ACABAMENTO E TOPOGRAFIA SUPERFICIAL

Na fabricação, o termo acabamento ou topografia da superfície é utilizado para descrever as características da superfície da peça que consiste em erro de forma, ondulações, rugosidade e trinca. A diferença entre essas irregularidades, conforme é mostrado na Figura 22, se dá pela relação da distância entre elas e a profundidade das mesmas, sendo assim define-se o erro de forma, ondulações, rugosidade e trinca (ABNT, 1988).

Figura 22 - Definição de erro de forma, ondulações, rugosidade e trinca

Abaixo são listados alguns efeitos de natureza geométrica para caracterização de uma superfície usinada (WHITEHOUSE, 1994):

a) comprimento transversal típico. b) falhas. c) textura. d) passo da ondulação. e) altura da ondulação. f) passo da rugosidade. g) comprimento amostral. h) vales. i) picos.

Na Figura 23 é mostrado o desenho esquemático em detalhe da topografia de superfície.

Figura 23: Elementos da topografia

Fonte: Adaptado de (JOSHI, 2006)

A qualidade da superfície influi diretamente sobre a capacidade de resistência à corrosão, à fadiga, ao desgaste e ainda define o atrito. Para as peças submetidas a esforços ou condições de trabalho crítico, o acabamento deverá ser melhor do que nas peças auxiliares.

Para Nussbaum, (1988) a avaliação da superfície é feita por:

a) microscópicos metalográficos ou eletrônicos sobre o plano horizontal. b) apalpadores num plano normal à superfície.

c) métodos de interferência óptica num plano oblíquo transversal.

O rugosímetro mais comum na indústria consiste de um apalpador, geralmente com ponta diamantada cônica ou piramidal, com ângulo de sessenta graus e raio na ponta, que se desloca em contato com a superfície da peça.

A rugosidade é medida em micrometro (1/1000 mm) e dependendo do método e da norma utilizada, apresenta variações de critério, com parâmetros definidos pela norma DIN, como:

a) Ra: é a profundidade média da aspereza superficial. b) Rq: RMS “Root Mean Square” ou média quadrática.

c) Rz: valor médio da altura, distância entre o ponto mais alto ao mais baixo para as cinco maiores irregularidades medidas em uma determinada distância da linha de base.

d) Ry: rugosidade total, corresponde a maior distância entre o ponto mais elevado e o mais profundo.

O acabamento superficial é influenciado pela geometria da ferramenta, geometria da peça, rigidez da máquina ferramenta, material da peça, material da ferramenta e condições de corte como o avanço (f), a profundidade de usinagem (ap) e velocidade de corte (Vc).

A rugosidade da superfície final é considerada como a soma de dois efeitos independentes:

A rugosidade da superfície teórica (padrão) que é o resultado da geometria da ferramenta e do avanço.

A rugosidade da superfície real que é o resultado das irregularidades da operação de corte. Quando se trata de definir a rugosidade, o fator a ser eliminado é a ondulação, pois a esta curva encontra-se superposta à rugosidade, o que pode levar a resultados enganosos ao realizar- se a medição. A ondulação ou textura secundária pode ser considerada como um erro macrométrico, porém a tendência atual é avaliá-la com os mesmos meios com que se avalia a rugosidade. Na Figura 24 é representado o perfil efetivo de uma superfície com visualização de sua rugosidade e ondulação, dando-se a ideia de erro de forma e salientando-se seus componentes nas operações de torneamento (SENAI, 2002).

Figura 24 - Classificação dos erros superficiais de rugosidade

Fonte: (SENAI, 2002)

Os resultados sofrem certas distorções pela utilização de filtros para excluir a ondulação quando se pretende definir a rugosidade. O comprimento de amostragem é conhecido como comprimento de onda limite, “cut-off” ou módulo de medição e tem a finalidade de filtrar a ondulação.

Para ilustrar a ideia da exclusão da ondulação, considera-se uma curva de perfil efetivo composto (rugosidade sobreposta à ondulação), na qual é definido um valor de “cut-off” (nome comumente utilizado nos rugosímetros eletrônicos), adequado ao comprimento (le1), um percurso de cinco vezes, curva A, mostrado na Figura 25.

Figura 25 - Conceito de valor de “cut-off” e exclusão da ondulação

Para cada segmento (le1), é traçada uma linha média e verifica-se que os extremos destas linhas podem se apresentar descontinuados de um segmento para o outro, porém se for alinhada a linha média de cada segmento, forma-se uma só linha reta horizontal, e se obtém o perfil da rugosidade, conforme a curva B, onde a ondulação foi filtrada.

Se o valor de ‘cut-off” fosse maior que o necessário (le2) curva C, valores do perfil de ondulação que influenciariam os resultados da medição da rugosidade, seriam incluídos.

A rugosidade Ra é o parâmetro de medição mais utilizado na maioria dos processos de fabricação. Os riscos superficiais inerentes ao processo, não alteram substancialmente o seu valor. Para o maior número das superfícies o valor da rugosidade neste parâmetro, está de acordo com a curva de Gauss, que caracteriza uma distribuição normal de amplitudes.

O valor de Ra, em um comprimento de amostragem, representa a média da rugosidade; porém, se um pico ou vale atípico aparecer na superfície, o valor da média não sofrerá grande alteração, ocultando tal defeito; mas se o equipamento de medição (rugosímetro) gerar simultaneamente os gráficos Ra e Rz, o gráfico Rz fornecerá as informações complementares ao parâmetro Ra.

Na operação de fresamento um aumento da taxa de avanço (f) provoca um aumento da rugosidade da superficial devido ao maior passe de material retirado por cada dente da fresa em cada rotação e, dependendo do raio de ponta da ferramenta (rε), não haverá a intersecção entre os passes formados na usinagem, aumentando a altura média dos picos.

Os parâmetros de influência para o cálculo teórico da rugosidade (Rcalc.) no torneamento e fresamento, conforme mostrado na Figura 26 são função da taxa de avanço (f) e do raio de ponta (rε) da ferramenta (DA SILVA et al., 2011, DINIZ et al., 2002, DINIZ & MICARONI, 2002).

Figura 26 – Relação entre taxa de avanço e raio de ponta da ferramenta

Fonte: (DINIZ et al., 2002)

As características geométricas da fresa também agem positiva e negativamente na rugosidade, assim pode-se tecer alguns comentários:

- Ângulo de saída: quanto maior for este ângulo, menor será à força de usinagem e, portanto, as alturas das ondulações e deflexões serão menores.

- Ângulo de folga: deve ser suficiente para prevenir o atrito entre a ferramenta e a superfície usinada. O atrito gera forças adicionais que causam deflexões. O atrito no contato tende a imprimir, na superfície usinada o perfil do desgaste da ferramenta.

- Raio de ponta: deve ser suficientemente grande para diminuir o efeito das marcas do avanço, com uma apreciável melhora no acabamento. Entretanto um raio de ponta excessivo pode gerar vibrações.

- O eixo da fresa deve ser inclinado de 0,5 a 1° para ser evitado o contato da parte não ativa do cabeçote fresador com a peça provocando sobreposição de marcas da ferramenta na superfície usinada.

- Ângulos de posição: os efeitos desses ângulos são pequenos, mas uma redução no ângulo de posição diminui as marcas de avanço e melhora o escoamento do cavaco e acabamento.

Ângulo de posição muito pequeno pode causar vibrações. O aumento do ângulo de posição lateral aumenta a altura das marcas de avanço e prejudica o acabamento. É comum usar um ângulo de posição nulo por um pequeno comprimento de 1,5 x “fz” para remover parcialmente ou totalmente as marcas de avanço. Este método, entretanto pode causar vibrações.

Além do efeito das condições de corte e da geometria da ferramenta outros efeitos devem ser levados em consideração. A máquina ferramenta deve ser rígida, sem erros de alinhamento e com movimentos precisos, para não interferir no acabamento superficial. As principais características desejadas em uma máquina são:

- Potência da máquina suficiente para manter a velocidade e o avanço requerido, sem problemas.

- Adequada resiliência para evitar deflexões. - Rigidez e amortecimento contra vibrações.

- Ter uma base (fundação) adequada para minimizar vibrações e transmissão para outras máquinas.

- Precisão na fabricação para reduzir ao mínimo o desalinhamento. - Meios adequados para suportar rigidamente a peça e a ferramenta.

O fluido de corte diminui o desgaste da ferramenta e o atrito entre a ferramenta e a peça ou cavaco. Tudo isto, melhora o acabamento superficial. O fluido atuando como refrigerante, entretanto, pode aumentar a força de usinagem e aumentar a rugosidade da peça. Um revestimento aplicado sobre a ferramenta de corte pode atuar como um lubrificante, ou diminuir a afinidade química entre o material da peça e a ferramenta, podendo também contribuir para melhorar o acabamento superficial (MACHADO & DA SILVA, 2009).

A extensão da deformação e o valor da dureza aumentam, dependendo dos parâmetros de corte, geometria e desgaste da ferramenta. A deformação plástica da superfície pode estar associada à mudança na forma do grão. A deformação plástica é visível com microscópico óptico e geralmente estende-se acima de 20μm da superfície. A medida de micro dureza mostra um significante aumento da dureza na superfície causada pela deformação plástica.