PROPOSTA DE UM PORTA-FERRAMENTAS MODIFICADO
PARA OPERAÇÕES DE USINAGEM
Marcus Vinicius Fernandes de Oliveira [Bolsista Pibic/ Fundação Araucária] 1, Carlos Elias da Silva Junior [Orientador] 1, Rodrigo Henriques Lopes da Silva [Co-orientador] 1, Rodrigo
Costa da Silva [Colaborador] 1 1
Coordenação do Curso de Engenharia Mecânica - COEME Campus Cornélio Procópio
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Avenida Alberto Carazzai, 1640 CEP 86300-000 - Cornélio Procópio - PR - Brasil
{Marcus Vinicius Fernandes de Oliveira} marcusfernandesss@yahoo.com, {Carlos Elias da Silva Junior} cesilva@utfpr.edu.br, {Rodrigo Henriques Lopes da Silva} rodrigolopes@utfpr.edu.br, {Rodrigo Costa da
Silva} rodrigo_costa2007@yahoo.com.br.
Resumo - Atualmente há na indústria a necessidade de elevar a produtividade para aumentar a competitividade.
Para isso é essencial que as ferramentas de corte durem mais e mantenham a qualidade de acabamento do componente usinado. A solução para elevar a produtividade é aumentar as velocidades de corte, o avanço e a profundidade de usinagem, o que torna o processo de usinagem mais rápido. Porém, com isso obtêm-se maiores temperaturas de corte devido ao atrito e ao calor gerados na interface peça-ferramenta. Este calor pode ser prejudicial aos resultados do processo, pois pode reduzir a dureza da ferramenta e aumentar o desgaste da mesma. Uma das soluções empregadas para reduzir este desgaste é utilizar métodos de refrigeração e lubrificação para reduzir a temperatura de corte. Muitas vezes a utilização convencional do fluido de corte não é eficiente na redução da temperatura de corte em processos de alta produtividade. Estas desvantagens tem motivado a pesquisa de métodos alternativos de refrigeração, como a refrigeração criogênica, o método MQL, a refrigeração utilizando ar comprimido e até o emprego de lubrificante sólido.
Palavras-chave: Usinagem; Torneamento; Refrigeração; Desgaste.
Abstract - There is a current need for industries to elevate productivity to become more competitive. For such
purpose, it is essential for cutting tools to last longer, and to maintain the product’s quality. The solution to elevate productivity is to raise the cutting speeds, the feed rate and the depth of cut, in order to make the machining process faster. However, with such features come high cutting temperatures due to the attrition and the heat generated on the tool/part interface. Such heat may be harmful to the processes’ results, since high temperatures may reduce the mechanical resistance of tool and cause it to wear quicker. One of the solutions used to reduce such quick wear is to use cooling and lubricating methods to reduce the tool/part interface’s temperature. There is a great quantity of cooling methods under research, due to the negative impact that the conventional methods cause to the environment and operators. The use of conventional cutting fluid is often not efficient in reducing cutting temperatures through high productivity processes. All said disadvantages have been motivating a research for alternative cooling methods, such as cryogenic refrigeration, MQL, cooling by use of compressed air and solid lubricants.
INTRODUÇÃO
Nos processos de usinagem a ocorrência do desgaste da ferramenta é o fator determinante de parada da operação. No ambiente industrial, a necessidade atual de elevação da produtividade para obtenção de maior competitividade. exige que que as ferramentas de corte durem mais e ao mesmo tempo mantenham a qualidade do produto. A solução para elevar a produtividade é aumentar a velocidades de corte, o avanço e a profundidade de usinagem, o que torna o processo de usinagem mais rápido. Porém, com isso obtêm-se maiores temperaturas de corte devido ao atrito e calor gerados na interface peça-ferramenta. Este calor pode ser prejudicial aos resultados do processo, pois altas temperaturas podem reduzir a dureza da ferramenta e aumentar o desgaste da mesma.
Uma das soluções empregadas para reduzir este desgaste é utilizar métodos de refrigeração e lubrificação para reduzir a temperatura na interface peça-ferramenta. Existe uma grande quantidade de métodos de refrigeração sendo pesquisados, devido aos impactos negativos que o método convencional por inundação proporcionam ao meio ambiente e ao operador. Além disso, o método convencional de emprego do fluido de corte por inundação muitas vezes não é eficiente na redução da temperatura de corte em processos de alta produtividade. Todas estas desvantagens tem motivado a pesquisa de métodos alternativos de refrigeração, como, por exemplo, a refrigeração criogênica, o método MQL (mínima quantidade de fluido), a refrigeração utilizando ar comprimido e o emprego de lubrificante sólido.
Neste trabalho é proposto o emprego de um sistema de refrigeração da ferramenta composto por um porta-ferramentas de geometria modificada, o qual permite a circulação interna de um fluido de corte aquecido (ou então, de um fluido a baixas temperaturas), na tentativa de minimizar os efeitos negativos decorrentes de uma grande variação da temperatura da ferramenta característicos do corte interrompido, como, por exemplo, a ocorrência de trincas térmicas na mesma.
O objetivo deste trabalho é estudar os possíveis benefícios, em termos de redução do desgaste da ferramenta, de se empregar dois tipos de fluidos de corte circulando internamente, em circuito fechado, no porta-ferramentas modificado.
A produtividade e a economia no processo de usinagem são significativamente afetados pela vida das ferramentas de corte. As ferramentas podem falhar pela ocorrência de avarias ou por desgastes [1]. O desgaste da ferramenta de corte afeta diretamente a qualidade da peça usinada, aumentando a sua rugosidade superficial. Em um processo de usinagem com parâmetros controlados, é possível mensurar este desgaste. Os fenômenos mais comuns que conduzem à perda e à substituição da aresta de corte são: quebra, deformação plástica ou desgaste gradual [2].
No decorrer da usinagem a ferramenta sofre desgaste de flanco e de cratera, respectivamente, nas suas superfícies de folga e de saída. Segundo os critérios determinados pela norma ISO 3685 (1993) [3], o fim de vida da ferramenta de corte de metal duro será atingido quando o valor do seu desgaste de flanco VBB for igual a 0,30 mm (ou quando o seu valor máximo, VBBmax, for igual a 0,60 mm) ou então, alternativamente, quando o desgaste de cratera desenvolvido na superfície de saída da ferramenta tiver profundidade maior ou igual ao valor obtido na equação (1), em que f representa o valor do avanço utilizado [1]. A condição de desgaste que for atingida primeiro durante a operação de usinagem será o critério de final de vida adotado. A localização dos parâmetros VBBmax e KT são mostrados esquematicamente na figura 1. Entre os desgastes citados, o desgaste de flanco é o mais importante, porque aumenta as forças de corte e os problemas relacionados [2].
Figura 1. Parâmetros usados para medir os desgastes da ferramenta de corte[1].
A identificação dos mecanismos de desgaste não é nada simples e a maioria das interpretações está sujeita a controvérsias. Sabe-se que é possível diminuir bastante estes efeitos para aumentar a vida útil das ferramentas de corte, utilizando-se para isso os fluidos de corte. A utilização de fluidos refrigerantes ajuda na melhoria do acabamento superficial da peça, promovem a quebra e o transporte do cavaco, lubrificam e resfriam a ferramenta de corte, contribuindo assim para a diminuição do seu desgaste [4]. No entanto, causam problemas no ambiente de trabalho e ao meio ambiente devido ao descarte que pode acarretar problemas de contaminação ambiental, desrespeito à legislação e de segurança no trabalho devido ao contato do fluido com o operador da máquina-ferramenta5. Neste contexto, procuram-se novas alternativas para atender a crescente demanda da indústria metal-mecânica.
Várias alternativas estão sendo desenvolvidas nos últimos anos para minimizar o desgaste da ferramenta por meio da diminuição da temperatura na zona de corte. O tradicional método utilizado é a refrigeração externa através do fluido de corte. Alternativas de refrigeração e lubrificação como o resfriamento criogênico, refrigerantes e lubrificantes sólidos, mínima quantidade de lubrificação (MQL), refrigerantes de alta pressão, refrigeração interna da ferramenta e utilização de ar ou gases comprimidos, são testadas pelos pesquisadores pela sua capacidade de manter a temperatura baixa durante o processo de usinagem [6]. A seguir, são apresentadas algumas dessas alternativas de refrigeração para o processo de usinagem.
O método de refrigeração tradicionalmente encontrado no processo de usinagem é o método de inundação. Este método, apesar de muito utilizado, apresenta inconvenientes, principalmente pelos efeitos negativos que fluido de corte pode gerar ao operador e ao meio ambiente [6]. Os elevados custos de armazenamento, reciclagem e descarte, são agregados ao custo do processo de usinagem. Estima-se que o custo de refrigeração representa entre 7%-17% do custo total do processo [7].
A maior parte da energia gerada no processo usinagem é transformada em calor que gera altas temperaturas na região de corte. A solução mais utilizada para minimizar este efeito é a aplicação do fluido de corte, que ajuda a reduzir estas temperaturas, reduzindo o desgaste da ferramenta e aumentando sua vida útil. Porém, estudos tem mostrado que esta aplicação não é tão eficiente, pois o fluido de corte não consegue penetrar na interface cavaco-ferramenta, principalmente quando são utilizadas altas velocidades de corte [8].
Nas décadas de 60 e 70 surgiram trabalhos descrevendo os resultados obtidos pela utilização da refrigeração criogênica como, por exemplo, redução da força e da temperatura de corte, o aumento da vida da ferramenta e da integridade superficial da peça usinada [8].
A criogenia é assim denominada por trabalhar com temperaturas muito baixas (cerca de -150°C). Para isso utiliza-se o gás nitrogênio no estado líquido (LN2). A sua principal característica é a remoção eficaz de calor da zona de corte, além de diminuir o atrito entre o cavaco e a interface da ferramenta, ajudar na quebra do cavaco e melhorar a rugosidade da peça. O resfriamento criogênico pode ser utilizado das mais diversas formas, como por exemplo: para realizar um pré-resfriamento do corpo de prova; para realizar um resfriamento direto ou indireto por jato criogênico; para realizar um resfriamento por injeção de nitrogênio líquido na zona de corte por inundação ou através de micro-orifícios na interface da ferramenta [9].
Comparativamente aos métodos de usinagem a seco e de refrigeração por inundação, o processo de resfriamento criogênico mostrou-se eficiente em reduzir o desgaste de flanco (VBB) e apresentar qualidade superficial do componente usinado superior à obtida pelos outros processos [8]. Isto pode ser explicado devido a criogenia reduzir o desgaste do flanco secundário da ferramenta (VS), que é um parâmetro importante para a precisão dimensional e acabamento superficial da peça [10].
Uma alternativa bastante pesquisada é a utilização do MQL, mínima quantidade de lubrificante, e MQCL, mínima quantidade de lubrificante refrigerado, que são métodos de refrigeração que utilizam uma quantidade de fluido muito inferior à utilizada na refrigeração por inundação. O diferencial que torna o processo eficiente é a maneira pela qual o fluido é aplicado.
A utilização de MQCL em alguns casos conseguiu aumentar em 57% a vida da ferramenta em relação à usinagem a seco, o que pode ser explicado pelo fato do MQCL reduzir o desgaste da ferramenta. A redução da força de corte pode ser atribuída à baixa força de atrito nas interfaces cavaco-ferramenta e ferramenta-peça e ao desgaste relativamente baixo. Estas reduções podem ser explicadas pela alta eficiência no processo de lubrificação e refrigeração durante a usinagem [11].
O jato de MQL é utilizado principalmente nas superfícies de folga e de flanco para proteger o flanco auxiliar da ferramenta do desgaste, responsável pela precisão dimensional do processo. Entretanto, para evitar o desgaste do flanco auxiliar, o MQL remove calor da zona corte por transferência de calor convectiva e evaporativa. A melhor maneira de obter os resultados esperados do MQL é determinando cuidadosamente os melhores parâmetros de aplicação, como a pressão do bocal, o número de pulsos e a quantidade de fluido de corte em cada pulso[6].
METODOLOGIA
O porta-ferramentas modificado é mostrado esquematicamente na figura 2. Nos ensaios de usinagem, realizou-se a circulação interna de uma mistura de gelo seco e etanol, a fim de refrigerá-lo para reduzir a temperatura gerada na ferramenta de corte e também de uma mistura de fluido de corte e água aquecidos, com a finalidade de reduzir o gradiente de temperatura gerado na ferramenta durante o processo. Estas misturas, ao circularem no porta-ferramentas, entram em contato com uma placa de cobre posicionada sob o inserto de metal duro, trocando calor com a mesma e sendo resfriada (ou aquecida) ao retornarem para o reservatório do fluido.
Figura 2. Representação esquemática do porta-ferramentas refrigerado internamente.
Na montagem do sistema de circulação do fluido resfriado foram utilizadas mangueiras de látex (popularmente conhecida com “tripa de mico”), capazes de resistir à baixa temperatura sem endurecer, permitindo que o fluido circulasse do reservatório superior, posicionado em um local mais elevado, utilizando-se a força da gravidade para promover a circulação da mistura, retornando o líquido para o reservatório inferior, como mostra o desenho esquemático da figura 3.
Figura 3. Desenho esquemático do banco de ensaios para fluido refrigerado.
No sistema de circulação de fluido aquecido foram utilizadas as mesmas mangueiras do sistema refrigerado, sofrendo algumas modificações apenas no reservatório inferior. Foram inseridas duas resistências elétricas de 2000W para aquecer o fluido no reservatório e foi utilizada a própria bomba do torno para promover a circulação do fluido aquecido como mostra a figura 4. superior inferior saída do fluido lâmina de cobre reservatório do fluido lâmina de cobre inserto presilha entrada do fluido
Figura 4. Desenho esquemático do banco de ensaios para fluido aquecido.
Na realização dos ensaios foram utilizados: três corpos de prova circulares de aço ABNT 1045 trefilado, ambos com as dimensões 76,30 x 285,00 mm (diâmetro x comprimento); o porta-ferramentas modificado; insertos de metal duro (TPUN 160308 - IC20 da ISCAR®), torno mecânico da marca Nardini (modelo MASCOTE 30®) e um sistema de aquecimento do fluido por meio de resistências elétricas, além dos insertos de metal duro com três arestas de corte cada. Para mensurar os desgastes resultantes nos insertos, empregou-se um microscópio digital conectado a um computador e também um relógio comparador para verificar a profundidade do desgaste de cratera. Vale ressaltar que pela primeira vez todos os ensaios foram realizados na oficina mecânica da UTFPR – Câmpus Cornélio Procópio.
O corpo de prova utilizado possui ranhuras para simular um corte intermitente, pois durante o corte, o inserto aquece no período em que mantém contato com a peça e, a seguir, resfria no intervalo que avança entre as ranhuras sem manter contato com a peça. O ciclo contínuo de aquecimento e resfriamento da ferramenta pode gerar avarias na mesma devido ao gradiente de temperatura, o que pode reduzir a vida da ferramenta. O gradiente de temperatura na interface cavaco/ferramenta leva à modificação da distribuição de tensão na região de corte. Esta modificação pode promover o aparecimento de trincas térmicas ou trincas por fadiga [1].
A aquisição de dados foi realizada após cada passe de usinagem. Ao término de cada passe foram medidos os desgastes de cratera e de flanco da ferramenta, utilizando os critérios de fim de vida determinados pela norma ISO 3685 (1993), a qual estabelece o fim de vida da ferramenta por desgaste de flanco quando VBBmax ≥ 0,60 mm enquanto que o fim de vida para desgaste de cratera é dado pela Eq. 1, em função do avanço (f) utilizado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O gráfico apresentado na figura 5 mostra a comparação das evoluções do desgaste de cratera e do desgaste de flanco obtidos em cada passe de usinagem. Para que seja atingido o fim de vida da ferramenta por craterização, a profundidade da cratera deve ser maior do que 0,09 mm, para um avanço de 0,116 mm/rev e maior do que 0,13 mm, para um avanço de 0,223 mm/rev.
A predominância do desgaste de cratera pode ser explicada pelo fato da ferramenta utilizada ser de metal duro da classe K e o corpo de prova ser de aço. Os metais duros da classe K contêm carboneto de tungstênio (WC) e Cobalto (Co). Essa combinação WC + Co não é eficiente na usinagem de aços devido à sua baixa resistência ao desgaste difusivo na superfície de saída [1]. Outro fator que pode ter provocado o desgaste de cratera foi a possível
ocorrência de vibração na ferramenta, pelo fato do raio de ponta utilizado (rε = 0,8 mm) ser
muito maior do que os avanços utilizados (f = 0,116 mm/volta e f = 0,223 mm/volta). Além disso, a utilização de um avanço maior resulta em uma maior seção transversal de corte (ap x
fc), aumentando a área de contato entre o cavaco e a ferramenta e, por consequência,
aumentando também o atrito na superfície de saída da ferramenta, o que contribui para o aumento da craterização.
Figura 5. Evolução dos desgastes da ferramenta. CONCLUSÕES
À partir da análise dos dados obtidos neste trabalho e também em trabalhos anteriores [12] não foi possível obter uma conclusão definitiva se o método proposto realmente é viável, devido a seu elevado custo e pelo fato de produzir resultados semelhantes aos da usinagem à seco. Na condição de maior avanço e fluido externo, o tempo de contato ferramenta-peca não foi suficiente para o desenvolvimento da craterização, resultando em uma maior quantidade de passes de usinagem antes da ocorrência do fim de vida da ferramenta. Como sugestão para futuros trabalhos, seria interessante comparar os resultados obtidos neste trabalho com os resultados de ensaios utilizando um inserto de metal duro da classe P, mais adequado para a usinagem do aço.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, gostaria de agradecer a Deus pela graça de conseguir chegar até onde cheguei. Gostaria de agradecer também a Fundação Araucária que juntamente com a UTFPR que nos deu amparo e apoio necessários para que fosse possível realizar este trabalho.
REFERÊNCIAS
[1] MACHADO, Alisson R. et al. Teoria da usinagem dos materiais. São Paulo: Edgard Blucher, 2009.
[2] DHAR, N.R.; PAUL, S.; CHATTOPADHYAY, A.B. The influence of cryogenic cooling on tool wear, dimensional accuracy and surface finish in turning AISI 1040 and E4340C steels. Wear. vol. 249, cap. 10–11, p. 932-942, 2001.
[3] INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 3685: Tool life testing with single-point turning tools 1993.
[4] LIM, C.Y.H.; LAU, P.P.T.; LIM, S.C. The effects of work material on tool wear. Wear, vol. 250, cap. 1–12, p. 344-348, 2001.
[5] KLOCKE, F.; EISENBLÄTTER, G. Dry cutting. CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 46, cap. 2, p. 519-526, 1997.
[6] SHARMA, V. S.; MANUDOGRA, A; SURI, N.M.C. Cooling techniques for improved productivity in turning. International Journal of Machine Tools and Manufacture, volume 49, cap. 6, p. 435-453, 2009.
[7] YUAN, S. M.; YAN, L. T.; LIU, W. D.; LIU, Q. Effects of cooling air temperature on cryogenic machining of Ti–6Al–4V alloy. Journal of Materials Processing Technology, vol. 211, cap. 3, p. 356-362.
[8] DHAR, N.R.; KAMRUZZAMAN, M., Cutting temperature, tool wear, surface roughness and dimensional deviation in turning AISI-4037 steel under cryogenic condition,
International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 47, cap. 5, p. 754-759, 2007. [9] YILDIZ, Y.; NALBANT, M. A review of cryogenic cooling in machining processe.
International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 48, cap. 9, p. 947-964, 2008. [10] PAUL, S.; DHAR, S.; CHATTOPADHYAY, A.B. Beneficial effects of cryogenic
cooling over dry and wet machining on tool wear and surface finish in turning AISI 1060 steel, Journal of Materials Processing Technology, vol. 116, cap. 1, p. 44-48, 2001. [11] ZHANG, S.; LI, J.; WANG, Y. Tool life and cutting forces in end milling Inconel 718
under dry and minimum quantity cooling lubrication cutting condition, Journal of Cleaner Production, In Press - Accepted Manuscript, 2012.
[12] OLIVEIRA, Marcus. V. F., OLIVEIRA, R. S., SILVA JUNIOR, C. E., SILVA, R. H. L. Proposta de um porta ferramenta modificado, 14o Colóquio de Usinagem, Uberlândia, 2010.
