7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil May 20th to 24th, 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
ESTUDO PRELIMINAR DA RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DA LIGA DE
MAGNÉSIO AM60 DURANTE PROCESSO DE ROSCAMENTO POR
CONFORMAÇÃO
Juliano Aparecido de Oliveira, jao687@hotmail.com1 Sérgio Luiz Moni Ribeiro Filho, sergiolmrf@gmail.com1
Alessandra Olinda de Carvalho, alessandraolinda@yahoo.com.br1 Lincoln Cardoso Brandão, lincoln@ufsj.edu.br1
Carlos Henrique Lauro, carlos.lauro@ua.pt2
1
Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 – São João del Rei – MG – Brasil
2Universidade de Aveiro, Largo Luís de Camões, Oliveira de Azeméis, Portugal
Resumo: Peças roscadas estão presentes em praticamente todos os conjuntos mecânicos industriais. O roscamento
interno por conformação é uma das operações de usinagem mais exigentes empregando-se machos máquina, sendo uma boa alternativa por proporcionar uma rosca perfeita sem resíduo de material. Durante o processo de roscamento ocorrem dois fenômenos simultâneos; uma parte do material, interna ao filete de rosca, tenta retornar à sua condição inicial devido ao regime elástico durante a deformação e outra parcela do material, mais externa, encrua, gerando um aumento da força de deformação durante o processo. Este trabalho mostra a influência do diâmetro do furo inicial durante o processo de roscamento por conformação empregando machos laminadores na recuperação elástica do liga Magnésio AM60. Esta liga foi estudada devido à sua elevada ductilidade e aplicação em cabeçotes de motores de combustão interna. Testes foram realizados com três diâmetros e três velocidades de deformação empregando uma ferramenta sem cobertura e o torque foi analisado como parâmetro de resposta. Os resultados demonstram que a fabricação de roscas com um furo inicial maior gera maior capacidade de recuperação elástica do material. Entretanto, em situação oposta diâmetros menores demonstraram um aumento no travamento da ferramenta durante o retorno do macho devido à recuperação elástica.
Palavras-Chave: recuperação elástica, roscamento, liga de magnésio, conformação de roscas.
1. INTRODUÇÃO
O roscamento com machos máquina é um dos processos mais utilizados para a fabricação dos diversos tipos de roscas devido à versatilidade e à variedade de ferramentas existentes no mercado (Picoli e Fontana, 2012). O roscamento interno é uma das operações de usinagem mais exigentes empregando-se machos máquina devido aos esforços de corte que a ferramenta é submetida. Roscas obtidas através do processo de conformação são uma boa alternativa por não existir formação de resíduos, atendendo às exigências ambientais, mas podem apresentar em alguns casos, esforços de corte maiores que as roscas usinadas.
A conformação de roscas internas resulta no melhor controle do tamanho e roscas mais resistentes, enquanto aumenta a vida da ferramenta e a produtividade. Pode ser bem utilizado em metais leves, ligas metálicas leves, bem como em aços ou materiais que tenham resistência à tração de 1200N/mm2. A conformação de roscas internas pode ser utilizada tanto para furos passantes quanto para furos cegos, mas é especialmente indicada para furos cegos por não produzir cavaco (Destefani, 2004).
No processo de roscamento interno, cada dente do macho funciona como uma ferramenta trabalhando individualmente assim que entra no furo a ser roscado. Entretanto, no roscamento por conformação o macho laminador gera a deformação do material e ocorre à frente dos dentes da ferramenta. Assim, o material deformado vai sendo acumulado entre as faces dos dentes, do lado das estrias do macho laminador. É esse material que vai formando a rosca à medida que os outros dentes vão deformando mais o material e acumulando-o entre as faces dos dentes, até que o último dente da parte cônica do macho trabalhe o material e este assume a forma da crista final do filete.
Os parafusos são geralmente fabricados pelo processo de conformação, devido à quantidade de peças produzidas por hora e a força necessária para unir peças diferentes. A rosca é formada pela deformação plástica do material proporcionando uma rosca de parafuso perfeito com nenhum resíduo de material (Carvalho et al. 2012). Na indústria automobilística, por exemplo, os cabeçotes de motores e demais componentes são fabricados com materiais não ferrosos que têm uma boa capacidade para deformar e manter uma força mecânica aceitável. Baldo et al. (2010) investigaram o processo de roscamento na liga de alumínio 7055 para determinação da resistência à tração de roscas
internas usinadas e laminadas. Os resultados demonstraram que as roscas conformadas, mesmo apresentando a área do perfil transversal do filete menor, apresentaram força mecânica similar a dos segmentos usinados considerando parâmetros similares de produção.
Ligas de magnésio e alumínio são materiais não-ferrosos aplicadas com frequência na indústria automotiva, devido ao seu baixo peso, facilidade de trabalho e a possibilidade de reciclagem (Chowdhary et al., 2002). As ligas de alumínio também apresentam um grande potencial de reciclagem na indústria brasileira correspondente a 95% em peso. Todas as ligas de materiais metálicos não ferrosos têm enorme potencial para a produção de roscas usinadas e conformadas. A elevada ductibilidade destas ligas proporciona a produção de roscas conformadas com a mesma qualidade das roscas usinadas.
Além disso, de acordo com Agapiou (1994), para diâmetros iniciais menores de furos existe uma tendência de ocorrer o maior preenchimento do perfil roscado. Entretanto, o processo demonstra um de elevado nível de torque, e a operação deve ser controlada para evitar a ruptura da ferramenta. Os fios produzidos por machos laminadores têm algumas particularidades, sendo a principal a divisão da crista no topo da rosca. De acordo com Fromentin et al. (2002) a taxa de formação da crista depende diretamente do diâmetro do furo inicial, pois diâmetros menores fornecem uma crista mais fechada na parte superior da rosca do parafuso. Porém, pequenos diâmetros aumentam os valores de torque. Com base nesta indicação, o roscamento é adequado para materiais metálicos de alta ductilidade, principalmente para roscas internas, que são utilizados geralmente para suportar cargas elevadas e fixações perfeitas.
Durante o processo de roscamento ocorrem dois fenômenos simultâneos; uma parte do material, interna ao filete de rosca, tenta retornar à sua condição inicial devido ao regime elástico durante a deformação e outra parcela do material, mais externa, encrua, gerando um aumento da força de deformação durante o trabalho. Considerando que o material deformado é um material plástico perfeito, poderia haver alguma recuperação elástica envolvida no processo. (Fromentin, 2010). Entretanto, para a maioria dos materiais maleáveis durante a conformação pode-se considerar uma deformação elástica, que sugere um contato da superfície deformada com a face lateral da ferramenta, isto significa que a ferramenta precisa penetrar em uma profundidade específica dentro do material antes de começar a deformá-lo, ou seja, existe uma profundidade mínima que dependerá de muitos fatores, mas principalmente das propriedades do material. Para valores menores do que este mínimo o material não deformará e será apenas deformado elasticamente (da Silva, 2011). Portanto, a recuperação elástica do material é um fator de grande interesse nos processos de usinagem que utilizam profundidade de deformação muito pequena, podendo causar imperfeições na superfície deformada e consequentemente piorar a rugosidade da peça.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Os testes experimentais foram realizados empregando-se um centro de usinagem marca ROMI modelo Discovery 560 com 10.000 RPM e 15 kW de potência do motor principal. Um sistema de pinças mecânico rígido foi acoplado em um suporte do tipo BT-40. A sincronização dos movimentos axial e rotacional baseou-se no software CNC modelo SINUMERIC 840D. Uma distância de 10 mm da superfície dos corpos de prova foi mantida constante durante os experimentos para assegurar a aceleração total da ferramenta. Todos os testes experimentais foram realizados usando emulsão com 6% de concentração e vazão de 20 l/min. Os corpos de prova de magnésio tinham as dimensões de 69 mm de diâmetro e 30 mm de altura de acordo com a Fig. 1. Um orifício de alívio com 14 milímetros de diâmetro e 15 mm de altura foi fabricado na parte inferior para permitir a saída do macho. O diâmetro 9,1 mm indicado na Fig. 1 corresponde a um dos níveis utilizados nos furos iniciais dos testes e os furos com diâmetro de 8 mm foram usadas para fixar o corpo de prova no dinamômetro.
As ferramentas utilizadas foram machos laminadores, especialmente desenvolvidos para usinagem e laminação de roscas em materiais não ferrosos. As roscas laminadas foram fabricadas com o macho M10 com passo 1,5 mm sem cobertura da marca Emuge modelo M10 6HX Druck-S. Os machos foram fabricados de acordo com as normas DIN-13-1 e ISO-68 para roscas métricas. Os machos laminadores apresentavam uma geometria poligonal e uma entrada de 2 a 3,5 filetes cônicos, conforme Fig. 2(a). Além disso, os machos apresentavam cinco arestas para gerar a deformação, como pode ser observado na Fig. 2(b). (EMUGE, 2010).
(a)
(b)
Figura 2 - (a) Geometria da entrada dos machos laminadores (b) Geometria da secção das ferramentas, a esquerda a ferramenta sem cobertura e a direita, com cobertura de TiN (Emuge, 2010).
A fixação direta dos corpos de prova no dinamômetro modelo 9272 da empresa Kistler foi realizada para evitar as interferências de fixação entre dispositivos intermediários. Dessa forma, os corpos de prova foram fixados conforme pode ser observado na Fig. 3.
Figura 3 - Montagem do corpo de prova no dinamômetro.
A Tabela 1 mostra os fatores avaliados e os níveis investigados nos experimentos. O nível zero dos experimentos foi o diâmetro de 9,3 mm e a velocidade de conformação de 80 m/min. Estes dados foram estabelecidas com base nos resultados de Baldo et al. (2010) que investigou o roscamento por conformação na liga de alumínio. Estes níveis foram também baseados no catálogo do fornecedor para materiais não ferrosos (Emuge, 2010). O diâmetro inicial foi verificado em ambas as faces de entrada e saída do furo usando um micrômetro digital interno de três pontos com 10 µm de precisão.
Tabela 1 - Parâmetros do processo de roscamento e respectivos níveis usados nos experimentos
Fatores Experimentais Nível das variáveis de entrada
- 1 0 + 1
Diâmetro [mm] 9,1 9,3 9,5
Velocidade de deformação [m/min] 60 80 100
Testes preliminares demonstraram que a velocidade de conformação de 100 m/min é o limite para esta liga, assegurando um processo de acabamento aceitável. Um planejamento fatorial fracionado (2k-131) foi utilizado para identificar os principais efeitos e interação dos fatores de entrada sobre as respostas, conforme Tab. 1. O método de mínimos quadrados foi utilizado para ajustar os pontos de recuperação elástica, com objetivo de investigar a influência dos diâmetros dos furos iniciais e a velocidade de deformação pelo coeficiente angular da reta de ajuste, apresentando uma metodologia que fosse capaz de avaliar uma maior ou menor capacidade de recuperação elástica.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 4 exibe o comportamento do momento torsor durante o processo de roscamento por conformação. Observa-se que o tempo para a fabricação das roscas foi, aproximadamente de 0,6 segundos, considerado muito curto, em razão de o tempo estar diretamente correlacionado com as velocidades empregadas durante os experimentos. A evolução do torque ocorre proporcionalmente à conicidade da entrada do macho laminador, gerando um comportamento quase linear. Verificam-se pequenas oscilações na laminação da rosca, principalmente na parte inicial do gráfico, possivelmente, devido à variação do atrito e dos esforços, além das características anisotrópicas do material fundido.
Após as oscilações, o torque fica constante por um período de 0,15 segundos, que corresponde ao tempo de passagem do comprimento da região cilíndrica do macho. Na segunda etapa da fabricação da rosca ocorre a reversão do processo com o retorno da ferramenta que gera uma queda assintótica dos valores torque, conforme pode ser observado no detalhe (a). No processo de conformação de roscas a conicidade tem grande influência nos esforços de conformação uma vez que a função dos canais é apenas para a lubrificação do processo.
Figura 4 - Gráfico momento torsor versus tempo.
Uma particularidade observada nos gráficos de momento torsor foi à magnitude deste momento no retorno da ferramenta ser aproximadamente equivalente ao torque de fabricação. Este fenômeno foi observado em todos os experimentos realizados independentemente da velocidade de deformação empregada, com uma variação mínima. Este comportamento ocorreu em razão à recuperação elástica do material após a fabricação da rosca. Devido à alta ductilidade dos materiais não ferrosos como no caso da liga de Magnésio AM60, o material deforma e encrua durante o processo de fabricação da rosca, porém, devido à sua elevada ductilidade apresenta uma grande recuperação elástica quando são retirados os esforços de deformação. Esta recuperação elástica faz com que o material apresente uma pequena adesão na ferramenta elevando o momento torsor no início do retorno da ferramenta, que pode ser observada nos 0,25 segundos, aproximadamente após a parada da ferramenta.
A Figura 5 exibe o ajuste da curva por mínimos quadrados na reversão do processo para os valores do momento torçor em função do tempo durante o retorno da ferramenta a partir do ponto mínimo do torque, região (a), correspondendo ao comportamento elástico do material. A inclinação positiva da reta de ajuste representa apenas o referencial adotado, do ponto mínimo até a estabilização plástica do material, proporcionando melhor visualização do coeficiente angular da reta dos valores (negativos) do momento torsor na fase elástica do magnésio. As Fig. 5a, 5b e 5c representam os diferentes diâmetros iniciais dos furos, 9,1 mm; 9,3 mm e 9,5 mm, respectivamente, considerando o retorno da ferramenta com velocidade constante e empregando a ferramenta sem cobertura.
(a) (b)
(c)
Figura 5 - Ajuste linear das curvas por mínimos quadrados.
A função linear dos mínimos quadrados representa de forma satisfatória (R2 = 0,875) o comportamento da curva em função do tempo de retorno da ferramenta. Durante o ciclo de reversão do processo de roscamento, a curva tem uma trajetória próxima a uma linha reta, a partir do ponto de descarga. A magnitude desta deformação corresponde à recuperação elástica (Callister, 2008). Observa-se que o diâmetro de 9,5 (Fig. 5c) apresenta menor coeficiente angular da reta de ajuste, ou seja, maior intervalo de tempo para o retorno da ferramenta, evidenciando maior capacidade de recuperação elástica devido ao menor volume de material a ser recuperado e ao maior diâmetro do furo inicial. Este comportamento foi semelhante ao das roscas de menores de diâmetros de furo inicial, porém com uma maior inclinação da reta de ajuste, e consequentemente, menor intervalo de tempo no retorno da ferramenta, e menor capacidade de recuperação elástica.
A Figura 6 exibe o intervalo de tempo para o retorno da ferramenta. Verifica-se que não há diferenças significativas para o intervalo de tempo entre os diâmetros de 9,1 e 9,3 mm, evidenciando comportamento elástico semelhante entre eles. Em relação ao diâmetro de 9,5 mm percebe-se um intervalo maior de tempo, e consequentemente, uma capacidade de recuperação elástica maior.
4. CONCLUSÕES
O valor do intervalo de tempo apresentou um decréscimo gradual no processo de retorno da ferramenta com a redução do diâmetro do furo inicial, proporcionando um valor de comparação entre comportamento da recuperação elástica dos diferentes diâmetros dos furos iniciais das roscas.
O ajuste linear dos mínimos quadrados representou de forma satisfatória (R² = 0,875) o comportamento da curva real do momento torsor em função do tempo. O coeficiente angular da reta de ajuste exibiu um decréscimo gradual com aumento do furo inicial durante o processo de retorno da ferramenta proporcionando, também, um valor de comparação entre o comportamento da recuperação elástica dos diferentes diâmetros dos furos iniciais das roscas.
O diâmetro de 9,5 mm exibiu maior intervalo de tempo (1,058 segundos) e uma menor inclinação da reta, evidenciando maior capacidade de recuperação elástica e os diâmetros de 9,1 e 9,3 mm apresentaram intervalos de tempos equivalentes, apresentando comportamento elásticos semelhantes.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a empresa Emuge-Franken pela doação das ferramentas e a Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais - FAPEMIG pelo suporte financeiro para participação no Congresso
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Agapiou, J. A. 1994, “Evaluation of the effect of high speed machining on tapping”, Journal of Manufacturing Science and Engineering Technology – ASME, vol. 116/4, pp. 57–62.
Baldo, D.; Fitteman, J.C.; Lauro, C. H.; Brandão, L. C. 2010, “Estudo comparativo da resistência a tração de roscas internas laminadas e usinadas”, Congresso Nacional de Engenharia Mecânica - VI CONEM.
Callister, Jr, W. D. 2008, “Ciência e engenharia de materiais uma introdução”, 7ª Edição, Editora, LTC, Rio de Janeiro BR, 705 pag.
Carvalho, A.O., Brandão, L.C., Lauro, C.H., Panzera, T.H., Christóforo, A.L. 2011, “Investigation of forming tapping load characteristics using analysis of variance”, 21st Brazilian Congress of Mechanical Engineering, October 24-28, 2011, Natal, RN, Brazil.
Carvalho, A.O.; Brandão, L.C.; Lauro, C.H. 2012, “Analysis of form threads using fluteless taps in cast magnesium alloy (AM60)”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 212, pp. 1753-1760.
Chowdhary, S., Burak, O.O., Kapoor, S.G., Devor, R.E. 2002, “Modeling and analysis of internal thread rolling”, In: Transactions of the NAMRI of SME, pp. 329–336.
Da Silva, M. A.; Sousa M. N.; Da Silva, M. B. 2011, “Análise da força residual na usinagem do aço ABNT 1045”, 6º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação - VI COBEF.
Destefani, J. 2004, “Don’t cut threads – form’em", Manufacturing Engineering, vol. 32, n.4.
Emuge, F. 2010, “Threading Technology. Innoform Cold-Forming Taps”. Chip-less Production of Internal Threads, pp. 1–28.
Fromentin, G., Poulachon, G., Moisan, A., 2002, “Thread forming tapping of alloyed steel”. In: ICME – Proceedings, Naples, Italy, pp. 115–118.
Frometin, G., Bierla, A., Minfray, C., Poulachon, G., 2010, “An experimental study on the effects of lubrication in form tapping”, Tribology International, vol. 43(9), pp. 1726-1734.
ISO 68-1., 1998, “General Purpose Screw Threads – Basic Profile. Part 1: Metric Screw Threads”, 1st edition. InternationalOrganization for Standardization, pp. 1-3.
Picoli, F.; Fontana, W.A., 2012, “Análise do torque no processo executado com machos”. Máquinas e Metais, n. 555, pp. 198 – 209, ano XLVIII, Aranda Editora, São Paulo.
7. DIREITOS AUTORAIS
PRELIMINARY STUDY OF ELASTIC RECOVERY IN THE AM60
MAGNESIUM ALLOY DURING THE FORM TAPPING
Juliano Aparecido de Oliveira, jao687@hotmail.com1 Sérgio Luiz Moni Ribeiro Filho, sergiolmrf@gmail.com1
Alessandra Olinda de Carvalho, alessandraolinda@yahoo.com.br1 Lincoln Cardoso Brandão, lincoln@ufsj.edu.br1
Carlos Henrique Lauro, carlos.lauro@ua.pt2
1Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170 – São João del Rei – MG – Brasil 2Universidade de Aveiro, Largo Luís de Camões, Oliveira de Azeméis, Portugal
Abstract: Threaded parts are present in practically all industrial mechanical assemblies. The internal form tapping is
one of the most critical manufacturing operations using taps, but it is a good alternative for providing perfect threads with low waste. During the form tapping two phenomena occur simultaneously, an internal part of the material in the thread tries to return for its original condition due to the elastic recovery, and the external part of the material hardens and generates an increase of force during the forming process. This work shows the influence of initial diameter of the hole on the elastic recovery of the AM60 Magnesium alloy in the tapping process using fluteless taps. This alloy was studied due to the high ductility and the application in engine heads. Tests were carried out with three diameters, and three strain rates using an uncoated tool and the torque was considered as the response. The results showed that the manufacture of threads with a larger initial hole provides greater capacity of elastic recovery of the material. However, in opposite situation, lower diameters showed an increase of the clamping during the return of the tap due to the elastic recovery.
