Avaliação do desgaste em fresas de metal duro na usinagem de aço VC131 tratado termicamente

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DCEENG - DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA – CAMPUS PANAMBI

DIONAS STEIN

AVALIAÇÃO DO DESGASTE EM FRESAS DE METAL DURO NA USINAGEM DE AÇO VC131 TRATADO TERMICAMENTE

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Panambi 2018

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Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Prof. Felipe Tusset, Me. Eng.

Panambi 2018

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Dionas Stein

Trabalho de Conclusão de Curso para obtenção do título de Engenheiro Mecânico pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul campus Panambi.

A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o presente trabalho.

Prof. Felipe Tusset, Me. Eng. (Orientador)

Prof. Cristiano Rafael Lopes, Me. Eng. (Banca Examinadora)

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Inicialmente agradeço a Deus, por conceder as oportunidades e permitir que as escolhas certas fossem feitas, concluindo com êxito mais uma etapa importante da vida.

Aos meus pais José Marcos e Maria Helena pela educação e suporte, para que fosse possível a realização do curso profissionalizante e posterior graduação.

A minha companheira Kellyn, que sempre esteve ao meu lado nos momentos em que precisei, dando apoio e conselhos para tomada de decisões.

Ao Colégio Evangélico Panambi pela possibilidade de crescimento profissional ao longo dos anos e também pela disponibilidade dos recursos necessários para a realização dos experimentos pertinentes a esse trabalho.

Aos Professores do curso de Engenharia Mecânica da Unijuí que tornaram possível meu aprendizado, em especial ao meu orientador Professor Felipe Tusset pela ajuda no desenvolvimento do presente trabalho bem como nas disciplinas cursadas.

A toda minha Família, Amigos e Colegas, que de alguma maneira contribuíram para meu crescimento profissional e como pessoa.

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Em alguns tipos de peças fabricadas por meio de usinagem, especificamente pelo processo de fresamento, se torna necessário o retrabalho das mesmas após receberem tratamento térmico de têmpera, processo este que ao ser realizado acaba gerando tensões e modificando a geometria da peça de uma maneira não controlada e distorcendo medidas e superfícies previamente determinadas. Esse tipo de situação ocorre principalmente no setor da ferramentaria, onde são fabricadas ferramentas de estampo e dobra de chapas que serão utilizadas na confecção de peças que são o produto final ou componente do produto de venda da empresa. Por ser nesses casos peças de dureza na ordem de 58-60 HRC, essa usinagem se torna mais complicada e demorada se comparada a materiais não tratados. O presente trabalho tem por objetivo a realização de testes com diferentes parâmetros de corte na usinagem do aço VC131 temperado, no intuito de verificar qual variação tem melhor relação desgaste/rendimento determinando os dados para a utilização ótima da ferramenta nesse tipo de situação de usinagem.

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Figura 1 – Força de corte sobre o material/ferramenta ... 19

Figura 2 – Coeficiente kc1 para cada material ... 19

Figura 3 – Diagrama de equilíbrio ferro carbono e suas fases ... 20

Figura 4 – Relação dureza/temperatura de revenimento aço VC131 ... 21

Figura 5 – Ferramenta e operação de faceamento de áreas planas ... 22

Figura 6 – Fresamento de canais com fresas de disco e de topo ... 23

Figura 7 – Fresamento de perfis e cavidades ... 23

Figura 8 – Comparação da microdureza Vickers dos revestimentos ... 24

Figura 9 – Representação das possíveis camadas de cobertura de uma ferramenta ... 25

Figura 10 – Representação da distribuição de calor na usinagem de um aço específico ... 25

Figura 11 – Desgaste de flanco na aresta de corte ... 27

Figura 12 – Craterização... 28

Figura 13 – Aresta postiça ... 28

Figura 14 – Desgaste tipo entalhe ... 29

Figura 15 – Deformação plástica ... 29

Figura 16 – Trincas térmicas ... 29

Figura 17 – Lascamento de aresta ... 30

Figura 18 – Curva de desgaste de uma ferramenta ... 30

Figura 19 – Variáveis para a determinação do fim de vida de uma ferramenta ... 32

Figura 20 – Representação do desgaste de flanco ... 32

Figura 21 – Fresamento e algumas de suas variáveis ... 33

Figura 22 – Geometria 3D e geometria 2D ... 35

Figura 23 – Ilustração da trajetória da ferramenta no ciclo de acabamento de áreas planas .... 36

Figura 24 – Estratégia de movimento concêntrico e porcentagem de incremento lateral ... 36

Figura 25 – Estratégia de entrada tangencial e entrada sem estratégia ... 37

Figura 26 – Estratégia de entrada horizontal ... 38

Figura 27 – Transição entre passadas e movimento de arredondamento dos cantos ... 39

Figura 28 – Método de fresamento trocoidal ... 40

Figura 29 – Corpo de prova com faces vermelhas a serem usinadas ... 41

Figura 30 – Verificação de dureza do material e pontos de medição da mesma ... 42

Figura 31 – Fresa toroidal UXR ... 43

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Figura 35 – Mandril hidráulico ... 46

Figura 36 – Câmera Dino Lite ... 47

Figura 37 – Verificação superior e inferior ... 48

Figura 38 – Medição do comprimento da ferramenta ... 50

Figura 39 – Ferramenta nova ... 50

Figura 40 – Ferramenta T01 com 15 minutos de corte efetivo ... 51

Figura 48 – Ferramenta T09 com 7 minutos e 53 segundos de corte efetivo ... 59

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Tabela 1 – Variáveis de entrada ... 49 Tabela 2 – Dados T01 ... 51 Tabela 3 – Dados T02 ... 52 Tabela 4 – Dados T03 ... 53 Tabela 5 – Dados T04 ... 54 Tabela 6 – Dados T05 ... 55 Tabela 7 – Dados T06 ... 56 Tabela 8 – Dados T07 ... 57 Tabela 9 – Dados T08 ... 58 Tabela 10 – Dados T09 ... 59

Tabela 11 – Relação de itens utilizados e custos ... 61

Tabela 12 – Ordem crescente de conicidade ... 62

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AISI American Iron and Steel Institute HB Dureza Brinnel

HRC Dureza Rockwell C

CNC Comando Numérico Computadorizado DIN Deutsches Institut für Normung

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas JIS Japanese Standards Association

SAE Society of Automotive Engineers HSS High Speed Steel

CVD Chemical Vapour Deposition PVD Physical Vapour Deposition CAD Computer Aided Design

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Gráfico 1 – Comparativo desgaste x tempo para fresas grupo I ... 53

Gráfico 2 – Comparativo de conicidade para fresas grupo I ... 54

Gráfico 3 – Comparativo desgaste x tempo para fresas grupo II ... 56

Gráfico 4 – Comparativo de conicidade para fresas grupo II ... 57

Gráfico 5 – Comparativo desgaste x tempo para fresas grupo III ... 60

Gráfico 6 – Comparativo de conicidade para fresas grupo III ... 61

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1. INTRODUÇÃO ... 13 1.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 13 1.2 OBJETIVOS ... 14 1.2.1 Objetivo geral ... 14 1.2.2 Objetivos específicos ... 14 1.3 JUSTIFICATIVA ... 15 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17 2.1 AÇO VC131 ... 17 2.1.1 Usinabilidade do aço VC131 ... 18 2.2 TRATAMENTO TÉRMICO ... 19

2.3 FERRAMENTAS PARA FRESAMENTO... 21

2.3.1 Revestimentos para ferramentas ... 24

2.3.2 Mecanismos de desgaste em ferramentas ... 26

2.3.2.1 Mecanismo abrasivo ... 27

2.3.2.2 Mecanismo químico ... 28

2.3.2.3 Mecanismo adesivo... 28

2.3.2.4 Mecanismo térmico ... 29

2.3.2.5 Mecanismo de desgaste mecânico ... 30

2.3.3 Critérios de final de vida para fresas ... 30

2.4 FRESAMENTO ... 33

2.4.1 Técnicas de fresamento ... 34

2.4.1.1 Acabamento de áreas planas ... 35

2.4.1.1.1 Estratégia de entrada da ferramenta ... 37

2.4.1.1.2 Arredondamento de cantos e transição ... 38

2.4.2 Fresamento de aços endurecidos ... 39

3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 41

3.1 DEFINIÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ... 41

3.2 DEFINIÇÕES DA FERRAMENTA ... 43

3.2.1 Características da ferramenta ... 44

3.3 MÁQUINA UTILIZADA ... 44

3.3.1 Sistema de fixação do corpo de prova ... 45

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3.6 VERIFICAÇÃO DA CONICIDADE DA PAREDE USINADA ... 48

3.7 DELINEAMENTO EXPERIMENTAL ... 48

4. RESULTADOS OBTIDOS ... 50

4.1 COMPARAÇÃO ENTRE MESMOS INCREMENTOS ... 51

4.1.1 Grupo I ... 51

4.1.2 Grupo II ... 54

4.1.3 Grupo III ... 57

4.2 CUSTOS APROXIMADOS REFERENTES AOS ENSAIOS ... 61

4.3 AVALIAÇÃO DE MELHOR DESEMPENHO GERAL ... 61

5. CONCLUSÃO ... 64

6. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ... 65

7. REFERÊNCIAS ... 66

APÊNDICE A – DETALHAMENTO DO CORPO DE PROVA GERADO ... 70

APÊNDICE B – CERTIFICADO DE QUALIDADE AÇO VC131 ... 71

APÊNDICE C – CERTIFICADO DE QUALIDADE DA TÊMPERA ... 72

APÊNDICE D – DURÔMETRO DUROGRAF MODELO RS N°34... 73

APÊNDICE E – APALPADOR ELETRÔNICO HEIDENHAIN MODELO TS632 ... 74

ANEXO A – DADOS DE CORTE PARA FRESAMENTO COM FRESAS UXR ... 75

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1. INTRODUÇÃO

O processo de fresamento em aços tratados termicamente é muito utilizado no setor de ferramentaria das empresas, onde peças componentes de uma ferramenta de estampo e/ou corte são em alguns casos reusinadas após receberem o processo de têmpera. Essas peças podem ser punções e matrizes, entre outros, as quais têm a finalidade de romper ou deformar o material trabalhado com o auxílio de forças desenvolvidas por prensas hidráulicas, por exemplo.

O presente trabalho demonstra diferentes resultados em relação ao desgaste em fresas de metal duro na usinagem de AÇO VC131 endurecido por têmpera, em casos onde devido à precisão, se torna necessária a reusinagem das peças por sofrerem alterações dimensionais e geométricas provocadas pelas tensões do tratamento térmico. O aço utilizado tem a denominação devido ao fabricante VILLARES METALS, podendo ser encontrados materiais com características similares com outras denominações devido ao fabricante e também a norma que o classifica, como por exemplo, o aço AISI D6.

Na avaliação do desgaste foram considerados parâmetros de corte variáveis a fim de verificar qual a melhor situação em relação à manutenção da ferramenta em boas condições de corte, e também o quanto esse desgaste interfere na questão dimensional da peça usinada. A avaliação da ferramenta foi realizada em instantes de tempo definidos, sendo observada também a questão da conicidade da superfície usinada, originada pelo esforço lateral gerado sobre a fresa com diferentes incrementos de corte a avanços.

1.1. FORMULAÇÃO DO PROBLEMA

Para a usinagem de um material é necessário saber quais as características do mesmo, como dureza e resistência mecânica. No caso do aço VC131 é sabe-se que sua dureza quando vindo da siderúrgica fica entre 226 e 236 HB (18-21 HRC) (ANEXO B), e após o tratamento térmico adequado pode atingir a dureza de aproximadamente 66 HRC. Essa dureza final depende da aplicação da peça em questão, pois se atingir esse valor máximo o material será também muito frágil e suscetível à quebra com a aplicação de forças de tração/compressão baixas.

Além das características do material utilizado, existem variáveis que devem ser observadas ao se realizar a operação e que irão determinar a qualidade do resultado desta. No

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caso específico da usinagem pode-se ter variação de rotação e velocidade de corte da ferramenta, além de parâmetros como profundidade de corte e incremento lateral.

Além disso, em usinagens de determinados tipos de materiais pode-se adotar ou não a aplicação de fluido refrigerante durante o corte do material, podendo este ser refrigerante líquido ou gasoso (ar comprimido), nos novos conceitos aplicando-se a atomização de óleo lubrificante sob pressão de ar ou mínima quantidade de lubrificante, ou ainda utilizando-se um gás (nitrogênio) no estado líquido, onde as temperaturas são abaixo de zero e promovem o efeito da criogenia. Estes fluidos têm função de diminuir a temperatura na região onde está acontecendo o corte, além de remover o cavaco arrancado da região onde a ferramenta está se deslocando no intuito de evitar que o cavaco seja novamente encontrado pela ferramenta podendo gerar imperfeições no acabamento e até mesmo eventual quebra de ferramental.

A abordagem em específico da usinagem de materiais endurecidos com dureza variando de 58 a 60 HRC se dá em função de ser um trabalho geralmente demorado e onde também ocorre desgaste acelerado das ferramentas utilizadas, sendo este obviamente mais acentuado em relação às ferramentas utilizadas em usinagens de materiais sem tratamento térmico. Com a realização da avaliação das diferentes situações de usinagem, foi possível verificar os melhores parâmetros de corte para que se tenha uma maior vida útil da ferramenta, bem como garantia de manutenção de medida das peças.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo geral

Executar o fresamento lateral do aço VILLARES VC131 endurecido por tratamento térmico de têmpera com faixa de dureza de 59 +/- 1 HRC, avaliando os resultados para diferentes parâmetros de avanço e incremento lateral, e obtendo dados referentes ao desgaste da ferramenta e variação dimensional da peça.

1.2.2. Objetivos específicos

Por meio da análise dos resultados obtidos pretende-se relacionar as situações de melhor desempenho da usinagem, tratando os dados de diferentes tipos de medições realizadas no instante dos testes:

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● Avaliar desgaste da aresta de corte, analisando-se imagens de uma mesma ferramenta em intervalos pré-definidos de tempo efetivo de corte;

● Avaliar desgaste da aresta de corte, analisando-se imagens da ferramenta comparando-se diferentes incrementos laterais e avanços;

● Verificar influência do desgaste da ferramenta na conicidade da parede usinada da peça, realizando-se medições em diferentes profundidades de usinagem, a fim de determinar quanto o desgaste interfere sobre o esforço lateral na ferramenta.

1.3. JUSTIFICATIVA

Dentre os processos de fabricação podem ser citados vários tipos, com ou sem remoção de cavacos, processos de usinagem convencionais ou com máquinas que utilizem comando numérico computadorizado (CNC). Cada processo leva em conta aspectos que definem se este é o mais apropriado para a situação ou não, como por exemplo, a geometria da peça, que na maioria das vezes é o que determina por qual processo a mesma será obtida. Em alguns casos pode-se obter a mesma peça por meio de diferentes processos, fresamento ou torneamento, por exemplo, sendo determinante para a escolha qual destes será o procedimento mais rápido e rentável.

O processo de usinagem com remoção de cavaco, mais precisamente o fresamento, está presente na grande maioria das indústrias mesmo que não seja para obter o produto final colocado à venda pela empresa. Para fabricar qualquer peça plástica que seja, deve-se previamente gerar o molde que será preenchido por algum polímero e que irá dar forma a esta peça, e para isso se faz necessário usinar este molde.

Em casos de peças estampadas, como as latarias de automóveis, se faz necessária à fabricação de ferramentas de estampo, dobra e corte, para que o produto final seja obtido. Para este caso é mais viável a fabricação de ferramentas que serão utilizadas com o auxílio de prensas hidráulicas, do que a usinagem de uma peça final, devido ao volume de produção e características geométricas do produto.

A usinagem CNC é o que caracteriza as ferramentarias, onde são produzidas ferramentas especiais para utilização em processos que não geram cavacos por remoção de material. Essas ferramentas de estampo, dobra ou corte, têm normalmente suas partes principais fabricadas com materiais específicos que por sofrerem solicitações de esforços e atrito recebem tratamento térmico. Esse tratamento visa melhorar as propriedades mecânicas e

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estruturais do aço para que o mesmo atue o maior tempo possível fabricando as peças dentro de suas tolerâncias e geometrias.

Devido às variações dimensionais ocasionadas pelo choque térmico durante o tratamento, realiza-se o processo de reusinagem no intuito de dar medidas finais e garantir tolerâncias da peça que irá ser utilizada como uma matriz ou punção de estampo, por exemplo, garantindo assim a montagem perfeita do conjunto final, bem como o corte das chapas sem gerar rebarbas indesejadas.

A realização do presente trabalho se deve à definição e seleção de parâmetros ótimos na relação desgaste/rendimento e na obtenção de peças boas, e também conseguir obter o máximo de desempenho da ferramenta sem que ocorra uma eventual quebra prematura. Por se tratar de fresas específicas para usinagem de materiais endurecidos, isso eleva o valor de compra dessa ferramenta se comparada a uma ferramenta similar empregada na usinagem de materiais não tratados termicamente.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A usinagem de materiais temperados é aplicada para garantir geometrias e dimensões de peças após o tratamento térmico, o qual acarreta variações na peça devido às tensões do processo. Para isso são utilizadas ferramentas especiais bem como parâmetros de corte específicos para tal processo, a fim de permitir a usinagem e a maior vida útil da ferramenta de corte. É um processo mais lento se comparado a uma usinagem em material sem tratamento, sendo maior o esforço sobre a aresta da ferramenta para arrancar o cavaco.

Outros fatores também podem influenciar na vida da ferramenta, como sentido de corte, aplicação ou não de fluido refrigerante, tipo de porta ferramentas e também a rigidez da máquina, a qual não deve possuir folgas que permitam algum tipo de choque da ferramenta com a peça durante o processo acarretando provável quebra ou avaria do ferramental.

2.1. AÇO VC 131

O aço VC131 utilizado para a confecção do corpo de prova é empregado para trabalhos a frio, principalmente na construção de punções e matrizes de estampo e conformação. Tem como similares os aços AISI D6, ABNT D6, DIN X 210 CrW 12, JIS G 4404-72 entre outros, e composição química com 2.1% Carbono, 11.5% Cromo, 0.7% Tungstênio e 0.15% Vanádio, além de poder conter Fósforo, Enxofre, Silício e Manganês em pequenas porcentagens sendo estes considerados impurezas, fornecido pela Villares no estado recozido e dureza máxima de 250 HB.

A presença de certos elementos de liga nos aços é responsável pelas características e finalidade para qual o aço será utilizado, segundo Rodrigues e Hassui (2007) os elementos presentes proporcionam as seguintes propriedades:

- Cromo (Cr): Aumenta a resistência à corrosão e a oxidação, diminui a usinabilidade devido a sua forte presença na formação de carbonetos;

- Carbono (C): Elemento intersticial de aumento de resistência do níquel que possui grande influência na formação de carbonetos;

- Manganês (Mn): Reduz a plasticidade de forma moderada, aumentando a capacidade de endurecimento do material;

- Silício (Si): Aumenta a fluidez e favorece a fratura a quente da liga;

- Fósforo (P): Elemento indesejável para a liga devido sua capacidade de fragilização em temperaturas médias;

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- Enxofre (S): Efeito semelhante ao do fósforo.

Dependendo a finalidade, o aço pode ser endurecido por meio de tratamentos térmicos e chegar a uma escala de dureza na ordem de 66 HRC, tendo no ápice da dureza uma grande fragilidade que será prejudicial para uma aplicação onde possam ocorrer impactos, por isso na maioria dos casos tem-se a dureza de utilização de 56-62 HRC.

O recozimento é um processo no qual o aço é aquecido a temperaturas acima da zona de austenitização sendo um tratamento térmico realizado no intuito de alcançar alguns objetivos: remover tensões devidas ao tratamento mecânico de produção siderúrgica a frio ou a quente, diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço, alterar as propriedades mecânicas como resistência, ductilidade, etc.(SPECTRU, 2018).

2.1.1. Usinabilidade do aço VC 131

Segundo König e Klocke (1997) a usinabilidade de um material é o nível de dificuldade apresentado no processo de usinagem para a remoção de cavaco e é observada no contexto do processo de fabricação, do material da ferramenta e dos parâmetros de corte envolvidos em qualquer que seja o processo utilizado.

Segundo Diniz et al. (2006) a avaliação da maior ou menor facilidade de usinagem de um material geralmente tem como base alguns critérios: vida da ferramenta, força de usinagem, qualidade superficial da peça e forma dos cavacos, além de outras características importantes tais como o estado metalúrgico da peça, dureza, composição química, condutividade térmica, propriedades mecânicas e de eventual encruamento.

Machado et al. (2009) tem a definição de que para se conseguir minimizar a força de corte durante o processo de usinagem, temperatura de trabalho e taxa de desgaste algumas características do material são indispensáveis: ductilidade, tenacidade, baixa dureza e alta condutividade térmica.

Por se tratar de um aço com melhores propriedades mecânicas e elementos de liga mais nobres, a usinabilidade do VC131 pode ser considerada mais baixa se comparada a um aço de qualidade inferior como o aço SAE 1045, por exemplo. Quanto maior a presença de certos elementos de liga a usinagem se torna mais difícil, seja pela dureza que o material adquire ou pelas características que os elementos de liga conferem ao material, como resistência ao desgaste, dificuldade da quebra de cavaco e resistência a altas temperaturas.

Outro fator que é importante para a determinação do grau de usinabilidade é o valor da pressão específica de corte (kc1) do material, que aumenta conforme a maior concentração de

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certos elementos de liga, ou mesmo caso seja um aço endurecido. A força de corte (Fc) pode

ser explicada como a força na direção de corte, necessária para cortar uma área de cavacos de 1mm² com uma espessura de 1mm (Figura 1). O valor de kc1 é válido para uma pastilha com ângulo de saída neutro (SANDVIK COROMANT, 2018).

Figura 1 – Força de corte sobre o material/ferramenta.

Fonte: Sandvik Coromant (2018).

O valor de kc1 é diferente para cada uma das 6 classes nas quais os materiais estão classificados quanto a usinagem, como mostrado na Figura 2.

Figura 2– Coeficiente Kc1 para cada material.

Fonte: Adaptado de Sandvik Coromant (2018).

2.2. TRATAMENTO TÉRMICO

Segundo Américo (2007) tratamento térmico é dado como o conjunto de operações ou processos de aquecimento seguido por resfriamento, com condições controladas de tempo, temperatura, atmosfera e velocidade de resfriamento, aos quais os materiais metálicos podem

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ser submetidos com a finalidade de alterar as propriedades mecânicas e assim proporcionar características específicas que serão úteis no emprego do material tratado.

A têmpera consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura elevada o suficiente para promover a máxima dissolução dos carbonetos na austenita (Figura 3), sem que ocorra crescimento de grãos, este resfriamento geralmente é efetuado por imersão em água, óleo, solução polímera ou sal, embora o ar forçado seja utilizado algumas vezes. O objetivo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica, ou, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o aumento do limite de resistência à tração do aço e sua dureza (AMÉRICO, 2007).

Figura 3 – Diagrama de equilíbrio ferro carbono e suas fases.

Fonte: Dalla Lana (2010) apud Callister (2002).

O revenido é o processo realizado no aço após a têmpera, no qual o mesmo é aquecido até temperaturas abaixo da faixa de transformação A1 e resfriado a taxas baixas, objetivando aumentar a ductibilidade e tenacidade. O revenido permite obter valores específicos de propriedades mecânicas e o alívio de tensões, assegurando estabilidade dimensional. (AMÉRICO, 2007).

Segundo Spectru (2013) o revenido é o tratamento que sucede a têmpera com a finalidade de corrigir as excessivas durezas e assim diminuir a fragilidade e aumentar a resistência ao choque do material. O aquecimento na fase martensítica permite reversão do

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reticulado instável ao reticulado estável cúbico centrado produzindo uma precipitação de partículas de carbonetos que crescem e se aglomeram de acordo com a temperatura e o tempo. Para que se tenha a melhora das propriedades mecânicas do aço aplica-se o processo de têmpera, onde o aquecimento do material deve ser entre 950 e 970°C e recomendado resfriamento em:

- Óleo apropriado com agitação e aquecimento entre 40 e 70°C; - Banho de sal fundido, mantido entre 500 e 550°C;

- Ar calmo.

Após o processo de têmpera, as peças devem ser revenidas tão logo alcancem 60° (VILLARES METALS, 2009), sendo aconselhado no mínimo 2 revenimentos e entre cada revenimento as peças devem resfriar lentamente até a temperatura ambiente. A temperatura de revenimento deve ser escolhida conforme a dureza desejada (Figura 4), e o tempo de permanência a essa temperatura deve ser de no mínimo 2 horas. Para peças maiores que 70 mm é preciso calcular o tempo em função da dimensão, considerando 1 hora para cada polegada de espessura.

Figura 4 – Relação dureza/temperatura de revenimento aço VC131.

Fonte: Villares Metals (2018).

2.3. FERRAMENTAS PARA FRESAMENTO

Dependendo da geometria da peça a ser usinada podem-se ter várias possibilidades para a escolha do tipo de ferramenta a ser utilizada no processo, as fresas, podendo estas ainda

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ser de diferentes materiais o que irá implicar em diferentes rendimentos na usinagem. As fresas são ferramentas rotativas que podem possuir variáveis quanto a quantidade de arestas de corte, número esse que pode ser definido pelo material no qual a ferramenta será aplicada ou até mesmo devido ao diâmetro da mesma.

Segundo Cavaler (2003) as fresas podem ser sólidas, possuir insertos soldados ou intercambiáveis, sendo os principais materiais utilizados o aço rápido (HSS) e o metal duro. As ferramentas de aço rápido são mais empregadas na usinagem em materiais de menor resistência mecânica e maior facilidade de remoção de cavaco, sendo basicamente encontradas na forma de brocas para furação e algumas fresas de topo ou de perfil utilizadas no fresamento de madeira.

Dependendo do tipo de operação de usinagem se tem a variação da geometria e do diâmetro da ferramenta, o que proporciona a garantia de um maior rendimento bem como a melhor utilização do ferramental. No processo de faceamento (Figura 5), por exemplo, os cabeçotes fresadores são empregados devido ao diâmetro desse tipo de ferramenta, e contam ainda com número de arestas variável e normalmente arestas constituídas por insertos intercambiáveis de metal duro podendo estes ser de diferentes classes de dureza para os mais diferentes tipos de material a ser usinado.

Figura 5 – Ferramenta e operação de faceamento de áreas planas.

Existem inúmeras possiblidades quanto ao tipo de usinagem a ser realizada envolvendo ferramentas de fresagem, englobando operações de desbaste e acabamento, fresamento de topo e lateral, fresamento de canais e ranhuras, fresamento de perfis e cavidades e ainda engrenagens. Para cada processo citado pode-se verificar a utilização de

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diferentes tipos de ferramentas, sendo que para cada situação tem-se a ferramenta mais indicada que irá proporcionar uma execução do processo com maior eficiência e melhor aproveitamento das características da ferramenta empregada.

Dentro de cada tipo de operação pode-se ter a variações da execução do processo, seja pela variedade de ferramental ou pelas opções de movimentos que a máquina utilizada possibilita (3,4 ou 5 eixos). Na Figura 6 tem-se a ilustração da usinagem de canais (Figura 6A) e ranhuras (Figura 6B) com diferentes tipos de ferramentas conseguindo-se ao término das operações o mesmo resultado, com variações apenas no tempo necessário para o processo o que é dado principalmente pela estratégia de usinagem e pelo tipo de ferramenta empregado.

Figura 6 – Fresamento de canais com fresas de disco (A) e fresamento de ranhuras com fresas de topo(B).

No que se refere à usinagem de perfis e cavidades (Figura 7) tem-se maior aplicação de ferramentas com insertos que possuam raio de ponta ou redondos (Figura 7A), e também fresas inteiriças de metal duro com raio na aresta de corte, (Figura 7B) que proporcionam maior resistência e durabilidade à aresta de corte da ferramenta. Esse raio de ponta também ajuda a suavizar a usinagem e a concordância entre os múltiplos passes que a ferramenta executa ao longo da usinagem de um perfil ou cavidade.

Figura 7 – Fresamento de perfis e cavidades, fresas de insertos redondos (A) e fresas inteiriças de metal duro(B).

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2.3.1. Revestimentos para ferramentas

Com a evolução constante dos materiais utilizados para a confecção de peças é necessário que as ferramentas de corte para esses materiais acompanhem essa evolução e melhoria. No início da indústria quando se começou a fabricar tinha-se a disposição materiais de baixa qualidade e propriedades mecânicas muito inferiores aos materiais desenvolvidos e utilizados nos dias atuais, onde em alguns casos de aplicação se deseja uma baixa densidade aliada a uma alta resistência mecânica.

Segundo Cavaler (2003) os revestimentos possibilitam grande melhora das propriedades das ferramentas, como aumento da capacidade de suportar as elevadas temperaturas de corte durante o processo e também diferentes durezas dependendo do revestimento (Figura 8), aumentado assim à vida útil da ferramenta e permitindo desta forma o emprego de maiores velocidades de corte e avanço.

Figura 8 – Comparação da microdureza Vickers dos revestimentos.

Fonte: Almeida (2010) apud Abele, E. et al (2002).

Esses revestimentos podem ser simples, duplo, triplo ou múltiplo com 10 camadas (Figura 9) onde a espessura de cada camada é inferior a 0,2 mícron, e a total pode variar de 2 e 12 mícron (CAVALER, 2003). O TiAlN pode ser depositado pela aplicação de uma única camada de 2 a 3 mícron, sendo apropriado para ferramentas que trabalham com atas velocidades de corte e sendo recomendado a aplicação apenas de ar comprimido para refrigeração de usinagem e remoção de cavacos. Segundo Cavaler (2003) o TiCN é um revestimento cerâmico com espessura de camada que pode variar de 1 a 3 mícron.

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Figura 9 – Representação das possíveis camadas de cobertura de uma ferramenta.

Fonte: Sá (2010) apud (NORMA ISO 513 2004).

Conforme Almeida (2010) revestimentos geram uma proteção contra o desgaste devido à redução do atrito entra a ferramenta e a peça, propiciando assim reduções dos esforços de corte e também uma distribuição de temperatura entre ferramenta e cavaco. Na Figura 10 tem-se uma representação da distribuição de calor durante o processo de corte, sendo que a temperatura pode variar dependendo do material que está sendo cortado e também o material da ferramenta, além dos parâmetros de corte utilizados.

Figura 10 – Representação da distribuição de calor na usinagem de um aço específico.

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Ainda segundo Cavaler (2003) os revestimentos podem ser depositados sobre uma ferramenta por meio de deposição química de vapor (CVD) e por deposição física de vapor (PVD) e também por processos físico-químicos.

Como visto em Sandvik Coromant (2018) a cobertura CVD origina-se por reações químicas em temperatura de 700 a 1050°C e possuem alta resistência ao desgaste e excelente adesão ao metal duro. O primeiro metal duro revestido CVD disponha de apenas uma camada de TiC (Carboneto de Titânio), sendo mais tarde com a evolução das ferramentas introduzidas as coberturas de Al2O3 (Óxido de Alumínio) e TiN (Nitreto de Titânio). Um tipo mais recente

de cobertura utilizada é a MT-Ti (C, N) ou MT-TiCN (Carbonitreto de Titânio) que possui a característica de manter a interface de metal duro sem sofrer qualquer tipo de danos. Ferramentas com cobertura CVD são a primeira escolha em aplicações onde se tem como prioridade a resistência ao desgaste.

Conforme Sandvik Coromant (2018) as coberturas PVD são realizadas em temperaturas de 400 a 600°C, em um processo que envolve a evaporação de um metal que reage com um gás e juntos formam uma camada dura na superfície da ferramenta de corte. Esse tipo de cobertura proporciona resistência ao desgaste devido à extrema dureza e também habilita a aresta de corte a ser mais tenaz e resistente contra trincas térmicas, sendo recomendadas para arestas de cortes afiadas e tenazes, como em brocas inteiriças e classes de ferramentas para operações de acabamento.

Existem também exigências específicas sobre as ferramentas e os materiais usados nas peças e na confecção das ferramentas, na furação e no fresamento o metal duro com grãos ultrafinos se tem como o mais indicado para a grande parte das aplicações, pois além de manter a aresta de corte sempre com canto vivo consegue unir alta tenacidade com resistência térmica, fator que permite a afiação da ferramenta com grandes ângulos de saída e de folga. O TiN é recomendado como um revestimento de uso geral para furação, enquanto que o TINAL FUTURA (TiAlN) aumenta a performance na usinagem a altas velocidades pois tem altas resistência e estabilidade térmica, além de condutividade térmica baixa. O carbonitreto de titânio (TiCN) também é uma alternativa para a usinagem de aços alta liga (MÜLLER, 2000).

2.3.2. Mecanismos de desgaste em ferramentas

Denomina-se desgaste as alterações geométricas ocorridas no gume, decorrentes do trabalho de corte. O gume sofre elevadas solicitações térmicas e mecânicas proporcionando a

(27)

ação de diversos mecanismos de desgaste que atuam simultaneamente no sentido de degradar a ferramenta (TEIXEIRA, 2001).

Segundo Rosa e Diniz (1999) existem fenômenos que podem influenciar no desgaste de uma ferramenta de corte, como abrasão mecânica, difusão, e aderência, por exemplo, sendo que em diferentes situações de usinagem podem aparecer diferentes tipos de efeitos sobre a ferramenta causando desgaste característico para cada fenômeno. No processo de fresamento alguns fatores podem contribuir para acelerar o desgaste, como por exemplo, o corte interrompido, onde se tem variação de temperatura, esforços e espessura de corte, onde muitas fresas tem sua vida limitada pela combinação de choques térmicos e mecânicos.

Ainda conforme Rosa e Diniz (1999) assim que a fresa entra em contato com o material as arestas recebem esforços de corte que saem de zero e crescem instantaneamente, e durante o processo variam de acordo com a direção e espessura de cavaco podendo causar trincas por fadiga mecânica. Os danos que a ferramenta pode vir a sofrer em algum momento torna possível a quebra da mesma, porém em algumas circunstâncias essa ruptura pode ser prematura, como no caso de esforço excessivo sobre as arestas de corte ou até mesmo uma parada da ferramenta sobre o material durante a usinagem.

Segundo Londero (2014) algo que deve ser analisado no momento da seleção da ferramenta de corte a fim de prevenir possíveis desgastes é a geometria da mesma, onde insertos e ferramentas mais recentes possuem melhor combinação de ângulos e raios que facilitam a formação e saída dos cavacos.

2.3.2.1. Mecanismo Abrasivo

Geração de desgaste de flanco (Figura 11) é tipo mais comum de desgaste e o tipo preferido, pois oferece uma vida útil previsível e estável da ferramenta. Esse desgaste de flanco ocorre devido à abrasão causada por constituintes duros no material da peça.

Figura 11 – Desgaste de flanco na aresta de corte.

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2.3.2.2. Mecanismo químico

Geração de crateras na aresta da ferramenta (Figura 12) que ocorre devido à difusão química entre o material da peça e a ferramenta de corte, sendo aumentada pela velocidade de corte. Quando excessivo gera quebra da aresta de corte devido ao enfraquecimento da mesma.

Figura 12 – Craterização.

2.3.2.3. Mecanismo adesivo

A aresta postiça (Figura 13) é causada devido à solda por pressão do cavaco sobre a ferramenta, sendo mais comum na usinagem de materiais pastosos como o alumínio e aços inoxidáveis. Esse tipo de problema é aumentado quando se tem o emprego de baixas velocidades de corte, e resulta em uma peça com acabamento superficial inadequado e microlascamento da aresta quando a aresta postiça for arrancada pelos cavacos.

Figura 13 – Aresta postiça.

O desgaste tipo entalhe (Figura 14) é comum na usinagem de aços inoxidáveis e ligas resistentes ao calor, sendo causado pela adesão de cavacos devido à solda por pressão e uma deformação na superfície endurecida.

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Figura 14 – Desgaste tipo entalhe.

2.3.2.4. Mecanismo térmico

A deformação plástica (Figura 15) ocorre quando a temperatura de corte está muito alta para uma determinada classe de ferramenta, sendo normalmente um problema resolvido com a utilização de classes de usinagem para materiais mais duros e com coberturas mais espessas.

Figura 15 – Deformação plástica.

Quando se tem na aresta de corte uma mudança brusca de temperatura, podem surgir trincas perpendiculares à aresta de corte (Figura 16), esse tipo de trinca é comum em usinagens com corte interrompido e agravadas pelo uso de refrigerante.

Figura 16 – Trincas térmicas.

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2.3.2.5. Mecanismo de desgaste mecânico

Quando a aresta de corte da ferramenta é submetida a uma sobrecarga das tensões de tração mecânica tem-se a quebra ou lascamento da aresta (Figura 17). Pode ocorrer devido a profundidade de corte e avanço muito alto, inclusão de areia no material da peça, aresta postiça, martelamento de cavacos, vibrações ou desgaste excessivo da ferramenta.

Figura 17 – Lascamento de aresta.

2.3.3. Critérios de final de vida para fresas

O fim de vida de uma ferramenta está relacionado ao desgaste sofrido pela ferramenta durante o tempo de usinagem (KÖNIG, 2002), e normalmente as ferramentas se desgastam conforme uma curva padrão (Figura 18).

Figura 18 – Curva de desgaste de uma ferramenta.

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Para a evolução do desgaste em uma ferramenta, os 3 estágios podem ser analisados da seguinte forma (MACHADO et al., 2009):

I: A ferramenta sofre um desgaste acelerado, natural de adequação ao sistema tribológico envolvido, passando então a apresentar uma taxa de desgaste cada vez menor com o passar do tempo. Uma primeira inflexão é observada no final desse estágio.

II: Caracteriza-se por uma taxa de desgaste constante ao longo do tempo. A ferramenta está adequada ao processo e os mecanismos específicos de desgaste operam em uma taxa constante até atingir uma nova inflexão.

III: Há uma aceleração do desgaste, aumentando acentuadamente a taxa e promovendo a quebra da ferramenta, caso o corte tenha continuidade. O desgaste atinge níveis tão elevados que as temperaturas e tensões envolvidas irão promover, finalmente, o colapso da ferramenta.

Segundo Amorim (2002), devido ao desgaste das ferramentas ocorrer normalmente de maneira progressiva, é importante que seja definido até que ponto do uso uma ferramenta pode ser considerada útil e quando deve ocorrer a troca e reafiação da ferramenta substituída. Isso se deve ao fato de que em alguma circunstância a quebra da ferramenta durante o uso pode vir a acarretar danos de maior monta envolvendo sistema de fixação, peça e até maquinário.

Por definição da norma ISO 3685 (1993) o final de vida de uma ferramenta deve ser dado por meio de ensaios de usinagem que visem encontrar o tempo que uma fresa pode trabalhar até o momento que deve ser trocada. Este momento vem a ser quando aparece algum dos defeitos anteriormente citados que se originam devido ao desgaste, sendo que a norma define alguns critérios (Figura 19) para as ferramentas de metal duro como:

- Desgaste de flanco médio Vb = 0,3mm;

- Desgaste de flanco máximo Vb max = 0,6mm, onde o desgaste vem a ser irregular;

- Profundidade de cratera, KT = 0,06+0,3f, sendo f o avanço da ferramenta; - Distância frontal entre a cratera e o flanco, KF = 0,02 mm;

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Figura 19– Variáveis para determinação do fim de vida de uma ferramenta.

Fonte: Almeida (2010) apud Norma ISO 3685 (1993).

Conforme Cavaler (2003) o desgaste de uma fresa é ocasionado principalmente pela deterioração do flanco, tendo como padrões de medição de desgaste de flanco VB e VBmax sendo estes obtidos por meio de comparação de resultados de experimentos de usinagem. A formação de cratera é de difícil avaliação e vem a ser um tipo de desgaste de menor ocorrência considerando-se a seleção correta da fresa para a aplicação. Na Figura 20 é ilustrado o desgaste de aresta de uma fresa, tendo destacado o desgaste no flanco principal e desgaste máximo VBmax, além do deslocamento do gume em relação ao flanco principal SVα e em relação a face SVγ.

Figura 20 – Representação do desgaste de flanco.

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Como citado por Rohloff (2012) a vida de uma ferramenta tem significativa redução quando se tem o aumento dos valores das variáveis do processo de usinagem, sendo a velocidade de corte o fator que mais contribui para o fim da vida devido ao aumento de calor gerado no corte. O aumento do avanço por dente acarreta igualmente uma maior geração de calor, porém a expansão da área de contato da fresa com o cavaco possibilita a transferência de calor para o cavaco. Já no quesito profundidade de corte, quanto maior for este, tem-se um maior volume de material removido devido a uma maior utilização da aresta de corte sem influenciar na quantidade de energia destinada ao corte ou na velocidade com a qual o cavaco é arrancado.

2.4. FRESAMENTO

Conforme Almeida (2010) a usinagem está presente em componentes utilizados nos mais diversos setores industriais, tendo uma estimativa de que 15 a 20% do aço produzido mundialmente seja transformado por usinagem gerando remoção de cavaco. O fresamento é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de superfícies quaisquer com o auxílio de ferramentas geralmente multicortantes.

O fresamento se caracteriza por utilizar uma ferramenta denominada fresa que é provida de arestas de corte dispostas de maneira circular simetricamente, com movimento de corte dado pela rotação da fresa em torno do eixo e movimento de avanço dado pela peça que está fixa à mesa da máquina ferramenta (DINIZ A. E. et. al.,2006). A Figura 21 ilustra algumas das vaiáveis do fresamento, como profundidade de corte (ap), largura de corte (ae),

diâmetro de corte (Dc) e diâmetro de corte máximo para uma profundidade específica (Dcap).

Figura 21 – Fresamento e algumas de suas variáveis.

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É grande o número de operações possíveis por meio do processo de fresamento, com situações que variam devido ao tipo de ferramenta utilizada e sua geometria, material e geometria da peça, e também muitas vezes se tem limitações ou ganhos devido às características da máquina ferramenta que dita qual maneira a geometria final da peça será obtida de forma a otimizar o tempo de usinagem. O cavaco é definido como a porção de material da peça retirada pela ferramenta, sendo caracterizado por apresentar forma geométrica irregular (FERRARESI, 1977).

Com a evolução da indústria e também das máquinas de usinagem é possível à fabricação de peças com geometrias complexas e perfis variados, sendo nos dias atuais basicamente trabalhos realizados com máquinas CNC, onde uma peça ou projeto é desenvolvido com software CAD e manufaturado com auxílio de software CAM. Uma vez programada a usinagem da peça, o CAM gera o programa com uma linguagem específica que a máquina CNC interpreta e realiza a trajetória de ferramenta programada segundo o perfil da peça.

Por meio da programação CNC definem-se todos os movimentos que a máquina irá realizar no momento da execução do programa, com os parâmetros de usinagem setados pelo programador no momento de definir as operações pelas quais a peça será submetida, podendo ser desbaste ou acabamento, formas 3D ou simples contornos 2D. Pelo CAM é possível também saber o tempo de usinagem que será necessário para a obtenção da peça programada, considerando que a máquina irá trabalhar a 100% dos valores programados, sendo essa porcentagem controlada pelo potenciômetro da máquina controlado pelo operador.

2.4.1. Técnicas de fresamento

Dependendo da geometria da peça que se deseja usinar e sabendo as características da máquina a ser utilizada são determinadas as maneiras como pode ser possível à execução da usinagem. Como a usinagem de perfis 3D (Figura 22A) que tenham alguns detalhes de maior complexidade é de certa forma difícil se comparado a perfis 2D (Figura 22B), se faz obrigatório o uso de recursos tecnológicos para realizar a programação da peça. Dependendo da máquina CNC e do comando utilizado pela mesma, em certos casos algumas peças mais simples podem ser programadas no painel da máquina de maneira fácil e rápida, dependendo é claro da capacidade do programador.

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Figura 22 – Geometria 3D (A) e geometria 2D (B).

(A) (B) Fonte: O autor (2018).

Mas de uma maneira geral a programação da usinagem é realizada por meio de CAM, onde a gama de recursos e ciclos de usinagem disponíveis varia conforme o fabricante e fornecedor do software de manufatura. Partindo desse ponto cabe ao programador CNC identificar quais os ciclos e quais as ferramentas serão utilizadas a fim de conseguir o melhor desempenho da máquina e conseguindo atingir os acabamentos e tolerâncias necessários para que a peça pronta desempenhe a função para qual foi desenvolvida. Para isso é interessante que o programador tenha conhecimento da aplicação da peça, assim em alguns casos pode acelerar o processo de produção por realizar uma operação de acabamento não tão refinado em regiões da peça que não terão importância para sua funcionalidade.

2.4.1.1. Acabamento de áreas planas

Dentre os ciclos de programação disponíveis para usinagem no software de manufatura EdgeCAM, como perfilar, desbaste, furação, faceamento, usinagem paralela, será dada ênfase sobre o ciclo de acabamento de áreas planas, devido às opções e variáveis disponíveis nesse tipo de operação à fim de executar os movimentos desejados para a realização dos experimentos práticos. Nesse ciclo o movimento realizado em forma hélice pela ferramenta fechando o contorno no sentido da periferia para o centro da peça, permite monitorar o tempo de corte sem que a ferramenta perca o contato. Na Figura 23A pode-se visualizar uma vista em perspectiva da peça e na Figura 23B o sentido e direção do movimento realizado pela fresa.

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Figura 23 – Ilustração da trajetória da ferramenta no ciclo de acabamento de áreas planas.

Conforme visto no Manual de Treinamento fornecido pela empresa SKA, entre as opções possíveis de edição nos parâmetros desse ciclo, há a possibilidade de modificar o modo como à ferramenta se desloca segundo o contorno e também a quantidade de material removido a cada deslocamento lateral (Figura 24). Nas ilustrações também é possível visualizar outras abas de variáveis como, por exemplo, o tipo de perfil selecionado para a usinagem, podendo ser um corpo sólido, uma superfície e até mesmo linhas de contorno. Também é uma seleção o sentido de corte da ferramenta o qual é mais indicado o sentido concordante, mas em alguma eventualidade pode-se alterar para movimento discordante.

Figura 24 – Estratégia de movimento concêntrico (A) e porcentagem de incremento lateral (B).

Percebem-se ainda pelas imagens outros indicadores do ciclo, como a tolerância para os deslocamentos da ferramenta se, a ela vai usinar deixando sobremetal para uma operação

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posterior, e os parâmetros de corte setados com a RPM da ferramenta e o avanço lateral e de descida da ferramenta em mm/min.

2.4.1.1.1. Estratégia de entrada da ferramenta

Como consta no Manual de Treinamento da SKA, na questão de como a ferramenta vai entrar em contato com o material pode-se ter também variáveis que o programador vai definir ao realizar a programação de usinagem da peça. Isso depende algumas vezes da geometria da peça e de como o programador considera a entrada da ferramenta mais favorável, para um melhor acabamento e evitar que a ferramenta sofra algum tipo de choque ao entrar usinando e assim deteriorar a mesma. Na Figura 25 estão exemplificadas as estratégias de entrada de forma tangencial (Figura 25A) e sem nenhuma estratégia (Figura 25B).

Figura 25 – Estratégia de entrada tangencial (A) e entrada sem estratégia (B).

Na entrada tangencial percebe-se o movimento da ferramenta no sentido vertical com tangência a superfície a ser usinada em um deslocamento em raio com valor possível de ser especificado, suavizando assim a entrada do corte de material. No caso sem estratégia de entrada a ferramenta desce direto sobre a superfície do material já cortando no movimento de descida, o que em algumas circunstâncias pode acabar forçando a fresa indevidamente além de acabamento inadequado na região onde houve o contato inicial.

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Outra possibilidade de estratégia de entrada é a horizontal (Figura 26), onde assim como na tangencial, a ferramenta se aproxima da região a ser usinada e realiza um deslocamento suavizado de forma semicircular tangenciando o ponto de aproximação com o ponto de início do corte do material. A definição da estratégia mais apropriada normalmente é dada pela forma da peça e o sentido de usinagem, e em alguns casos o espaço disponível para a aproximação da ferramenta também pode ser um fator a ser avaliado, podendo a região usinada ser uma ilha e assim não permitindo grandes afastamentos laterais de entrada ou saída da ferramenta por poder ocorrer o contato com superfícies onde não se deseja o mesmo.

Figura 26 – Estratégia de entrada horizontal.

Fonte: O autor (2018).

2.4.1.1.2. Arredondamento de cantos e transição

Como visto no Manual de Treinamento SKA, para a transição de uma passada para outra, a ferramenta no momento de realizar o incremento lateral faz uma entrada em ângulo suavizando assim o corte (Figura 27A) com um incremento gradual de material cortado. Em um caso onde a ferramenta completaria o contorno e realizaria um novo incremento sem essa entrada angular, o ponto de entrada ficaria visível no acabamento por ocorrer um esforço acentuado sobre a fresa no momento de início do corte do material devido à entrada total da largura incrementada.

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Figura 27 – Transição entre passadas (A) e movimento de arredondamento dos cantos (B).

Quando a ferramenta chega à extremidade da superfície e tem que mudar o sentido de deslocamento há possibilidades de como se dará esse movimento, o que pode dependendo da situação influenciar, também como no caso da transição entre passadas, na durabilidade da ferramenta. Como visto em Sandvik Coromant (2018), com esse movimento suavizado de mudança de direção do corte (Figura 27B), a fresa permanece constantemente em contato evitando que em todo final de deslocamento ocorra uma nova entrada no material causando tensões prejudiciais á aresta de corte. Isso caracterizaria como um corte interrompido, situação crítica quando se trata da usinagem de materiais mais duros devido à possibilidade de quebra da ferramenta.

2.4.2. Fresamento de aços endurecidos

Segundo Cavaler (2003) quando se trata da usinagem de aços endurecidos tem-se aumento dos esforços mecânicos e térmicos, sendo importante nesses casos um cuidado especial com algumas características das ferramentas empregadas. Normalmente procura-se utilizar ferramentas que disponham de ângulo de saída negativo aliado a classe de ferramenta indicada para o tipo de material, além do fato de que os insertos para usinagem de material endurecido possuem um pequeno chanfro na aresta de corte o que implica em uma maior resistência da ferramenta.

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Conforme Menezes (2014) processos e eletroerosão e retificação foram por longo tempo maneiras para trabalhar peças após a realização de tratamento térmico, mas como são processos que necessitam de grande tempo de execução e também alto valor de hora máquina, a tecnologia e inovação foram necessários para o desenvolvimento de máquinas e ferramentas e ferramentas para a usinagem de materiais temperados. Máquinas CNC com maior rigidez e potência foram construídas, além do surgimento de novos materiais para ferramentas de corte com alta dureza e resistência combinadas com alta tenacidade e resistência a impactos.

Como visto em Sandvik Coromant (2018), além na necessidade de ferramentas adequadas para a situação da usinagem de materiais mais duros, é aconselhável trabalhar sem a aplicação de fluídos refrigerantes para evitar qualquer tipo de choque térmico que poderia ocasionar trincas na ferramenta. Outra consideração feita é sobre o método de fresamento, que aí vai depender também da quantidade de material a ser removida e da geometria usinada, onde um método adequado seria o fresamento trocoidal (Figura 28). Por meio desse método é possível aliar altos avanços com baixo esforço de corte, o que acaba evitando a geração de temperaturas altas na região de corte e assim aumentando a vida útil da ferramenta utilizada.

Figura 28 – Método de fresamento trocoidal.

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3. MATERIAIS E MÉTODOS

Toda a parte prática do trabalho foi desenvolvida nas dependências do Colégio Evangélico Panambi (CEP), tendo sido utilizados instrumentos, máquinas e recursos disponíveis nas dependências da instituição, além de instrumentos disponibilizados por empréstimo de terceiros que serão descritos no decorrer dos parágrafos seguintes. A única atividade realizada fora da instituição foi o tratamento térmico, devido a garantia de uniformidade do processo em todos os corpos de prova.

3.1. DEFINIÇÃO DOS CORPOS DE PROVA

O corpo de prova (Figura 29) foi gerado de modo que ocorra apenas contato lateral da ferramenta, garantindo que o topo da mesma sofra esforços mínimos, evitando distorções nos resultados dos ensaios realizados. Para maiores detalhes verificar Apêndice A.

Figura 29– Corpo de prova com faces vermelhas a serem usinadas.

O material utilizado para realização dos experimentos foi adquirido junto ao fornecedor Schmolz e Bickenbach do Brasil, com o nome técnico dado pela empresa de CRYODUR 2436, material recozido e com dureza de 226-236 HB (APÊNDICE B). Uma vez adquirido o material, foi realizada a usinagem prévia dos corpos de prova na forma ilustrada na Figura 29, sendo posteriormente enviados para realização do tratamento de têmpera com

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dureza final aferida na ordem de 58-60 HRC (APÊNDICE C) junto à empresa Tecnovacum na cidade de Caxias do Sul-RS.

Para o tratamento térmico dos corpos de prova foi utilizado o processo de têmpera a vácuo, onde os fornos são equipados com sistema de resfriamento controlado de nitrogênio e com pressão máxima programada, com vácuo de até 10bar. O processo a vácuo resulta em peças com melhor qualidade superficial e menores alterações dimensionais.

Assim que o material retornou do processo de têmpera verificou-se a dureza dos mesmos utilizando um durômetro da marca DUROGRAF modelo RS número 34 (Figura 30A), sendo obtidas as durezas em 3 pontos distintos da peça (Figura 30), onde foi constatado que 2 dos 12 corpos de prova fabricados estavam fora da faixa de dureza pretendida, o que os levou a serem descartados dos testes práticos. Na Figura 30B as setas em vermelho indicam os pontos onde foi verificada a dureza dos corpos de prova.

Figura 30– Verificação de dureza do material (A) e pontos de medição da mesma (B).

Antes de iniciar o corte com as ferramentas e medir resultados, realizou-se uma operação prévia de usinagem eliminando eventuais empenamentos da peça e também a fim de calibrar o dimensional da mesma, para que a partir do momento da entrada em contato da fresa com o material não se tivesse a interrupção do corte devido ao material ter sofrido alteração geométrica no processo de têmpera. Com esse passe de calibração conseguiu-se garantir que a fresa estivesse realmente em contato constante durante o tempo de processo e removendo a mesma quantidade de material do início ao fim do procedimento.

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3.2. DEFINIÇÕES DA FERRAMENTA

As ferramentas escolhidas para a análise de desgaste foram fresas de topo toroidal com quatro arestas (Figura 31) fornecidas pela empresa Alltech Tools de Caxias do Sul, fabricadas em metal duro com cobertura ALCRONA (AlCrN) e suportando usinagens de materiais de até 60 HRC. Pelo número de variáveis executadas foram necessárias nove ferramentas para os ensaios e mais uma para os pré-testes, sendo que na execução do experimento cada uma cortou material pelo mesmo tempo efetivo, variando-se o incremento lateral e o avanço.

A escolha da fresa toroidal se deve a mesma possuir a aresta de corte com raio, o que propicia maior durabilidade da aresta de corte em casos de usinagens mais severas como no caso do material temperado. Também na definição de diâmetro de fresa optou-se pelo diâmetro de 6mm devido ao elevado custo para aquisição das ferramentas, sendo que conforme se aumenta o diâmetro da fresa também eleva-se o custo da mesma. A mesma questão de custo já é percebida quando se compara o valor de uma fresa para usinagem de materiais mais duros, em relação e uma fresa de menor qualidade utilizada para o corte de materiais menos resistentes.

Figura 31 – Fresa toroidal UXR.

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3.2.1. Características da ferramenta

Uma fresa toroidal consiste em uma ferramenta de topo reto que possui raio ao invés de um canto vivo na aresta de corte, contribuindo assim para que a mesma tenha uma maior resistência. O ângulo de inclinação da aresta é de 35° e conta com 4 arestas cortantes, podendo ainda ser encontradas fresas toroidais de 2 arestas, porém com menor resistência que as anteriores pois a alma é mais frágil devido ao maior espaçamento entre as arestas.

A nomenclatura UXR0610 dada pelo fabricante para as fresas utilizadas indica usinagem de material até 60HRC, diâmetro de corte de 6mm e raio de aresta de 1mm. As dimensões da fresapodem ser melhor representadas na figura 32, onde se tem para a fresa que foi utilizada as seguintes medidas:

- Ø d1, diâmetro de corte igual a 6mm; - Ø d2, diâmetro da haste igual a 6mm;

- Ø d3, diâmetro da ferramenta ao final da aresta de corte (alívio) igual a 5.8mm; - L1, comprimento total da fresa igual a 50mm;

- L2, comprimento da aresta de corte igual a 8mm; - L3, comprimento útil da fresa igual a 18mm;

Figura 32 – Dimensões da fresa UXR.

Fonte: WNT Deutschland GmbH (2018).

3.3. MÁQUINA UTILIZADA

Para realização das usinagens foi utilizado um centro de usinagem Hermle C800U (Figura 33), com curso de eixos X, Y e Z respectivamente de 800x600x500, rotação máxima de Spindle de 16000 RPM, avanço máximo dos eixos 35m/min. A máquina com fabricação datada do ano de 2001 utiliza o comando Heidenhain TNC 430, e conta com magazine para

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30 ferramentas, sendo estas com suportes de fixação tipo HSK-A63, e também conta com recurso para referenciamento de peças por meio de um apalpador eletrônico Heidenhain.

Figura 33 – Centro de usinagem Hermle C800U.

3.3.1. Sistema de fixação do corpo de prova

Para que fosse possível a usinagem dos corpos de prova os mesmos foram presos por meio de aperto gerado por uma morsa hidráulica com capacidade máxima de aperto de 4 toneladas (Figura 34), tendo uma profundidade de 50mm da face dos mordentes até a base de apoio da peça, sendo necessária a utilização de calços para que a peça presa ficasse a uma altura de 8mm para fora da morsa a fim de evitar que a fresa viesse a usinar os mordentes da morsa.

Figura 34 – Morsa Hidráulica.

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3.3.2. Sistema de fixação da ferramenta

No intuito de garantir o máximo possível a precisão de fixação da ferramenta, foi utilizado um mandril hidráulico da marca Schunk (Figura 35), o qual utiliza pinça diâmetro externo 12mm com redução para fresas de haste de 6mm, com batimento máximo dado pelo fabricante de 0,003mm. O balanço de fixação indicado pelo fabricante (Ls) é de 4x o diâmetro de corte, no caso aqui referido a fresa ficou em todos os casos montada com um balanço de 18mm , estando assim abaixo dessa relação referida como máximo comprimento em balanço.

Figura 35 – Mandril Hidráulico.

3.4. DEFINIÇÃO DA ESTRATÉGIA DE CORTE

Para a realização da programação foi utilizado o software de manufatura EdgeCAM versão 2017 R2, com o qual é possível a realização das mais diversas operações de usinagem. No caso do presente trabalho se trata de uma usinagem lateral, onde a ferramenta teve a profundidade total de corte constante de 6,5mm com variação dos incrementos laterais, sempre observando o contato contínuo da ferramenta até o momento da parada para verificação da situação da ferramenta na questão do desgaste.

Em uma situação normal de usinagem para realizar o contorno do perfil retangular do corpo de prova seria utilizado o ciclo de perfilar, onde a ferramenta desce até a profundidade

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programada em um ou mais passes, e então se desloca até a borda da peça com entrada suavizada e realiza a remoção de material do contorno da peça. Terminado o contorno, a fresa tem o movimento de saída de contorno e afastamento da peça, sendo que em caso de repetição do contorno iria ter uma nova entrada e uma nova saída.

Como para o experimento foi necessária manutenção do contato constante ao longo da usinagem, foram observados os demais ciclos de usinagem para visualização de qual seria o ideal para o caso do trabalho aqui citado, chegando então à utilização do ciclo de acabamento de áreas planas. O cuidado que se teve foi para que a ferramenta não chegasse a usinar pegando em cheio no raio/topo, pois o ciclo se executado do inicio ao fim inicia na periferia da peça e fecha o contorno em passes em forma de mola espiral até chegar ao centro da peça.

3.5. VERIFICAÇÃO DO DESGASTE DA FRESA

Iniciados os ensaios foi verificado em um período de 15 minutos de corte o desgaste da ferramenta, sendo que a cada 5 minutos de corte contínuo teve-se a parada da execução do programa seguido da retirada da ferramenta do Spindle da máquina. Essa verificação foi realizada por meio da tomada de imagens com o auxílio de um microscópio portátil digital da marca Dino Lite modelo Plus (Figura 36), onde foi utilizado o fator de ampliação de 50x. As medições de desgaste foram concebidas por meio do software DinoCapture 2.0 versão 1.5.27.E.

Figura 36 – Câmera Dino Lite.

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3.6. VERIFICAÇÃO DA CONICIDADE DA PAREDE USINADA

Assim como no caso da verificação do desgaste da fresa, no momento em que essa verificação foi sendo realizada foi também medida a variação dimensional da peça no sentido perpendicular com o topo da mesma. Para verificação desse item foi utilizado um recurso da máquina empregada no experimento, o apalpador eletrônico 3D da marca Heidenhain modelo TS632 (APÊNDICE E). O apalpador dispõe de uma ponteira com uma esfera de vidro de diâmetro 4mm, por isso as medições foram realizadas na profundidade mínima de 2,1mm (Figura 37A) e na profundidade máxima de 6 mm (Figura 37B). Essas profundidades se devem a, na parte superior compensar o raio da esfera do apalpador, e na parte inferior evitar que o apalpador tenha contato com rebarba criada obtendo assim medidas de maneira errada.

Figura 37– Verificação superior (A) e inferior (B).

3.7. DELINEAMENTO EXPERIMENTAL

Para determinar as variações de um teste para outro, foram obtidas imagens da ferramenta a cada 5 minutos de contato efetivo, em um tempo total de 15 minutos de corte, realizado para diferentes situações com incrementos laterais de 0.1, 0.15 e 0.2mm, e ainda avanços de 840, 1000 e 1200 mm/min. A fim de verificar a questão dimensional da peça usinada, foram executas medições com auxílio do apalpador eletrônico para comparação de