PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
EFEITO DO FRESAMENTO COM ALTA VELOCIDADE DE
CORTE NA USINABILIDADE DE AÇOS FERRÍTICOS COM
GRÃOS ULTRAFINOS
Cleiton Lazaro Fazolo de Assis
Orientador
: Prof. Dr. Alessandro Roger Rodrigues
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia - UNESP - Campus de Ilha Solteira, para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.
FICHA CATALOGRÁFICA
Elaborada pela Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação da UNESP - Ilha Solteira.
Assis, Cleiton Lazaro Fazolo de.
A848e Efeito do fresamento com alta velocidade de corte na usinabilidade de aços
ferríticos com grãos ultrafinos / Cleiton Lazarto Fazolo de Assis. -- Ilha Solteira :
[s.n.], 2010
125 f. : il.
Dissertação (mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Estadual
Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira. Área de Conhecimento:
Materiais e Processos de Fabricação, 2010
Orientador: Alessandro Roger Rodrigues
ARTIGOS PUBLICADOS
Durante o desenvolvimento desta pesquisa, publicou-se alguns artigos científicos na forma de resumos, resumos expandidos e trabalhos completos, os quais são seqüenciados abaixo:
VENDRAME, S.; ASSIS, C. L. F.; RODRIGUES, A. R. Influência dos parâmetros de corte no mecanismo de formação de cavaco de um aço baixo-carbono. In: CONGRESSO NACIONAL DE ESTUDANTES DE ENGENHARIA MECÂNICA, 17., 2010, Viçosa. Anais... Viçosa: UFV, 2010.
QUEIROZ, M. C. G. P.; BAZANINI, N. C.; VENDRAME, S.; ASSIS, C. L. F.; RODRIGUES,A. R. Integridade Superficial de um aço fresado. In: CONGRESSO NACIONAL DE ESTUDANTES DE ENGENHARIA MECÂNICA, 17., 2010, Viçosa. Anais... Viçosa: UFV, 2010.
BAZANINI, N. C.; ASSIS, C. L. F.; RODRIGUES, A. R. Efeito do fresamento na microestrutura e na formação do cavaco de aços ferríticos com grãos ultrafinos. In: CONGRESSO NACIONAL DE ESTUDANTES DE ENGENHARIA MECÂNICA, 16., 2009, Florianópolis. Anais... Florianópolis: UFSC, 2009.
BAZANINI, N. C.; RODRIGUES, A. R.; QUEIROZ, M. C. G. P.; ASSIS, C. L. F. Efeito do tamanho de grão e da condição de fresamento na rugosidade do aço COS AR 60. In: CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DA UNESP, 21., 2009, São José do Rio Preto.
Anais... São José do Rio Preto: IBILCE/UNESP, 2009.
BAZANINI, N. C.; RODRIGUES, A. R.; ASSIS, C. L. F. Efeito dos parâmetros de usinagem convencional e high-speed cutting na microestrutura de um aço baixo-carbono e baixa-liga. In: CONGRESSO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DA UFSCAR, 17., 2009, São Carlos. Anais...
São Carlos: UFSCar, 2009.
BAZANINI, N. C.; ASSIS, C. L. F.; RODRIGUES, A. R. Estudo de ataques químicos para revelação da microestrutura de um aço baixo-carbono com estrutura de grãos ultrafinos. In: SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DA USP, 17., 2009, São Carlos.
AGRADECIMENTOS
Àqueles que de alguma forma ou outra contribuíram para com minhas conquistas. Ao Prof. Dr. Alessandro Roger Rodrigues pela orientação exercida ao longo deste período, pelo conhecimento que me foi passado e por prover tantas oportunidades em minha carreira acadêmica. Agradeço também pela amizade, companheirismo, envolvimento, dedicação e empenho nesses anos em que trabalhamos juntos.
Aos docentes do Departamento de Engenharia Mecânica, em especial os professores da Área de Materiais e Processos de Fabricação pela disposição.
Aos técnicos do Departamento de Engenharia Mecânica pelos serviços prestados e atenção durante este projeto de pesquisa, em especial aos técnicos Marino e Edvaldo.
Aos funcionários da Secretaria e do Núcleo de Apoio Computacional do Departamento de Engenharia Mecânica, em especial o técnico Elias.
Aos integrantes e ex-integrantes do Grupo de Pesquisa em Usinagem (GPU) por todo auxílio exercido durante este trabalho.
Aos membros da banca, Prof. Dr. Hidekasu Matsumoto e Prof. Dr. Otavio Villar da Silva Neto pela disponibilidade para participar da defesa dessa dissertação de mestrado.
Ao Departamento de Engenharia de Materiais (DEMa) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) pelo apoio ao projeto, ao Prof. Dr. Oscar Balancin pela orientação e ao técnico Rover Belo pela ajuda no trabalho de geração dos corpos de prova para a realização dos ensaios.
Ao Prof. Dr. Reginaldo Teixeira Coelho pelo uso da infraestrutura e equipamentos, ao Prof. Dr. Luiz Carlos Casteletti pela ajuda na realização dos tratamentos térmicos dos corpos de prova e ao Prof. Dr. Renato Goulart Jasinevicius pelo uso do perfilômetro ótico, ambos da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP).
Ao PPGEM pela concessão de recursos para participação em congressos e eventos. À FAPESP pela concessão da bolsa e fomento à pesquisa.
À minha família pelo incentivo e apoio nestes anos de trabalho e dedicação.
À Maíra, Naiana e Saimon pela participação direta nessa pesquisa e também pela amizade, atenção, companheirismo e bom humor durante a realização do trabalho.
Meu Viés
A cor azul do céu foi necessária para reanimar meus ânimos Enquanto os contrastes das minhas cores iam desaparecendo Uma tímida figura de meus tempos passados se representava Em sonhos cujos pesadelos vinham por interrupção Eu quis ser livre para viajar pelas estrelas que nunca alcanço Pelo bem estar da paz que se revigora para me fazer renascer
A cor azul das águas foi necessária para repor minhas ilusões Em alusão ao mundo colorido ao qual assisti perder as cores A precisão do objetivo dessas linhas está ininterrupta Pois ainda será sábio retocar a parte eqüidistante do meu eu Quando o suspiro em meio ao silêncio render-me uma poesia Eu fui meu algoz para não me limitar em ser apenas mais um
Abrem-se as janelas e um pôr-do-sol destaca-se no horizonte No horizonte aparente das minhas visões de mundo Em meu viés, fiel às emoções que ainda mantenho Abrem-se as portas e a claridade adentra pela minha alma Como só por um milagre ouvimos um belo canto dos anjos Assim como eu dizia me recordar algumas outras infinidades Desse meu universo e dessas linhas que se encontram no final
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo sobre a influência das condições de fresamento na formação de cavaco, microestrutura, dureza e rugosidade da peça. Foi ensaiado um aço baixo carbono 0,15%C com dois tamanhos de grão distintos. Para ambos os materiais da peça, empregou-se 8 condições de usinagem variando a velocidade de corte, o avanço da ferramenta e a profundidade de usinagem visando à aplicação da Análise de Variância (ANOVA), dando-se destaque à usinagem considerada como alta velocidade de corte e convencional. Os ensaios de fresamento de topo concordante a seco foram conduzidos em um centro de usinagem CNC de 11 kW de potência e rotação do eixo-árvore de 7.500 rpm. Utilizou-se ferramenta de diâmetro 25 mm com dois insertos de metal duro revestidos com Al2O3. Os resultados apontam para uma influência dos parâmetros de corte sobre todas as
variáveis de resposta, exceto a macrodureza. Velocidades de corte e profundidades de usinagem maiores causaram deformação da microestrutura do material “como recebido” próxima à superfície fresada. Os mesmos parâmetros governaram o aumento da microdureza superficial e da profundidade da camada endurecida. O material com grãos ultrafinos não apresentou deformação da microestrutura próxima à superfície fresada nem aumento de microdureza superficial. A velocidade de corte influiu apenas na profundidade da camada endurecida. A rugosidade foi inversa e diretamente influenciada pela velocidade de corte e avanço da ferramenta, respectivamente, sendo dependente também do tamanho de grão do material da peça. Os mesmos parâmetros de corte influíram de forma significativa no ângulo de deformação da microestrutura dos cavacos, cuja classificação foi dependente do material e das condições de usinagem.
Palavras-chave: Fresamento. Alta velocidade de corte. Usinabilidade. Integridade
ABSTRACT
This work deals with the influence of milling conditions on chip formation, microstructure, hardness and roughness of workpiece. A 0.15%C low carbon steel with two different grain sizes was milled. For both workpiece materials eight milling conditions were employed where cutting speed, tool feed and depth of cut varied and combined aiming at Analysis of Variance application. The machining conditions considered as High-Speed Cutting (HSC) and Conventional were focused. The milling tests considering down-milling and dry conditions were carried out in a CNC machining center with 11 kW power and 7,500 rpm spindle rotation. A 25 mm diameter endmill with two inserts coated of Al2O3 was used. The results
indicated the cutting parameters influenced on all output variables except the macrohardness. Greater cutting speed and depth of cut caused deformation of workpiece microstructure with 10.8 m grain size near milled surface. The same parameters governed the increase of surface microhardness and hardened layer depth. Refined grain material did neither present deformation of microstructure near milled surface nor increase of microhardness. The cutting speed influenced only on depth of hardened layer. Roughness was inverse and directly influenced by cutting speed and tool feed, respectively, and dependent on grain size of workpiece material. These parameters also influenced on deformation angle of chip microstructure which were classified as continuous for 10.8 m grain size and segmented for the ultrafine grain, in this case just for some milling conditions.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 - Distinção entre velocidade de corte convencional e HSC para vários materiais
e operações. ... 18
Figura 1.2 - Curvas de temperatura de corte versus velocidade de corte por Carl J. Salomon. ... 20
Figura 1.3 - Curvas de temperatura de corte versus velocidade de corte obtidas por McGee. ... 21
Figura 1.4 - Desempenho histórico da usinagem com altas velocidades de corte. ... 22
Figura 2.1 - Faixas de velocidades de corte para diversos materiais. ... 29
Figura 2.2 - Representação esquemática do mecanismo de formação do cavaco. ... 34
Figura 2.3 - Morfologia do cavaco na região de velocidade convencional e alta velocidade. ... 36
Figura 2.4 - Definição do grau de segmentação do cavaco. ... 37
Figura 2.5 - Força de usinagem e suas componentes. ... 39
Figura 2.6 - Fontes de geração de calor no processo de corte ortogonal. ... 42
Figura 3.1 - Fatores de controle e respostas. ... 63
Figura 3.2 - Fixação do copo de prova no centro de usinagem CNC. ... 64
Figura 3.3 - (a) Vista superior em perspectiva da amostra bruta, (b) vista superior em perspectiva da amostra pré-usinada (material “como recebido” - CR). ... 66
Figura 3.4 - (a) Vista superior em perspectiva da amostra bruta, (b) vista superior em perspectiva da amostra pré-usinada (material com estrutura de grãos ultrafinos - GUF). ... 66
Figura 3.5 - Desenhos esquemáticos do (a) suporte e (b) inserto de metal duro destinados aos ensaios no centro de usinagem vertical CNC. ... 67
Figura 3.6 - Amostra embutida para análise microestrutural e de microdureza. ... 71
Figura 3.7 - Ilustração do porta amostra do ultra-microdurômetro. ... 72
Figura 3.8 - Sistema de aquisição de dados de microdureza. ... 73
Figura 3.9 - Amostra embutida de cavaco. ... 75
Figura 3.10 - Procedimento para medição do ângulo () da microestrutura do cavaco. ... 76
Figura 4.1 - Microestruturas das amostras CR e GUF (ataque Nital 2%). ... 78
Figura 4.2 - Microestrutura com grãos ultrafinos com presença dos microconstituintes bainita e martensita (Ataque Nital 2%). ... 79
Figura 4.4 - Microestrutura representativa da borda usinada das condições C3 e C4 (CR). ... 82
Figura 4.5 - Microestrutura representativa da borda usinada das condições C5 e C6 (CR). ... 82
Figura 4.6 - Microestrutura representativa da borda usinada das condições C7 e C8 (CR). ... 83
Figura 4.7 - Microestrutura representativa da borda usinada das condições C1 a C8 (GUF). ... 84
Figura 4.8 - Gráficos de macrodureza (a) das amostras CR e (b) das amostras GUF. ... 85
Figura 4.9 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre a variação da macrodureza (CR). ... 86
Figura 4.10 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre a variação da macrodureza (GUF). ... 87
Figura 4.11 - Perfis de microdureza das amostras CR usinadas na condição C4 e C5. ... 88
Figura 4.12 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre o aumento de microdureza (CR). ... 90
Figura 4.13 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre a camada afetada (CR). ... 90
Figura 4.14 - Gráficos de microdureza das amostras GUF para as condições C1 a C8. ... 92
Figura 4.15 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre o aumento de microdureza (GUF). ... 93
Figura 4.16 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre a camada afetada (GUF). ... 94
Figura 4.17 - (a) Vista lateral e (b) superior de cavaco da condição C8 (MEV). ... 95
Figura 4.18 - Vista lateral em MO dos cavacos das condições (a) C4 e (b) C5 (Ataque Nital 2%). ... 96
Figura 4.19 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre o ângulo da microestrutura (CR). ... 97
Figura 4.20 - (a) Vista lateral e (b) superior de cavaco da condição C1 (MEV). ... 98
Figura 4.21 - (a) Vista lateral e (b) superior de cavaco da condição C6 (MEV). ... 98
Figura 4.22 - Vista lateral em MO dos cavacos das condições (a) C1 e (b) C6 (Ataque Marshall seguido de Nital 2%). ... 99
Figura 4.23 - Efeito isolado dos fatores de controle sobre o ângulo da microestrutura (GUF). ... 100
Figura 4.28 - Influência dos efeitos principais na rugosidade das amostras fresadas (GUF). ... 106
Figura 4.29 - Imagem em 3D da superfície da amostra fresada na condição C4 (GUF). .. 106
Figura 4.30 - Imagem em 3D da superfície da amostra fresada na condição C5 (GUF). .. 107
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Vantagens e limitações da aplicação da técnica HSM. ... 31
Tabela 3.1 - Variáveis de entrada e os níveis adotados nos ensaios de usinagem. ... 63
Tabela 3.2 - Composição química do material utilizado nos testes de usinagem (% em peso). ... 65
Tabela 3.3 - Corpos de prova caracterizados pela dureza e rota de processamento. ... 65
Tabela 3.4 - Classificação da escala de dureza em função da carga e/ou profundidade da penetração. ... 70
Tabela 4.1 - Metalografia quantitativa das amostras. ... 79
Tabela 4.2 - Quadro ANOVA para variação de macrodureza. ... 86
Tabela 4.3 - Quadro ANOVA para o aumento de microdureza e camada afetada (CR). ... 89
Tabela 4.4 - Quadro ANOVA para o aumento de microdureza e camada afetada (GUF) .. 92
Tabela 4.5 - Quadro ANOVA para o ângulo da microestrutura do cavaco (CR). ... 96
Tabela 4.6 - Quadro ANOVA para o ângulo da microestrutura do cavaco (GUF)... 99
Tabela 4.7 - Quadro ANOVA para o ângulo da microestrutura do cavaco. ... 100
Tabela 4.8 - Quadro ANOVA para a rugosidade da superfície fresada (CR). ... 102
Tabela 4.9 - Quadro ANOVA para a rugosidade da peça fresada (GUF). ... 105
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
LETRAS ROMANAS MAIÚSCULAS
AISI American Iron and Steel Institute
ANOVA Analysis of Variance
ASTM American Society for Testing and Materials
ARB Accumulative Roll-Bonding
C1 Condição de usinagem nº 1 C2 Condição de usinagem nº 2 C3 Condição de usinagem nº 3 C4 Condição de usinagem nº 4 C5 Condição de usinagem nº 5 C6 Condição de usinagem nº 6 C7 Condição de usinagem nº 7 C8 Condição de usinagem nº 8
CAD Computer-Aided Design
CAM Computer-Aided Manufacturing
CBN Cubic Boron Nitride
CCC Cúbico de Corpo Centrado
CNC Controle Numérico Computadorizado
CR Como Recebido
D0,2 Diâmetro crítico utilizado no ensaio de Renault-Mathon [mm]
DIN Deutsches Institut für Normung
ECAP Equal Channel Angular Pressing
EFE Energia de Falha de Empilhamento
F Força [N]
F Distribuição F
Fap Força de apoio [N]
Fc Força de corte [N]
Ff Força de avanço [N]
Fp Força passiva [N]
Ft Força ativa [N]
GUF Grãos ultrafinos
HISTORY High Speed Tube Welding and Optimum Reducing Technology
HM Dureza Martens [HM]
HV Dureza Vickers [HV]
HSC High-Speed Cutting
HSG High-Speed Grinding
HSM High-Speed Machining
HST High-Speed Turning
ISO International Organization for Standardization
I.U. Índice de Usinabilidade
L Diagonal de impressão[mm]
LSM Low-Speed Machining
MEV Microscópio Eletrônico de Varredura
MO Microscópio Ótico
P Probabilidade P
Q Carga utilizada em ensaios de dureza [kgf]
QM Quadrado Médio
Ra Rugosidade média aritmética [m]
Rq Rugosidade média quadrática [m]
Rt Rugosidade total [m]
SAE Society of Automotive Engineers
SQ Soma dos Quadrados
STS Severe Torsional Straining
UHSM Ultra High-Speed Machining
VHSM Very High-Speed Machining
LETRAS ROMANAS MINÚSCULAS
ae Largura de usinagem [mm]
ap Profundidade de usinagem [mm]
f Avanço da ferramenta de corte [mm/rev] fseg Frequência de segmentação do cavaco [Hz]
fz Avanço por dente [mm/z]
r Raio de ponta da ferramenta de corte [mm]
t1 Espessura de corte [mm]
t2 Espessura do cavaco [mm]
v Velocidade do cavaco [mm/min] vc Velocidade de corte [mm/min]
vf Velocidade de avanço [mm/min]
LETRAS GREGAS MINÚSCULAS
Ângulo de folga [º]
Ângulo de posição primário [º]
Ângulo de saída [º]
Ângulo de deformação da microestrutura do cavaco [°]
Ângulo de cisalhamento [º]
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 18
1.1 Objetivos ... 23
1.2 Justificativas ... 24
1.3 Estrutura do Trabalho ... 25
2 REVISÃO DA LITERATURA ... 27
2.1 Usinagem com Alta Velocidade de Corte ... 27
2.1.1 Definições ... 27
2.1.2 Aplicações e Características ... 29
2.1.3 Fenomenologia ... 32
2.2 Usinabilidade dos Materiais... 44
2.2.1 Definições ... 44
2.2.2 Ensaios de Usinabilidade ... 46
2.2.3 Variáveis que Influem na Usinabilidade ... 49
2.3 Aços com Grãos Ultrafinos ... 52
2.3.1 Definições ... 52
2.3.2 Formas de Processamento ... 55
2.3.3 Aplicações Industriais ... 59
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 62
3.1 Planejamento Experimental ... 62
3.2 Banco de Ensaios ... 63
3.3 Corpos de Prova ... 65
3.4 Ferramentas de Corte ... 66
3.5 Procedimento Experimental ... 67
3.5.1 Ensaios de Usinagem ... 68
3.5.2 Rugosidade ... 69
3.5.3 Macrodureza... 69
3.5.4 Microestrutura e Microdureza ... 70
4.1.1 Fotomicrografias das amostras CR ... 80
4.1.2 Fotomicrografias das amostras GUF ... 84
4.2 Dureza ... 85
4.2.1 Macrodureza... 85
4.2.2 Microdureza ... 88
4.3 Formação de Cavaco ... 94
4.4 Rugosidade da Peça ... 102
5 CONCLUSÕES ... 110
5.1 Recomendações para Trabalhos Futuros ... 111
1 INTRODUÇÃO
Alguns pesquisadores definem a alta velocidade de corte em função das velocidades convencionais. Segundo Schulz, Abele e Sahm (2001) e Tönshoff et al. (2001), entende-se por usinagem com alta velocidade, a usinagem de materiais com velocidades de corte aumentadas de 5 a 10 vezes em relação às velocidades de corte tradicionais. Porém esta relação entre velocidades convencionais e altas velocidades não é suficiente para uma definição coerente do termo HSC, pois o processo de usinagem utilizado também possui grande influência, conforme apresentado na Figura 1.1.
Figura 1.1 - Distinção entre velocidade de corte convencional e HSC para vários materiais e operações.
Fonte: Vigneau (1997).
Outros autores preferem definir alta velocidade de corte em números absolutos, por meio de faixas de velocidade. Segundo Faccio (2002), todos os tipos de usinagem se enquadram em quatro categorias: LSM (Low-Speed Machining, usinagem de baixa
velocidade, entre 1 e 600 m/min), HSM (High-Speed Machining, usinagem de alta
velocidade, entre 600 e 1.800 m/min), VHSM (Very High-Speed Machining, usinagem de
altíssima velocidade, entre 1.800 a 18.000 m/min) e UHSM (Ultra High-Speed Machining,
Outro modo utilizado para definir alta velocidade é correlacionar a velocidade de corte com a formação de cavaco (FLOM; KOMANDURI, 1989). De acordo com Müller e Blümke (2001), alta velocidade de corte pode ser definida como a velocidade acima da qual o cisalhamento do cavaco ocorre completamente na zona primária de cisalhamento.
Considerado por muitos pesquisadores o “pai da usinagem de alta velocidade”, Carl J. Salomon foi quem iniciou as primeiras pesquisas envolvendo altas velocidades de corte. De acordo com Schützer e Schulz (2003), em 27 de Abril de 1931, a empresa
Friedrich Krupp AG recebeu a patente alemã nº 523594 referente aos estudos
desenvolvidos por Salomon, onde apresentava como principal resultado o fato de que acima de uma determinada velocidade de corte a temperatura de corte começava a cair.
Nestes experimentos ocorridos entre 1924 e 1931, Salomon utilizou serras de grandes diâmetros, pois naquela época não se dipunha de máquinas com grandes rotações para se atingir elevadas velocidades de corte. Salomon usinou materiais, como alumínio, cobre e bronze, alcançando valores de velocidades de corte de até 16.500 m/min para o caso do alumínio (FLOM; KOMANDURI, 1989; Schützer e Schulz, 2003). Porém, segundo Souza (2004), Salomon teria utilizado fresas helicoidas de grande diâmetro contendo de 8 a 20 arestas de corte.
Figura 1.2 - Curvas de temperatura de corte versus velocidade de corte por Carl J. Salomon.
Fonte: Schulz (1999).
Em meados da década de 40, os estudos com alta velocidade de corte foram retomados com os ensaios balísticos, os quais eram realizados de duas maneiras. Na primeira, a ferramenta era acoplada a um projétil que se deslocava sobre um trilho. Durante este deslocamento, a ferramenta em alta velocidade passava pela peça estacionária, promovendo a sua usinagem. No segundo método, a peça em forma de projétil era disparada de encontro à ferramenta que permanecia estacionária. Nestes ensaios observou-se que as condições e a formação do cavaco para altas velocidades são diferentes do processo convencional (SCHÜTZER; SCHULZ, 2003). A Suécia foi um país que se destacou neste tipo de ensaio.
Em 1958, a empresa americana Lockheed Aircraft Corporation, representada
pelo seu engenheiro R. L. Vaughn, realizou diversas pesquisas sobre HSC, tendo como foco principal as variáveis mais importantes na usinagem de alta velocidade de corte (FLOM; KOMANDURI, 1989).
Para constatar a viabilidade de implantação da usinagem de alta velocidade nas indústrias, as empresas Lockheed Missiles e Space Company, contratadas pela Marinha
Em 1979, a Força Aérea dos Estados Unidos em cooperação com a General
Electric realizaram novos ensaios com alta velocidade de corte, buscando integrá-la em
operações industriais. Os materiais usinados foram ligas de alumínio, titânio, superligas a base de níquel e aços. Estes ensaios permitiram otimizar uma faixa de velocidade de corte para as ligas de alumínio, que variava de 1.500 a 4.500 m/min (SCHÜTZER; SCHULZ, 2003).
No mesmo ano, Kahles et al. (1979) apud Souza (2004) constataram em pesquisas com alumínio que as velocidades de corte empregadas tinham como principais limitantes as máquinas-ferramentas e os sistemas de fixação da ferramenta e da peça.
Ainda em 1979, McGee torneou ligas de alumínio 2014-T652 com variações na geometria da ferramenta e velocidade de corte dentro da faixa de 30 a 1432 m/min (SOUZA, 2004). Seus resultados podem ser observados na Figura 1.3, onde fica claro que as curvas de temperatura de corte não diminuem com o aumento da velocidade de corte, possuindo um valor máximo próximo à temperatura de fusão do material (FLOM; KOMANDURI, 1989). Dessa forma, McGee não obteve resultados coerentes com a teoria apresentada por Salomon na década de 1930.
Figura 1.3 - Curvas de temperatura de corte versus velocidade de corte obtidas por McGee.
Fonte: Adaptado de McGee (1979).
No início da década de 1980, principalmente, houve um grande avanço na usinagem com altas velocidades, devido ao desenvolvimento de eixos motores de alta rotação (SOUZA, 2004). Nesta época, na Alemanha, o professor Herbert Schulz da
máquinas-ferramenta e acessórios, como ferramentas, dispositivos de fixação e CNC (SCHÜTZER, 2001). Dessa maneira, Schulz passou a ser uma importante referência mundial no cenário da usinagem de alta velocidade.
O processo de usinagem com alta velocidade de corte não ficou restrito apenas aos Estados Unidos e à Alemanha. Países como Austrália, França e Japão também investiram em pesquisas nesta área. O Japão, por exemplo, intensificou seus estudos na teoria de formação de cavacos (SCHÜTZER; SCHULZ, 2003). A Figura 1.4 sintetiza de forma cronológica o estado da arte sobre as pesquisas com altas velocidades de corte no mundo.
Figura 1.4 - Desempenho histórico da usinagem com altas velocidades de corte.
Fonte: Schulz (1996).
No Brasil, a utilização do processo de usinagem com altas velocidades de corte intensificou-se a partir da década de 1990. Atualmente, as indústrias estão utilizando este processo para obterem um aumento significativo na produtividade, destacando duas áreas de aplicação: nas operações de desbaste e acabamento de materiais não ferrosos e em operações de semi-acabamento e acabamento de materiais ferrosos.
estudaram a usinagem HSC nos Estados Unidos, Inglaterra e Alemanha e continuaram aprofundando o tema no Brasil em seus locais de origem e atuação. Dentre os laboratórios de pesquisa envolvidos por conta desse processo, que já perdura mais de 15 anos, são citados o Laboratório de Otimização de Processos de Fabricação (OPF), pertencente ao Núcleo de Manufatura Avançada (NUMA), da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP), o Laboratório de Sistemas Computacionais para Projeto e Manufatura (SCPM), da Universidade Metodista de Piracicaba (UNIMEP) e o Centro de Competência em Manufatura (CCM), do Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA).
O interesse em pesquisas sobre HSC aumentou ao longo da década de 1990 e tem se mostrado ativo no início do século XXI. A demonstração clara desse fato é ratificada pelo crescimento do número de artigos científicos e pela adoção cada vez maior da alta velocidade de corte nas indústrias de usinagem. Um bom indicador é o trabalho de Dewes e Aspinwall (1997) que revisaram de forma abrangente e profunda a aplicação do conceito HSC e seus efeitos na vida da ferramenta, acabamento superficial, precisão dimensional e custos.
Apesar da promissora expectativa que circunda a usinagem com altas velocidades de corte e de sua ascendente difusão no meio industrial, é visto que ainda há necessidade de se buscar respostas para aspectos mais voltados ao material usinado sob HSC, tais como possíveis alterações na integridade superficial e na usinabilidade da peça.
Além disso, inerente e anterior aos processos de usinagem existe o aspecto da concepção do material bruto por meio de seu processamento metalúrgico. Em geral, os materiais são concebidos por arranjos atômicos de diferentes elementos de liga e processos termomecânicos, como forjamento, laminação e extrusão para compor não apenas a forma do material bruto, mas também para obter uma microestrutura e propriedades mecânicas adequadas à sua aplicação.
1.1 Objetivos
Verificar a influência dos parâmetros de corte e das condições de usinagem (especialmente com alta velocidade de corte) na integridade superficial e na usinabilidade de um aço ferrítico com grãos ultrafinos, concebido em escala laboratorial por laminação a morno, com controle dos ciclos termomecânicos.
Mais detalhadamente, a meta foi estudar a usinagem desse produto confrontando duas rotas de processamento e oito propostas de usinagem. Empregou-se nos ensaios de laboratório o aço 0,15%C ferrítico com grãos ultrafinos obtidos por laminação a morno e o aço 0,15%C como recebido. Avaliou-se o mecanismo de formação de cavaco, a rugosidade, a microestrutura e dureza para os dois materiais mencionados adotando as oito condições de usinagem, dentre as quais são destaque as assumidas como “condição convencional” e “alta velocidade de corte”.
1.2 Justificativas
As razões que fundamentam essa pesquisa e, ao mesmo tempo, apresentam as justificativas do trabalho podem ser compreendidas segundo dois aspectos principais: o cenário científico mundial onde o tema se insere e o estudo estabelecido por uma parceria entre universidades (UNESP e UFSCar).
Referente à primeira justificativa, pode-se dizer que a relação entre processamento metalúrgico e usinagem nem sempre tem sido explorada de forma conjunta e estreita, embora estejam intimamente ligadas. A seguinte questão sintetiza o exposto acima: “Tendo sido projetados metalurgicamente os materiais, com o monitoramento de suas evoluções microestruturais para atingir as propriedades mecânicas e microestruturais desejadas, como fica a integridade superficial e usinabilidade desses produtos submetidos à usinagem HSC, onde altas taxas de deformação são aplicadas?”
Quanto ao segundo aspecto, também considerado aqui justificador da pesquisa, pode ser detalhado e ramificado nos seguintes pontos:
O trabalho é original, por estar o produto e método de refino de grão ainda em fase de investigação e aprimoramentos científicos;
Poucos centros de pesquisa, sobretudo no Brasil, têm equipamentos apropriados para a simulação física dos processos de conformação a morno. Uma parceria científica entre os laboratórios envolvidos representa novas perspectivas de pesquisa e uma aproximação cada vez maior entre engenharia de microestrutura e de fabricação;
Os estudos da integridade superficial e usinabilidade neste caso podem ser considerados uma extensão imediata da pesquisa de obtenção de um produto tecnológico recente e inovador no mercado.
Saber a resposta para a questão mencionada acima é pertinente, pois a qualidade do produto usinado quanto ao seu desempenho funcional e à segurança que proporciona durante sua aplicação depende também da forma como a peça foi usinada. O processo de cisalhamento no qual a peça é submetida em uma operação de usinagem pode representar uma interferência significativa em sua estrutura e afetar decisivamente suas propriedades, como resistência à fadiga e dureza, bem como causar tensões residuais indesejáveis, transformações de fases e alterações microestruturais. Daí, o processamento metalúrgico inicial pode ter sido alterado após a usinagem.
1.3 Estrutura do Trabalho
Este trabalho está dividido em seis capítulos, os quais estão descritos brevemente a seguir:
Capítulo 1: contextualização do tema, abordando a usinagem com alta velocidade de corte e seus possíveis efeitos sobre a usinabilidade e integridade superficial dos materiais estudados.
Capítulo 3: contempla os procedimentos experimentais e equipamentos utilizados para a realização dos ensaios de usinagem e coleta dos dados para análise das variáveis estudadas, dividindo-se em dois grupos: usinabilidade e integridade superficial.
Capítulo 4: apresenta os resultados da pesquisa, assim como a análise das variáveis de estudo deste trabalho. Há ainda a discussão decorrente destes resultados, juntamente com as explicações propostas pertinentes ao assunto. Estes resultados também estão divididos em duas frentes de análise: integridade superficial e usinabilidade.
Capítulo 5: trata das conclusões conseqüentes da análise dos resultados expostos no capítulo anteriore as recomendações para trabalho futuros.
2 REVISÃO DA LITERATURA
O conteúdo descrito a seguir trata dos principais temas relacionados à usinagem com altas velocidades de corte, abordando as definições sobre o assunto delineadas pelos principais pesquisadores da área, as aplicações mais usuais (apresentando vantagens e desvantagens deste tipo de usinagem), alguns aspectos fenomenológicos relativos à força e temperatura de corte, e mecanismo de formação de cavaco. Neste mesmo interim é inserto o contexto da usinabilidade dos materiais, suas definições, os tipos de ensaios, os métodos empregados e as variáveis que influem na usinabilidade. E fechando o foco da revisão da literatura, é feita a contextualização dos aços com grãos ultrafinos, assim como as formas de processamento e as respectivas aplicações industriais deste tipo de material.
2.1 Usinagem com Alta Velocidade de Corte
Usinagem de alta velocidade é considerada uma tecnologia de produção avançada com potencial de grande futuro. No entanto, como foi o caso de muitas outras realizações do progresso tecnológico, a conversão dos conhecimentos fundamentais em produtos industriais teve um período relativamente longo (SCHULZ, 1999). O crescente uso de novas tecnologias de fabricação tem se introduzido no meio industrial devido às necessidades de produção otimizada, capazes de garantir rapidez na cadeia produtiva e visando melhorias na concepção final do produto, agregando reduções de custo na fabricação, facilidade de se obter geometrias complexas e qualidade superficial, com o uso de processos de usinagem com altas velocidades.
2.1.1
Definições
altas velocidades (a priori HSM, high-speed machining, ou HSC, high-speed cutting) é
cercada por diversas opniões e distinções. Em princípio, HSC significa corte com alta velocidade e HSM, usinagem com altas velocidades. Estes termos pressupõem significados distintos tecnicamente. O primeiro sinaliza que apenas a velocidade de corte é aumentada no processo de usinagem. O segundo aponta para um conceito mais amplo, em que são requeridos outros característicos, além do aumento da velocidade de corte, tais como máquinas-ferramentas de alto desempenho, ferramentas de corte resistentes, acionamentos precisos e comandos numéricos mais rápidos e eficientes. Dessa forma, foram incorporados à sigla os diversos processos de usinagem que podem usufruir deste conceito, por exemplo, HSM (high-speed milling), HST (high-speed turning) e HSG (high-speed grinding).
HSM é na verdade uma tecnologia não convencional em que fatores como máquina, ferramenta de corte, material e forma da peça a ser usinada, além do próprio processo, interagem com o objetivo de obter resultados específicos nas operações de usinagem, de maneira muito mais rápida (SANTOS et al., 2003). O aumento da velocidade de corte nada mais é que uma consequência do surgimento de novos materias para ferramentas e da evolução das máquinas-ferramentas, cuja eficiência de produção e acréscimos nas velocidades de rotação têm aprimorado-se ao longo das últimas décadas. De acordo com o Instituto de Gerenciamento da Produção, Tecnologia e Máquinas-Ferramentas PTW (do alemão, Produktionsmangement, Technologie und
Werkzeugmaschinen), alta velocidade de corte é definida como a velocidade de corte
convencional multiplicada por um fator de 5 a 10 vezes (SCHULZ, 1999). Avançadas discussões ainda acontecem entre os pesquisadores para encontrar a fronteira entre usinagem convencional e com alta velocidade de corte (CHISTOFFEL, 2001). A definição entre zonas de baixa e alta velocidade de corte também é de difícil determinação (NOVASKI et al., 2001). Abaixo são apresentados valores de avanço e profundidade de usinagem comumente empregados na usinagem HSC, segundo Santos et al. (2003).
Profundidade de usinagem (ap): 0,01 a 0,5 mm
Largura de usinagem (ae): 0,05 a 4,0 mm
Avanço por dente (fz): até 0,25 mm/z
na Figura 2.1 alguns valores de referência bastante comuns neste tipo de usinagem (SCHULZ; ABELE; SAHAM, 2001).
Figura 2.1 - Faixas de velocidades de corte para diversos materiais.
Fonte: Modificado de Schulz, Abele e Sahm (2001).
A formação de cavaco também é diferente no processo de corte em altas velocidades, tornando-se assim um parâmetro para a determinação da faixa de velocidade em HSC. Em alta velocidade de corte, o cisalhamento do cavaco ocorre completamente na zona primária de cisalhamento (FLOM; KOMANDURI, 1989). Dessa forma, é possível estabelecer critérios de correlação entre velocidade de corte e formação de cavaco. O processo de formação de cavaco no campo HSC será detalhado adiante.
2.1.2
Aplicações e Características
no segmento de usinagem com alta velocidade estão focadas em quatro direções: mecanismos de desgaste da ferramenta, qualidade do acabamento da peça, mecanismos de formação de cavaco e problemas de usinagem de materiais endurecidos (DOLINŠEK;
EKINOVIĆ; KOPAĈ, 2004).
Os processos de usinagem envolvendo o conceito HSM vêm ampliando fronteiras e sua franca expansão deve-se principalmente à viabilização econômica favorável, adentrando, dessa maneira, o espaço dos processos convencionais de usinagem. Pode-se considerar três características como pontos-chave que tornaram HSM um processo vantajoso e competitivo, quando comparado aos processos convencionais (SANTOS et al., 2003):
Tempo de Usinagem;
Qualidade Superficial;
Baixas forças de corte.
Um dos processos com HSM mais difundidos é o fresamento de topo, tanto para moldes de aço e ferro fundido como para alumínio e ligas leves. Grande parte dos esforços de pesquisa neste sentido foram e são destinados à indústria aeroespacial, que, pela necessidade de fabricar peças em pequenos lotes, ou moldes para estampagem de baixo custo, ou ainda estruturas de ligas de titânio ou ligas leves, onde a manutenção da integridade estrutural dos componentes é essencial, acabam por tornar a HSM um processo atraente (FACCIO; BATALHA, 2004; PAWADE; HOSHI; BRAHMANKAR, 2008). Segundo os autores, avanços nas técnicas de construção de máquinas possibilitam a diversificação do uso do processo, seja por viabilidade econômica ou por vantagens de tempo e flexibilização. A tecnologia de usinagem com alta velocidade de corte vem sendo desenvolvida principalmente para as operações de fresamento, onde se encontra sua maior utilização (SCHÜTZER; SOUZA, 1999). Os autores mencionam que esta operação atende duas áreas da manufatura: as operações de desbaste e acabamento de materiais não ferrosos, visando baixas taxas de remoção de material, com aplicações nos setores aeronáutico, aeroespacial e automobilístico, e o semi-acabamento e acabamento de materiais ferrosos, visando à qualidade do acabamento das peças, com sua principal utilização pelos fabricantes de moldes e matrizes.
fabricação, custo e qualidade do produto são aprimorados. Dentre as aplicações da HSM destacam-se a produção de pequeno lote produtivo, moldes para fundição, matrizes para forjamento, moldes de injeção e moldes de sopro, eletrodos em grafite e cobre para a eletroerosão (HELLENO; SCHÜTZER, 2003). Atualmente o processo de manufatura de moldes e matrizes apresenta um elevado tempo de produção, uma vez que consiste na usinagem de superfícies complexas em material normalizado, com baixas velocidades de corte e avanço, endurecimento do material (tratamento térmico) após a usinagem e acabamento superficial manual, a fim de obter o acabamento final necessário (HELLENO; SCHÜTZER, 2004).
O barateamento dos componentes para fabricação de máquinas e das ferramentas, de 1990 em diante, tem favorecido o torneamento em HSM. Este processo é destinado, em grande parte, a componentes de ligas leves e ligas de titânio. A indústria aeroespacial voltou-se para essa possibilidade para a construção de peças de mísseis e outras estruturas cilíndricas feitas de materiais de dureza elevada (FACCIO; BATALHA, 2004). Os autores ainda consideram como proposições válidas ao processo de torneamento em materiais endurecidos com HSM as altas taxas de remoção de material, maior flexibilização do processo e características ecologicamente favoráveis durante a fabricação (mínima quantidade de lubricação ou nenhum fluido lubri-refrigerante para o corte, logo não exigindo instalações dispendiosas e nocivas ao meio ambiente).
As principais vantagens e limitações da técnica HSM são sintetizadas na Tabela 2.1 (CHRISTOFFEL, 2001; DEWES; ASPINWALL, 1997; SCHULZ, 1999; SCHULZ; ABELE; SAHM, 2001; SILVA, 2002; TÖNSHOFF et al., 2001).
Tabela 2.1 - Vantagens e limitações da aplicação da técnica HSM.
Vantagens Desvantagens
Altas taxas de remoção de material Maior desgaste das ferramentas Menores forças de corte Custos dos materiais mais elevados Menor distorção das peças Controle e máquinas caras
Melhor rugosidade Cuidado no balanceamento das ferramentas Menos vibrações mecânicas Baixa vida útil dos eixos das máquinas Dissipação de calor pelo cavaco Alto custo de manutenção
Melhor precisão Necessita mão de obra especializada
do alumínio, aço e ferro fundido cinzento, nesse caso cita-se em especial as operações de alargamento com alargadores, ao invés de mandrilamento de furos. Há aplicações que envolvem a usinagem de paredes finas, cujas pequenas forças de corte geradas permitem a usinagem sem deformá-las. Ainda há a usinagem de pequenos detalhes e cantos, processos de acabamento e semi-acabamento, principalmente perfis de alumínio para a fabricação de esquadrias.
A alta velocidade de corte é amplamente utilizada em operações de usinagem de materiais leves (como alumínio ou com partes a base de magnésio na produção em massa) e também aços estruturais e peças a partir de ferro fundido cinzento. Estas aplicações são intensamente utilizadas na indústria automobilística (DOLINŠEK; ŠUŠTARŠIĈ; KOPAĈ, 2001). Limido et al. (2007) acrescenta que na indústria aeronáutica a usinagem é utilizada para gerar peças submetidas à fadiga. Nos últimos anos, este processo evoluiu para a usinagem com altas velocidades, por tornar possível a melhora da produtividade desses componentes.
2.1.3
Fenomenologia
A análise da fenomenologia do processo de usinagem é importante, pois fatores como mecanismo de formação do cavaco, força de usinagem e temperatura de corte são influenciados diretamente pelo aumento da velocidade de corte. Os fenômenos que cercam a usinagem com altas velocidades de corte podem ser entendidos como resultado da interação entre material da peça, geometria da ferramenta, parâmetros de usinagem e comportamento elasto-plástico durante o processo de corte.
superficial e, por outro lado, sobre o desgaste de ferramentas (MABROUKI; RIGAL, 2006). Em outras palavras, o objetivo global é melhorar a eficiência da produção.
As características geométricas e metalúrgicas dos cavacos são representativas no desempenho do processo de usinagem. Não verdade, eles testemunham a maioria dos fenômenos físicos e térmicos que ocorrem durante a usinagem (SUTTER, 2005). Luo (2003) cita que o aumento na velocidade de corte causa uma mudança significativa no mecanismo de formação do cavaco, quando comparado com a formação do cavaco que ocorre na usinagem convencional. Dessa maneira, vale à pena fazer um comparativo entre estes dois mecanismos, objetivando entender as diferenças e as semelhanças apresentadas por eles para compreender o processo em si. Em suma, a análise do mecanismo de formação do cavaco é um instrumento eficaz para a compreensão mais profunda do processo de corte
(DOLINŠEK; EKINOVIĆ; KOPAĈ, 2004).
A formação do cavaco durante a usinagem de metais é um processo que envolve altas taxas de cisalhamento com uma alta taxa de deformação (SUTTER; RANC, 2007). O mecanismo de formação do cavaco em usinagem convencional é basicamente explicado por uma deformação cisalhante localizada no material da peça à frente da aresta de corte da ferramenta, na chamada zona primária de cisalhamento, no momento em que há a penetração da ferramenta na peça, iniciando a formação do cavaco (FLOM; KOMANDURI, 1989).
Com o aumento das tensões cisalhantes até um valor crítico, a deformação plástica atinge valores que permitem o escoamento do material sem que aconteça a sua fratura. Continuando a penetração da ferramenta na peça, ocorrerá a ruptura parcial ou total do material deformado na região de cisalhamento, dependendo da ductilidade e das condições de usinagem, formando o cavaco. Após esta etapa, penetrando-se a ferramenta ainda mais, o cavaco passa a escoar sobre a superfície de saída da ferramenta. Ao mesmo tempo, uma nova porção de material está sendo recalcada e cisalhada, garantindo a repetição do processo (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2000; FERRARESI, 1970).
Segundo Machado et al. (2009), este processo cíclico de formação de cavaco pode ser exemplificado em quatro etapas, sendo formada uma lamela de cavaco a cada ciclo.
Recalque (deformação elástica);
Deformação plástica;
Movimento sobre a superfície de saída da ferramenta.
A Figura 2.2 ilustra as etapas do processo de formação de cavaco apresentadas acima. O material é deformado pela ação do ângulo de saída da ferramenta (). Ao passar pelo plano de cisalhamento primário, a velocidade do material (vc) transforma-se em
velocidade do cavaco (v), e a espessura de corte (t1) dá origem a espessura do cavaco (t2).
é o ângulo de cisalhamento.
Figura 2.2 - Representação esquemática do mecanismo de formação do cavaco.
Fonte: Modificado de Astakhov (2005).
De acordo com Ning, Rahman e Wong (2001), existem alguns fatores que devem ser levados em consideração para analisar a formação do cavaco, como características metalúrgicas e termoplásticas do material da peça, condições de corte, variação da taxa de cisalhamento na zona primária, variações das condições de atrito na zona secundária de cisalhamento (interface cavaco-ferramenta) e a resposta da estrutura da máquina-ferramenta e suas interações com os processos de corte (fatores dinâmicos).
Além destes, Machado et al. (2009) complementam os fatores mencionados acima citando a geometria da ferramenta, em especial o ângulo de saída, velocidade de corte, avanço, profundidade de usinagem, inclusões presentes no material e rigidez da ferramenta. De acordo com os autores, os cavacos podem ser classificados em quatro tipos: contínuo, parcialmente contínuo, descontínuo e segmentado.
deformação cisalha na zona primária permanecendo com um formato homogêneo, sem se fragmentar. Geralmente este tipo de cavaco é encontrado na usinagem de materiais dúcteis. Cavacos parcialmente contínuos se enquadram num nível intermediário entre os cavacos contínuos e os descontínuos, onde a trinca propaga até certo ponto do plano de cisalhamento primário, devido à energia não ser suficiente para continuar a propagação ou por causa da existência de tensões de compressão que inibem o desenvolvimento da trinca (MACHADO et al., 2009). Apresentam grupos de lamelas bem distintos e justapostos, sendo conhecidos também como cavaco de cisalhamento (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2000; FERRARESI, 1970).
Os cavacos descontínuos ou de ruptura geralmente ocorrem na usinagem de materiais frágeis, como o bronze e os ferros fundidos cinzentos, pois não suportam grandes deformações sem fratura. Porém, pode acontecer em materiais semi-dúcteis, devido às baixas velocidades de corte, ângulo de saída pequeno e grandes avanços (MACHADO et al., 2009). Apresentam-se formados por fragmentos arrancados da peça usinada (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2000; FERRARESI, 1970).
Por fim, os cavacos segmentados apresentam grandes deformações continuadas em estreitas bandas entre os segmentos os quais apresenta pouca ou quase nenhuma deformação. É um processo muito diferente de formação quando comparado ao de formação do cavaco contínuo (MACHADO et al., 2009). Dessa forma, será tratado adiante com mais detalhe dentro dos mecanismos de formação do cavaco em usinagem HSC, por aparecer com maior freqüência nestas condições de corte.
Sob certas condições, a deformação do cavaco é não homogênea, embora o cavaco apresente-se contínuo. Segundo Shaw (1997), há dois tipos de formação de cavaco envolvendo deformações não homogêneas.
1) Corte envolvendo cisalhamento adiabático; 2) Corte envolvendo fratura e resoldagem.
O autor explica que o corte com cisalhamento adiabático ocorre em materiais com pobres propriedades térmicas (baixo calor específico e baixa condutividade térmica), média a alta energia específica e uma tendência de amolecimento a elevadas temperaturas. O corte envolvendo cisalhamento adiabático é característico de materiais usinados com alta velocidade de corte.
2003). Flom e Komanduri (1989) e Schulz (2001) indicam apenas dois tipos de cavacos na usinagem com altas velocidades de corte, o contínuo e o segmentado, sendo dependentes do material usinado e das condições metalúrgicas da peça. A Figura 2.3 ilustra a morfologia do cavaco obtido na usinagem convencional e em alta velocidade do aço X63CrMoV51 temperado, onde fseg é a frequência de segmentação do cavaco.
Figura 2.3 - Morfologia do cavaco na região de velocidade convencional e alta velocidade.
Fonte:Modificado de Dolinšek, Ekinović e Kopaĉ (2004).
Os cavacos contínuos apresentam as mesmas características descritas na usinagem convencional. Normalmente, surgem na usinagem de materiais de estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (aços baixo-carbono) ou face centrada (ligas de alumínio), com alta difusividade térmica e baixa dureza (FLOM; KOMANDURI, 1989).
Apesar de Kishawy et al. (2005) afirmarem que as ligas à base de alumínio apresentam sempre cavacos contínuos quando usinadas em condições normais, os autores alertam para este tipo de liga (A356) tratada termicamente. Segundo eles, um tratamento térmico de envelhecimento, por exemplo, pode levar à formação do cavaco segmentado. Por outro lado, Klocke e Hoppe (2001) asseguram que o aumento da velocidade de corte na usinagem de aços e ligas de alumínio provoca a mudança do cavaco do tipo contínuo para o tipo segmentado.
1585 m/min. Todavia, presenciaram uma alteração na morfologia do cavaco devido a alterações no avanço, pois quanto maior, mais o cisalhamento localizado fora evidente, acarretando a formação do cavaco segmentado.
Cavacos segmentados geralmente aparecem na usinagem de materiais que apresentam baixa difusividade térmica, estrutura cristalina hexagonal compacta e alta dureza, por exemplo, ligas de titânio e superligas à base de níquel. Ligas de aços endurecidos (CCC) também geram cavacos segmentados (FLOM; KOMANDURI, 1989).
Um parâmetro denominado grau de segmentação do cavaco (GS) apresenta
quantitativamente a transição do cavaco do tipo contínuo para o segmentado. Pode ser definido pela Equação 2.1.
1 2 1 s
h h h
G (2.1)
na qual h1 representa a altura total do cavaco e h2 corresponde à altura de ligamento das
lamelas . Estas variáveis ficam evidentes na Figura 2.4.
Figura 2.4 - Definição do grau de segmentação do cavaco.
Fonte: Schulz, Abele e Sahm (2001).
Pesquisas realizadas por Bäker, Rösler e Siemers (2003) analisaram a influência da condutividade térmica no processo de formação do cavaco segmentado. Eles verificaram que um aumento na condutividade térmica provoca uma diminuição no grau de segmentação, ocasionando um aumento nas forças de corte.
porém as propriedades microestruturais destes materiais foram decisivas no tipo de cavaco formado (contínuo ou segmentado).
Outra pesquisa envolvendo o estudo da morfologia do cavaco produzido na usinagem HSC foi realizada por Kishawy e Becze (2002), no fresamento em altas velocidades de corte para o aço D2 (751 HV), empregado na fabricação de moldes e matrizes. Foram utilizadas fresas de ponta esférica com insertos de metal duro revestidos e CBN. A faixa de velocidades aplicadas no processo foi de 50 a 317 m/min. Em todas elas, obtiveram-se cavacos segmentados.
A força de usinagem tem relação direta com a velocidade de corte e, por este motivo, apresenta-se a seguir alguns aspectos relacionados a este tema. A obtenção das forças presentes nos processos de usinagem possui grande importância, pelo fato de determinarem a potência necessária para o corte, sendo utilizadas no projeto de máquinas-ferramentas e também servirem como um indicativo da usinabilidade dos materiais, pois quanto maior a força empregada, mais difícil tende a ser a usinagem do material. Esta medição normalmente ocorre por meio do emprego de dinamômetros extensométricos ou piezelétricos (MACHADO et al., 2009).
A força de usinagem (Fu) é a soma vetorial das forças presentes no processo de
usinagem. Estas forças são classificadas, segundo Ferraresi (1970) e Diniz, Marcondes e Coppini (2000) em forças ativas (Ft) e passivas ou de profundidade (Fp). A força de
usinagem ainda pode ser decomposta em força de corte (Fc), força de avanço (Ff) e força de
apoio (Fap). A Figura 2.5 apresenta estas componentes da força de usinagem e em seguida
Figura 2.5 - Força de usinagem e suas componentes.
A força de corte é a projeção da força de usinagem sobre a direção de corte. A Ff é a projeção de Fu sobre a direção de avanço. A Fap é definida como a projeção de Fu
sobre a direção perpendicular à direção de avanço, pertencente ao plano de trabalho (FERRARESI, 1970).
Além destas forças ativas, a força passiva apesar de não contribuir para a potência de usinagem, é importante por ser responsável pela deflexão elástica da peça e da ferramenta durante o corte. Dessa forma, ela é definida como uma projeção da força de usinagem perpendicular ao plano de trabalho. Vale ressaltar que estas definições estão baseadas na norma DIN 6584 (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2000).
Apesar deste número de componentes de forças derivadas da força de usinagem, durante o processo de usinagem, a força de corte é considerada dominante (BLACK, 1989). Deste modo, muitos artigos referem-se à queda na força de corte durante o aumento na velocidade de corte, ao invés de utilizar o termo força de usinagem, mesmo elas possuindo uma relação direta.
de corte até um valor de aproximadamente 3000 m/min para a velocidade de corte, a partir da qual a força aumenta lentamente. Em contradição aos resultados apresentados acima, a usinagem do titânio apresenta os valores de força de corte praticamente invariáveis com a elevação da velocidade.
Atualmente, muitos resultados têm convergido para uma queda na força de corte com o aumento da velocidade de corte. Segundo Toh (2006), a principal razão deste acontecimento é o aumento da temperatura na região de corte, o que ocasiona a redução do limite de escoamento do material, além da diminuição da espessura do cavaco e redução do comprimento de contato entre a ferramenta e o cavaco. Seu trabalho consistiu num processo de fresamento com alta velocidade de aços endurecidos do tipo AISI H13. O autor notou uma diminuição no coeficiente de atrito na interface cavaco/ferramenta e um aumento no ângulo de cisalhamento em razão do acréscimo na velocidade de corte, provocando uma diminuição da força de corte.
Bäker (2006) simulando as forças de corte, por análise de elementos finitos, constatou que o aumento da velocidade de corte para uma liga de titânio Ti6Al4V reduziu a força de corte, que pode ser entendida como um efeito do amolecimento térmico provocando a redução do limite de escoamento do material, além disso, observou-se que o consequente aumento do ângulo de cisalhamento na zona primária reduziu a quantidade de deformação plástica necessária para deformar o cavaco, ou seja, a transição do cavaco contínuo para segmentado provocou a redução na força de corte.
Wang, Wong e Rahaman (2005) variando a velocidade de corte, o avanço e a profundidade de usinagem no fresamento de liga de titânio Ti6Al4V usando pastilhas de CBN observaram que com o aumento da profundidade de usinagem e avanço, as forças de corte também aumentam, porém, o aumento da velocidade de corte levou à diminuição da força de corte. No entanto, o efeito da velocidade de corte foi menor que o gerado pelo avanço e profundidade de usinagem. Com o aumento da velocidade de corte, a temperatura na interface cavaco-ferramenta aumenta, causando o amolecimento do material da peça, facilitando a deformação do cavaco e reduzindo sua espessura.
possível queda na temperatura de corte com o aumento sucessivo de vc, tal como apontou
Salomon em seus estudos?
Esta hipótese de redução na temperatura com o aumento da velocidade de corte certamente é um dos motivos de grandes discussões envolvendo a usinagem HSC. Dessa forma, esta proposição merece destaque e será mais detalhadamente discutida a seguir.
Como já mencionado no Capítulo 1, o estudo da alta velocidade de corte iniciou-se com Carl J. Salomon na Alemanha. Assim, desde a década de 1930, quando Salomon iniciou suas pesquisas, até hoje ainda não se sabe “em tese” sobre o comportamento da temperatura na região de corte durante a usinagem HSC. Sendo assim, diversos estudos têm sido realizados objetivando analisar a variação da temperatura em função da velocidade de corte.
A principal questão a ser feita sobre os estudos de Salomon é onde ele teria medido a temperatura. Tudo leva a crer que Salomon realizou as medidas de temperatura nas próprias peças usinadas, pois experiências têm mostrado que devido ao aumento da velocidade de corte, o tempo de contato entre ferramenta e cavaco diminui, acarretando uma menor troca de calor entre eles e permitindo uma queda na temperatura da peça, pois praticamente todo o calor gerado é dissipado pelo cavaco.
Figura 2.6 - Fontes de geração de calor no processo de corte ortogonal.
O entendimento do que acontece nas três regiões do processo de corte, representadas na Figura 2.6, envolve, de acordo com Shaw (1997), os conhecimentos de várias áreas da ciência e da engenharia, entre elas:
Física do estado sólido;
Comportamento dos materiais;
Fundamentos de lubrificação, atrito e desgaste; Conceitos básicos de química e física;
Princípios de metalurgia física;
Termodinâmica e transferência de calor.
A remoção de material em um curto espaço de tempo aumenta a geração de calor na zona de corte. Praticamente toda a energia gasta no corte de metais é transformada em calor, perto da ponta da ferramenta. A concentração de calor na área de contato pode afetar a precisão dimensional da peça, influenciar o desempenho das ferramentas ou levar a danos importantes na ferramenta e ruptura (SUTTER et al., 2003).
Assim, de acordo com Flom e Komanduri (1989), os resultados obtidos em diversas pesquisas indicam um aumento da temperatura na interface cavaco/ferramenta devido ao acréscimo da velocidade de corte, aproximando-se do ponto de fusão do material. Um exemplo são as ligas de alumínio, que possuem baixo ponto de fusão, aproximadamente 540ºC, pois apresenta a baixa temperatura de fusão como a grande limitação no emprego de velocidades de corte maiores.
Sutter et al. (2003) cita que tentativas para determinar a temperatura na interface cavaco-ferramenta foram feitas por medição direta. Muitos pesquisadores têm desenvolvido várias técnicas para avaliar a temperatura de corte durante os processos de usinagem em alta velocidade. Pode-se mencionar, por exemplo, termopares incorporados ao material da peça ou à ferramenta, mudança na dureza da superfície da peça após a usinagem e análise por infravermelho.
Um trabalho envolvendo o torneamento em alta velocidade de corte foi realizado por Abukhshim, Mativenga e Sheikh (2005) com ligas de aço de alta resistência (SAE 4140). Nestes experimentos, os autores analisaram o efeito da velocidade de corte sobre a distribuição de temperatura na interface cavaco-ferramenta, o tamanho da área de contato entre a ferramenta e o cavaco, notando um incremento de 36% para a faixa HSC. Foi utilizada uma ampla faixa de velocidades de corte, entre 200 e 1200 m/min.
Longbottom e Lanham (2006) publicaram uma coletânea de resultados produzidos por outros pesquisadores a respeito da influência da velocidade de corte na temperatura. Os autores deram uma atenção especial aos estudos realizados por Salomon, dividindo os artigos citados por eles em duas vertentes, uma concordando com a teoria de Salomon e outra discordando.
Palmai (1987) concorda com a teoria de Salomon, entretanto apenas para as operações de corte intermitente, como por exemplo, o fresamento. Neste caso, a camada superficial da ferramenta é aquecida e resfriada periodicamente, devido à entrada e saída da ferramenta na peça. Porém, em decorrência do aumento na velocidade de corte, este tempo de aquecimento torna-se cada vez menor, possibilitando a diminuição da temperatura de corte. Schulz (1984) apontou como uma das vantagens da usinagem HSC a queda da temperatura na peça usinada, ocasionada em razão da grande quantidade de calor removida pelo cavaco. Ele, porém, não faz nenhuma referência aos estudos de Salomon.
2.2 Usinabilidade dos Materiais
O mundo globalizado tem feito as indústrias entrarem numa busca incessante pela redução dos custos de produção, de forma a serem competitivas internacionalmente. Dentro desta filosofia, as indústrias de autopeças e metal-mecânica precisam obter índices de produção internacionais em produtividade, qualidade e custos de fabricação (LUIZ; GALVANINI; MACHADO, 2003). A análise da usinabilidade dos materiais tornou-se desde seus primóridos um item indiscutivelmente necessário à garantia da viabilidade de novos processos, criação de novos materiais e aprimoramento de ferramentas e máquinas operatrizes, sendo estas últimas acompanhadas de evoluções inerentes ao controle, rigidez e flexibilidade para execução de peças de dimensões mais variadas possíveis, com rapidez e segurança.
2.2.1
Definições
usinagem a outros meios de fabricação. Matsumoto, Minatogawa e Gallego (2005) simplificam usinabilidade como o grau de dificuldade em usinar um determinado material. No entanto, a avaliação quantitativa deste parâmetro é um problema de dificuldade consideravel, pois inúmeros são os fatores envolvidos (RODRIGUES et al., 2009).
Baptista (2002) cita que a usinabilidade depende de diversos fatores dos próprios processos de usinagem, ou seja: velocidade de corte, avanço, profundidade de usinagem, ferramenta, máquina operatriz e fluidos de corte. A usinabilidade é o resultado da interação do metal com a operação de usinagem (MESQUITA; BARBOSA, 2005). Para Ferraresi (1970), a usinabilidade não é uma propriedade intrínseca do material, como a resistência à tração, o alongamento, o módulo de elasticidade, etc, mas sim um indicador comparativo entre os materiais em relação à facilidade de serem usinados.
Segundo Silva et al. (2005), além de quantificar a facilicidade ou dificuldade de se usinar um certo material, a usinabilidade é também usada para quantificar o desempenho das ferramentas de corte e geometria das ferramentas, principalmente em termos de vida, como também a performance de fluidos de corte durante as operações de usinagem. Outras variáveis, tais como as forças de usinagem, energia de corte requerida na usinagem, acabamento da peça, taxa e nível de desgaste da ferramenta, temperatura de corte e controle do cavaco são também geralmente considerados como medida de usinabilidade.
Num contexto geral é bom ter em mente quais fatores estão sendo considerados quando da avaliação da usinabilidade de um material, pois a utilização de fatores diferentes pode resultar em contradições com aqueles adotados anteriormente. A grande importância do conhecimento da usinabilidade dos materiais está na busca do melhor aproveitamento possível do conjunto material da peça, ferramenta de corte e máquina-ferramenta, visando uma maior produtividade e, consequentemente, um maior lucro (PAULO, 2008).
Quanto aos métodos de ensaio para determinação dos índices de usinabilidade, estes podem ser divididos em ensaios de longa duração e de curta duração, sendo que só os últimos fornecem resultados num intervalo de tempo pequeno e com reduzido consumo de material. No entanto, os ensaios de longa duração são os que melhor representam as condições reais de usinagem, porém, por questões de economia, tempo e equipamentos, são inviáveis para realização na indústria (CONSALTER; GUEDES; PUREY, 1987).
