostrada uma fundamentação teórica sobre
aspectos gerais de usinagem e ferramentas de corte. O capítulo 4 mostrará a
metodologia empregada, juntamente com os resultados da caracterização dos
materiais e equipamentos utilizados. O capítulo 5 mostrará os resultados,
capítulo 6 as conclusões e o capítulo 7 as sugestões para trabalhos futuros.
1.1 IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA
O corpo de prova a ser usinado está apresentado na figura 1, onde
pode ser visualizado o “blank” de 200 mm de diâmetro por 40 mm de espessura.
Em cada face serão realizados 400 furos cegos de 4,6 mm de diâmetro e 18 mm
de profundidade em cada face da peça (2 faces), onde os parâmetros de corte e
ferramental a ser utilizado serão explanados na seção de Ensaio Preliminar.
Figura 1 – Corpo de prova
FACE
Fonte: o Autor.
3
2 OBJETIVOS E JUSTIFICATIVA
2.1 Objetivo geral
Avaliar a melhor categoria de afiação, para usinar o aço SAE 4140, no
processo de furação, visando identificar a condição que forneça o maior tempo
de vida respeitando a qualidade dimensional requerida. O objetivo final é reduzir
o custo e aumentar a produtividade.
2.2 Objetivos específicos
Analisar três diferentes tipos de geometrias de afiação de ponta de
broca que passam a ser denominadas por afiação “A” 1, afiação “B”
2
e afiação
3
“C” . Estes três tipos de afiação são referenciados aos fornecedores que detém
a tecnologia de afiação.
Para o estudo, os seguintes fatores de resposta da usinagem serão
avaliados: desgaste nas guias, forma do cavaco, nível de rebarba e tolerâncias
dimensionais conforme apresentados a seguir:
Desgaste
Em determinados comprimentos (ou números de furos) será analisado,
o nível de desgaste prejudicial ao revestimento, que conseqüentemente, pode
atingir o substrato da ferramenta.
Forma do cavaco
Em função do desgaste da broca, existe uma mudança da forma do
cavaco, o qual contribui na deformação das paredes do furo, visto que o atrito do
cavaco com a superfície de saída da broca aumenta o desgaste.
Nível de rebarba
Será estabelecido um critério para avaliar a remoção da rebarba após a
usinagem, este critério auxiliará em determinar o fim da vida da ferramenta.
1 – Afiação Tipo “A”, desenvolvida pelo fabricante Sumitomo;
2 – Afiação Tipo “B” , desenvolvida pelo fabricante Mitsubishi;
3 – Afiação Tipo “C”, desenvolvida pelo fabricante Kennametal Hertel.
4
Tolerâncias dimensionais da peça usinada
Os diâmetros dos furos serão mensurados e avaliados para se obter
uma definição de desgaste x qualidade dimensional.
2.3 Justificativa
Os problemas de baixa produtividade muitas vezes são gerados por
quebras de ferramentas e conseqüente alto custo de produção. Para combater a
quebra da ferramenta ocasionadas por variáveis inerentes ao processo de
controle, por exemplo, um aumento de dureza significativo em determinado lote a
ser produzido são necessárias soluções rápidas envolvendo mudanças de
geometrias de afiação, parâmetros de corte, revestimento e etc.
É necessário estabelecer uma condição segura para as ferramentas de
corte, para que as mesmas, permitam uma operação estável frente às condições
de contorno do processo adotado.
O desgaste é o fator limitador do grau de utilização das ferramentas de
corte. A aresta da ferramenta se desgasta com maior intensidade na face de
saída e no flanco, sendo este dependente da forma e da duração da solicitação
térmica, mecânica e química da região de corte.
Um motivo essencial para o desgaste está na combinação de altas
temperaturas de usinagem e fortes carregamentos mecânicos que podem ser
minimizados com estudo das geometrias de ponta.
5
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Esta revisão será focada no processo de usinagem de furação e
demais conceitos utilizados neste trabalho, para o correto emprego da teoria de
usinagem junto à metodologia e testes práticos executados.
3.1 Processos de usinagem
A Figura 2 mostra a classificação dos processos de fabricação,
destacando a USINAGEM e a FURAÇÃO, foco deste trabalho. Segundo
FERRARESI (1990), uma definição abrangente de usinagem é a seguinte:
“Operação que ao conferir à peça, forma, ou dimensões ou acabamento, ou
ainda uma combinação qualquer destes três itens, produz cavaco”.
Figura 2 - Classificação dos processos de fabricação.
• Convencional
• COM remoção
de cavaco
• USINAGEM
• Não-Convencional
Processos de
Fabricação
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Torneamento
Fresamento
Furação
Aplainamento
Mandrilamento
Serramento
Brochamento
Roscamento
Retificação
etc......
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Jato d’água
Jato abrasivo
Fluxo abrasivo
Ultrasom
Eletroquímica
Eletroerosão
Feixe de elétrons
Laser
Plasma
Química
Fotoquímica
etc......
• Fundição
• Soldagem
• Metalurgia do pó
• SEM remoção
de cavaco
• Conformação
•
•
•
•
•
Laminação
Extrusão
Trefilação
Forjamento
Estampagem
Fonte: FERRARESI, D. (1990). Fundamentos da Usinagem dos Metais
6
3.2 Furação
Segundo TRENT (2000), a furação envolve a criação de cilindros
circulares. Este processo é comumente executado com uma ferramenta
helicoidal. A figura 3 abaixo ilustra a seção de um furo sendo usinado por uma
ferramenta helicoidal comum.
Figura 3 – Operação de furação
Fonte: CIMM
Os cavacos percorrem os canais até serem expulsos completamente
do furo usinado, a utilização de refrigeração facilita o transporte do cavaco para a
área externa do furo.
Segundo Trent, em uma operação de furação, necessariamente:
- os cavacos devem sair do furo criado pelo corte;
- a saída de cavacos pode causar problemas quando os cavacos são
espessos e contínuos.
3.3 Materiais para ferramentas de corte
As pesquisas e desenvolvimentos na área de materiais para
ferramentas de corte buscam continuamente descobrir novos materiais e
melhorar as características dos já existentes, conforme STEMMER (1993).
7
Estas características são físicas, mecânicas e geométricas, como:
elevada dureza a frio e a quente, tenacidade e resistência ao desgaste.
Dos materiais utilizados para a fabricação de ferramentas de corte,
muitas vezes, o que se sobressai em uma determinada propriedade é inferior nas
outras, o que torna necessário buscar um equilíbrio entre as propriedades de
uma ferramenta. As características da ferramenta escolhida influenciarão nas
trocas de ferramentas, escolhas das máquinas, tempos de fabricação, custo do
operador, entre outros fatores (STEMMER, 1993).
Os materiais para ferramentas mais utilizados nas operações de
usinagem não apresentam uma classificação geral. STEMMER (1993) classifica
os materiais na seguinte ordem:
- aços-ferramentas,
- aços-rápidos;
- metal-duro;
- cerâmica de corte;
- nitreto de boro cúbico,
- diamante.
Na escolha do material para ferramenta, alguns fatores devem ser
ponderados:
- material a ser usinado;
- processo de usinagem;
- condição da máquina-ferramenta;
- forma e dimensões da ferramenta;
- custo do material da ferramenta;
- condições da operação.
Na usinagem do aço SAE 4140, três tipos de materiais são largamente
usados para fabricar ferramentas de corte. São eles: o metal-duro, cerâmica e
aço rápido. Todos os três apresentam tempos de vida maiores quando
comparados com os outros tipos de materiais para ferramenta, utilizando maiores
velocidades de corte, avanço e profundidade de corte.
Será dada uma ênfase à ferramenta de metal duro, pelo fato de que
este material está mais presente nas indústrias automobilísticas e por ser
definido no escopo dos testes e análise de performance.
8
Metal-duro
O metal-duro é um produto obtido por meio da metalurgia do pó,
constituído por partículas duras (carbonetos) e um ligante sinterizado. O ligante
tem como função constituir a ligação dos carbonetos frágeis, obtendo um corpo
resistente. Já os carbonetos fornecem a alta dureza a quente, resistência ao
desgaste e à compressão.
O metal-duro tem como constituição básica carbonetos de tungstênio e
de cobalto (WC-Co), onde o WC é a parte com elevada dureza e o Co é o ligante
(STEMMER, 1993). A Figura 4 (CIMM, 2006) mostra uma microestrutura básica
do metal duro.
Figura 4 - Microestrutura
Fonte: Centro de Informação Metal Mecânica.
A
classificação,
segundo
STEMMER
(1993),
do
metal-duro
convencional é feita pela norma ISO–513-1975, sendo dividido em três grupos
convencionais: P, M e K, conforme sua aplicação na usinagem, sendo que a
classe P é utilizada para a usinagem de materiais dúcteis de cavaco contínuo, no
qual o Aço SAE 4140 se encontra.
Procurando melhorar as propriedades físicas e mecânicas desses
grupos convencionais, foram desenvolvidos metais-duros com a adição de
elemento de liga, cujo objetivo foi obter uma melhoria significativa da durabilidade
da ferramenta.
9
3.4 Brocas
As brocas são as ferramentas de abertura de furos. Possuem de 2 até
4 arestas de corte e sulcos helicoidais por onde corre o cavaco. O ângulo da
ponta varia de 90º à 150º de acordo com a dureza do material a furar, sendo o
ângulo de 120º o mais comum de se encontrar. Os elementos de uma broca
estão destacados na figura 5.
Figura 5 – Denominação dos elementos de uma broca helicoidal
1
Comprimento da ponta
12
Superfície de saída
2
Comprimento utilizado
13
Largura da sup. sec. de folga
3
Comprimento do canal
14
Diâmetro da sup. sec. de folga
4
Comprimento da haste
15
Guia
5
Comprimento do rebaixo
16
Aresta transversal
6
Comprimento total
17
Diâmetro da broca
7
Superfície de folga
18
Quina
8
Ponta de corte
19
Canal
9
Largura da guia
20
Espessura do canal
10 Aresta secundária
21
Superfície secundária de folga
11 Aresta principal de corte
α
Ângulo da ponta
ψ
Ângulo da Aresta Transversal
Fonte: ABNT NBR 6176
10
3.4.1 Geometrias de Broca
A broca helicoidal, como ferramenta, é normatizada de acordo com
suas características construtivas e geométricas.
Em função das suas características construtivas e aplicação na
usinagem dos materiais, as brocas helicoidais possuem três tipos de hélice
normatizados (DIN 1836, 1962; ABNT PB-286, 1977):
• tipo W: de passo curto, recomendado para materiais que formam cavacos
longos, tais como ligas de alumínio, magnésio, etc;
• tipo N: de passo normal, recomendado para materiais mais comuns, como
aços, ferros fundidos, e materiais similares;
• tipo H: de passo longo, recomendado para materiais que formam cavacos
curtos, tais como ligas de cobre, ligas de zinco, borracha dura, baquelite e
certos materiais plásticos.
A geometria das brocas helicoidais é controlada segundo a
normalização adotada para tal (NB - 205, 1989).
Para a descrição dos ângulos empregados numa análise de brocas
helicoidais, tratadas neste estudo, faz-se necessário a conceituação de alguns
termos, conforme apresentado na Figura 6:
• parte de corte: parte ativa da ferramenta formada pelas cunhas de corte com
as respectivas arestas de corte;
• cunha de corte: é a cunha da ferramenta formada pela intersecção das
superfícies de saída e de folga. Através do movimento relativo entre a peça e a
ferramenta, formam-se os cavacos sobre a cunha de corte;
• superfície de saída (Aγ): é a superfície da cunha de corte, sobre a qual o
cavaco é formado e sobre a qual o cavaco escoa durante sua saída da região do
trabalho de usinagem;
• superfície principal de folga (Aα): é a superfície da cunha de corte da
ferramenta que contém a aresta principal de corte e que defronta com a
superfície em usinagem;
• superfície secundária de folga (A’α): é a superfície da cunha de corte da
ferramenta que contém a sua aresta de corte secundária principal e que
defronta com a superfície em usinagem secundária;
11
• aresta principal de corte (S): é a aresta da cunha de corte formada pela
intersecção das superfícies de saída e de folga principal. Gera na peça a
superfície principal de usinagem;
• aresta secundária de corte (S’): é a aresta da cunha de corte observada
formada pela intersecção das superfícies de saída e de folga secundária;
• ponta de corte: parte relativamente pequena da cunha de corte onde se
encontram as arestas, principal e secundária de corte. A ponta de corte pode
ser a intersecção das arestas, ou a concordância das duas arestas através de
um arredondamento, ou o encontro das duas arestas através de um chanfro
(Diniz et al., 1999).
Figura 6 – Arestas e superfícies de corte da broca helicoidal.
Aresta
transversal
Aresta principal
de corte S
Superfície
secundária de
folga A’α
Superfície principal
de folga Aα
Superfície
secundária de
folga A’α
Superfície de saída Aγ
Aresta secundária de
corte S’
Ponta de corte
Superfície principal
de folga Aα
Aresta principal
de corte S
Direção de avanço
Fonte: Diniz et. al.
12
3.4.2 Perfis Transversais
O primeiro grupo, conforme figura 7, contém os perfis clássicos
desenvolvidos ao longo de vários anos e que já são normalizados (DIN 1412,
1966; DIN 1414, 1977; DIN 1836, 1962). Verifica-se que a seção transversal
compreende entre 35% e 45% da seção total do círculo (Diniz, et, al).
Para aumento da resistência da broca são aumentados: o diâmetro do
núcleo e o diâmetro da superfície secundária de folga (tipo 6). Para melhorar a
refrigeração na ponta da broca, este tipo de perfil comporta canais de
refrigeração (tipo 2).
Figura 7 – Perfis transversais das brocas.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Fonte: Diniz et. al. (modificado).
13
O perfil II surge através de desenvolvimentos realizados a partir dos
perfis do tipo I. Algumas características observadas nestes perfis são:
- uma guia arredondada, fazendo com que praticamente não seja mais possível
determinar-se o diâmetro da superfície secundária de folga;
- uma guia bastante delgada, fazendo com que o atrito entre a guia e a parede do
furo seja diminuído.
O aumento do núcleo depende da utilização. Na furação de materiais
com baixa resistência à tração, o núcleo não precisa ser aumentado (Tipo 10).
As brocas com estes perfis possuem ângulos de ponta variando entre
125° e 130° e ângulo de hélice > 35°. Normalmente se empregam estes perfis
com afiação do tipo cruzada.
O perfil III foi desenvolvido para furações difíceis. Como características
deste tipo de perfil têm-se:
- perfil limitado por curvas aproximadamente paralelas entre si;
- uma guia extremamente delgada, diminuindo o atrito entre a guia e a parede do
furo.
Estes perfis (Perfil III) são adequados para furações com comprimentos
acima de 5d, em função da sua elevada estabilidade. O ângulo de saída é,
normalmente, mais elevado do que nas brocas normalizadas do tipo N, com
ângulo de ponta em torno de 125 a 130° e ângulo de hélice entre 30° e 45° (Diniz
et al.).
Tipos de afiação de ponta e sua justificativa de realização:
a) afiação do gume transversal - Uma das razões é que o gume transversal é
responsável por 30 a 65% da força de avanço. Devido às sucessivas reafiações,
o gume transversal aumenta e a broca fica mais curta. Isto acontece porque para
aumentar a rigidez torcional da broca, os fabricantes aumentam o diâmetro do
núcleo (alma) da broca em direção à haste. Tendo em vista reduzir a força de
avanço, retifica-se uma reentrância na ponta da broca, o que reduz o gume
transversal.
14
b) correção do ângulo de saída com afinação do gume transversal - Retificase uma canaleta que, ao mesmo tempo, corrige o ângulo de saída da broca no
centro e afina o gume principal, o que realiza uma melhora significativa nas
condições de corte.
c) afiação cruzada - Nesta operação, retifica-se um plano inclinado nas
superfícies de incidência, ou seja, nos flancos. Elimina-se assim parcial ou
totalmente o gume transversal.
No lugar do gume transversal, surgem dois novos gumes principais que
fazem um ângulo menor que 90º com o eixo principal. Isto provoca um efeito
centrante na broca. Usa-se esta operação em brocas destinadas a realizar furos
profundos.
d) afiação de ponta secundária - Além da ponta principal, como o ângulo de
118º, realiza-se a retificação de uma segunda ponta, com ângulo entre 80 e 90º.
Reduz-se assim o perigo de sobre-aquecimento na parte mais externa dos
gumes, uma vez que nestes pontos a velocidade de corte é máxima.
3.4.3 Desgaste das ferramentas de corte
Os desgastes na ferramenta de corte podem ocorrer de forma isolada
e/ou superposta em decorrência de solicitações térmicas, mecânicas e químicas.
Como fatores principais do desgaste, ver figura 26, STEMMER (1993) cita:
Abrasão
O atrito de partículas duras do material da peça e pela temperatura
gerada no corte diminui a dureza da ferramenta. Isto gera o desgaste frontal na
superfície de folga, proveniente do atrito da ferramenta com a peça (elemento
rígido) e o desgaste de cratera, na superfície de saída da ferramenta que atrita
com o cavaco (elemento flexível).
15
Aderência
Quando duas superfícies metálicas são postas em contato sob cargas
moderadas, baixas temperaturas e baixas velocidades de corte é formado um
extrato metálico que provoca aderência. Na tentativa de separar as superfícies,
ocorre ruptura em um dos metais e não na superfície de contato.
Assim, partículas da superfície de um metal migram para a superfície
do outro. O fenômeno da aderência está presente na formação da aresta postiça
de corte, e no desgaste de entalhe.
Difusão
A difusão no estado sólido consiste na transferência de átomos do
material da ferramenta no material usinado e vice-versa. Depende da
temperatura, da duração do contato e da afinidade química dos dois metais
envolvidos, fazendo com que os átomos possam mover-se livremente através da
interface.
O desgaste excessivo por difusão é motivo para a não-utilização de
ferramentas de diamante na usinagem de aços, devido à alta afinidade química
entre o carbono do diamante e o ferro presente no aço. Este mecanismo
apresenta-se mais sensível na operação de torneamento, devido ao tempo de
contato entre material da peça, cavaco e ferramenta em elevadas temperaturas.
Oxidação
Altas temperaturas e a presença de ar ocasionam oxidação para
muitos materiais. Alguns óxidos como óxido de alumínio são muito mais
resistentes e duros. Este mecanismo possui uma forte influência no processo de
desgaste de entalhe no flanco da ferramenta, devido ao contato com o ar nesta
interface entre o ambiente e zona de corte do material.
Fadiga superficial (térmica ou mecânica - pitting)
Este mecanismo é normalmente causado pelos ciclos termo-mecânicos
presentes nos processos de corte intermitente do material. No início da
penetração da aresta na peça ocorre um aquecimento brutal da mesma.
16
Isto ocorre devido à absorção da energia dissipada pelo material
cortado e pelo atrito com o cavaco gerado.
Contudo, na saída da aresta da peça ocorre uma redução acentuada
da temperatura da mesma, devido ao alívio das pressões de corte e o
subseqüente contato com o meio ambiente. Assim, as flutuações de temperatura
que ocorrem na aresta da ferramenta, juntamente com a carga e descarga dos
esforços de usinagem, conduzem para o surgimento de microtrincas na aresta da
ferramenta. Estas microtrincas provocam o aparecimento de sulcos no flanco
principal e na face de saída da ferramenta.
Todavia, a fadiga mecânica também pode ocorrer devido às excessivas
forças de usinagem geradas no corte de materiais muito duros. Neste caso, a
deformação plástica da aresta de corte é dominante.
Basicamente
os
mecanismos
de
desgaste
possuem
um
comportamento de acordo com a condição de usinagem empregada, ver figura 8.
O mecanismo de abrasão ocorre em toda a faixa de temperatura à qual é
submetida uma ferramenta de corte. A adesão se limita a velocidades de corte
baixas, ao passo que mecanismos de difusão e oxidação só ocorrem de forma
acentuada para velocidades de corte elevadas.
Figura 8 – Causas do desgaste na usinagem.
Difusão
Def. plástica
Adesão
Oxidação
Temperatura de corte
Fonte: FERRARESI, D. (1990). Fundamentos da Usinagem dos Metais
17
Na furação com brocas helicoidais, os esforços de usinagem estão
ligados à geometria da broca e às condições de corte do processo (avanço,
velocidade de corte e rigidez do conjunto peça / máquina ferramenta).
Estes mecanismos levam a uma série de desgastes, como o de flanco
e de cratera, que serão explicados a seguir:
a) desgaste de flanco: Este tipo de desgaste decorre do atrito entre a peça e a
ferramenta. O desgaste de flanco não pode ser evitado, contudo pode ser
minimizado pela correta escolha das condições de corte, material e geometria da
ferramenta. A largura ou altura da marca de desgaste é mostrada no esquema da
Figura 9. Este desgaste determina o grau de comprometimento da ferramenta
para continuar ou não a usinagem.
b) desgaste de cratera: É o tipo de desgaste que ocorre devido ao atrito do
cavaco com a face da ferramenta. Este atrito remove material e forma uma
cratera, caracterizada pela sua profundidade KT e pela distância KM medida da
posição do gume até o centro da cratera, conforme a Figura 9. Quando o
desgaste aumenta muito se encontrando com o desgaste no flanco, ocorre a
quebra da ferramenta. Para as ferramentas dos experimentos, serão analisados
os seguintes tipos de desgaste, visualizar figura 9.
Figura 9 – Tipos de desgaste
Desgaste da
ponta de corte
Desgaste da
aresta transversal
Fonte: Diniz et. Al.
Desgaste
de flanco
Desgaste de
cratera
Lascamento da
aresta de corte
Desgaste
nas guias
18
3.5 Cavaco
A forma e tamanho dos cavacos, bem como a maneira com que se
forma o mesmo, têm uma importância predominante principalmente em
processos que apresentem um volume de espaço reduzido para armazenamento
do cavaco como o foco deste trabalho, a furação, devido ao pequeno espaço
disponível para o trabalho e ao grande volume de cavaco gerado.
Segundo TRENT (2000), as principais influências sobre a formação de
cavaco são as condições de corte e a geometria da ferramenta. A quebra
adequada do cavaco pode ser obtida pela diminuição da deformabilidade do
material da peça ou pelo aumento da deformação do cavaco.
Como a capacidade de deformação do material é dependente da
temperatura na região de corte, uma redução da velocidade de corte ou a
refrigeração da região de corte levam a cavacos mais quebradiços. De
importância maior, no entanto, é o aumento do grau de deformação por um maior
curvamento do cavaco.
Para isto deve-se reduzir o ângulo de saída (variações do tipo de
afiação) ou empregar-se um quebra-cavaco.
Os cavacos podem ser classificados em três principais tipos: cavaco
tipo fita, tipo segmentado e tipo vírgula. A seguir, serão descritos algumas
características destes três tipos.
•
cavaco tipo fita: ver figura 10.
Este cavaco dificulta a furação, pois o mesmo ocupa muito espaço e é
difícil de ser transportado. Este cavaco fica preso às paredes do furo gerando
atrito e deformação no material e na broca.
Figura 10 – Cavaco tipo fita.
Fonte: o Autor.
19
•
cavaco tipo segmentado: ver figura 11.
Este cavaco provoca atrito para a furação, porém é pouco influenciável
na deformação do furo. É prejudicial à broca, pois em algumas condições de
corte, ocorre um superaquecimento do cavaco e atinge a cobertura da
ferramenta.
Figura 11 – Cavaco tipo segmentado.
Fonte: o Autor.
•
cavaco tipo vírgula: ver figura 12.
Este cavaco provoca muito pouco atrito para a furação, é a condição
ideal para o produto usinado e o ataque à cobertura e o substrato da broca.
Figura 12 – Cavaco tipo Vírgula.
Fonte: o Autor.
20
4 ENSAIO PRELIMINAR
Esta etapa tem como objetivo definir o escopo dos testes, parâmetros
de processo e demais características que serão necessárias ao trabalho de
análise das geometrias de afiação A, B e C do procedimento experimental.
4.1 Material
Nos corpos de prova de furação será utilizado o aço SAE 4140. A
composição química do material utilizado está descrita nos certificados de
qualidade 615 – 0/ 1999 do 27/01/1999 do fornecedor 4 e transcritas na tabela 1.
Tabela 1 – Composição química da liga SAE 4140.
Norma
SAE
4140
C [%]
Mn [%]
P máx [%]
S máx [%]
Si [%]
Cr [%]
Mo [%]
0,38–0,43
0,75–1,00
0,03
0,04
0,15–0,35
0,8–1,10
0,15–0,25
Fonte: o Autor.
Os furos serão dispostos em linhas circulares concêntricas ao diâmetro do
corpo de prova, ver figura 13. O material tem dimensão de 40 mm de espessura
por 200 mm de diâmetro. Serão executados 400 furos cegos por corpo de prova,
com profundidade de 18 mm e diâmetro de 4,6mm.
aproveitadas.
Figura 13 – Corpo de prova.
Fonte: o Autor
4 – Siderúrgica e Metalúrgica Aços Villares
As duas faces serão
21
4.2 Ferramenta de Corte e Porta Ferramenta
A ferramenta utilizada será a broca inteiriça de metal-duro P40, com
diâmetro nominal de 4,6 mm, conforme norma DIN 6537 K para a haste e
cobertura Tinal Futura 5. A utilização da broca escolhida indicada no catálogo é
para usinagem de aços e materiais fundidos de até 1300 N/mm² de resistência à
tração.
O tipo de afiação escolhido para o ensaio preliminar foi a afiação tipo
“A”, por haver uma maior disponibilidade desta ferramenta. As demais afiações
serão testadas e analisadas no procedimento experimental.
O sistema de fixação da ferramenta no centro de usinagem utilizado é
o cone ISO-40 com porta pinça de diâmetro 6 mm (haste da broca), ambos
podem ser visualizados na figura 14.
Figura 14 – Porta ferramenta e pinça.
Fonte: o Autor.
4.3 Máquina-Ferramenta e Fixação da Peça
Os ensaios de furação, foram realizados em um centro de usinagem
vertical CNC modelo Discovery 760 6, comando 840D 7, instalado no laboratório
de pesquisa e ensino de usinagem do Curso de Engenharia Mecânica do Centro
Universitário Positivo. A Figura 15 ilustra o equipamento.
5 – Nomenclatura da Cobertura da ferramenta utilizada proveniente da empresa Balzers;
6 – Indústria de Máquinas ROMI S.A.;
7 – Modelo do Comando Numérico da Empresa Siemens.
22
Figura 15 – Centro de usinagem.
Fonte: o Autor.
O centro de usinagem vertical utilizado tem três eixos acionados por
servo-motores independentes e possibilita a variação contínua de rotação da
árvore, podendo atingir um máximo de 6.000 rpm com potência no motor
principal de 11 kW (15cv).
A fixação dos corpos de prova se dá por meio de laxas que são fixadas
junto à mesa CNC com o auxílio de calços para adequação da altura de fixação,
como pode ser visto na figura 16.
Figura 16 – Fixação dos corpos de prova.
Fonte: o Autor.
23
Escopo do Ensaio Preliminar
Um resumo dos ensaios pode ser visualizado conforme segue.
Figura 17 – Escopo dos ensaios.
Com ou sem
fluido de corte
Testes de usinagem
(furação) com
Variação de
dureza HRC
Afiação A
Variação dos
parâmetros de corte
- rotação;
- avanço.
Utilização ou não do
processo “pica-pau”.
Material usinado
Aço SAE 4140
Quantidade de furos produzidos
Análise das formas / mecanismos de desgaste
(Microscopia óptica)
- ponta da broca
- guia cilíndrica
- superfície de folga e de saída
Resultados / Contribuição
- definição de parâmetros para o procedimento
experimental
Fonte: o Autor.
4.4 Processo
Os ensaios foram iniciados seguindo as recomendações do fabricante
com os parâmetros de corte, apresentados no anexo 1.
24
Primeiro Ensaio - Parâmetros recomendados pelo fabricante.
Características:
rotação: 5.400 rpm (Velocidade de Corte = 78m/min);
avanço: 0,15 mm/rot;
pica-pau 8: 6 ;
material: Aço SAE4140 com 15,5 HRC de Dureza;
refrigeração: Externa com óleo solúvel.
Resultado: Após a usinagem de 200 furos não houve sinal de desgaste na ponta
e nem nos flancos da broca
Segundo Ensaio – Aumento dos parâmetros para estimular desgaste na broca.
Características:
pica-pau: 6;
Resultado: Após a usinagem de 400 furos (incluindo os 200 furos executados
anteriormente) não houve sinal de desgaste da broca.
Terceiro Ensaio – Aumento dos parâmetros para o máximo recomendado pelo
fabricante.
Características:
rotação: 6.000 rpm (Velocidade de Corte = 87m/min) – Máxima rotação
disponível do Centro de Usinagem;
pica-pau: 6;
8 – Processo onde a ferramenta é recuada até a superfície do corpo de prova para
extração de cavacos, após a saída, a mesma retorna a 0,3 mm da profundidade
anteriormente usinada para a continuação da furação.
25
Quarto Ensaio – Aumento dos parâmetros para estimular o aquecimento e
desgaste da broca.
Características:
rotação: 6.000 rpm;
pica-pau: 3 (A broca permanece mais tempo sem troca térmica);
Após este ensaio foi decidido reafiar a broca, adquirir mais corpos de prova e
aumentar a dureza do material com o tratamento térmico de têmpera e
revenimento. Com a elevação da dureza os parâmetros de corte tiveram que ser
reduzidos pois com a utilização do parâmetro antigo a ferramenta quebrava no
primeiro furo e também conforme orientação do fabricante, ver anexo 1.
Quinto Ensaio – Aumento de dureza do material.
Características:
pica-pau: 6;
material: Aço SAE4140 com 40 HRC de Dureza;
Resultado: Após a usinagem de 200 furos não houve sinal de desgaste da broca.
Sexto Ensaio – Usinagem de uma maior quantidade de furos.
Características:
pica-pau: 6;
26
Após a conclusão do sexto ensaio foi decidido executar a furação do corpo de
prova sem a utilização de refrigeração para a ferramenta.
Sétimo Ensaio – Usinagem a seco.
Características:
pica-pau: 6;
refrigeração: Nenhuma.
Resultado: Após a usinagem de 26 furos houve quebra da broca, percebeu-se
que os cavacos não saíram do canal helicoidal da broca e “estrangularam” a
mesma gerando sua conseqüente quebra.
Na prática, a usinagem de furação a seco não é recomendada, pois há um
aumento no ciclo de furação para extração de cavaco (processo pica-pau). A
temperatura da ferramenta também se eleva muito, prejudicando a vida da
cobertura da broca.
Oitavo Ensaio – Usinagem a seco com melhor saída de cavaco.
Características:
pica-pau: 18 (a cada milímetro perfurado a broca afasta-se do furo
para extrair o cavaco);
Resultado: Após a usinagem de 200 furos houve sinal de desgaste, a cobertura
estava afetada, porém não houve nenhum impacto no substrato da broca.
27
Nono Ensaio – Usinagem a seco com maior quantidade de furos.
Características:
pica-pau: 18
Resultado: Após a usinagem de 400 furos houve sinal de desgaste, o resultado
foi mensurável.
Após o término do último ensaio, chegou-se à definição dos
parâmetros e características do processo a ser empregado no procedimento
experimental.
28
5 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Esta etapa tem como objetivo o desenvolvimento de pesquisa e análise
de todo o trabalho. Serão colocados em experimentos os três tipos de afiação. O
detalhamento de cada tipo de afiação pode ser avaliado conforme segue:
Tabela 2 – Comparativo de afiação entre os tipos A, B e C.
Característica
Ângulo de folga
principal
Ângulo de folga
secundário
Fase negativa
Ângulo da aresta
transversal
Afiação “A”
Afiação “B”
Afiação “C”
8°
12°
8°
20°
20°
Não tem
Chanfro 0,125 x 15°
Chanfro 0,075 x 15°
Raio 0,035
136°
134°
136°
Fonte: o Autor.
Ainda de forma comparativa segue abaixo a ilustração da geometria de
ponta das afiações A, B e C, e o perfil conforme figuras 18 e 19.
Figura 18 – Fotos das geometrias de ponta.
Tipo “A”
Tipo “B”
Tipo “C”
Fonte: o Autor.
Figura 19 – Fotos dos perfis.
Tipo “A”
Fonte: o Autor.
Tipo “B”
Tipo “C”
29
Afiação Tipo “A”
Este tipo de afiação caracteriza-se por uma afiação em cruz sobre o
gume transversal, eliminando completamente o gume transversal.
O efeito de esmagamento do gume transversal é eliminado por duas
partes cortantes na região do gume transversal e, com isso, obtém-se
características de corte melhoradas com a broca.
A afiação pode ser verificada detalhadamente nas figuras 20 e 21.
Figura 20 – Perfil da broca na afiação tipo “A”.
Fonte: o Autor
Figura 21 – Afiação de ponta e perfil transversal: tipo “A”.
Fonte: o Autor.
30
Afiação Tipo “B”
Esta afiação caracteriza-se por uma redução do gume transversal e o
ângulo de saída corrigido, o que leva a uma estabilidade bastante grande da
cunha sem dificultar o transporte de cavaco por diminuição do ângulo de hélice
da broca. As principais características desta afiação podem ser visualizadas
conforme figura 22 e 23.
Figura 22 – Perfil da broca na afiação tipo “B”.
Fonte: o Autor
Figura 23 – Afiação de ponta e perfil transversal: tipo “B”.
Fonte: o Autor
31
Afiação Tipo “C”
Esta afiação caracteriza-se por um pequeno cone de centragem. Após
a penetração total do cone as duas parcelas do gume principal cortantes atingem
simultaneamente a superfície a ser cortada em todo o seu comprimento. Com
isso, as quinas se apóiam sobre a parede do furo já no início da furação. A
capacidade de centragem é bastante alta, visto que, o cone de centragem
permite uma primeira guia. Detalhes podem ser observados nas figuras 24 e 25.
Figura 24 – Perfil da broca na afiação tipo “C”.
Fonte: o Autor
Figura 25 – Afiação de ponta e perfil transversal: tipo “C”.
Fonte: o Autor
32
Escopo do Procedimento Experimental
Um resumo dos experimentos pode ser visualizado conforme segue.
Figura 26 – Escopo dos experimentos.
Sem fluido de corte.
Dureza 40 HRC.
Material Usinado
Aço SAE 4140.
Testes de usinagem
(furação) com:
- afiação A;
- afiação B;
- afiação C.
Parâmetros de corte
- rotação 6000 rpm;
- avanço 0,1mm/rot.
Processo pica-pau
- 18 vezes.
Quantidade de furos produzidos
Análise das formas / mecanismos de desgaste
(Microscopia óptica)
- ponta da broca
- guia cilíndrica
- superfície de folga e de saída
Resultados / Contribuição
- Elaboração de gráficos de desgaste;
- Simulação de condição otimizada.
Fonte: o Autor
5.1 Metrologia
Microscópio
As medições de desgaste no gume principal e secundário da broca
serão realizadas com o auxilio de um microscópio óptico, conforme figura 27,
com capacidade de ampliação de 20 vezes.
33
Figura 27 – Microscópio óptico.
Fonte: o Autor.
O desgaste do gume principal “Vb” e “Vc” serão medidos com o auxílio
de um suporte executado em centro de usinagem, o qual garantirá a mesma
inclinação e repetibilidade para os diferentes tipos de afiação, conforme figura 28.
Figura 28 – Medição de desgaste do gume principal.
Vc
Vb
Fonte: o Autor.
34
O desgaste do gume “Mw” secundário será medido com o auxílio de
um prisma e um parafuso que fixa a broca contra o apoio, conforme figura 29.
Figura 29 – Medição de desgaste do gume secundário.
Mw
Fonte: o Autor.
A medição de desgaste será executada de forma indireta, ou seja, não
será efetuado por análise das escalas do microscópio óptico por motivo haver
grande possibilidade de uma leitura incorreta.
Para evitar este tipo de problema são utilizados relógios comparadores,
ver figura 30, com resolução em micrometro para uma maior confiabilidade na
comparação dos resultados entre as afiações.
Figura 30 – Relógio comparador.
Relógio
Comparador
Fonte: o Autor.
Escala
35
Súbito e Calibrador Passa-Não Passa
A medição do diâmetro dos furos foi realizada com um instrumento
para inspeção manual em ambientes industriais. O súbito tem resolução 0,005
mm para as medições. O equipamento foi ajustado utilizando um padrão de
diâmetro 4,65 mm a cada 50 medições. O valor mensurado foi obtido em 3
profundidades do comprimento total do furo, 5, 10 e 15 mm.
A conferência dos diâmetros foi analisada com calibrador passa ou não
passa de dimensões 4,55 min 4,65 máx. Esta medição foi realizada para detectar
anomalias não identificadas de outra forma.
Rugosímetro
A rugosidade da parede dos furos foi obtida através de um rugosímetro
portátil. O corpo de prova sofreu um corte transversal, após a usinagem dos 400
furos para análise de rugosidade a cada 50 furos. Foi analisado o parâmetro de
rugosidade “Rz” que é tomado da distância entre o pico mais alto e o vale mais
profundo da linha principal.
A quantificação do valor da rugosidade foi feita pela média de três
rugosidades medidas a aproximadamente na metade da profundidade do furo.
5.2 Demais fatores de resposta
Nível de rebarba
O critério de rebarba foi estabelecido pela comparação entres os
experimentos com os três tipos de afiação, tendo sua medição sendo executada
da seguinte maneira:
- foi colocado um relógio comparador no eixo árvore da máquina e com
o movimento dos eixos do centro de usinagem foi executada a leitura da altura da
rebarba diretamente no relógio;
- a medição foi feita a cada 90° em cada furo.
36
Forma do Cavaco
Os cavacos foram coletados conforme freqüência de medição dos
diâmetros, ou seja, a cada 50 furos. Para isto o critério de avaliação dos cavacos
foi estabelecido da seguinte forma:
•
cavaco ruim: tipo fita;
Recebeu um índice igual a “0”,
•
cavaco intermediário: tipo segmentado.
Recebeu um índice igual a “5”.
•
cavaco bom: tipo vírgula
Recebeu um índice igual a “10”.
Estes índices somente serviram somente para computar os valores em
tabelas para gerar os gráficos de comparação.
37
6 RESULTADOS E CONCLUSÕES
Neste capítulo são apresentados os resultados provenientes do
procedimento experimental. Os ensaios preliminares formaram a estrutura e
deram embasamento técnico para o procedimento experimental, porém também
contribuíram para os resultados e conclusões finais.
6.1 Ensaios preliminares
Desconhecendo-se parâmetros de corte de experiências de usinagem
realizadas sem fluido de corte para material e ferramenta similares aos utilizados,
foram adotadas como referência para os ensaios preliminares as indicações
fornecidas no catálogo do fabricante da ferramenta, esse recomenda as
condições de corte para o material escolhido e usinagem com óleo solúvel,
conforme anexo 1.
Os corpos de prova descritos no capítulo 4, antes de serem
submetidos às operações de furação, tiveram suas faces fresadas para garantir o
paralelismo necessário e baixa rugosidade para a entrada da broca (necessário
para furação em cheio).
A afiação do tipo “A” foi escolhida para os ensaios, por haver um maior
número de brocas disponível para os testes. Os ensaios de furação foram
realizados e após o nono experimento verificou-se a existência de desgaste na
broca passível de medição (arestas de corte).
A tabela com o resumo de cada experimento preliminar é apresentada
a seguir.
38
Tabela 3 – Resumo dos ensaios preliminares.
Ensaio
Rotação
[rpm]
Avanço
[mm/rot]
PicaPau
Dureza
[HRC]
Refrig.
Comentários
1°
5.400
0,15
6
15,5
Com
200: Sem sinal de
desgaste.
2°
5.800
0,2
6
15,5
Com
400: Sem sinal de
desgaste.
3°
6.000
0,25
6
15,5
Com
600: Sem sinal de
desgaste.
4°
6.000
0,3
3
15,5
Com
800: Sem sinal de
desgaste.
5°
6.000
0,1
6
40
Com
200: Sem sinal de
desgaste.
6°
6.000
0,1
6
40
Com
400: Sem sinal de
desgaste.
7°
6.000
0,1
6
40
Sem
26: Quebra da broca.
8°
6.000
0,1
18
40
Sem
200: Revestimento afetado.
9°
6.000
0,1
18
40
Sem
400: Metal-base afetado.
Fonte: o Autor.
6.2 Experimentos definitivos
Todos os valores que foram coletados durante o procedimento
experimental estão apresentados no anexo 2. Esses dados foram utilizados para
compor os gráficos de análise de resultados. A estrutura de apresentação dos
resultados trará sempre a exposição dos gráficos e logo após a conclusão tirada
sobre o mesmo. Deve ser lembrado que a afiação tipo “C” apresentou índices
insatisfatórios para análises comparativas, pois em dois experimentos houve
quebra da broca com 63 e 34 furos, porém da mesma maneira estes dados foram
relacionados.
Desgaste – Guias laterais: Mw
A figura 31, ilustra o desgaste das guias laterais que são apresentados
de forma comparativa entre os tipos de afiação; os valores de desgaste (eixo das
ordenadas) são expressos em milímetros.
39
Figura 31 – Gráfico 1.
Gráfico de Desgaste das Guias
0,300
Desgaste Vc
0,250
0,200
Seqüência1
Tipo A
Seqüência2
Tipo B
0,150
Tipo C
Seqüência3
0,100
Mw
0,050
0,000
50
100
150
200
250
300
350
400
Número de Furos
Fonte: o Autor.
Nas guias laterais não houve diferença significativa, comparando com
os demais valores de desgaste (Vb e Vc) entre as afiações testadas. O motivo é
que os tipos testados eram brocas novas, e tinham sempre a mesma conicidade
de fabricação, ou seja, a variação de afiações de ponta não contribui para o
desgaste das guias laterais.
Desgaste - Aresta principal de corte: Vb
Gráfico de Desgaste de Flanco Vb
0,250
Desgaste Vb
0,200
Seqüência1
Tipo A
Seqüência2
Tipo B
Tipo C
Seqüência3
0,150
0,100
0,050
0,000
50
100
150
200
250
Número de Furos
Fonte: o Autor.
300
350
400
V
Vb
40
Na análise de desgaste do fator Vb, é percebida uma pequena
diferença entre as afiações “A” e “B”, provavelmente pelo fato de diferenças de
espessura de filete. A figura abaixo ilustra esta diferença.
Na afiação tipo “A” a espessura do filete é dada através de uma
distância da reta vermelha ao final do filete representado pela cor verde. E na
afiação tipo “B”, a distância da reta em cor azul para a reta em cor amarela.
O que pode ser observado na afiação tipo “A” é que a espessura do
filete é formada por duas retas deslocadas (vermelho), ou seja, do início de uma
aresta de corte para outra há defasagem entre os gumes.
Na afiação tipo “B” há uma linha central que passa pelo centro da
broca, permitindo uma melhor centragem da broca na situação de corte, porém
há risco quando no processo de afiação não haja uma retilinidade destas retas,
podendo a retilinidade estar no lado negativo. Isso torna a função de corte um
problema, pois a broca não fura com a aresta principal de corte, e sim, com a
aresta que tem função de folga.
Figura 33 – Espessura de filete.
Fonte: o Autor.
Enfim, na análise do desgaste Vb, a afiação tipo “A” possui maior área
para distribuição do esforço de corte, ou seja, maior tamanho de filete, enquanto
a afiação tipo “B” com menor espessura do filete possibilita uma maior nível de
desgaste.
41
Desgaste - Aresta principal de corte: Vc
Gráfico de Desgaste de Flanco Vc
0,400
0,350
Desgaste Vc
0,300
0,250
Seqüência1
Tipo A
0,200
Seqüência2
Tipo B
0,150
Seqüência3
Tipo C
0,100
0,050
0,000
50
100
150
200
250
300
350
400
Número de Furos
Fonte: o Autor.
No desgaste Vc, onde houve grande diferença entre a afiação tipo “A”
e tipo “B”, deve ser considerado os ângulos de folga conforme figura 35.
Figura 35 – Ângulos de folga.
Fonte: o Autor.
O ângulo de folga primário tem como função reforçar a aresta de corte.
Quanto maior o ângulo de folga, mais frágil se torna a aresta de corte, é possível
se imaginar um ângulo muito grande, este mesmo tornaria a aresta de corte da
broca parecida com uma gilete, ou seja, bastante frágil para resistir todo o
esforço de corte. Existe um limite para pequenos ângulos de folga, deve se achar
ângulos que não comprometam as outras faces (“costas”) da ferramenta.
42
Dimensional – Diâmetro dos Furos
Gráfico de Diâmetro a 5mm da face
4,620
Diâmetro [mm]
4,610
4,600
Tipo A
Seqüência1
Tipo B
Seqüência2
4,590
Tipo C
Seqüência3
4,580
4,570
4,560
50
100
150
200
250
300
350
400
Número de Furos
Fonte: o Autor.
Os diâmetros mensurados no início do furo (a 5mm da face da peça)
apresentaram-se com uma tendência normal até o 200° furo. Após os duzentos
furos, houve perda do revestimento da broca e o desgaste iniciou a atingir o
metal base da ferramenta, conseqüentemente gerando perda de massa. A
afiação do tipo “B” apresentou uma curva mais suave de perda, pois a
capacidade de centragem da broca equilibra o desgaste em todas as áreas de
contato.
Diâmetro [mm]
4,62
4,615
4,61
4,605
4,6
4,595
4,59
4,585
4,58
4,575
4,57
4,565
Tipo A
Seqüência1
Tipo B
Seqüência2
Tipo C
Seqüência3
50
100
150
200
250
Número de Furos
Fonte: o Autor.
300
350
400
43
Em profundidades de 10 e 15 mm do furo, a diferença entre as
afiações “A” e “B” fica mais evidente, pois à medida que a broca atinge
profundidade, possivelmente a centragem proveniente do diâmetro de núcleo (ou
alma) e o perfil de ponta da broca tornam-se fundamentais, ver figura 38.
Figura 38 – Núcleo da broca.
Fonte: o Autor.
4,62
Diâmetro [mm]
4,615
4,61
4,605
4,6
4,595
Seqüência1
Tipo A
Tipo B
Seqüência2
4,59
Tipo C
Seqüência3
4,585
4,58
4,575
4,57
50
100
150
200
250
300
350
400
Número de Furos
Fonte: o Autor.
Dimensional – Rugosidade dos Furos
A condição de rugosidade encontrada no procedimento experimental
para os três tipos de afiação foram praticamente análogas. A verificação dos
índices encontrados pode ser conferida no anexo 2.
44
Devido a baixa variação entre valores e amostragem insuficiente para
este item, não foi executado um gráfico para auxiliar a análise. Isso ocorre devido
à
dificuldade
da
medição,
pois
os
corpos
de
prova
eram
cortados
transversalmente com serra fita com grande dificuldade, pois o material era
tratado termicamente, gerando um desgaste acentuado da serra e demais
equipamentos disponíveis.
Os valores de rugosidade obtidos variaram na ordem de 0,63 a 0,86µm
para os três tipos de afiação. Provavelmente o tipo de afiação de ponta não
corresponda com grande importância na variação da rugosidade, pois foi
coletada uma amostra do quarto experimento (ensaio preliminar) e verificado o
índice de 1,49µm. Pode ser analisada também, a variação da rugosidade com o
parâmetro pica-pau, pois o mesmo facilita no escoamento de cavaco, que em
muitos casos pode provocar interferência com as paredes do furo.
Demais fatores – Nível de rebarba
Gráfico de Nível de Rebarbas
Altura da rebarba [mm]
0,250
0,200
0,150
Seqüência1
Tipo A
0,100
Seqüência2
Tipo B
0,050
0,000
50
100
150
200
250
300
350
400
Número de Furos
Fonte: o Autor.
No nível de rebarba verifica-se que não há diferença entre os tipos de
geometrias de afiação. É possível observar que do furo 50° furo até 100° furo,
aproximadamente, houve diferença na altura da rebarba, provavelmente o
45
fenômeno de arredondamento das arestas de corte tem influência, pois após 100
furos a condição de rebarba variou de forma linear.
Para comparação foram medidas as alturas de rebarba do ensaio
preliminar, o resultado é de alturas de rebarba significativamente diferentes com
variação dos parâmetros de corte como avanço e rotação. Por exemplo:
•
1° Ensaio: Avanço = 0,15mm/rot / Rotação: 5.400 rpm;
A altura de rebarba foi de 0,244 mm.
•
•
•
Possivelmente, a formação de rebarbas é influenciada de forma
quantitativa por parâmetros de corte e verificando-se pouca influência das
geometrias de afiação para este caso.
Demais fatores – Forma do cavaco
As formas de cavaco para os três tipos de afiação foram praticamente
as mesmas. Percebeu-se que o cavaco tinha sua geometria modificada somente
após a usinagem de 100 furos, ou seja, somente por influência do desgaste, de
forma similar aos resultados encontrados nos fatores de rebarba e rugosidade. A
foto abaixo ilustra o cavaco na situação acima descrita.
Figura 41 – Forma do cavaco.
46
Conforme critério descrito no item 5.2, a forma do cavaco foi avaliada
conforme segue:
• Cavaco no início da vida útil: índice 5;
•
Cavaco no meio da vida útil: índice 5;
•
Cavaco no final da vida útil: índice 0.
6.3 Experimentos complementares
O critério de fim de vida da ferramenta foi a quebra ou o desgaste
excessivo das arestas principais de corte com um desgaste Vc acima de 0,45
mm, e também lascamentos que comprometessem a qualidade dos furos ou a
segurança da operação de furação.
Para definição do critério de fim de vida, as brocas foram testadas até
sua quebra. Encontrou-se um valor comum de aproximadamente Vc = 0,45mm
pouco antes da quebra de cada broca, segue abaixo dados referentes ao
experimento:
•
Afiação tipo “A”: quebra com 713 furos (Vc medido em 700);
•
Afiação tipo “B”: quebra com 518 furos (Vc medido em 500).
6.4 Conclusões finais
Em função dos resultados obtidos nos ensaios de furação, realizados
com diferentes tipos de afiação em brocas de metal duro em aço liga ABNT 4340,
pode-se concluir que:
A metodologia empregada para a obtenção dos resultados de
desgaste e tolerâncias dimensionais mostrou-se adequada nos
ensaios realizados para esta finalidade;
Nos ensaios sem fluido de corte, a ferramenta submetida às
condições limite apresentou vida reduzida, se comparada às
condições de corte normalmente utilizadas na prática do processo;
47
Observou-se que os fatores rebarba, rugosidade e forma do cavaco
tiveram pouca variação com os diferentes tipos de afiação e a
importância para a resposta destes fatores foi a variação de
parâmetros de corte.
Para a condição de menor custo e produtividade a afiação do tipo
“A” obteve melhores resultados, com vida útil superior em 27% à
afiação tipo “B”.
Em condições de produção o operador de uma máquina precisaria
trocar uma menor quantidade de ferramentas, o que também gera
ganhos por aumento de disponibilidade da máquina.
Para a condição de melhor qualidade a afiação do tipo “B” obteve
melhores resultados, com variação de medida superior em 69% em
relação à afiação do tipo “A”, porém para situações de usinagem
que requerem melhores tolerâncias encontra-se a viabilidade de
utilização de alargadores.
Foi constatado que a forma do cavaco não comprometeu o
processo, tão pouco a variação das formas em relação aos
diferentes tipos de afiação, mas com o aumento do desgaste a
forma do cavaco tornou-se alongada, comprometendo a qualidade
dos furos e a vida da broca.
Para a prática dos procedimentos experimentais, faz-se necessário,
o estudo prévio para o processo de avaliação, dos parâmetros de
usinagem, conforme executado nos ensaios preliminares.
Ficou evidenciado que as recomendações de catálogo do fabricante
são conservadoras e que através dos ensaios preliminares na
condição que se assemelha à produção (com refrigeração) seria
possível aperfeiçoar a produtividade, aumentando parâmetros de
corte e obtendo uma boa relação entre vida útil e qualidade
dimensional requerida.
48
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
A fim de prosseguir com outros trabalhos sobre estudos de geometrias
de afiação em brocas helicoidais sugerem-se alguns temas:
•
Correlacionar os fatores de resposta (desgaste, rebarba, forma de
cavaco e tolerâncias dimensionais) com a variação dos parâmetros de
corte;
•
Realização de ensaios usando a mesma metodologia com diferentes
tipos de refrigeração conforme segue:
1. Usinagem com refrigeração externa;
2. Usinagem com refrigeração interna;
3. Usinagem com MQL (Minimum Quantity of Liquid).
•
Realização de ensaios com outros tipos de afiação, diferentes
revestimentos (cobertura da broca) e outros materiais (corpos de
prova);
•
Realização de ensaios com metodologia similar aplicando a outros
processos de usinagem.
49
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT. NBR 6176: Elementos de uma broca helicoidal – terminologia. Rio de
Janeiro: ABNT, 1989.
Centro
de
informação
metal
mecânica.
Disponível
em:
http://www.cimm.com.br. Acesso em 14 de abril de 2006.
DINIZ, A.E.; Marcondes. Tecnologia da usinagem dos materiais. São Paulo:
Ed. MM, 1999.
FERRARESI, D. Fundamentos da usinagem dos metais. São Paulo: Ed.
Edgard Blücher, 1990.
STEMMER, Caspar Erich. Ferramentas de corte I. Florianópolis: Ed. da
UFSC, 2001.
STEMMER, Caspar Erich. Ferramentas de corte II. Florianópolis: Ed. da
UFSC, 1995.
TRENT, E. M. Metal cutting. Boston: Ed. Butterworths, 2000.
Outras fontes consultadas:
Indústrias ROMI S.A. / Depto. Linhas de máquina – centros de usinagem.
50
ANEXO 1
51
ANEXO 2
COLETA DE DADOS - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
1. Desgaste
BROCA 1 - AFIAÇÃO TIPO "A"
Freq.
Freq.
[n° furos]
Guia 1
Guia 2
Vb 1
Vb 2
Vc 1
Vc 2
[n° furos]
Guia 1
Guia 2
Vb 1
Vb 2
Vc 1
Vc 2
50
0,019
0,024
0,008
0,004
0,010
0,011
50
0,015
0,011
0,006
0,000
0,008
0,009
100
0,028
0,033
0,012
0,009
0,016
0,019
100
0,024
0,019
0,013
0,011
0,015
0,017
150
0,036
0,044
0,019
0,017
0,024
0,024
150
0,037
0,030
0,021
0,018
0,020
0,023
200
0,059
0,063
0,031
0,024
0,040
0,049
200
0,066
0,058
0,034
0,028
0,039
0,042
250
0,096
0,102
0,044
0,036
0,066
0,063
250
0,089
0,077
0,046
0,040
0,071
0,073
300
0,133
0,141
0,082
0,070
0,100
0,096
300
0,142
0,133
0,073
0,067
0,109
0,116
350
0,179
0,188
0,133
0,119
0,133
0,150
350
0,182
0,169
0,118
0,099
0,165
0,172
400
0,238
0,244
0,187
0,165
0,189
0,194
400
0,261
0,246
0,166
0,149
0,212
0,223
[n° furos]
Guia 1
Guia 2
Vb 1
Vb 2
Vc 1
Vc 2
[n° furos]
Guia 1
Guia 2
Vb 1
Vb 2
Vc 1
Vc 2
50
0,025
0,019
0,011
0,009
0,025
0,019
50
0,021
0,018
0,010
0,014
0,021
0,018
100
0,036
0,028
0,019
0,016
0,036
0,028
100
0,033
0,029
0,021
0,026
0,033
0,029
150
0,051
0,040
0,027
0,023
0,044
0,040
150
0,042
0,036
0,034
0,041
0,042
0,036
200
0,078
0,065
0,039
0,033
0,078
0,065
200
0,067
0,059
0,049
0,055
0,067
0,059
250
0,110
0,095
0,055
0,049
0,121
0,095
250
0,097
0,083
0,061
0,068
0,111
0,083
300
0,142
0,132
0,109
0,098
0,184
0,132
300
0,137
0,124
0,097
0,104
0,152
0,124
350
0,201
0,189
0,164
0,152
0,255
0,189
350
0,189
0,176
0,155
0,166
0,189
0,176
400
0,283
0,266
0,225
0,219
0,336
0,266
400
0,268
0,249
0,213
0,233
0,268
0,249
[n° furos]
Guia 1
Guia 2
Vb 1
Vb 2
Vc 1
Vc 2
[n° furos]
Guia 1
Guia 2
Vb 1
Vb 2
Vc 1
Vc 2
50
0,033
0,037
0,000
0,003
0,033
0,037
34
0,027
0,022
0,000
0,000
0,027
0,022
63
0,042
0,049
0,003
0,005
0,042
0,049
-
-
-
-
-
-
-
BROCA 1 - AFIAÇÃO TIPO "B"
Freq.
BROCA 1 - AFIAÇÃO TIPO "C"
Freq.
Freq.
Freq.
2. Dimensional
Freq.
Freq.
[n° furos]
Ø (5)
Ø (10)
Ø (15)
Rz (5)
Rz (10)
Rz (15)
[n° furos]
Rz (5)
Rz (10)
Rz (15)
50
4,612
4,614
4,614
-
-
-
50
Ø (5)
4,609
Ø (10)
4,61
Ø (15)
4,611
-
-
-
100
4,613
4,615
4,616
0,661
0,713
0,696
100
4,606
4,608
4,61
-
-
-
150
4,609
4,611
4,613
-
-
-
150
4,602
4,605
4,607
-
-
-
200
4,605
4,608
4,611
-
-
-
200
4,6
4,602
4,604
-
-
-
250
4,594
4,597
4,601
-
-
-
250
4,596
4,599
4,601
-
-
-
300
4,588
4,592
4,594
-
-
-
300
4,593
4,597
4,598
-
-
-
350
4,581
4,583
4,583
0,775
0,781
0,762
350
4,586
4,588
4,593
-
-
-
400
4,578
4,579
4,581
-
-
-
400
4,578
4,582
4,586
-
-
-
52
Freq.
[n° furos]
Ø (5)
Ø (10)
Ø (15)
Freq.
Rz (5)
Rz (10)
Rz (15)
[n° furos]
Ø (5)
Ø (10)
Rz (5)
Rz (10)
-
-
-
50
4,608
4,61
Ø (15)
4,61
-
-
Rz (15)
-
0,799
0,769
100
4,606
4,608
4,609
-
-
-
50
4,612
4,613
4,613
100
4,61
4,611
4,613 0,787
150
4,607
4,609
4,611
-
-
-
150
4,603
4,607
4,609
-
-
-
200
4,604
4,608
4,61
-
-
-
200
4,602
4,604
4,606
-
-
-
250
4,6
4,604
4,608
-
-
-
250
4,595
4,598
4,602
-
-
-
300
4,594
4,598
4,605
-
-
-
300
4,591
4,596
4,601
-
-
-
350
4,589
4,593
4,602 0,836
0,858
0,845
350
4,582
4,589
4,594
-
-
-
400
4,58
4,59
-
-
400
4,575
4,579
4,587
-
-
-
Rz (10)
Rz (15)
[n° furos]
Ø (5)
Ø (10)
Ø (15)
Rz (5)
Rz (10)
Rz (15)
0,724
0,766
34
4,61
4,609
4,609
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Freq.
[n° furos]
4,596
Ø (5)
Ø (10)
Ø (15)
Rz (5)
50
4,609
4,608
4,608 0,699
63
4,607
4,607
4,606
-
Freq.

centro universitário positivo análise da performance de diferentes

Transcrição

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