Esforços de corte

Com o objetivo de facilitar o entendimento de operações de fresamento utilizando fresas de topo, alguns trabalhos de modelamento de forças de usinagem têm sido desenvolvidos. Entretanto, estes trabalhos não podem ser aplicados ao fresamento de roscas por interpolação helicoidal, pois os modelos não representam suas principais características, que são o sincronismo entre os movimentos de rotação e deslocamento da ferramenta (ARAUJO et al., 2005).

O comportamento dos esforços de corte, principalmente na entrada da ferramenta, possui características distintas para cada ferramenta utilizada nesta pesquisa. Com a utilização da ferramenta de aresta única, os esforços de corte mostram um incremento gradual em suas componentes na primeira volta até atingir a estabilização nas demais voltas. Por outro lado, com a utilização da ferramenta de múltipla aresta, os esforços de corte tendem a um valor máximo na primeira volta e, posteriormente, ocorre a redução do valor até um patamar inferior durante a continuidade do corte. Os fatores que determinam este comportamento serão descritos ao longo de cada análise deste item. Além disso, com o objetivo de facilitar a compreensão dos fenômenos ocorridos durante a usinagem, a força de usinagem foi dividida em três componentes ortogonais. Posteriormente, realizou-se a comparação da resultante (força de usinagem) para cada condição utilizada.

A Figura 45 mostra a orientação dos eixos de cada componente em relação ao corpo-de- prova.

Figura 45 – Orientação das componentes de força em relação ao corpo-de-prova

Para melhor compreensão da cinemática do processo de usinagem de roscas com ferramenta de aresta única, dividiu-se o tempo de operação em quatro estágios. A primeira etapa é o posicionamento da ferramenta no centro do furo a uma distância de dois filetes da face do material. O segundo estágio se inicia com a interpolação helicoidal cilíndrica, ainda com a ferramenta fora do furo. Neste caso, com furos passantes, esta etapa conclui o roscamento completo do furo e a passagem da ferramenta da face inferior do corpo-de-prova. A ferramenta é novamente posicionada no centro do furo no terceiro estágio, como preparação para a saída e o quarto estágio é a conclusão do processo com a saída da ferramenta do corpo-de-prova. Como pode ser observado na Figura 45, a componente “z” corresponde ao eixo axial do furo. Por outro lado, as componentes “x” e “y” formam um ângulo reto e correspondem aos eixos radiais do furo. A Figura 46 mostra a força em cada componente descrita para a usinagem da rosca com ferramenta de aresta única.

Figura 46 – Forças medidas para ferramenta de aresta única com vc = 85 m/min

Observa-se na Figura 46 que as componentes “x” e “y” comportam-se de forma cíclica, descrevendo aproximadamente uma senóide durante a usinagem. Os sinais estão dispostos acima e abaixo da linha de referência “0” das componentes “x” e “y”, os quais demonstram os movimentos de interpolação da ferramenta em relação aos furos. A componente “z”, também mostra as forças nos dois sentidos do eixo caracterizadas principalmente por forças de compressão e tração realizadas na superfície do corpo-de-prova e, por conseqüência, na face do dinamômetro.

Diferentemente da usinagem com ferramenta de múltiplas arestas, o percurso da ferramenta por interpolação helicoidal inicia-se antes que a aresta de corte toque no material do corpo-de-prova. A ferramenta percorre, a cada volta da ferramenta, o passo da rosca (1,5 mm) na direção axial. Para facilitar a visualização do comportamento da ferramenta, a Figura 47 mostra em três passos a usinagem do primeiro filete de rosca ou entrada da rosca.

Figura 47 – Instantes da primeira volta da ferramenta de aresta única

Os instantes iniciais e finais mostrados no detalhe “A” da Figura 47 indicam os engajamentos em que a ferramenta se posiciona em relação ao furo do corpo-de-prova durante a usinagem do primeiro filete de rosca. Como a quantidade de material retirado aumenta de forma gradativa, as forças nas três componentes também aumentam durante a entrada da ferramenta. Este fato explica o crescimento das forças nas três componentes ortogonais durante a entrada da ferramenta. Após usinagem do primeiro filete ou entrada da rosca, o carregamento da ferramenta torna-se cíclico, mantendo uma intensidade de força em torno de 50N na componente “z” durante todo o comprimento roscado. Contudo, ao atingir o final do comprimento roscado o inverso do fenômeno observado na entrada ocorrerá na saída da ferramenta. Com a redução da quantidade de material a ser usinado, a intensidade das forças reduzirão nas três componentes de forças.

A Figura 46 mostra um comportamento do sinal aparentemente contínuo, em função da proximidade de pontos na figura. Entretanto, com o objetivo de facilitar o entendimento do comportamento dos esforços de corte, o detalhe “A” da Figura 46 foi ampliado na Figura 48. Após os picos de forças, observam-se linhas no eixo “x”, as quais representam o tempo em que a ferramenta gira em vazio, não havendo contato com o material do furo. Durante o intervalo de tempo do detalhe “A”, nota-se que a ferramenta toca o material do corpo de prova seis vezes. Com a condição de vc = 85 m/min, a ferramenta tem 1689 rotações por minuto.

Isto está diretamente relacionado com o intervalo de cada passe da aresta de corte da ferramenta no corpo de prova, que segundo a Figura 48 é de 35 ms e o tempo de contato ferramenta/peça, ou seja, o tempo efetivo de corte por volta é de 12 ms para cada evento.

Figura 48 – Componentes da força de usinagem com ferramenta de aresta única com vc

= 85 m/min (Detalhe “A” da Figura 46)

Para se determinar a força de usinagem durante um momento da operação, traçou-se uma linha passando pelas componentes “z”, “x” e “y”. Como referência, utilizou-se o ponto de maior intensidade da componente “z”. Esta análise foi realizada em cada condição e os resultados mostrados na Figura 53.

Com relação aos picos de forças mostrados em cada componente na Figura 48, é notável a diferença entre seus valores máximos. Este fenômeno ocorre devido à microestrutura

presente nos ferros fundidos. Conforme Diniz; Marcondes; Coppini (2006), o ferro fundido é um material frágil, caracterizado pela geração de cavacos na forma de pequenas partículas, os quais são formados por fragmentos retirados da peça que está sendo usinada. Classificados como cavacos de ruptura ou descontínuos, estes cavacos não são capazes de suportar grandes deformações. A fragmentação dos cavacos é promovida pela propagação de trincas por toda a extensão do plano de cisalhamento primário, o que promove variações na força de usinagem durante a operação. É exatamente este o aspecto identificado na Figura 48. Além disso, a heterogeneidade microestrutural e as inclusões de partículas extremamente duras (carbonetos e nitretos de titânio) também contribuíram para o aumento da dispersão dos resultados.

Conforme Araujo et al. (2005), o processo de usinagem de roscas por interpolação helicoidal utilizando ferramentas de múltiplas arestas pode ser dividido em cinco estágios. Para melhor entender as figuras mostradas a seguir, é importante que se descreva novamente as etapas do processo. O primeiro estágio refere-se ao posicionamento no centro do furo e introdução da ferramenta no furo, deixando dois filetes acima da face do corpo-de-prova. O segundo estágio inicia-se com a interpolação helicoidal cônica até o atingimento do diâmetro final da rosca. Na terceira etapa, sem que haja interrupção, se inicia a interpolação helicoidal cilíndrica usinando a rosca até o final do seu comprimento. O quarto estágio é caracterizado por uma interpolação helicoidal cônica novamente, a qual tem a função de posicionar a ferramenta no centro da rosca, preparando a mesma para a saída que é a quinta etapa, onde a ferramenta é posicionada acima da face do corpo-de-prova.

A Figura 49 mostra as componentes “x”, “y” e “z”, assim como o comportamento do processo durante a entrada da ferramenta no furo. A primeira volta da ferramenta é representada pela “entrada da rosca” (interpolação helicoidal cônica) e demais voltas da ferramenta (interpolação helicoidal cilíndrica).

Figura 49 – Forças medidas para ferramenta de múltiplas arestas com vc = 85 m/min

Conforme mostrado anteriormente, com a ferramenta inserida no furo, iniciava-se um ciclo de interpolação helicoidal cônica conforme mostrado na Figura 49 identificado como “1 volta” onde nota-se o aumento dos esforços principalmente nos eixos “x” e “y”. Posteriormente, sem que haja interrupção e com a ferramenta já posicionada no diâmetro final, inicia-se a interpolação helicoidal cilíndrica, entre a “1 volta” e a “2 volta”. Neste momento, o inserto utiliza todas as arestas de corte. Nota-se que este é um ponto crítico do processo, conforme ilustrado na Figura 49, a “2 volta” devido a grande intensidade dos esforços nas três componentes medidas. Entretanto, ao atingir o final desta etapa, inicia-se o ciclo demonstrado como a “3 volta”, no qual as forças se mantém em um patamar reduzido em relação ao anterior.

Para facilitar o entendimento dos fenômenos ocorridos durante a usinagem com ferramenta de múltiplas arestas de corte com vc = 85 m/min, o detalhe “A” mostrado na

Figura 49 é ampliado na Figura 50.

Figura 50 – Componentes da força de usinagem com ferramenta de múltipla aresta com vc = 85 m/min (Detalhe “A” da Figura 49)

A Figura 50 mostra que para as componentes “x” e “y” da ferramenta de múltiplas arestas de corte apresenta comportamento similar a ferramenta de aresta única. Entretanto, a componente “z” mostra um fenômeno diferente do observado na Figura 48. O fenômeno que parece uma inversão de sentido, trata-se de diferentes momentos de contato entre a ferramenta corta o material.

Com o objetivo de comparar o comportamento dos esforços na componente “z”, a Figura 51 compara o sinal em cinco ciclos para as ferramentas de aresta única e múltipla aresta durante a entrada da ferramenta e durante o regime de corte.

Figura 51 – Comparação entre ferramentas na componente z com vc = 85 m/min.

Conforme a Figura 51, nota-se que durante a entrada da ferramenta de aresta única a intensidade na componente “z” é consideravelmente menor do que a ferramenta de múltipla aresta. O principal motivo está associado ao maior contato observado na ferramenta de múltipla aresta, ilustrado pelo contorno em vermelho na ilustração à direita. Além disto, é possível observar que o sentido do sinal, para ambas as ferramentas, está na mesma direção.

Contudo, durante o processo em regime, nota-se uma significativa diferença no comportamento do sinal na ferramenta de múltipla aresta. O tempo de contato entre ferramenta e corpo-de-prova é idêntico para as duas ferramentas. Como a velocidade de corte para ambas as ferramentas é a mesma, o tempo efetivo de contato é 12 ms. Nota-se que os picos das componentes da força de usinagem na ferramenta de aresta única coincidem com os pontos de inflexão do sinal da ferramenta de múltipla aresta. Uma explicação para este fenômeno ocorrido nas ferramentas de múltipla aresta é o efeito do contato das arestas que efetivamente não participam do corte. Após a primeira volta de interpolação helicoidal cilíndrica, somente a primeira aresta realiza o corte, como demonstrado na Figura 51, existe uma força comprimindo a ferramenta. Esta força promove que as arestas que não participam do corte acentuem um contato mais expressivo na parte superior do perfil usinado. Este contato por período muito curto inverte o sentido da componente “z”da força de usinagem até que as arestas finalizem o engajamento com a peça.

Araujo et al. (2005) estudaram o comportamento dos sinais para o processo de roscamento através de interpolação helicoidal cilíndrica. Apesar de não detalhar a entrada da ferramenta no corpo-de-prova, o modelo matemático determinado se aproximou do sinal real obtido. Para validar o modelo, foram usinadas roscas M10 x 1,5 em alumínio 6061 com diferentes tipos de hélices de ferramentas. O sistema de aquisição utilizado foi similar ao desta pesquisa e as forças de corte estão representadas na Figura 52.

Figura 52 – Comparação de forças de corte simulado e experimentado (adaptado de ARAUJO et al., 2005).

Dois pontos chamam atenção nos resultados apresentados conforme a Figura 52. O primeiro é a diferença nos valores de Fx eFy, pois caso estejam no mesmo plano deveriam

promover valores similares. Os resultados apresentados por Araujo et al. (2005) divergem dos encontrados nesta pesquisa. O segundo ponto refere-se a presença de hélice na ferramenta.

Esta modificação geométrica distribui os esforços de usinagem durante o período de corte minimizando regiões com valores nulos de esforços. Como pode ser observado na Figura 50, existem grandes períodos sem corte.

Como não houveram alterações significativas no comportamento dos esforços de usinagem durante a variação de velocidade de corte (85 e 100 m/min), a Figura 53 mostra a força de usinagem para cada ferramenta e velocidade de corte.

Figura 53 – Comparativo de forças de usinagem entre ferramentas e velocidade de corte

Conforme mostrado na Figura 53, a determinação da força de usinagem foi realizada com base na média de cinco amostras das três componentes ortogonais (Fx, Fy, Fz). Os valores

utilizados nesta determinação foram obtidos durante os ensaios em um de pico na componente “z” e baseado na Equação 1 (FEITOSA, 1983).

Equação 1 Na ferramenta de múltiplas arestas houve a necessidade de medir os sinais durante a entrada da ferramenta devido ao alto carregamento observado durante os ensaios. As linhas acima das barras mostram a dispersão dos valores medidos em mais ou menos 1 desvio padrão. 2 2 2 z y x u F F F F = + +

Nas ferramentas de aresta única não observam diferenças significativas na força de usinagem com a alteração da velocidade de corte. Já na ferramenta de múltiplas arestas, outro fato pode ser notado: uma diferença na força de usinagem entre a entrada da ferramenta e o processo em regime, independentemente da velocidade de corte utilizada. Como mostrado anteriormente na Figura 51, o engajamento na primeira volta se dá com inúmeras arestas, enquanto os demais filetes que não foram usinados na primeira volta da interpolação, são usinados com apenas uma única aresta (primeira aresta). Ainda há grande variação nas componentes Fx e Fy de aproximadamente três vezes, contudo na componente Fz o valor é