Fresotorneamento com Ferramentas de cBN do Aço ABNT 8620 Endurecido.

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(1)UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO - UNINOVE PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO - PMEP. Fresotorneamento com Ferramentas de cBN do Aço ABNT 8620 Endurecido.. EMERSON CARLOS DOS SANTOS. SÃO PAULO 2011.

(2) UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO. Fresotorneamento com Ferramentas de cBN do Aço ABNT 8620 Endurecido.. Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia de Produção da Universidade Nove de Julho como requisito parcial para sua qualificação visando obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Produção.. Mestrando: Emerson Carlos dos Santos Orientador: Prof. Dr. Nivaldo Lemos Coppini Co-orientador: Prof. Dr. Fabio Henrique Pereira. SÃO PAULO 2011.

(3) UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO. Fresotorneamento com Ferramentas de cBN do Aço ABNT 8620 Endurecido.. Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia de Produção da Universidade Nove de Julho como requisito parcial para sua qualificação visando obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Produção. ___________________________________________________________ Presidente: Prof. Dr. Nivaldo Lemos Coppini – Orientador, UNINOVE ___________________________________________________________ Membro: Prof. Dr. Elesandro Antonio Baptista, UNINOVE ___________________________________________________________ Membro: Prof. Dr. Gilmar Ferreira Batalha, USP. São Paulo, 22 de fevereiro de 2011..

(4) FICHA CATALOGRAFICA. Santos, Emerson Carlos dos. Fresotorneamento com ferramentas de cBN do aço ABNT 8620 endurecido. / Emerson Carlos dos Santos. 58 f. Dissertação (mestrado) – Universidade Nove de Julho - UNINOVE, São Paulo, 2011. Orientador (a): Prof. Dr. Nivaldo Lemos Coppini. 1. Fresotorneamento. 2. Nitreto cúbico de boro. 3. Aço endurecido. I. Coppini, Nivaldo Lemos. CDU 621.

(5) iv. Dedico este trabalho, com satisfação e amor, a quem sempre me ajudou e esteve do meu lado o tempo todo – Deus e minha família, em especial minha esposa Leidiane e meus pais Francisco e Fátima..

(6) v. Agradecimentos. A Deus, autor e consumador de minha fé, por me dar vida e permitir viver mais esta etapa.. À minha família, por estar sempre presente em todos os momentos da minha vida.. A todos os professores do Programa de Mestrado em Engenharia de Produção, pela colaboração direta ou indireta na elaboração deste estudo.. Aos fornecedores (Taegu Tec, Sumitomo, Kennametal e Mapal) que permitiram, através de seus materiais, a realização dos estudos aqui contidos, bem como a equipe da Sandvik, divisão Tool Services, especialmente ao Diego Sales que ajudou muito no acompanhamento dos testes.. Aos professores membros da banca de qualificação, por avaliarem e auxiliarem na melhora dessa dissertação.. A Leidiane Lopes, que embarcou na viagem de viver ao meu lado e compartilhar todos os momentos da vida com sua doação, dedicação, paciência carinho e imenso amor..

(7) vi. Agradecimentos Especiais. Ao meu orientador, Prof. Dr. Nivaldo Lemos Coppini, pelo direcionamento, contribuição de valor inestimável a este trabalho, paciência e atenção para me trilhar corretamente na elaboração desse estudo bem como iniciar no mundo científico strictu sensu.. Ao Prof. Dr. Fabio Henrique Pereira, meu co-orientador, pela ajuda e contribuição no tratamento estatístico dos dados.. Ao Prof. Dr. Elesandro Antônio Baptista pela contribuição em todo escopo deste estudo desde o artigo gerado pelo mesmo até a formação da banca examinadora.. Muito obrigado a todos vocês por toda a experiência compartilhada e ensinamentos direcionados..

(8) vii. Mas em todas estas coisas somos mais do que vencedores, por aquele que nos amou.. Romanos 8:37.

(9) viii Resumo A usinagem de materiais endurecidos em substituição à retificação é fator determinante na sobrevivência das corporações quanto à competitividade e manutenção dos principais itens procurados pelo mercado: Preço, Prazo e Qualidade. O Nitreto cúbico de Boro (cBN) tem sido um dos materiais mais utilizados na usinagem de aços endurecidos para acabamento de peças conferindo tolerâncias dimensionais baixas, bom acabamento e forma geométrica satisfatória. Infelizmente a literatura técnica brasileira é carente quando se trata de fresamento interrompido e, principalmente, acabamento em superfícies irregulares como as formadas durante o processo de estampagem previamente ao corte por usinagem. Este trabalho tem o objetivo geral de pesquisar o desempenho de ferramentas de cBN na usinagem de assento de esferas de gaiolas de Aço ABNT8620 endurecido utilizadas como componentes na fabricação de juntas homocinéticas automotivas. A pesquisa, desenvolvida em chão de fábrica, foi realizada por meio de testes com variações de condições de usinagem e posterior análise de dados com apoio estatístico utilizando a ferramenta “Análise de Variância” (ANOVA). Os resultados indicaram que uma das três formas de afiação de aresta de corte utilizadas foi destacadamente melhor que as demais. Também foi identificado que a forma de afiação (preparação de aresta) foi fator de influência na vida das ferramentas maior que o avanço dentro da faixas de avanços utilizadas. Palavras-chave: Fresotorneamento, Nitreto Cúbico de Boro, Aço Endurecido..

(10) ix Abstract The hardened materials machining in advance to replace the grinding operation is an important factor in the corporations’ survival and competitiveness for keeping items sought by the market: Price, Time and Quality. The cubic Boron Nitride (cBN) has been one of the most materials on hardened steels machining for finishing operation giving the pieces lower dimensional tolerances, great finish and good geometric shape. Unfortunately the Brazilian technical literature is poor when it comes to interrupted milling, especially finish on uneven surfaces like those formed during the punching process prior to cutting machining. This paper aims to study the cBN tool performance on machining for ball cages holders made with SAE 8620 hardened steel used as components. most. used sets for cutting edges by the cBN inserts manufacturers and to determine the most suitable windows cages joints milling in ABNT 8620 carburized steel. The research, developed in the facilities, was carried out by testing machining conditions rating and subsequent data analysis with statistical support using the “Analysis of Variance” (ANOVA) tool. The results showed that one of three cutting edge sharpening ways used was prominently better than the others. It can be also realized that the edge sharpening was a higher influent factor on the tools life than cutting feed within the feeds range used. Keywords: Milling-turning, Cubic Boron Nitride, Hardened Steel..

(11) x LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Localização da gaiola dentro de uma junta homocinética de alta velocidade.. 3. Figura 2.1 – Fluxograma dos processos de fabricação de peças metálicas.. 5. Figura 2.2 – Arranjo dos átomos do nitreto de boro.. 8. Figura 2.3 – Tipos de cBN e suas simulações micrográficas.. 9. Figura 2.4 – Modelo Esquemático de Obtenção do Policristalino.. 10. Figura 2.5 – Comparativo: Propriedades dos Materiais de Ferramentas.. 11. Figura 2.6 – Tipos de cBN quanto à fixação.. 12. Figura 2.7 – Chanfro de uma ferramenta de cBN.. 15. Figura 3.1 – Tipos de Desgaste das Ferramentas.. 17. Figura 3.2 – Mecanismos de desgaste das ferramentas.. 18. Figura 3.3 – Tipos de desgaste: desgaste de flanco e tipo entalhe.. 18. Figura 3.4 – Tipos de desgaste: craterização.. 19. Figura 3.5 – Tipos de desgaste: deformação plástica.. 19. Figura 3.6 – Tipos de desgaste: aresta postiça.. 20. Figura 3.7 – Tipos de desgaste: martelamento de cavacos.. 20. Figura 3.8 – Tipos de desgaste: microlascas.. 21. Figura 3.9 – Tipos de desgaste: fissuras térmicas.. 21. Figura 3.10 – Tipos de desgaste: quebra da pastilha.. 21. Figura 3.11 – Influência da profundidade de usinagem, do avanço e da velocidade de corte na forma do cavaco. Figura 3.12 – Determinação da curva de vida de uma ferramenta.. 24.

(12) xi determinada através de ensaios delonga duração. Figura 3.13 – Condição de contato no fresamento.. 25 27. Figura 3.14 – Fresamento discordante, concordante e combinado, respectivamente.. 27. Figura 3.15 – Tipos de fresas de topo.. 29. Figura 4.1 – Fotos da gaiola de junta homocinéticas.. 32. Figura 4.2 – Inserto TPGW 160408 (Iscar 2010).. 34. Figura 4.3 – Máquina utilizada para usinagem das peças.. 35. Figura 4.4 – Apalpador Marposs.. 36. Figura 4.5 – Representação gráfica e dimensões envolvidas no processo.. 37. Figura 4.6 – Representação gráfica dos tipos de preparação de aresta utilizadas.. 38. Figura 5.1 – Influência do avanço na vida dos insertos.. 43. Figura 5.2 – Distribuição dos resultados de vida obtidos para todos os avanços dos fornecedores 1 e 2.. 44. Figura 5.3 – Histograma dos resultados de vida obtidos para todos os avanços dos fornecedores 1 e 2.. 44. Figura 5.4 – Aplicação da ANOVA fator duplo de repetição para 95% de confiança na análise estatística dos resultados. Figura 5.5 – Teste Simultâneo de Tukey.. 45 46. Figura 5.6 – Vistas típicas de dois insertos com afiação T+S utilizados nos ensaios preliminares mostrando a quebra da aresta de corte (a e b) e lascamento da aresta de corte (c). Aumento de 55x.. 49. Figura 5.7 – Vista da superfície de saída de um inserto com afiação T+S com prélascamentos. Aumento de 55x.. 50.

(13) xii LISTA DE TABELAS Tabela 4.1 – Classes de cBN disponíveis.. 33. Tabela 5.1 – Resultados ensaios para os insertos dos fornecedores 1,2,3 e 4.. 41. Tabela 5.2 – Resumo das vidas médias e desvios padrões para cada avanço fornecedores 1 e 2.. 42. Tabela 5.3 – Ensaios realizados apenas para o fornecedor 1 com critério de vida 800 peças/aresta.. 49.

(14) xiii. LISTA DE ABREVIATURAS cBN. Nitreto Cúbico de Boro. HRC. Rockwell “C” (unidade de dureza). ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. ANOVA. Análise de Variância. PCD. Polycristalline Compact Diamond (Diamante Policristalino Compacto). WC+Co. Carboneto de Tungstênio com Cobalto. DIN. Deutsch Industrie Norm (Norma da Insdústria Alemã). ISO. International. Organization. for. Standardization. Internacional para Padronização) CNC. Comando Numérico Computadorizado. L/D. Índice de esbeltez (comprimento/diâmetro). TiN. Nitreto de Titânio. (Organização.

(15) xiv SUMÁRIO 1 – INTRODUÇÃO. 1. 2 – REVISÃO DA LITERATURA. 4. 2.1 – Introdução. 4. 2.2 – Usinagem de Aços Endurecidos. 5. 2.3 – Materiais para Ferramentas. 6. 2.4 – cBN – Nitreto Cúbico de Boro. 8. 2.4.1 – Obtenção do nitreto cúbico de boro. 8. 2.4.2 – Construção de Ferramentas de cBN. 10. 2.4.3 – Propriedades. 11. 2.4.4 – Tipos de cBN. 11. 2.4.5 – Principais Aplicações dos cBN’s. 13. 2.4.6 – Quadro comparativo entre os fabricantes de cBN. 13. 2.4.7 – Cuidados quando se utiliza ferramentas de cBN. 14. 3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA. 16. 3.1 – Processo de Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida. 16. 3.2 – Mecanismos de desgaste das ferramentas. 16. 3.3 – Problemas e Soluções Relacionadas ao Desgaste. 18. 3.4 – Vida da Ferramenta. 22. 3.5 – Curva de Vida de uma Ferramenta. 23. 3.6 – Usinagem por Fresamento. 25. 3.7 – Fresotorneamento. 29. 3.8 – Cementação. 30. 3.8.1 – Aços Para Cementação. 30. 3.9 – Análise de Variância (ANOVA). 31. 3.7.1 – Intervalos de Confiança pelo Método Tukey. 31. 4 – MATERIAIS E MÉTODOS. 32. 4.1 – Materiais e métodos. 32. 5 – RESULTADOS E DISCUSSÕES. 40. 5.1 – Análise visual dos resultados. 40. 5.2 – Análise estatística dos resultados. 43. 5.3 – Ensaios complementares. 47. 5.4. Comportamento dos insertos de cBN. 49. 6 – CONCLUSÕES. 51. 7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 52.

(16) 1 - INTRODUÇÃO A usinagem de materiais endurecidos em substituição a retificação tem sido fator determinante na sobrevivência das corporações quanto à competitividade e manutenção dos principais itens procurados pelo mercado: Preço, Prazo e Qualidade. O Nitreto Cúbico de Boro (cBN) tem sido um dos materiais mais utilizados na usinagem de aços endurecidos (55 a 65 HRC) para acabamento de peças conferindo tolerâncias dimensionais baixas, bom acabamento e forma geométrica satisfatória (Aneiro et al, 2008). Este tema justifica-se, além de seu valor intrínseco, por ser pouco explorado e divulgado pela literatura técnica nacional, principalmente quando se trata de acabamento em superfícies irregulares como as remanescentes do processo de estampagem. A procura pelo desenvolvimento e aplicação da usinagem de materiais endurecidos surgiu inicialmente nas indústrias automotiva, aeroespacial e metalúrgica. Nestes três ramos industriais, ferramentas de cBN são comumente utilizadas, pois reduzem o custo na produção e melhoram a qualidade de acabamento do produto (Aspiwall et al, 2002). Por isso, em muitos casos, o fresamento com este tipo de ferramenta pode substituir o processo de retificação na operação de acabamento (Grzesik et al, 2006), principalmente em componentes de juntas homocinéticas automotivas onde a produção é alta e qualquer ganho no tempo de produção e de custos de ferramentas, máquinas e dispositivo é fator determinante para a manutenção de toda a cadeia produtiva (Lacalle e Lamikiz, 2009). De acordo com Lima e Correa (2002), em alguns casos, o custo por peça tende a ser até 60% se ao invés de ser produzida pelo processo convencional de retificação for substituído pelo torneamento de materiais endurecidos. A crescente demanda automotiva no mercado mundial, independente de crises e conseqüências, aliado as leis e ações de preservação do meio ambiente, tem aumentado a concorrência entre fabricantes de peças e sistemas automotivos no sentido desenvolver processos cada vez mais enxutos em tempos, custos de ferramentas e dispositivos, redução e/ou eliminação de itens poluentes (Boyle e Scherrer-Rathje, 2009). Este fato desencadeou uma corrida a materiais de alto valor tecnológico agregado que antes eram conhecidos apenas através de literaturas em experimentos laboratoriais ou aplicações extremamente restritas devido aos custos envolvidos tanto em equipamentos quanto no valor final do item (Reynolds e Lane, 2003). O cBN é um desses materiais que, com o passar dos anos, tem sido cada vez mais utilizado na indústria em substituição ao processo de retificação. As principais vantagens na substituição de processo são: flexibilidade na afiação para peças de geometrias complexas, custo do equipamento de usinagem, dispositivos menos complexos quanto a sistemas de vedação de fluidos, inexistência.

(17) 2 de borras residuais de processos facilitando qualquer homologação ambiental, praticidade na substituição da ferramenta, limpeza, entre outros (König et al, 1993). Um processo que ainda utiliza sistemas de usinagem por abrasão (retificação) é o acabamento de janelas de gaiolas de esferas utilizadas em juntas homocinéticas automotivas. Este processo requer, além de uma máquina com alto custo, um equipamento totalmente customizado permitindo variações muito pequenas entre o tamanho das peças a serem processadas entre um lote e outro e tornando-se indisponível para qualquer outra operação que se julgar necessário no ambiente fabril (Savas e Ozay, 2008). Apresentam, portanto, a necessidade de um sistema máquina, ferramenta e peça dedicado e específico. As janelas de gaiolas, fabricadas em aço liga de baixo carbono (ABNT 8620) possuem sua geometria um tanto irregular, visto que são resultantes de uma operação de puncionamento realizado em operação anterior à usinagem (Park, Kim e Moon, 2007). Este tipo de processo provoca o encruamento da camada superficial puncionada, gerando pontos de carbonetos isolados. Após tratamento térmico de endurecimento, estes pontos de carbonetos atingem durezas elevadas que incidem na superfície das gaiolas, exatamente nas camadas que deverão ser usinadas. (Chiaverini – 1981). Essa característica peculiar de peças que passam por tal tipo de processo tem levado ao desenvolvimento de classes, formatos e ângulos de pastilhas de cBN cada vez mais variados visando à obtenção das características físicas e dimensionais requeridas, a obtenção do melhor rendimento possível e o suprimento de todas as adversidades sofridas pela peça nas operações que antecedem a usinagem de acabamento superficial, geralmente requeridas para superfícies de contato, como é o caso das gaiolas de juntas homocinéticas (Ezugwu et al, 2005). Este trabalho tem o objetivo de pesquisar o desempenho de ferramentas de cBN no fresotorneamento de assento de esferas de gaiolas de Aço ABNT 8620 endurecido utilizadas como componentes na fabricação de juntas homocinéticas automotivas (Figura 1.1). Objetivos específicos: •. realizar toda a parte experimental em planta fabril, colhendo os dados durante a produção normal das peças;. •. pesquisar o tipo de afiação (preparação) da aresta de corte do inserto que melhor desempenho apresentasse em termos da vida da aresta de corte;. •. pesquisar a influência do avanço em um campo bastante restrito de acordo com a orientação dos fornecedores das ferramentas.. A Figura 1.1 ilustra, de forma explodida, onde se localiza (em amarelo) a peça alvo dos estudos de usinagem deste trabalho..

(18) 3. Figura 1.1. Localização da gaiola dentro de uma junta homocinética de alta velocidade. Este trabalho apresenta-se com a seguinte estrutura: Neste primeiro capítulo é apresentado o tema do projeto e é realizada uma justificativa de sua importância, apresentando os principais desafios e conseqüentemente as oportunidades de melhoria relativamente ao processo de usinagem de gaiolas de juntas homocinéticas em aço ABNT 8620 endurecido. O Capítulo 2 apresenta a “Revisão da Literatura” sobre o assunto, na qual serão abordados os temas sobre Usinagem de Aços Endurecidos, Ferramentas de Corte e cBN. Neste capítulo será possível um melhor entendimento sobre as ferramentas, tipos e condições que influenciam o processo de usinagem de aços endurecidos. No Capítulo 3, apresenta-se a “Fundamentação Teórica”, onde serão abordados os temas sobre Processo de Usinagem com Ferramentas de Geometria Definida, Mecanismos de Desgaste das Ferramentas, Problemas e Soluções Relacionadas ao Desgaste, Medição dos Desgastes das Ferramentas, Vida da Ferramenta, Curva de Vida da Ferramenta e Usinagem por Fresamento. Este capítulo tem a finalidade de abordar os assuntos teóricos que são utilizados no desenvolvimento do trabalho. O Capítulo 4, “Materiais e Métodos” tem a finalidade de realizar o enquadramento da pesquisa dentro do conceito de Metodologia da Pesquisa e de detalhar as condições em que foram realizados os testes, os equipamentos para realização dos experimentos, além dos equipamentos utilizados para as medições dos parâmetros envolvidos. No Capítulo 5 são apresentados e discutidos os resultados dos testes experimentais realizados no trabalho. O Capítulo 6 apresenta as conclusões conseguidas. No Capítulo 7 apresentam-se as “Referências Bibliográficas”..

(19) 2. REVISÃO DA LITERATURA 2.1 - Introdução Desde as civilizações mais remotas, no contexto cronológico, a humanidade utiliza meios de transformação de matérias-primas em produtos manufaturados adequando-os assim a uma condição mais favorável para o uso cotidiano no bem estar comum. Dentre esses meios de transformação, um processo bem antigo e utilizado é o de Usinagem. Este é um processo de transformação de matériaprima em produto acabado através da retirada do material excedente utilizando-se de um instrumento cortante denominado ferramenta de corte (Campos, 2004). Os processos de fabricação são inúmeros e apresentam diferentes aplicações em função do tipo de material a ser processado, da geometria da peça a ser trabalhada e do nível de produção desejado. Entretanto, a importância da usinagem pode ser mais bem entendida quando se observa o fluxograma de fabricação apresentado na Figura 2.1. Observa-se no fluxograma que, as matérias primas metálicas, sejam elas constituídas de materiais dúcteis ou frágeis, que apresentem geometrias simples ou complexas, que apresentem demandas diversas, na sua grande maioria conterá em seu histórico de fabricação um processo de usinagem incluído. A usinagem passou a ter importância econômica no surgimento da fabricação do aço, na metade do século XVIII. Foi consolidada com o surgimento do aço rápido (liga de aço usada na confecção de ferramentas de corte) no início do século XX. Desde então, a usinagem vem evoluindo de forma expressiva, principalmente no avanço tecnológico das ferramentas de corte (Araújo Filho et al, 2004). Hoje já é possível utilizar uma gama com grande variedade de ferramentas de corte, considerando, mediante aplicação desejada, tanto os aspectos geométricos quanto o material em que são fabricadas, fazendo com que sua aplicação tenha seu tipo de ferramenta e geometria direcionada. O processo de Usinagem pode ser entendido como sendo a remoção de uma quantidade de material, com auxílio de uma ferramenta de corte, produzindo a parte removida chamada de cavaco (Faccio, 2002). Com isto, obtém-se a peça com formas e dimensões desejadas. De um modo geral, as principais operações de usinagem são: torneamento, aplainamento; fresamento; furação; brochamento, retificação..

(20) 5. Figura 2.1. Fluxograma dos processos de fabricação de peças metálicas.. 2.2 - Usinagem de Aços Endurecidos Tradicionalmente, o processo de fabricação de uma peça de aço endurecido inicia-se com a usinagem da mesma a partir da matéria prima com durezas iguais ou inferiores a 45 HRC (Choudhury e Bajpai, 2005). A peça é levada próxima de sua forma final por usinagem e, somente então é temperada e revenida para atingir a dureza adequada às especificações de projeto. Então, a peça é novamente usinada para as dimensões e tolerâncias finais por meio do processo de retificação (Klocke et al, 2005)..

(21) 6 Sabe-se que o diamante é o material mais duro existente. Entretanto, por ser basicamente composto de Carbono, o mesmo apresenta o problema de reação com o ferro existente nos aços (trocando moléculas de carbono gerando desgaste prematuro por difusão química), ferros fundidos e demais ligas ferrosas. Por este motivo, o diamante, apesar de ter uma dureza ideal para usinagem de aços endurecidos, apresenta esta limitação praticamente irremediável (Diniz et al, 2008). Com o desenvolvimento de ferramentas em cBN ocorrido nos anos 70 (Campos,2004), houve grande avanço na tecnologia da usinagem de materiais endurecidos: a dureza elevada em temperaturas altas e a relativa baixa solubilidade no ferro (comparando-se com o diamante) faz do cBN um material muito indicado para a usinagem de aços endurecidos (de 45 a 65 HRC) (Diniz et al, 2008). Desta forma, várias alternativas de processamento destes materiais por usinagem passaram a ser possíveis de ser utilizadas. A matéria-prima bruta da peça pode ser tratada termicamente para se obter dureza e propriedades mecânicas desejadas, e então, ser usinada até o seu formato final, utilizando-se arestas de corte com geometrias definidas, eliminando, desta forma, as operações subseqüentes de retífica (Remadma e Rigal, 2006). As vantagens do emprego da usinagem de peças endurecidas em relação à retificação (Fleming e Bosson, 2000; Campos et al, 2006), são: • equipamentos de menor custo; • redução dos tempos e custos de usinagem; • menor consumo de energia; • possibilidade de reciclagem dos cavacos; • possibilidade da eliminação do fluido refrigerante; • menor tempo de ajustes e trocas de ferramentas; • menor emissão de poluentes; • eliminação de danos de origem térmica; • flexibilidade de processos.. 2.3 - Materiais para Ferramentas Uma maneira de classificação das ferramentas é pelo material, porém, não é certo que exista uma classificação padronizada. Baseado em características químicas, podem ser previamente dispostos como segue (Machado e Silva, 1999; Diniz et al, 2008; Ferraresi, 1997; Campos, 2004): • aço carbono; • aços rápidos semi-rápido;.

(22) 7 • ligas fundidas; • metal duro; • cermet; • cerâmicas; • ultraduros: PCD (Polycrystalline Compact Diamond) e cBN (Polycrystalline cubic Boron Nitride); • diamante natural. As propriedades físico-químicas das ferramentas são em função de sua composição, o que pode ser previamente classificado como segue: • dureza elevada; • estabilidade química; • tenacidade; • resistência ao desgaste; • resistência à compressão; • resistência ao cisalhamento; • boas propriedades mecânicas à temperaturas elevadas; • resistência térmica; • resistência ao impacto. Dentre os materiais citados acima, os aços rápidos recobertos ou não e os metais duros recobertos ou não, são os materiais universalmente utilizados para usinar qualquer tipo de materiais de peças. Entretanto, nenhum dos dois é indicado para usinagem de materiais endurecidos como é o caso do assento de esferas da gaiola de juntas homocinéticas estudada neste trabalho. Neste caso, é necessário utilizar um material para ferramenta que seja ultraduro. Também se destaca o cBN, o PCD e o Diamante Natural. Tanto o PCD quanto o Diamante Natural, teria condições de usinar a gaiola de esferas para juntas homocinéticas, entretanto, ambos são inviáveis de serem utilizados para usinagem de materiais ferrosos, devido a afinidade química entre o Carbono existente no diamante e o ferro existente em aços e ferros fundidos (Reis et al, 2003). Desta forma, o recomendado é o cBN. O cBN é considerado um material ultraduro, com dureza superior à 3000 MPa. Foi desenvolvido anos 1950, mas é a partir do final da década de 1970 é que eles começaram a ser produzidos em escala industrial com forte entrada no mercado de ferramenta de corte (Machado e Silva, 1999)..

(23) 8 2.4 - cBN – Nitreto Cúbico de Boro 2.4.1 – Processo de obtenção do cBN O cBN é obtido por reação química, a partir do BN (Boron Nitride, ou nitreto de boro), que tem uma estrutura hexagonal com igual de átomos de boro e nitrogênio em arranjo alternado (Arsecularatne et al, 2006). O Carbono tem como característica apresentar-se com uma estrutura hexagonal, que caracteriza a grafite, ou com uma estrutura cúbica que caracteriza o diamante. Para transformar grafite em diamante, ou seja, de estrutura hexagonal para cúbica, é necessário que o carbono seja tratado sob condições de temperatura e pressão adequadas. Isto pode ocorrer na natureza (diamante natural) ou ser produzido artificialmente gerando o chamado diamante industrial policristalino. Com o cBN ocorre o mesmo tipo de transformação. Para tanto é necessário que o material o. o. seja submetido a pressões de 5000 a 9000 MPa e a temperaturas de 1500 C a 1900 C, na presença de um catalisador (geralmente o lítio) (Diniz et al, 2008). A evolução do arranjo atômico do BN é mostrada na Figura 2.2.. 1. 2. 3. Figura 2.2 – Arranjo dos átomos do nitreto de boro (DeVries, 1972; Campos, 2004). Os policristais de cBN, cuja estrutura hexagonal cúbica encontra-se ilustrada na Figura 2.2 (3), são feitos através da metalurgia do pó, que na fase da compactação, gera um subproduto na forma de placas. O início do processo consiste em utilizar pó de monocristais de cBN já covenientemente misturados com um catalisador (Lítio) cuja estrutura encontra-se ilustrada na Figura 2.2(1). Na Figura 2.2(2) o símbolo marcado em preto é o catalisador e o vazio é cBN. O processo seguinte consiste em provocar a sinterização destas placas Os catalisadores, nesta fase, são úteis no sentido de acelerar a sinterização. O processo de sinterização deve garantir que toda a massa do produto deve apresentar uma estrutura cúbica Figura 2.2(2). A pressão simultaneamente incidente sobre a placa de cBN irá transformar-se em cBN com uma estrutura Hexagonal cúbica de face centrada. Figura 2.2(3) (Correa, 2002). Normalmente, ao preparar uma placa de cBN, além de.

(24) 9 seu próprio pó monocristalino, podem ser misturados metais ou materiais cerâmicos. Assim, propriedades diferentes podem ser conseguidas dependendo do grau de “pureza” do cBN. Na Figura 2.3, por meio da micrografia, são mostradas as combinações de diversos elementos constitutivos do cBN. Assim, a primeira micrografia é de um cBN com 90% de pureza que utiliza alumínio como ligante (é o inserto mais duro entre os três tipos); a segunda é um cBN com 80% de pureza que utiliza alumínio e titânio como ligantes (tem dureza intermediária); a terceira possui 50% de pureza e utiliza metal duro como aglomerante (os dois últimos são brasados sobre substratos de metal duro) como afirma Lin et al (2008).. Figura 2.3 – Tipos de cBN e suas simulações micrográficas (De Beers, 1998).. A metalurgia do pó é um processo empregado na fabricação de peças de materiais de alto ponto de fusão, quando fica física e economicamente inviável utilizar-se de processos que necessitam da transformação do material em líquido, como ocorre com processo de fundição e lingotamento (Figura 2.4). Outras aplicações da metalurgia do pó consistem em obtenção de peças porosas ou obtenção de peças com composições de materiais com propriedades muito diferentes, como por exemplo, peças fabricadas com a mistura de metais e materiais cerâmicos. A metalurgia do pó se desenvolve através de três operações fundamentais: obtenção dos pós, compactação e sinterização. A primeira consiste em utilizar-se de processos químicos, mecânicos ou metalúrgicos para obtenção dos pós. Estes, após devidamente controlados em qualidade de dimensão dos grãos dos pós, são misturados e levados para compactação em matrizes fechadas para obtenção dos “briquetes” (peças ainda sem resistência mecânica desejada). Em seguida são colocados em fornos especiais para sinterização. A sinterização consiste em (Alves, 2010): •. formação e crescimento de colos entre os grãos compactados através de difusão atômica;.

(25) 10 •. com o tempo, nos poros entre os grãos formam-se canais contínuos ao longo das arestas dos grãos, em que são arranjados pela migração conjunta, ocorrendo o aumento da densidade;. •. ao passar do tempo, os colos crescem e conjuntos de grãos próximos entre si se fundem em apenas um grão;. •. a medida que o processo evolui, o material terá de sua densidade mais próxima da original.. Do mesmo modo, pode-se obter cristais de cBN, a fim de se gerar um composto policristalino (Rong et al, 2002). Tal fato encontra-se ilustrado na Figura 2.4.. Figura 2.4 – Modelo Esquemático de Obtenção do Policristalino (Campos, 2004).. Ao sinterizar as partículas em conjunto, obtém-se um conglomerado de cBN em que, cristais anisotrópicos são combinados para gerar uma massa isotrópica (Yaman e Mandal, 2009).. 2.4.2 – Construção de Ferramentas de cBN Uma ferramenta de cBN é construída por: •. inserto de cBN;. •. material ligante;. •. substrato (geralmente) de metal duro.. Podem ser utilizados insertos de cBN de diversos tamanhos dependendo do fornecedor. Tais insertos possuem espessuras entre 0,5 a 1,0 mm, que são brasadas num substrato geralmente de Metal Duro (WC+Co), ou então, muito raramente como ferramentas totalmente sólidas. Tais detalhes são devido a aspectos econômicos e/ou técnicos. Do ponto de vista econômico é devido ao preço maior do cBN do que do substrato de Metal Duro. O ponto de vista técnico está ligado à.

(26) 11 menor ductilidade que o cBN apresenta, também comparada com o substrato de Metal Duro, devido à sua elevada dureza.. 2.4.3 - Propriedades Dentre as propriedades do cBN, algumas são muito vantajosas no que diz respeito à sua utilização em ferramentas de usinagem, são elas (Yallese et al, 2009): •. dureza altíssima, somente superada pelo diamante, sendo quase duas vezes a dureza da alumina (material mais utilizado para a confecção de rebolos de corte).. •. tenacidade similar ao material cerâmico baseado em nitretos e cerca de duas vezes a da alumina.. •. é quimicamente mais estável que o diamante, podendo, portanto, usinar ligas ferrosas sem o problema de desgastes por difusão. O cBN é estável até temperaturas da ordem de 1200°C.. Na Figura 2.5 mostra-se a comparação da dureza e da resistência à abrasão de diversos materiais de ferramentas.. Figura 2.5 – Comparativo: Propriedades dos Materiais de Ferramentas (De Beers, 1998).. 2.4.4 - Tipos de cBN Quanto à fixação os insertos de cBN classificam-se em (De Beers, 1998): •. integral ou inteiriço (A);. •. plaqueta de cBN brasado no substrato de Metal Duro (B);. •. inserto de cBN brasado no substrato de Metal Duro (C);.

(27) 12 •. plaqueta de cBN brasada no substrato de Metal Duro que são brasadas direto no suporte da ferramenta (D).. Essa classificação é mostrada na Figura 2.6.. Figura 2.6 – Tipos de cBN quanto à fixação (De Beers, 1998).. Quanto à aplicação, existem diversos tipos de cBN no mercado (Grzesik, 2008). Cada fabricante usa diferentes materiais e quantidades de aglomerantes e diferentes dimensões e distribuição de partículas. Os cBN’s se apresentam em duas categorias de aplicações, segundo Diniz et al, 2008:. •. cBN para desbaste (a entre 0,5 e 8,0 mm): p. Possuem maior teor de Nitreto Cúbico de Boro (90%). Isto significa que aumenta a ligação cada cristal aumentando a tenacidade. Paralelamente, o alto teor de cBN faz com que estes materiais apresentem a maior dureza dentre os cBN’s. Por isso estes cBN’s são indicados onde há a abrasão no processo de usinagem, onde existem altas forças de corte geradas ou quando o corte é do tipo interrompido.. •. cBN para acabamento (a menor que 0,5 mm): p. Certos cBN’s não são eficientes ao serem solicitados química e termicamente. O caminho seria a utilização de ferramentas cerâmicas, mas as mesmas têm boa tenacidade e dureza idênticas ao dos cBN’s, mas química e termicamente estáveis e resistentes. Para serem utilizados em operações de acabamento, os cBN’s têm fase cerâmica adicionado a sua.

(28) 13 estrutura, fazendo com que diminuam a tenacidade e dureza, mas aumentem consideravelmente a estabilidade química e térmica (De Melo et al, 2000). Devido aos pequenos cavacos produzidos nas operações de acabamento em função dos pequenos avanços e profundidades de usinagem, a massa de cavaco gerada não é capaz retirar o calor gerado pelo corte. Por isso a ferramenta trabalha em temperaturas elevadas, fazendo com que a estabilidade térmica e química, para impedir a difusão de massa que é incentivada pela alta temperatura, sejam imprescindíveis. Apesar da tenacidade e dureza serem menores que dos outros cBN’s, elas são suficientes para manter utilidade da aresta de corte, tornando possível a obtenção de pequenas tolerâncias e bom acabamento (Aneiro, 2008).. 2.4.5 - Principais Aplicações dos cBN’s Os cBN’s são indicados para usinagem dos seguintes materiais (Diniz et al, 2008): • aços endurecidos; • ferros fundidos (exceto nodular); • metais sinterizados; • ligas para recobrimento de alta resistência; • superligas. Em aços de cavacos longos (aços moles), o cBN não possui boa performance pelo desgaste de cratera (que será visto no Capítulo 3) que se forma devido esses cavacos (Longbottom e Lanham, 2005). De um modo geral, o cBN é aplicado em operações em que o diamante Policristalino não pode ser utilizado (aços endurecidos, por exemplo) e o Metal Duro não obtenha dureza suficiente para tal operação. Quando o Metal Duro possui essa característica, a velocidade de corte aplicada é bem inferior que a do cBN. O cBN é um material de corte que concorre com o processo de retificação, substituindo a mesma (usinagem por abrasão) por torneamento. Também concorre com as ferramentas cerâmicas em processos de fresamento, torneamento e mandrilamento.. 2.4.6 - Quadro comparativo entre os fabricantes de cBN Dentre os principais fabricantes mundiais de cBN no mundo, destacam-se (Souza Junior, 2001): • General Eletric (GE); • De Beers Industrial Diamond Division;.

(29) 14 • Sumitomo Electric Carbide, Inc. O Quadro 2.1 mostra as propriedades de cada tipo de cBN existente dentro da gama produzida por seus fabricantes. Ao selecionar o fabricante, avaliam-se a classe a ser pedida mediante o nível de pureza existente no inserto, o tamanho do grão, o material aglomerante e a dureza requerida.. Quadro 2.1 – Comparativo de Classes de cBN (Campo, 2004). 2.4.7 – Manuseio correto das ferramentas de cBN De acordo com Diniz et al. (2008), é necessário levar em conta alguns critérios ao se utilizar ferramentas de cBN: •. materiais de alta usinabilidade como aços não endurecidos, causam desgaste por craterização nas ferramentas de cBN gerado em função de cavacos longos provenientes da usinagem desses materiais e dissipam quase todo calor gerado (Camargo, 2008), impedindo que a interface peça ferramenta se aqueça, facilitando o corte do cBN pela sua boa estabilidade térmica;.

(30) 15 •. rigidez do sistema máquina-ferramenta-dispositivo de fixação-peça deve ser alta, minimizando possíveis oscilações ou trepidações que geram danos ao inserto de cBN (quebras e lascamento) em função de sua dureza, como escrito, também por Santos et al (2006);. •. a geometria da ferramenta deve ser negativa (normalmente γ = -5°) para garantir para resistir aos choques, com ângulo de folga α = 5° a 9° e o ângulo lateral de posição deve ser o maior possível (no mínimo 15°) para minimizar trincas na aresta;. •. chanframento da aresta de corte, conforme detalhado na Figura 2.7, para concentrar os esforços de corte no centro do inserto, diminuído riscos de quebra da aresta;. Figura 2.7 – Chanfro de uma ferramenta de cBN.. •. fluido refrigerante não pode ser utilizado para evitar dissipação do calor na zona de corte entre a peça e a ferramenta. Já o fluido de corte pode ser utilizado sempre que possível. Mas para o corte de ferro fundido cinzento utiliza-se o ar comprimido ou a aspiração do cavaco, já que o fluido de corte é desfavorável;. • custo do inserto de cBN é mais alto que o de material cerâmico, mas devido à maior vida da ferramenta de cBN, o custo do ferramental muitas vezes é compensado não somente pelo maior número de peças usinadas por aresta de corte, como também pela consequente diminuição do tempo passivo relativo à troca de arestas de corte..

(31) 3 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA. 3.1 – Processo de Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Na usinagem de materiais dúcteis, quando se inicia o processo de corte, a cunha da ferramenta penetra no material da peça e devido ao progresso dos movimentos de corte e de avanço, ocorre um conseqüente aumento das tensões. Após ultrapassar a tensão no regime elástico ocorre o cisalhamento do material e este começa a escoar, até que ocorra a ruptura. Com materiais frágeis, como por exemplo, ferros fundidos cinzentos, a deformação elástica ocorre e, sem que ocorra o escoamento, o material se rompe. O material deformado passa a formar um cavaco que desliza sobre a superfície de saída da ferramenta (Diniz et al, 2008; Ferraresi, 1997). Em dependência da geometria da cunha de corte, a formação do cavaco envolve elevadas taxas de deformação e temperatura. O fluxo plástico de material gera tensões locais nas ferramentas, distribuições de temperaturas na interface cavaco-ferramenta e determina as condições do material da peça após a remoção do cavaco. Estas quantidades locais determinam as forças globais na estrutura da máquina-ferramenta, que por sua vez resultam nas suas deformações estáticas e dinâmicas (Mohruni et al, 2006). Além disso, elas determinam o desencadeamento de vários fenômenos físico-químicos que comandam o desgaste de ferramenta, como as reações químicas, desgaste abrasivo, adesão e difusão. Elas também determinam a potência que deve ser disponibilizada para efeito de remoção de material e, portanto, influenciam na quantidade de calor produzida por vários componentes do sistema (Alves et al, 2008). Os termos, a denominação e a designação da geometria da cunha, são normalizados pelas normas DIN 6581 e ISO 3002/1 (Silva, 2002).. 3.2 – Mecanismos de desgaste das ferramentas Na usinagem existem dois fatores determinantes para substituição da ferramenta de corte, são elas (Machado e Silva, 1999; Huang e Dawson, 2004): •. existência de avaria (quebra, trinca ou lascamento). Não é comum ocorrer no torneamento de corte, exceto para condições de usinagem utilizadas acima das especificadas ou recomendadas para cada ferramenta; pode ocorrer quando a geometria da ferramenta é inapropriada. As avarias são comuns na usinagem de corte interrompido como o fresamento devido aos choques mecânicos. e. térmicos. intrínsecos. no. processo;.

(32) 17 •. ocorrência de desgastes excessivos que comprometem a eficiência do processo de usinagem. Este desgaste ocorre progressivamente e é gerado por uma gama de diversos mecanismos. O desgaste na superfície de folga como na superfície de saída das ferramentas (Figura 3.1), seja em cortes contínuos ou interrompidos.. Existem três formas de desgaste que podem ser definidas (Campos, 2004): •. desgaste de cratera (área A da Figura 3.1);. •. desgaste de flanco (área B da Figura 3.1);. •. desgaste de entalhe (notch wear, áreas C e D da Figura 3.1).. Figura 3.1 – Tipos de Desgaste das Ferramentas (Campos, 2004).. A ferramenta deve ser reafiada ou substituída, dependendo do tipo e aplicação, antes do desgaste atingir proporções elevadas, o que pode causar danos ao processo como quebra do inserto e suporte, danos a peças, etc (Poulachon et al, 2001). Segundo Campos (2004), em condições normais de corte, uma das formas de desgaste apresentadas na Figura 3.1 irá prevalecer. São vários os mecanismos de desgaste, porém, grande parte dos trabalhos existentes considera pelo menos seis mecanismos diferentes, conforme ilustra a Figura 3.2..

(33) 18. Figura 3.2 – Mecanismos de desgaste das ferramentas (Campos, 2004). 3.3 – Problemas e Soluções Relacionadas ao Desgaste A seguir são apresentados nas Figuras 3.3 a 3.10 os diversos tipos de desgaste, suas causas e a forma de minimizá-los (Sandvik, 2005):. Figura 3.3 – Tipos de desgaste: desgaste de flanco e tipo entalhe (Sandvik, 2005)..

(34) 19. Figura 3.4 – Tipos de desgaste: craterização (Sandvik, 2005).. Figura 3.5 – Tipos de desgaste: deformação plástica (Sandvik, 2005)..

(35) 20. Figura 3.6 – Tipos de desgaste: aresta postiça (Sandvik, 2005).. Figura 3.7 – Tipos de desgaste: martelamento de cavacos (Sandvik, 2005)..

(36) 21. Figura 3.8 – Tipos de desgaste: microlascas (Sandvik, 2005).. Figura 3.9 – Tipos de desgaste: fissuras térmicas (Sandvik, 2005).. Figura 3.10 – Tipos de desgaste: quebra da pastilha (Sandvik, 2005)..

(37) 22 3.4 – Vida da Ferramenta A vida de uma ferramenta pode ser definida como sendo o tempo em que a mesma trabalha efetivamente desde o estado de nova até que se atinja um critério de fim de vida previamente estabelecido, que defina a sua falha e, consequentemente, o momento de sua substituição (Hafiz, 2007). A definição do critério de fim de vida não é uma tarefa fácil. É necessário que se tenha como medir os desgastes ou algumas das suas conseqüências sobre o estado da aresta de corte ou sobre algum item que defina a qualidade da peça (Bobrovnitchii, 2006). Assim, o momento de troca da aresta de corte da ferramenta deve ocorrer diante da ocorrência dos seguintes fatores ligados à evolução dos desgastes. São eles (Ferraresi, 1997):. •. iminência da quebra do gume cortante devido ao crescimento excessivo dos desgastes;. •. ocorrência de temperaturas excessivas presentes na ferramenta, as quais são crescentes com o crescimento dos desgastes;. •. as tolerâncias dimensionais não são mais possíveis de serem mantidas;. •. o acabamento superficial não é mais satisfatório;. •. aumento excessivo das forças de usinagem.. Pelo controle desses fatores numa operação de usinagem, pode-se saber quando a ferramenta deve ser substituída ou reafiada. Além disso, fatores econômicos podem também definir a fixação de determinado grau de desgaste (Machado e Silva, 1999). Ao se definir um critério de fim de vida de uma ferramenta, a mesma pode ser expressa de várias maneiras (Machado e Silva, 1999; Lima e Correa, 2002):. •. comprimento total de corte (km ou m);. •. tempo de trabalho efetivo de corte;. •. percurso de avanço (mm);. •. volume de material removido;. •. número de peças produzidas;. •. velocidade de corte para uma pré-fixada vida da aresta de corte..

(38) 23 3.5 – Curva de Vida de uma Ferramenta. A curva de vida é sempre característica do par aresta de corte da ferramenta material da peça. Os ensaios de vida considerados mais confiáveis e que apresentam maior precisão são resultantes de ensaios de usinagem de longa duração. Estes ensaios são assim denominados porque exploram os resultados da evolução dos desgastes para diversas velocidades de corte (More et al, 2006). Segundo Machado e Silva (1999), as curvas de vida da ferramenta são aquelas que associam a vida da ferramenta, conforme critério previamente estabelecido em função da velocidade de corte. Essas curvas são fundamentais para o estudo das condições econômicas de corte. Segundo Malaquias (1999), quando o estudo das condições econômicas de corte forem objetivo de otimizações, a velocidade de corte é fator o que maior influência exerce sobre a vida da ferramenta e para este deve-se procurar as melhores condições de custo e produtividade. A profundidade de usinagem e o avanço, apesar de exercerem influência na vida da aresta de corte, devem ser selecionados com otimizados com base em outros critérios: •. o avanço deve ser selecionado o maior possível para a operação desejada. Assim, se considerarmos operações de desbaste pesado, desbaste, desbaste leve, semiacabamento, acabamento e acabamento fino, o valor do desgaste deve ser fixado de forma adequada às faixas de trabalho que sejam características de cada uma. Por exemplo: para uma operação de acabamento deve ser selecionado um avanço que esteja de conformidade com o raio de ponta da ferramenta e com a rugosidade teórica imposta pelo projeto. Já para uma operação de desbaste normal, o maior avanço permitido diante das restrições da ferramenta e da máquina seria a solução otimizada.. •. por seu lado, a profundidade de usinagem segue a mesma orientação para sua adoção, ou seja, ao usinar uma peça cuja operação anterior foi um forjamento que apresente um sobremetal de 0,5 mm, mesmo que melhor fosse usinar com profundidades de usinagem. da ordem de 2 mm/volta, de nada adiantaria esta. informação, pois, não haveria material suficiente para seleção deste valor para a grandeza. Malaquias (1999), demonstra em seu trabalho, que a profundidade de usinagem e o avanço são determinantes do aspecto geométrico do cavaco e que a velocidade de corte define a rapidez com que o cavaco é formado. Em uma experiência, cujos resultados encontram-se ilustrados na.

(39) 24 Figura 3.11, fica evidenciado esta informação, pois, a profundidade de usinagem e o avanço variando ocorre conseqüente variação da forma do cavaco, entretanto, com a variação da velocidade de corte não se pode afirmar que a forma do cavaco varia.. Figura 3.11 – Influência da profundidade de usinagem, do avanço e da velocidade de corte na forma do cavaco (Malaquias, 1999). Malaquias (1999) conclui que se deve otimizar os valores da profundidade de usinagem e do avanço com base nas considerações acima e dedicar-se a otimizar a velocidade de corte visando os menores custos e as máximas produções. A Figura 3.12 ilustra como deve ser desenvolvido um ensaio de longa duração para determinação da vida da aresta de corte. Para obtenção das curvas de vida contra velocidade de corte, conforme ilustra o exemplo da Figura 3.12b, é necessário a construção de gráficos auxiliares (Figura 3.12a) que forneçam o desgaste da ferramenta em função do tempo, para várias velocidades de corte..

(40) 25. a. b. Figura 3.12 – Determinação da curva de vida de uma ferramenta determinada através de ensaios de longa duração (Diniz et al, 2008; Ferraresi, 1997).. Na Figura 3.12a foi adotado, como exemplo, 0,8 mm de desgaste frontal para critério de vida da aresta de corte. Com base neste critério de vida é que foi possível determinar os pontos m, n, e o, os quais, transportados para a Figura 3.12b permitiu escrever a equação de vida devido a Taylor (Equação 3.1), apresentada a seguir (Diniz et al, 2008):. Onde:. T × v cx = K. •. T = vida da ferramenta expressa em [min];. •. x = coeficiente da equação de vida de Taylor;. •. K = constante da equação de vida de Taylor.. (3.1). O valor de x na equação de vida de Taylor representa a sensibilidade da vida da aresta de corte com relação à velocidade de corte. A constante K representa a vida específica da aresta de corte, pois quando a velocidade de corte for unitária a vida da aresta será igual ao seu valor.. 3.6 – Usinagem por Fresamento A fresadora é uma máquina cuja ferramenta, denominada fresa, possui movimento de rotação e que permite movimentar a mesa, sobre a qual esta fixada a peça, em um, dois, três ou mais eixos (lineares ou angulares). Sendo assim, tem-se uma máquina especificamente criada para.

(41) 26 execução de peças prismáticas, ao contrário do torno, que executa principalmente peças rotacionais cujo perfil é de revolução. A fresa, pode ser definida de forma bastante simplificada como sendo provida de arestas cortantes dispostas simetricamente em torno de um eixo (Diniz et al, 2008). O processo de usinagem por fresamento é um dos mais universalmente conhecidos, possuindo grande variação quanto ao tipo de máquina utilizado, movimento da peça e tipos de ferramentas. As aplicações freqüentes do processo são para obtenção de superfícies planas, rasgos, ranhuras, perfis, contornos, cavidades e roscas, entre outros. O movimento relativo pode ser resultante apenas da movimentação da ferramenta sobre a peça, ou ainda, ser resultante de uma combinação de movimentos entre peça e ferramenta (Nunes et al, 2008). Como ocorre em praticamente todas as operações de usinagem, o fresamento se desenvolve com velocidades de avanço inferiores às velocidades de corte (Chen et al, 2005). Como vantagens gerais do processo de fresamento podem-se citar as altas taxas de remoção de cavacos e a possibilidade de obtenção de superfícies de elevada qualidade e complexidade (Gravalos et al, 2007; Marques et al, 2007). O processo básico de formação de cavaco no fresamento é similar aos outros processos de usinagem. Praticamente toda a operação de fresamento consiste em corte interrompido, onde cada dente atua num tempo igual ou inferior à metade do tempo necessário para a ferramenta completar uma revolução. Neste processo, a espessura do cavaco produzido pela aresta de corte varia constantemente (Teixeira Filho, 2006). Em todas as variações de processos de fresamento, as arestas de corte não estão constantemente em ação, como ocorre, por exemplo, em processos de torneamento ou furação. O que ocorre geralmente é que em cada rotação da ferramenta as arestas de corte têm pelo menos uma interrupção de corte, ou seja, cada aresta remove da peça uma porção individual de material na forma de pequenos cavacos (Assis, 2010). Tal situação gera, em cada aresta da ferramenta, uma solicitação cíclica de caráter mecânico e térmico, sendo de primordial influência sobre o comportamento de desgaste da ferramenta. Ainda como conseqüência do tipo de movimento relativo existente entre peça e ferramenta, tem-se durante o corte uma espessura de cavaco variável. A espessura de usinagem h varia de acordo com o ângulo de contato ψ, tendo-se para um ângulo de contato ψ =90º (aresta na mesma direção e sentido que o avanço) a máxima espessura de usinagem (Figura 3.13). Faz-se ainda necessário, para a descrição completa da condição de usinagem no fresamento, o diâmetro da fresa, o número de dentes e seu ângulo de contato ψ, definido pelo ângulo de contato na entrada ψ e o ângulo de contato na saída ψ0, que fornecem a parte da fresa que está de fato atuando durante o corte (Diniz et al, 2008; Ferraresi, 1997)..

(42) 27. Figura 3.13 – Condição de contato no fresamento (Diniz et al, 2008; Ferraresi, 1997). De acordo com a direção de corte e da direção de avanço pode-se distinguir dois tipos de fresamento: o concordante e o discordante. No fresamento concordante, os movimentos de corte e de avanço têm o mesmo sentido, iniciando-se o corte com espessura máxima de cavaco. No fresamento discordante a espessura inicial de corte é teoricamente zero. Assim, no início do corte não há uma remoção nítida de cavaco, mas apenas o esmagamento do material da peça e o atrito entre a aresta da ferramenta e o material da peça. De acordo com a posição de ferramenta em relação à peça (no caso do eixo da ferramenta interceptar a peça) o processo assume uma porção concordante e outra discordante, conforme Figura 3.14. Tal característica observa-se freqüentemente no fresamento frontal, de topo e tangencial (Diniz et al, 2008; Ferraresi, 1997).. Figura 3.14 – Fresamento discordante, concordante e combinado, respectivamente. Algumas das principais vantagens do fresamento concordante em relação à variação discordante são: a resultante da força de corte empurra a peça contra sua fixação na mesa da máquina, minimizando a possibilidade de vibrações; há um menor desgaste e, por conseqüência,.

(43) 28 maior vida da ferramenta, melhor qualidade superficial obtida e menor potência de corte e esforços de corte e de avanço. Apesar das vantagens que o fresamento concordante possui, há situações nas quais não é possível utilizá-lo como, por exemplo, (Diniz et al, 2008): •. quando a máquina-ferramenta apresenta folga no fuso de sua mesa de avanço, porque a componente horizontal da força de usinagem possui o mesmo sentido do avanço da mesa. Fator comum em máquinas convencionais porque a porca do sistema de avanço da máquina usa a folga oposta ao seu assento junto ao fuso, gerando vibração no sistema (em máquinas CNC isso não acontece porque o avanço é feito por fuso de esferas recirculantes);. •. na existência de resíduos de fundição na superfície da peça, se peça foi processada por forjamento ou for muito irregular porque o contato inicial da aresta se dá em condições desfavoráveis com a espessura do cavaco em seu máximo (Figura 2.14) fazendo com que a vida útil da ferramenta seja menor.. Dentre as possíveis variações do processo de fresamento, uma das que possui maior emprego nos setores de ferramentaria é o fresamento de topo. O processo é utilizado na produção de ranhuras, cavidades, rebaixos, gravações, rasgos e em operações típicas de matrizaria pela sua aplicação cada vez mais crescente na substituição de processos tradicionalmente empregados, graças a sua maior produtividade (Chiaverini, 1981; Diniz et al, 2008; Ferraresi, 1997). Tal evolução se dá principalmente devido ao desenvolvimento de máquinas ferramenta com maior rigidez e materiais de ferramenta mais resistentes ao desgaste, aliados ao desenvolvimento tecnológico do fresamento empregando elevadas velocidades de corte. Em função do campo de aplicação, por exemplo, em ranhuras profundas em matrizes, as fresas de topo muitas vezes são configuradas com elevado índice de esbeltez (L/D > 5-10, onde L é o comprimento da peça e D é o seu diâmetro), já que, dependendo das condições de engajamento e de contato, podem surgir vibrações regenerativas que aliadas às deflexões da ferramenta levam a erros de forma e dimensionais nas peças. Dependendo ainda da combinação de corte utilizada, a ferramenta pode ser puxada da fixação na máquina (mesmo sentido de rotação e da hélice) ou forçada em direção a esta (sentido de rotação e de hélice contrários). Esta última combinação é usada preferencialmente no fresamento de contornos, onde somente a parte periférica da fresa atua (Lima e Correa, 2002; Momper, 2000)..

(44) 29 As fresas de topo possuem arestas tanto em sua periferia quanto na sua face, cortando, portanto nessas duas regiões. Essas fresas podem ter corte à direita ou à esquerda, com ranhuras em hélice também nos dois sentidos. Podem ser construídas com topo simples ou duplo, haste e corpo cilíndricos ou cônicos, diâmetros diversos, um número variável de dentes e de canais, podendo ser retos ou helicoidais. O topo pode ser reto, esférico ou ainda toroidal. A Figura 3.15 apresenta alguns tipos de fresas de topo disponíveis.. Figura 3.15 – Tipos de fresas de topo (Kratochvil, 2004).. 3.7 – Fresotorneamento Fresotorneamento é um conceito relativamente novo na tecnologia de fabricação de máquinas multitarefas 4 ou 5 eixos. Para executar esta operação é necessário ter rotação simultânea tanto da peça como da ferramenta. Este processo, dependendo da posição espacial dos eixos de rotação, podem ser classificados como fresotorneamento coaxial ou ortogonais. Se denomina coaxial quando os eixos de rotação da ferramenta e da peça são paralelos entre si. Esta opção é adequada tanto para usinagem interna como externa quando se trata de uma peça rotativa. Para a aplicação desta técnica, a rotação da peça é relativamente lenta em comparação com a velocidade de rotação da ferramenta. Isto envolve uma série de vantagens como a geração de cavacos curtos em função da cinemática do processo mesmo em caso de usinagem de materiais dúcteis. No caso da usinagem de peças muito compridas, a baixa rotação evita a exposição da peça à altas frequências geradas no torneamento convencional (Fernández et al, 2010). Já no fresotorneamento ortogonal, o eixo de rotação da ferramenta é perpendicular à peça, onde este processo é aplicável somente para usinagem externa. Existem uma série de vantagens no emprego do fresotorneamento em relaçao ao torneamento ou fresamento convencional: •. bons resultados são obtidos quando se usina peças de paredes finas, já os esforços de. corte são menores do que o torneamento convencional;.

(45) 30 •. possibilidade de usuar ferramentas mais rígidas dando ao processo maior estabilidade. quando a taxa de romoção for alta (Weingaertner et al, 2007);. •. quando adotada uma ferramenta com alta velocidade de corte e parâmetros. geométricos adequados, é possível obter uma boa qualidade superficial comparada inclusive com o processo de retificação (Schulz e Kneisel, 1994); •. a saída do cavaco é mais simples, o que possibilita uma melhor refrigeração evitando. problemas com o excesso de temperatura, quando aplicável (Fernández et al, 2010); •. quando se usina em baixas velocidades de corte, a possibilidade de problemas. gerados pela força centrífuga é minimizada.. 3.8 – Cementação A carbonetação ou cementação (como é tecnicamente mais conhecido no Brasil) é um processo de beneficiamento (visando o endurecimento superficial) que consiste na adição de carbono à superfície de aços de baixo carbono. Tal processo ocorre entre 850 e 950ºC porque nesta faixa de temperatura há uma estabilidade maior da austenita em uma estrutura cristalina com alta solubinidade em carbono (Farias, 2009).. 3.8.1 – Aços para Cementação Segundo Farias (2009)Para realização do processo de cementação, o aço deve ter baixo teor de carbono porque a difusão do mesmo será mais rápida e, principalmente, porque o núcleo de uma aço baixo carbono apresentará boa tenacidade e resitência a choques nas peças confeccionadas com este material. Há casos, porém, onde o núcleo deve ter maior resistência semelhante à estrutura martensita após o revenimento que pode ser obtida com carbono mais elevado (aproximadamente 0,30%) juntamente com outros elementos de liga como o níquel, cromo e molibidênio. Esses aços são chamados tecnicamente de “aços liga” para beneficiamento (Lampman, 1991). Um aço muito utilizado para o processo de cementação é o aço ABNT 8620 (Rodrigues et al, 2011). Após o tratamento térmico de cementação, o teor de carbono na superfície do material.

(46) 31 aumenta para aproximadamente 1% onde sua tensão de escoamento é de 860MPa na condição endurecida enquanto a tensão no núcleo da mesma peça será de 385MPa (Ogata, 2003).. 3.9 – Análise de Variância (ANOVA) A Análise de Variância (Analysis Of Variance - ANOVA) tem o objetivo de comparar dois grupos no que diz respeito à localização (Tusset et al, 2008). A ANOVA visa chegar estatisticamente a uma resposta em relação a mais de uma questão feita através de um estudo de caso (Bouacha et al, 2009), por exemplo, qual de três classes de insertos utilizadas num processo de torneamento comum a todas elas tem a melhor vida útil. A comparação é realizada através da análise da dispersão do conjunto de dados (como no caso exemplificado: peças produzidas, velocidade de corte, etc.) vindo desta característica a denominação “análise de variância. Os tipos mais utilizados na ANOVA em função das variâncias ocorridas são a de fator simples e fator duplo, lembrando que este não é um número limitador levando-se em conta que a ANOVA o número de níveis ou efeitos que os seus grupos distintos considerados (Montgomery, 2001).. 3.9.1 – Intervalos de Confiança pelo Método Tukey Este método se caracteriza pela formação de intervalos de confiança para todos os pares de médias da ANOVA de maneira que o conjunto de todos os intervalos possua em elaborado grau de confiança (Bussab, 1986). A construção destes intervalos depende da igualdade de dimensão dos grupos analisados. Segundo Tusset (2008), o número mais utilizado estatisticamente é o 0,95 ou 95% de confiança de que todos os intervalos obtidos possuam as mesmas diferenças entre si..

(47) 4 - MATERIAIS E MÉTODOS O método utilizado neste trabalho caracteriza a pesquisa como sendo explicativa no tocante aos seus objetivos, quantitativa no tocante à abordagem do problema e aplicada do ponto de vista de seus objetivos (Coughlan e Coghlan – 2002 e Voss e Frohlich - 2002). Toda a parte experimental deste trabalho foi realizada dentro do departamento de usinagem da divisão de juntas e semi-eixos de uma empresa fabricante para o mercado automotivo nacional e internacional que optou por não identificar-se. Este capítulo trata de apresentar as condições em que foram realizados os testes com foco nos materiais utilizados, equipamentos disponíveis e procedimentos adotados.. 4.1 – Materiais e métodos O trabalho se desenvolveu, utilizando-se o chão de fábrica como laboratório de pesquisa e consistiu em realizar o acompanhamento do processo durante a usinagem dos assentos de esferas das gaiolas de juntas homocinéticas. O material da peça, ferramentas, máquinas, laboratório metalúrgico e todos os dados necessários para obtenção dos resultados foram fornecidos pela empresa produtora das janelas de gaiolas. Esses dados estão listados a seguir: • Peça alvo da pesquisa: a usinagem do assento de esferas da gaiola de juntas homocinéticas confeccionada em aço ABNT 8620 (Figura 4.1), cementado, com dureza entre 58 e 62 HRC (Diniz et al, 2008). Esta faixa de dureza permitiu que o material da peça fosse caracterizado como sendo um material endurecido. Desta forma, foi dispensado no planejamento do processo, todos os cuidados referentes à usinagem de materiais considerados resistentes ao corte;. Figura 4.1. Fotos da gaiola de junta homocinéticas..