Acabamento é um termo coloquial largamente usado para designar a qualidade geral de uma su- perfície usinada. A Figura 4.24 esquematiza a classificação de acabamento.
Figura 4.24 – Classificação de acabamento
— Mecânicos Fatores Subsuperficiais (integridade) — Metalúrgicos • Deformação plástica • Rebarbas • Microdureza • Trincas • Tensões residuais • Recristalização • Transformações metalúrgicas Fatores Superficiais (textura) — Rugosidade — Ondulações — Marcas — Falhas Acabamento da Superfície Usinada
A textura está relacionada com as irregularidades presentes na superfície de materiais sólidos e com as características dos instrumentos de medição; é definida em termos de rugosidade, ondulação, marcas e falhas. A integridade é a característica através da qual podem ser relacionadas ou identificadas as diversas exigências ou alterações metalúrgicas que poderão se desenvolver devido à usinagem como: transformações de fases, distribuição e tamanho de grão, recristalização, inclusões no material etc..
O objetivo da usinagem é obter uma superfície técnica que apresente fatores superficiais e sub- superficiais apropriados, a fim de garantir segurança, confiabilidade e longa vida ao componente fabri- cado – principalmente quando vidas humanas estão em jogo. Por esse motivo, a importância do estudo do acabamento aumenta à medida que crescem as exigências do projeto. Por exemplo, as superfícies dos componentes deslizantes, como eixos de um mancal, devem ser lisas para que o atrito seja o menor possível. Já as exigências de acabamento das superfícies externas da tampa e da base do mancal são menores. A produção de superfícies lisas exige, em geral, custo de fabricação mais elevado.
O acabamento não está especificamente ligado à textura ou padrão característico da superfície técnica, nem a valores específicos de rugosidade. Contudo, um “bom” acabamento implica baixos valo- res de rugosidade, e vice-versa. Assim, a aptidão de um processo de usinagem em produzir um acaba- mento específico depende das características da ferramenta, da peça, da máquina e da operação.
Os diferentes processos de fabricação mecânica determinam acabamentos diversos nas superfí- cies. As superfícies por mais perfeitas que sejam, apresentam irregularidades. E essas irregularidades compreendem dois grupos de erros: erros macrogeométricos e erros microgeométricos (Fig. 4.25).
Figura 4.25 – Irregularidades presentes na superfície usinada
Os erros macrogeométricos em usinagem são desvios geométricos (ondulação, ovalização, retili- neidade, planicidade, circularidade etc.) que afetam as dimensões nominais das peças e podem ser oca- sionados por diversos fatores (6M), principalmente:
• material da peça: usinabilidade, conformação ou dureza;
• máquina-ferramenta: ferramenta de corte, defeitos nas guias, erros de posicionamento; • método: processo de fabricação para obtenção da peça, parâmetros de corte.
• medição: incerteza de medição, adequação do instrumento ao mensurando; • mão de obra: erros de interpretação, falta de treinamento;
• meio ambiente: variação de temperatura, limpeza do local de trabalho.
Estes erros são verificados por meio de instrumentos convencionais de medição tais como mi- crômetros, relógios comparadores, projetores de perfis etc.
Os erros microgeométricos são conhecidos como rugosidade. Rugosidade é o conjunto de irregu- laridades, ou seja, pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam uma superfície. Essas irregulari- dades podem ser avaliadas com aparelhos eletrônicos, a exemplo do rugosímetro (Fig. 4.26).
Figura 4.26 – Rugosímetro portátil Mitutoyo modelo SJ-201
A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento dos componentes mecâni- cos. Ela influi na: qualidade de deslizamento; resistência ao desgaste; transferência de calor; qualidade de superfícies ópticas; possibilidade de ajuste do acoplamento forçado; resistência oferecida pela super- fície ao escoamento de fluidos e lubrificantes; qualidade de aderência que a estrutura oferece às cama- das protetoras; resistência à corrosão e à fadiga; vedação; aparência.
Para dar acabamento adequado à superfície da peça necessita-se, portanto, determinar o nível em que ela deve ser usinada, isto é, deve-se adotar um parâmetro que permita avaliar a rugosidade. O parâmetro de medição aplicável à maioria dos processos de fabricação baseia-se nas medidas de pro- fundidade da rugosidade: Ra (roughness average).
Define-se Ra como o desvio médio aritmético dos valores absolutos das ordenadas de afastamen-
to (yi), dos pontos do perfil de rugosidade em relação à linha média, dentro do percurso de medição (
l
m).Essa grandeza pode corresponder à altura de um retângulo, cuja área é igual à soma absoluta das áreas delimitadas pelo perfil de rugosidade e pela linha média, tendo por comprimento o valor
l
m, Figura 4.27.Figura 4.27 – Definição da rugosidade média Ra
Ra é o parâmetro de medição mais utilizado em todo o mundo, sobretudo em superfícies onde:
• o controle contínuo da rugosidade nas linhas de produção faz-se necessário;
• o acabamento apresenta sulcos de usinagem bem orientados (gerados por exemplo pelos processos de torneamento, furação e fresamento);
A norma NBR 8404/1984 de indicação do Estado de Superfícies em Desenhos Técnicos esclarece
que a característica principal (o valor) da rugosidade Ra pode ser indicada pelos números da classe de
rugosidade correspondente, conforme a Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Classes de rugosidade
A Figura 4.28 mostra a classificação dos acabamentos superficiais – geralmente encontrados na indústria metal-mecânica – em 12 grupos, e os organiza de acordo com o grau de rugosidade e o proces- so de usinagem que pode ser usado em sua obtenção. Permite, também, visualizar uma relação aproxi- mada entre as classes e os valores de Ra [µm].
Figura 4.28 – Classificação do acabamento das superfícies usinadas de acordo com o processo de fabricação RUG OSIDADE Ra
Pode-se perceber na Figura 4.28 que há uma relação entre a rugosidade e o processo de usina- gem empregado na peça. A melhor ou pior qualidade decorre das condições da ferramenta, do estado da máquina-ferramenta, da velocidade de corte, da qualidade de trabalho, do assento da máquina etc.
Tradicionalmente, a textura da superfície tem sido aceita como critério que controla a qualidade de uma superfície usinada. Assume-se, amplamente, haver relacionamentos diretos entre rugosidade e tribologia, capacidade de carga, transferência de calor etc. Amplos dados foram acumulados para indi- car que a textura é apenas uma parte da consideração. Alterações de natureza mecânica ou metalúrgica abaixo da camada mais externa da superfície exercem também importante influência sobre o desempe- nho do material. Isto se torna particularmente importante, onde a peça usinada é solicitada a altas ten- sões (em particular, tensões alternadas) ou ambientes severos (sob altas temperaturas ou ambientes corrosivos), visto que a resistência à fluência e outras propriedades mecânicas podem ser afetadas.
Embora a maioria das alterações ocorra nos primeiros 38 µm sob a superfície, tal distância pode compreender uma parte significativa de um componente de precisão que está sendo projetado. Além disso, salienta-se que muitas falhas em componentes mecânicos originam-se nos primeiros milésimos de milímetros abaixo da superfície efetiva (obtida por instrumentos de medição). Estas situações enfati- zam a necessidade de que os engenheiros encarregados do projeto, da fabricação e da garantia de qua- lidade devam compreender ambos os aspectos da tecnologia de superfície (textura e integridade), a fim de produzir componentes seguros, confiáveis e de longa vida.
Como durante a usinagem as energias (do processo) misturam-se com as propriedades do materi- al da peça, podem conseqüentemente surgir efeitos superficiais tais como rugosidade, trincas e tensões residuais. A combinação destes efeitos pode gerar desgaste ou fadiga na peça. Além disso, todo proces- so possui alguma variabilidade inerente que se modifica com quase todas as variáveis de entrada. Assim, é necessário selecionar apropriadamente os níveis das variáveis de entrada para se obter um compo- nente com as tolerâncias (especificadas pelo projeto) e propriedades (técnicas superficiais) satisfatórias. As superfícies usinadas são bem mais complexas do que parecem ser, já que seu desempenho po- de ser influenciado por uma camada externa (transformações químicas e deformações plásticas) e por camadas internas (transformações metalúrgicas e tensões residuais).
A Figura 4.29 mostra um desenho esquemático das camadas internas abaixo da superfície. A ca- mada limite externa (1 e 2) é considerada como aquela onde ocorrem as reações químicas (adsorção, oxidação etc.) na superfície recém-usinada. Logo abaixo, camada limite interna (3 a 5), encontra-se uma camada que sofre transformações metalúrgicas e deformações plásticas devido à ação de corte da fer- ramenta e variação de temperaturas envolvidas durante a usinagem. A intensidade da deformação plás- tica e transformação metalúrgica diminuem gradativamente à medida que se distancia da superfície usinada até que não seja mais percebida.
4.6.1 Influência do material da peça
A fim de se garantir um bom acabamento superficial, o controle do estado microestrutural do ma- terial é tão importante quanto o controle dos parâmetros de usinagem. Seções metalográficas de alta magnitude, tomadas paralelamente e perpendicularmente às marcas de avanço, podem ser usadas no controle efetivo de alterações microestruturais que podem causar falhas.
Figura 4.29 – Camadas superficiais de corpos sólidos
4.6.2 Influência da geometria da ferramenta
Basicamente a rugosidade é decorrente da forma geométrica da quina da ferramenta e do movi- mento relativo entre a peça e a ferramenta de corte.
No processo de torneamento, se o avanço f [mm/volta] é menor que o raio de quina rε [mm] da
ferramenta, o valor de Ra [µm] é calculado aproximadamente pela Equação 4.4:
2 2 a 1000 f f R 32,075 r 18 3 rε ε ⋅ = = ⋅ (4.4)
Para uma operação de fresamento tangencial, o valor de Ra [µm] é calculado teoricamente em
função do avanço por dente fz [mm] e pelo diâmetro da fresa D [mm], conforme Equação 4.5:
2 2 z z a 1000 f f R 64,15 D 9 3 D ⋅ = = ⋅ ⋅ (4.5)
Para uma operação de fresamento frontal, o valor de Ra [µm] é determinado pela Equação 4.6:
(
2 2)
a z
R =500 r⋅ −ε r 0,25 fε − ⋅ (4.6)
Pode-se constatar pelas Equações 4.4, 4.5 e 4.6 que Ra diminui com o aumento de rε.
As ferramentas com χr > 90o geram superfícies com acabamento superior àqueles obtidos com
ferramentas com χr < 90o. Estudos mostraram que as melhores condições de rugosidade são obtidas
aumento da força passiva, que faz com que o sistema ferramenta-peça fique menos rígido e mais susce- tível a trepidações.
Além de rε e χr, outro parâmetro geométrico da ferramenta de corte exerce influência marcante
no acabamento superficial: o ângulo de posição secundário (χ’r).
A ocorrência de trepidações pode ser controlada pela adoção apropriada do ângulo de posição
secundário na geometria da ferramenta. Sendo assim, o valor de χ’r pode afetar diretamente o acaba-
mento superficial e a exatidão dimensional da peça e a vida da ferramenta de corte. Além disso, χ’r pro-
tege a aresta secundária de corte contra arranhões e cortes, reduzindo o atrito entre a superfície secun- dária de folga e a superfície usinada da peça.
Outro fator importante a ser observado, é que o decréscimo em χ’r contribui para aumentar a re-
sistência da ponta da ferramenta de corte devido ao conseqüente aumento do ângulo de quina (εr).
Todavia, devido à condição dinâmica do processo de usinagem, χ’r ≥ 3o. Mas quando χ’r é incrementado,
a rugosidade máxima (Rmax) aumenta, o que significa que a qualidade da superfície tende a piorar. Po-
rém, uma redução neste ângulo aumenta a força passiva porque a aresta de corte secundária torna-se mais ativa e pode causar trepidações. Assim, os melhores resultados encontrados para o acabamento foram obtidos com 5o ≤ χ’
r ≤ 15o.
As Figuras 4.30a e 4.30b mostram um esquema da geometria da superfície usinada por ferramen-
tas com χ’r grande e pequeno, respectivamente, procurando ressaltar as marcas de avanço e as partícu-
las aderidas à superfície. Estes esquemas sugerem que para χ’r grande (maior que 15o), partículas aderi-
das à superfície da peça “camuflam” a profundidade real dos vales, fazendo com que a leitura do rugo- símetro indique valores de Ra menores que o teórico. Já para χ’r pequeno, estas partículas agem de for-
ma oposta e a leitura do rugosímetro indica valores de Ra maiores que o teórico.
(a) (b)
Figura 4.30 – Esquema da geometria da superfície usinada por ferramentas com χ’r: (a) grande; (b) pequeno.
4.6.3 Influência dos parâmetros de corte
Os parâmetros de corte exercem uma influência decisiva na integridade superficial da peça usina- da. Condições severas podem causar danos à superfície usinada, assim como às camadas diretamente abaixo desta, o que pode conduzir à quebra da peça em serviço. Portanto, quando se seleciona os pa- râmetros de um processo de usinagem, a vida do componente deve ser levada em consideração.
Os parâmetros de corte mais influentes no acabamento superficial são: o avanço (f), a profundi-
dade de corte (ap) e a velocidade de corte (vc). Um aumento do avanço tende a aumentar a rugosidade
da superfície, pois a altura dos picos e a profundidade dos vales das marcas de avanço são proporcionais ao quadrado desse avanço. A profundidade de corte praticamente não tem influência sobre a qualidade
superficial, quando a profundidade for superior a um valor mínimo. Entretanto, um acréscimo de ap
promove um aumento das forças, podendo incrementar as vibrações e, por conseqüência, gerar superfí- cies mais rugosas. Em baixas velocidades de corte o mau acabamento superficial pode ser explicado pela presença da aresta postiça de corte (APC), uma vez que pequenas partículas desta são perdidas durante o processo de corte e ficam aderidas na superfície da peça, deteriorando imensamente o acabamento.
Portanto, o acabamento melhora quando vc aumenta, uma vez que a APC desaparece.
4.6.4 Influência do meio lubrirrefrigerante
O melhoramento conhecido do acabamento superficial pelo meio lubrirrefrigerante, quando se usina em baixas velocidades de corte, é freqüentemente atribuído ao efeito da lubrificação da superfície de saída da ferramenta que previne a formação ou reduz as dimensões da APC. Entretanto, estudos mostraram que o lubrirrefrigerante não tem um efeito sobre o tamanho e a forma da APC, pois o fluido não penetra na interface cavaco/ferramenta e, portanto, não evita a formação da APC. Assim, a melho- ria no acabamento ocorre devido à ação lubrificante após a superfície usinada ter sido formada, preve- nindo a aderência de partículas de APC comprimidas contra a peça durante a operação de usinagem.
A permanência do cavaco na região de corte pode comprometer o acabamento da superfície usi- nada ou ainda promover avarias nas ferramentas de corte. Assim, sempre que possível, o cavaco deve ser retirado desta região com a utilização de fluido lubrirrefrigerante sob alta pressão. A sua capacidade de expulsar os cavacos depende da viscosidade e da vazão do fluido, além, é claro, do tipo de operação de usinagem e do tipo de cavaco que está sendo formado.
4.6.5 Influência dos tipos e formas do cavaco
Além da forma geométrica da quina da ferramenta e do movimento relativo entre a peça e a fer- ramenta de corte, o acabamento superficial na operação de usinagem depende também do tipo de ca- vaco formado. Sabe-se que a formação do cavaco depende das condições de corte e do material da pe- ça. A formação de cavacos descontínuos ou de cavacos contínuos com a presença de APC pode causar trincas, as quais se estendem na superfície da peça usinada e cria flutuações nas forças. Estas forças desviam a ferramenta e iniciam vibrações que afetam o acabamento superficial. Entretanto, a ocorrên- cia de cavacos contínuos sem a presença de APC é a condição de corte mais desejável para se obter um melhor acabamento superficial.
4.6.6 Influência do estado da ferramenta
O desgaste de flanco causa deterioração do acabamento superficial da peça porque altera total- mente a forma geométrica da aresta de corte original, muda as dimensões da peça, podendo a mesma sair de sua faixa de tolerância.
O desgaste de cratera modifica a geometria da superfície de saída da ferramenta, alterando o va- lor do ângulo de saída e modificando a curvatura do cavaco, facilitando o seu escoamento. Por isso, a rugosidade da peça diminui, visto que o cavaco não colide com a superfície usinada da peça. Entretanto, um aumento da cratera fragiliza a quina, podendo causar a quebra da ferramenta.
A deformação plástica provoca deficiência no controle dos cavacos e deterioração do acabamento superficial da peça. Seu crescimento pode gerar lascamentos na aresta de corte. Se os lascamentos con- tinuarem crescendo, provocam a quebra da ferramenta.
A aresta postiça de corte (APC) aderente à aresta de corte se deforma e se encrua, aumentando sua resistência mecânica e fazendo às vezes de aresta de corte. Ela cresce gradualmente até romper-se bruscamente. Parte da APC que rompe é carregada com o cavaco e parte adere à peça, prejudicando sensivelmente seu acabamento superficial.
R
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