UNIJUI - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul Dceeng – Departamento de Ciências Exatas e Engenharias
Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
EVERALDO DE SOUZA BRIZOLLA
ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE USINAGEM NA RUGOSIDADE EM TORNEAMENTO DE AÇO DE BAIXO CARBONO
EVERALDO DE SOUZA BRIZOLLA
ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE USINAGEM NA RUGOSIDADE EM TORNEAMENTO DE AÇO DE BAIXO CARBONO
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: Felipe Tusset
Panambi/RS 2016
EVERALDO DE SOUZA BRIZOLLA
ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE USINAGEM NA RUGOSIDADE EM TORNEAMENTO DE AÇO DE BAIXO
CARBONO
Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora
Banca examinadora
Felipe Tusset - Orientador
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pela ajuda e força que me tem dado para enfrentar os problemas do cotidiano.
À família e amigos pelo apoio, paciência e incentivo em todos os momentos.
Ao meu orientador Professor Felipe Tusset, pela importante contribuição no desenvolvimento e andamento do trabalho.
Ao Senai-Panambi pela disponibilização de sua estrutura para a realização dos experimentos.
RESUMO
Este trabalho apresenta resultados de testes com processo de usinagem com diferentes tipos de insertos. Foram realizados ensaios para avaliar a diferença de acabamento superficial em operação de torneamento para um mesmo tipo de ferramenta, com variação na geometria. O material usinado foi aço ao carbono SAE 1020, variando-se também a profundidade de corte, avanço e raio de ponta para cada ensaio. Os testes foram executados em um torno com comando numérico computadorizado (CNC), onde as variáveis do processo foram posteriormente coletadas com um rugosímetro portátil para medida da rugosidade superficial. Com base nos resultados dos experimentos foi possível verificar que a geometria XF tem um rendimento melhor no ponto de vista de acabamento superficial, e se for levado em conta ponto de vista econômico ela leva vantagem sobre a geometria PF, pois teve um rendimento superior quando utilizado parâmetros de corte mais elevados.
ABSTRACT
This paper presents the results of tests with machining process with different types of inserts. Tests were conducted to evaluate the surface quality difference in turning operation for the same type of tool, with variation in the geometry. The machined material was the steel SAE 1020 carbon, varying up the depth of cut, feed rate and nose radius for each test. The tests were performed on a lathe with numerical control (CNC), where the process variables were then collected with a portable profilometer for measurement of surface roughness. Based on the results of the experiments we found that the XF geometry has a better performance in the surface finish point of view, and if it is taken into account an economic point of view it has the advantage over the PF geometry, because it had a higher yield when used higher cutting parameters.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-Processo de torneamento ... 15
Figura 2-Desvio médio aritmético do perfil avaliado ... 21
Figura 3-Contribuição Geométrica do avanço e raio de ponta na rugosidade ... 22
Figura 4-Corpo de prova ... 25
Figura 5-Corpo de prova caracterização de avanço ... 25
Figura 6-Ferramenta convencional T-Max P para torneamento ... 26
Figura 7-Inserto TNMG 160404 PF4215 ... 26
Figura 8-Inserto TNMG 160408 XFGC15 ... 27
Figura 9-Torno CNC ... 27
Figura 10-Medição dos Resultados ... 30
Figura 11-Microscópio digital ... 30
Figura 12-Gráfico comparativo geometria PF ap 0,25 ... 32
Figura 13-Gráfico comparativo geometria PF ap 0,5 ... 32
Figura 14-Gráfico comparativo geometria XF ap 0,25 ... 33
Figura 15-Gráfico comparativo geometria XF ap 0,5 ... 33
Figura 16-Gráfico comparativo de rugosidade geometrias PF e XF ... 34
Figura 17-Inserto PF 4215 Face ... 36
Figura 18-Inserto PF 4215 Flanco ... 36
Figura 19-Inserto PF4215 Topo ... 37
Figura 20-Inserto XFGC15 Face ... 37
Figura 21-Inserto XFGC15 Flanco ... 38
LISTA DE TABELAS
Tabela 1-Composição química aço SAE 1020 ... 24
Tabela 2-Características Técnicas do Torno CNC (Centur 30S ROMI) ... 28
Tabela 3-Delineamento experimental ... 29
Tabela 4-Dados Coletados Para Cada Combinação ... 31
Tabela 5-Analise de Variância ... 34
Tabela 6-Teste de Tukey em relação ao tipo de Geometria ... 35
Tabela 7-Teste de Tukey em relação ao Avanço ... 35
LISTA DE SÍMBOLOS
c
V Velocidade de corte [m/min]
RPM Rotações por minuto [rpm]
a R Rugosidade [µm] e r Raio de Ponta [mm] Si Silício Mn Manganês P Fósforo C Carbono S Enxofre
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CNC Computer Numeric Control (Comando Numérico Computadorizado)
ISO International Organization for Standardization
NBR Norma Brasileira
SAE Society of Automotive Engineers
Sumário
1
INTRODUÇÃO ... 12
1.1 OBJETIVO GERAL ... 12 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 1.3 JUSTIFICATIVA ... 132
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 15
2.1 PROCESSO DE TORNEAMENTO ... 15 2.1.1 Parâmetros de corte ... 15 2.1.2 Ferramentas de corte ... 16 2.1.3 Formação do cavaco ... 17 2.1.4 Fluido de corte ... 182.1.5 Desgastes e vida dos insertos ... 18
2.2 ACABAMENTO SUPERFICIAL ... 20
2.2.1 Rugosidade média ... 21
3
MATERIAIS E MÉDOTOS ... 24
3.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL DOS CORPOS DE PROVA ... 24
3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA... 24
3.3 CARACTERIZAÇÃO DA FERRAMENTA DE CORTE ... 25
3.4 MÁQUINA CNC ... 27
3.5 DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE ... 28
3.5.1 Variáveis de entrada ... 28
3.5.2 Variável de saída ... 29
3.6 PROCEDIMENTOS DE MEDIÇÃO ... 29
4
RESULTADOS ... 31
4.1 RESULTADOS DOS ENSAIOS ... 31
4.2 ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS ... 34
5
CONCLUSÃO ... 39
6
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 40
12
1 INTRODUÇÃO
A usinagem é o processo de fabricação mecânica que consiste em alterar as dimensões de uma peça pela retirada ou produção de cavacos. De todos os processos de usinagem, o torneamento talvez seja o mais utilizado em pesquisa na área. Isto porque a ferramenta é mais simples e é um processo mais fácil de monitorar na maioria dos casos.
Através de uma análise rápida dos custos característicos ao processo de usinagem, juntamente com a representatividade destes na indústria mundial, constata-se que qualquer aprimoramento, seja de máquina, ferramenta, material ou processo, converte-se em redução de custos de fabricação.
Considerando o parque industrial metal mecânico em constante evolução em termos de usinagem, pode-se destacar a necessidade da rápida modernização das ferramentas de corte. As empresas fabricantes de ferramentas estão em constantes pesquisas e desenvolvimentos, inclusive com geometrias específicas para determinados tipos de trabalho. Informações como esforços de corte e potências de usinagem são de fundamental importância para os fabricantes de máquinas operatrizes, proporcionando assim, condições de executar seus projetos de produtos mais próximos da realidade e com custo final apropriado a demanda de mercado.
Diversos trabalhos experimentais em usinagem, seja na área acadêmica ou industrial, indicam uma tendência dos autores no enfoque nas ferramentas utilizadas, em especial sua durabilidade e/ou características específicas de materiais usinados, como maior ou menor usinabilidade dos mesmos. Certamente tudo está relacionado com uma maior ou menor economia no processo produtivo. Mas, também, devem-se considerar importantes os dados relacionados à máquina-ferramenta, seja nos aspectos de qualidade ou custo dos processos obtidos. Máquinas bem selecionadas podem significar redução de consumo de energia elétrica, custo de manutenção e demais características inerentes à fabricação.
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O trabalho propõe-se a realizar ensaios experimentais para avaliar os parâmetros tecnológicos relativos ao torneamento, investigar o comportamento dos principais parâmetros de usinagem utilizados para expressar a rugosidade, de um aço de baixo carbono (SAE 1020), obtidos por torneamento cilíndrico externo e verificar os resultados através dos diferentes parâmetros de usinagem: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para alcançar os nossos objetivos foi necessário cumprir as seguintes etapas:
• Realizar ensaios experimentais em aço SAE 1020;
• Analisar a rugosidade superficial encontrada nos ensaios; • Verificar quais parâmetros obtiveram melhores resultados;
1.3 JUSTIFICATIVA
O acabamento superficial de uma superfície usinada é a combinação de vários fatores que podem ser divididos em: rugosidade, ondulações e falhas. Normalmente, as ondulações e falhas devem ser evitadas na fabricação de uma superfície, pois representam erros de fabricação. A rugosidade torna-se então um fator mais refinado a ser monitorado. Em muitos casos a rugosidade é utilizada para controlar o processo de fabricação.
A rugosidade de uma superfície é controlada por vários parâmetros: máquina ferramenta, propriedades do material da peça, geometria e material da ferramenta, técnicas de aplicação do fluído, atmosfera e processo de usinagem. Métodos estatísticos aplicados ao resultado da medição da rugosidade de uma superfície podem identificar as contribuições relativas de cada um destes parâmetros.
Apesar de toda automatização envolvida nas linhas de produção, ha necessidade de levar-se em conta se o acabamento superficial está dentro dos limites esperados e se a ferramenta de corte atingiu sua vida estimada. O fim de
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vida da ferramenta é determinado quando o desgaste da mesma atinge valores previamente estabelecidos, os quais normalmente baseiam-se no limite de capacidade de produzir peças dentro dos padrões de qualidade (acabamento superficial e tolerância dimensional).
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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 PROCESSO DE TORNEAMENTO
Conforme Machado et al. (2009) o torneamento, conforme Figura 1, é a operação de usinagem mais comum entre os processos de corte de metal. O material a ser cortado é fixado a uma placa de um torno que é rotacionado, enquanto o inserto, preso firmemente em um porta ferramenta, move-se em plano que, idealmente, contém o eixo de rotação da peça.
Figura 1-Processo de torneamento
Fonte: Sandvik, 2010.
Podem-se destacar três características do torneamento que não ocorrem em muitos outros processos de usinagem:
• O corte é normalmente contínuo;
• O corte pode ser descrito em coordenadas cilíndricas (coordenadas polares para a seção reta da peça em rotação e mais uma coordenada de profundidade para designar o movimento da pastilha);
• Ocorrem, simultaneamente, movimentos da peça e da pastilha (rotação da peça e translação da pastilha).
2.1.1 Parâmetros de corte
Parâmetros de corte são grandezas numéricas que representam valores de deslocamento da ferramenta ou da peça, adequados ao tipo de trabalho ser executado, ao material a ser usinado e ao material da ferramenta.
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Velocidade de corte (V ) é a velocidade tangencial instantânea resultante c
da rotação da peça em torno da ferramenta, já a velocidade de avanço é definida como o espaço que a ferramenta percorre, cortando um material, dentro de um determinado tempo geralmente expressa, em metros por minutos (CHIAVERINI, 1986). Para a definição da velocidade de corte é necessário a verificação de uma série de fatores, como:
Tipo de material da ferramenta;
Tipo do material a ser usado;
Tipo de operação a ser realizada;
Condições da refrigeração;
O avanço (f ) é o percurso de avanço em cada volta ou curso da n
ferramenta (Machado et al. 2009) e afeta diretamente a formação do cavaco obtido, além da potência de corte necessária. O avanço, juntamente com o raio de ponta, define a rugosidade da superfície obtida na usinagem (DINIZ, MARCONDES e COPPINI 2001).
A profundidade de corte ( ap ) é definido no torneamento longitudinal
externo como a grandeza de penetração com que a aresta de corte penetra transversalmente no material. A utilização de grande ap aumenta a quantidade de metal removido por unidade de tempo, mas em compensação, provoca significativos acréscimos na força e na potência de corte.
Segundo DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001) para que uma ferramenta corte um material, é necessário que um se movimente em relação ao outro a uma velocidade adequada.
2.1.2 Ferramentas de corte
A evolução dos materiais para ferramentas de corte é um fator a considerar em qualquer pesquisa relacionada à usinagem. O longo tempo decorrido entre o surgimento do chamado aço-ferramenta e sua evolução ao aço-rápido,
contrapõe-17
se ao grande salto de qualidade e produtividade após a descoberta do metal duro e novos lançamentos no mercado.
Atualmente, as ferramentas de corte mais utilizadas no torneamento de metais em geral, em especial dos aços, são os suportes com insertos intercambiáveis de metal duro, também conhecido como “pastilhas”, existentes em uma grande variedade de forma, tamanho e composição, para as mais diversas utilizações.
A geometria da ferramenta é o conjunto de propriedades geométricas que a define, composta por arestas, ângulos, raio de ponta (r ) etc. As definições destas e
características estão presentes na norma NBR 6163 [ABNT, 1980]. Machado et
al. (2009), explica que as características de formação de cavaco, a durabilidade
da ferramenta, a potência exigida e o acabamento superficial são afetadas pela escolha da geometria da ferramenta.
2.1.3 Formação do cavaco
De acordo com DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), a formação do cavaco é influenciada por diversos fatores ligados à usinagem, tais como desgaste da pastilha, os esforços de corte, o calor gerado na usinagem, a penetração do fluido de corte, etc.. Assim, estão envolvidos com o processo de formação do cavaco aspectos econômicos e de qualidade da peça, a segurança do operador, a utilização da máquina ferramenta, etc.
Nos processos de remoção de material por usinagem, o excesso de material é separado da superfície através do auxílio de uma pastilha que tem, principalmente no início do corte, a geometria da aresta de corte definida. Assim, a ferramenta avança sobre a peça promovendo deformações elásticas e plásticas até a ruptura do material.
O corte dos metais envolve o cisalhamento concentrado ao longo de um plano de cisalhamento (zona primária de cisalhamento). O ângulo entre o plano de cisalhamento e a direção de corte é chamado ângulo de cisalhamento. Quanto maior a deformação do cavaco sendo formado, menor o ângulo de cisalhamento e maiores os esforços de corte. Esta influência é marcante na usinagem de materiais dúcteis, muito suscetíveis à deformação.
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2.1.4 Fluido de corte
A busca por maiores valores de velocidades de corte V , sempre foi c
almejado em virtude de uma maior produção de peças, e isso foi possível devido ao surgimento de novos materiais de corte capazes de usinar os materiais com altíssimas velocidades de corte V , em contrapartida grandes valores de c
temperaturas foram geradas na região de corte devido a um grande atrito entre a peça e a ferramenta. Diminuindo a vida útil da ferramenta; Aumentando a oxidação da superfície da peça e da ferramenta; Aumentando a temperatura da peça, provocando dilatação, erros de medidas e deformações.
F. W. Taylor em 1890 começou com a água, mas logo deve ter percebido seus inconvenientes: corrosão na usinagem de materiais ferrosos, baixo poder lubrificante, e emprego em pequena faixa de temperatura. Todavia, ela abriu caminhos para a pesquisa e o uso de materiais que permitiram a usinagem mais eficiente, mais rápida e com melhor acabamento. Esses materiais são os agentes de melhoria da usinagem e que receberam o nome genérico de fluidos de corte
Conforme DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001) Um fluido de corte é um material composto, na maioria das vezes, líquido, que deve ser capaz de: refrigerar, lubrificar, proteger contra a oxidação e limpar a região da usinagem.
Segundo Diniz et al., 2010, durante o corte se desenvolve grande quantidade de calor devido à energia necessária para a deformação do cavaco e à energia decorrente do atrito nas interfaces ferramenta/peça e cavaco/ferramenta. Este calor precisa ser reduzido por lubrificação e/ou extraído por refrigeração da ferramenta e da peça, principalmente para minimizar o desgaste da ferramenta, a dilatação térmica da peça e o dano térmico à estrutura superficial da peça. Se isso acontecer, não somente a geração de calor é diminuída, mas também a força e a potência de corte. Para tanto, se tem desenvolvido novos materiais para ferramentas (ou de revestimento de ferramentas), materiais com usinabilidade melhorada, e utilização de fluidos de corte com capacidade lubrificante.
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DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), explicam que a vida da ferramenta é uma das mais importantes considerações econômicas da usinagem. Nas operações de desbaste, os vários ângulos de corte, velocidades de corte e avanços são escolhidos para proporcionar uma vida econômica da pastilha. Condições de corte que proporcionam um tempo de vida da pastilha muito baixo não serão econômicas, pois serão necessárias várias pastilhas e altos tempos de troca. Por outro lado, o uso de baixas velocidades de corte e avanço, o que proporcionará alto tempo de vida da pastilha, também não será econômico devido à baixa produtividade. É evidente que qualquer melhoria nas pastilhas ou nos materiais são benéficos para a vida da pastilha. Com o objetivo de formar bases para estas melhorias, muitos esforços estão sendo tomados no sentido de entender a natureza dos desgastes das pastilhas e outras formas de falhas durante a usinagem.
A vida da ferramenta pode ser levada ao seu final de várias maneiras, mas estas podem ser separadas em dois fatores principais:
O desgaste gradual ou progressivo de determinadas regiões da pastilha.
Quebras, que levam a vida da pastilha a um final prematuro.
Conforme Machado et al. (2009), os desgastes ocorrem nos insertos como resultado da ação de vários fatores de carga sobre a aresta de corte durante a usinagem. Estas cargas são, principalmente, de natureza mecânica, térmica, química e abrasiva.
Mecânicas - além das componentes estáticas de cargas mecânicas que agem sobre a aresta de corte, existem outras componentes dinâmicas resultantes do processo de formação do cavaco, que além de possuírem uma variação cíclica inerente ao próprio processo, também variam ciclicamente devido às variações de profundidade de usinagem, cortes interrompidos e outros.
Térmicas - aparecem principalmente na superfície de saída e na superfície de folga da pastilha, devido à alta geração de calor inerente ao processo de corte dos metais. Este tipo de carga pode também ser dinâmico, como em operações de corte interrompido como, por exemplo, durante o fresamento, onde a aresta
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passa por um aquecimento durante o corte e resfriamento durante o período que passa fora da peça.
Químicas - o processo de formação do cavaco permite que uma nova interface de metal seja produzida continuamente e forçada em altas pressões, e temperaturas, contra as superfícies das pastilhas. Estas novas superfícies produzidas tornam-se um ambiente propício para a difusão e reações químicas dos metais.
Abrasivas - na maioria dos materiais das peças existem vários tipos de partículas duras, cuja dureza pode ser comparada à dureza do material da pastilha. Estes então atuam como abrasivos sobre a pastilha. Ainda que estas inclusões existam em pequenas quantidades no material da peça, considerando a quantidade de material que passa sobre a aresta de corte durante a usinagem, sempre existirá uma quantidade variável de abrasão na aresta.
Os parâmetros de maior influência na progressão do desgaste são a velocidade de corte, o avanço e a profundidade de corte, respectivamente nessa ordem. Assim, conforme DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), o impacto na vida da ferramenta causado por um acréscimo de 10% na velocidade de corte é muito maior do que ocorreria, se o avanço fosse alterado na mesma proporção. Isso ocorre, pois quanto maior a velocidade de corte, maior o calor entregado ao processo, sem acrescer área. Já quando aumentado o avanço, aumenta-se a quantidade de calor, porém aumentando a área da ferramenta que o recebe.
Segundo DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), nas operações de acabamento, o desgaste frontal é maior que o de cratera, aumentando progressivamente até a quebra da cunha cortante. Para Ferraresi (1970), em acabamento, a ferramenta deve ser substituída antes de atingir valores que possam originar quebra da aresta de corte, pois esta, não terá condições de satisfazer as exigências impostas de tolerâncias dimensionais e de acabamento de superfície da peça.
2.2 ACABAMENTO SUPERFICIAL
Rugosidade de uma superfície exerce em alguns casos um papel vital no desempenho do produto, ou seja, o acabamento superficial de componentes
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mecânicos deve ser adequado ao tipo de função que exerce. Devido a isto, a importância no estudo da qualidade do acabamento superficial aumenta à medida que crescem as exigências de projeto, como a precisão de ajuste entre peças a serem acopladas, onde a precisão dimensional e de forma não são suficientes para garantir a funcionalidade do par acoplado. A superfície dos componentes que deslizam durante o seu trabalho, devem ser menos rugosas para que o atrito seja menor possível.
De acordo com AGOSTINHO (2001), a rugosidade é o conjunto de irregularidades, isto é, pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam uma superfície, ela influi na qualidade de deslizamento, na resistência ao desgaste, na resistência a corrosão e a fadiga, além de vedação e aparência.
2.2.1 Rugosidade média
Contempla um valor médio de todos os desvios de uma linha reta no comprimento de avaliação, independe da orientação vertical. Essa característica impede a utilização do valor da rugosidade R para determinar se os desvios são a
picos ou vales, mas também indica que desvios individuais como riscos ou picos muito grandes afetam significativamente o valor de R (Figura 2). a
Figura 2-Desvio médio aritmético do perfil avaliado
Fonte: Castillo, 2005
A rugosidade gerada na usinagem é mais influenciada pelo processo que pela máquina. Conforme Machado et al. (2009), os fatores que podem contribuir com a rugosidade gerada são: marcas da quina da ferramenta ou de fragmentos da mesma, as quais podem apresentar natureza periódica para alguns processos
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e aleatória para outros; geração de rebarba do material durante a operação de corte; restos de aresta postiça de corte de uma ferramenta na superfície usinada; forma geométrica do quebra-cavaco na quina da ferramenta.
Em relação aos parâmetros de corte, DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), citam o mais importante como sendo o avanço, este é utilizado na determinação teórica da rugosidade média, juntamente com o raio da ponta do inserto. Em relação à profundidade de corte, esta não apresenta grande influência na rugosidade, exceto que, para profundidades de corte superiores a 1 mm, ocorre um pequeno acréscimo na rugosidade.
O aumento do raio de ponta torna a ponta da ferramenta mais resistente, mas também aumenta a vibração da ferramenta devido ao aumento do atrito, causado pela maior área de contato entre ferramenta e peça afetando de forma negativa a rugosidade.
A velocidade de corte mostra, para valores baixos, forte relação com a rugosidade média, devido à formação da aresta postiça de corte. Para velocidades de corte superiores a 100 m/min a rugosidade média torna-se praticamente estável em relação à velocidade de corte. Uma aproximação do valor da rugosidade máxima pode ser dada pela equação 1, segundo DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001). 1000 * 8 2 max e teor r f R (µm) (1) Onde: teor
Rmax = Rugosidade Máxima Teórica [µm]
n
f = Avanço [mm/rot]
e
r = Raio de Ponta [mm]
Figura 3-Contribuição Geométrica do avanço e raio de ponta na rugosidade
23
A literatura recomenda que a rugosidade média (R ) seja calculada a
utilizando a equação 2. Nota-se que são levados em consideração para o cálculo apenas o avanço e o raio de ponta da pastilha, e não se considera o efeito da velocidade de corte e da profundidade.
e a r f R 2 * 2 , 31 (µm) (2) Onde: a R = Rugosidade Média [µm] n f = Avanço [mm/rot] e r = Raio de ponta [mm]
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3 MATERIAIS E MÉDOTOS
A metodologia adotada neste trabalho envolve os materiais, equipamentos e procedimento de medição da rugosidade média e considerações utilizadas para realização da análise do processo de torneamento.
3.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL DOS CORPOS DE PROVA
Para a realização dos ensaios, foram utilizadas barras de aço de baixo carbono SAE 1020. Sua composição química está especificada na Tabela 1. A dureza média do material antes da usinagem foi de 110 HB. Este material foi fornecido pela empresa Aços Favorit Distribuidora Ltda.
Tabela 1-Composição química aço SAE 1020
C Si Mn S máx. P máx.
SAE 1020 0,18-0,23 0,15-0,35 0,30-0,60 0,04 0,05
Fonte: Aços Favorit
3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
Os corpos de prova para o experimento do processo de torneamento foram confeccionados a partir de um eixo cilíndrico com diâmetro de 50 mm e comprimento de 74 mm. O formato e dimensões do corpo de prova foram definidos assim, pois buscaram atender a característica da bancada de ensaios, onde era preciso acesso do rugosímetro em todas as áreas do corpo de prova para efetuar as medições.
Após usinados os corpos de prova ganharam a forma apresentada na Figura 4, onde cada um dos escalões foi usinado com uma condição de corte diferente conforme Figura 5.
25
Figura 4-Corpo de prova
Fonte: O Autor
Figura 5-Corpo de prova caracterização de avanço
Fonte: O Autor
3.3 CARACTERIZAÇÃO DA FERRAMENTA DE CORTE
Para os ensaios de torneamento foi utilizado um porta-ferramenta de torneamento externo, com a denominação MTJNR 2020K-16, esse suporte possui um ângulo de posição (KAPR) 93°, ângulo de ataque da ferramenta (PSIR) -3°, ângulo máximo de usinagem em rampa (RMPX) 22°, altura funcional (HF) 20 mm, largura funcional (WF) 25 mm e balanço máximo (OHX) 30,8 mm.
Foram testados dois tipos de insertos com o mesmo suporte de ferramenta MTJNR-2020-K16, conforme apresentado na Figura 6.
26
Figura 6-Ferramenta convencional T-Max P para torneamento
Fonte: Sandvik Coromant, 2010
Os insertos utilizados nos ensaios são da marca Sandvik Coromant, são do formato triangular, com aresta útil de corte de 16 mm, e espessura de 4,763 mm, mas possuem características particulares, as quais são apresentadas a seguir:
Inserto TNMG 160404 PF4215, possui uma geometria dedicada ao acabamento fino de aços, um raio de ponta (r ) de 0,4 mm, cobertura de MTCVD, e
diâmetro do circulo inscrito (IC) 9,525 mm, comprimento efetivo da aresta de corte (LE) 16,098 mm, conforme apresentado na Figura 7.
Figura 7-Inserto TNMG 160404 PF4215
Fonte: Sandvik Coromant, 2010
Inserto TNMG 160408 XFGC15, possui uma geometria dedicada ao acabamento de materiais de cavaco contínuo como aços carbono, aços inoxidáveis, ligas de não ferrosos e outros, um raio de ponta (r ) de 0,8 mm, e
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cobertura de PVD, diâmetro do circulo inscrito (IC) 9,525 mm, comprimento efetivo da aresta de corte (LE) 15,698 mm, conforme apresentado na Figura 8.
Figura 8-Inserto TNMG 160408 XFGC15
Fonte: Sandvik Coromant, 2010
3.4 MÁQUINA CNC
A máquina ferramenta utilizada foi um torno CNC ROMI modelo CENTUR 30S Figura 9, cujas principais características estão mostradas na Tabela 2;
Figura 9-Torno CNC
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Tabela 2-Características Técnicas do Torno CNC (Centur 30S ROMI)
Fonte: Indústrias ROMI
3.5 DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE
Os ensaios de torneamento cilíndrico externo foram realizados considerando os parâmetros de usinagem para operação de acabamento. Inicialmente, esses parâmetros foram escolhidos de acordo com os valores normalmente utilizados pela indústria em processos de acabamento de componentes, fabricados a partir deste material.
3.5.1 Variáveis de entrada
Para a realização dos ensaios foram variados os seguintes parâmetros de corte:
• Tipo de geometria • Raio de ponta (r ) e
• Profundidade de corte ( ap ) • Avanço ( f ) n
Os parâmetros de corte utilizados nos ensaios estão apresentados na Tabela 3. A velocidade de corte foi definida respeitando-se o limite da máquina utilizada, para uma rotação máxima de 3500 RPM. Por este fato, optou-se pela
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velocidade de corte de 350 m/min. Quanto aos avanços e profundidades de corte, foram utilizados valores recomendados.
Tabela 3-Delineamento experimental
Ferramenta f (mm/rot) n ap (mm) TNMG 160404 PF 4215 0,12 0,25 0,15 0,22 0,12 0,5 0,15 0,22 TNMG 160408 XF GC15 0,12 0,25 0,15 0,22 0,12 0,5 0,15 0,22 Fonte: O Autor 3.5.2 Variável de saída
Como o objetivo deste trabalho é comparar os efeitos das geometrias e parâmetros de corte dos insertos com sua capacidade de realizar um acabamento superficial de qualidade, foi definida como variável de saída quantitativa o padrão de rugosidade abaixo descrito:
• Rugosidade Média R (µm). a
3.6 PROCEDIMENTOS DE MEDIÇÃO
A medição de rugosidade da superfície do corpo de prova foi feita através do rugosímetro portátil Mitutoyo modelo SJ-210 com resolução de 0,001 µm (Figura 10). Para a realização da medição, o corpo de prova foi removido do torno CNC e fixado em uma base magnética para a realização da leitura dos valores de rugosidade. As leituras foram retiradas em três planos defasados entre si de 120º,
30
para as medições foi utilizado um cut-off de 2,5 mm e um comprimento de amostra de 8 mm.
Figura 10-Medição dos Resultados
Fonte: O Autor
Para examinar a falha da ferramenta por desgastes, foi utilizado o microscópio digital USB Dino-Lite modelo AM- 4113T Pro, com resolução de 1024 x 768 e ampliação de até 200x (Figura. 11). Para a realização da medição de desgastes na ferramenta, o inserto foi retirado da porta-ferramenta e utilizado uma ampliação de 50x.
Figura 11-Microscópio digital
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4 RESULTADOS
Neste capítulo são apresentadas e discutidas as influências dos parâmetros de corte na rugosidade superficial.
Para analise da influência dos parâmetros de corte na rugosidade selecionou-se o parâmetro R pois é o mais utilizado na indústria. a
4.1 RESULTADOS DOS ENSAIOS
As análises comparativas entre os dois insertos testados, considerando as situações para uma mesma velocidade de corte (V ) de 350 (m/min), com c
avanços( f ) de 0,12; 0,15 e 0,22 (mm/rot) e profundidades de corte (n ap ) de 0,25
e 0,5 (mm). A Tabela 4 apresenta os valores de rugosidade média R (µm) a
obtidos para cada combinação de parâmetros de corte.
Tabela 4-Dados Coletados Para Cada Combinação
Ferramenta f (mm/rot) n ap (mm) R 1 (µm) a R 2 (µm) a R 3 (µm) a TNMG 160404 PF 4215 0,12 0,25 1,029 0,978 1,073 0,15 1,703 1,748 1,772 0,22 3,679 3,64 3,582 0,12 0,5 1,348 1,571 1,387 0,15 2,129 2,146 2,156 0,22 4,303 4,26 4,335 TNMG 160408 XF GC15 0,12 0,25 0,837 0,685 0,814 0,15 1,315 1,208 1,287 0,22 1,773 1,812 1,736 0,12 0,5 0,827 0,883 0,724 0,15 1,144 1,151 1,173 0,22 2,089 2,06 2,088 Fonte: O Autor
Com base na tabela 4 foram gerados gráficos utilizando a média das três coletas para verificar a confiabilidade dos resultados. Na Figura 12 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades R encontradas para o inserto PF com a
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ap de 0,25 mm e avanços de 0,12; 0,15 e 0.22 (mm/rot). Através da equação R 2
gerada a partir da linha de tendência podemos verificar que os dados estatísticos são de boa confiabilidade (93% precisos) e é possível através da equação y calcular a rugosidade para os avanços intermediários entre as faixas testadas.
Figura 12-Gráfico comparativo geometria PF ap 0,25
Fonte: O Autor
A Figura 13 é apresentado um gráfico comparativo entre as rugosidades R a
encontradas para a geometria PF com ap de 0,5 mm podemos verificar que os dados estatísticos são de boa confiabilidade (92% precisos).
Figura 13-Gráfico comparativo geometria PF ap 0,5
Fonte: O Autor y = 1,3035x - 0,4732 R² = 0,9362 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0,12 0,15 0,22 Rugos ida de Avanço (mm/rot)
Geometria PF ap 0,25
y = 1,432x - 0,2379 R² = 0,9216 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0,12 0,15 0,22 Rug osi dade Avanço (mm/rot)Geometria PF ap 0,5
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A Figura 14 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades R a
encontradas para o inserto XF com ap de 0,25 mm podemos verificar que os dados estatísticos são de ótima confiabilidade (99% precisos).
Figura 14-Gráfico comparativo geometria XF ap 0,25
Fonte: O Autor
A Figura 15 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades R a
encontradas para o inserto XF com ap de 0,5 mm podemos verificar que os dados estatísticos são de boa confiabilidade (93% precisos).
Figura 15-Gráfico comparativo geometria XF ap 0,5
Fonte: O Autor y = 0,4975x + 0,2791 R² = 0,9999 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0,12 0,15 0,22 Rug osi dade Avanço (mm/rot)
Geometria XF ap 0,25
y = 0,6338x + 0,0811 R² = 0,9351 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0,12 0,15 0,22 Rug osi dade Avanço (mm/rot)Geometria XF ap 0,5
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A Figura 16 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades R a
encontradas para o inserto PF4215 e XFGC15, nota se a superioridade do inserto XFGC15 em gerar uma rugosidade bem inferior ao outro inserto, usando as mesmas condições de usinagem.
Figura 16-Gráfico comparativo de rugosidade geometrias PF e XF
Fonte: O Autor
4.2 ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS
Para a realização de experimentos significativos e confiáveis, um tratamento dos dados experimentais e análise de resultados é imprescindível o uso de método estatísticos (ANOVA).
Para a análise dos resultados deste estudo foi utilizado o programa SISVAR 4.0.
Tabela 5-Analise de Variância
Fonte: O Autor 0 1 2 3 4 5 0,12 0,15 0,22 R u go si d ad e M é d ia ( µ m ) Avanço (mm/rot)
Comparativo Geometrias PF e XF
PF ap 0,25 PF ap 0,5 XF ap 0,25 XF ap 0,535
É possível observar pelo teste de Tukey para os insertos, que independente de quais quer parâmetro de corte, o inserto XFGC15 gerou uma R a
média inferior ao inserto PF4215.
Tabela 6-Teste de Tukey em relação ao tipo de Geometria
Fonte: O Autor
No teste de Tukey para os avanços nota-se que há um nível de significância e também podemos perceber a relação proporcional da R com o a
avanço.
Tabela 7-Teste de Tukey em relação ao Avanço
Fonte: O Autor
No teste de Tukey em relação à profundidade nota-se que há um nível de significância, mas entre os parâmetros de corte analisados é a que menos influencia na rugosidade.
Tabela 8-Teste de Tukey em relação à Profundidade
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4.3 CARACTERIZAÇÃO DE DESGASTE DOS INSERTOS
A Figura 17 mostra imagens de face do inserto PF, Figura 17a imagem antes do ensaio, figura 17b após o ensaio com um pequeno desgaste de flanco de 0,22 mm.
Figura 17-Inserto PF 4215 Face
Fonte: O Autor
A Figura 18 mostra imagens de flanco do inserto PF, Figura 18a imagem antes do ensaio, figura 18b após o ensaio com um pequeno desgaste de flanco de 0,14 mm.
Figura 18-Inserto PF 4215 Flanco
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A Figura 19 mostra imagens de topo do inserto PF, Figura 19a imagem antes do ensaio, figura 19b após o ensaio com um pequeno desgaste de flanco de 0,12 mm.
Figura 19-Inserto PF4215 Topo
Fonte: O Autor
A Figura 20 mostra imagens de face do inserto XF, Figura 20a imagem antes do ensaio, figura 20b após o ensaio, nota-se que não houve marcas passíveis de caracterização de desgaste.
Figura 20-Inserto XFGC15 Face
Fonte: O Autor
A Figura 21 mostra imagens de flanco do inserto XF, Figura 21a imagem antes do ensaio, figura 21b imagem após o ensaio, nota-se que não houve
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marcas passíveis de caracterização de desgaste, apenas marcas de aquecimento na região onde o inserto esteve em contato com o material do corpo de prova.
Figura 21-Inserto XFGC15 Flanco
Fonte: O Autor
A Figura 22 mostra imagens de topo do inserto PF, Figura 22a imagem antes do ensaio, figura 22b após o ensaio com um pequeno desgaste de 0,06 mm.
Figura 22-Inserto XFGC15 Topo
Fonte: O Autor
Comparando as medições de rugosidade média com os desgastes dos insertos, nota-se que os maiores valores de rugosidade coincidem com os maiores desgastes, comprovando que os mesmos influenciam diretamente no acabamento de peças usinadas.
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5 CONCLUSÃO
Com base nos objetivos deste trabalho é possível concluir que a geometria XF obteve-se um rendimento melhor no ponto de vista de acabamento superficial, e se for levado em conta ponto de vista econômico ela leva vantagem sobre a geometria PF, pois teve um rendimento superior quando utilizado parâmetros de corte mais elevados.
Constatou-se quando comparado com o a rugosidade teórica, calculado pela equação que leva-se em conta somente o raio de ponta e o avanço como variáveis, a geometria PF possui um perfil semelhante, já a geometria XF obteve um perfil distinto por de tratar de um inserto com geometria especifica para acabamento.
Com base no resultados dos ensaios é possível concluir que o melhor parâmetro utilizado foi utilizando o inserto com geometria XF GC15 com avanço de 0,15 mm/rotação e uma profundidade de corte de 0,5mm, com esses dados gerou-se uma rugosidade de 1,156 mícrons.
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6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AGOSTINHO, O. L. Tolerâncias, Ajustes, Desvio e Análise de Dimensões. Edgard Blücher, São Paulo: SP. 2001.
CASTILLO, W. J. G. Furação profunda do ferro fundido cinzento GG25 com
brocas de metal duro com canais retos. UFSC, tese de Mestrado,
Florianópolis, SC, 2005
Chiaverini, V. (1986). Tecnologia Mecânica (2ª ed.). são Paulo, São Paulo, Brasil: McGraw-hill.
Diniz, A. E., Marcondes, F. C., & Coppini, N. (2001). Tecnologia da Usinagem
dos Materiais (3ª ed.). Sâo Paulo, Brasil: Artliber.
Ferraresi, D. (1970). Fundamentos da Usinagem dos Metais. Sao Paulo, Brasil: Edgard Blücher.
Machado, A. R., Abrão, A. M., Coelho, R. T., & Silva, M. B. (2009). Teoria da
Usinagem dos Materiais. Sâo paulo, Brasil: Edgard Blücher.
SANDVIK-COROMANT. Tecnologia da usinagem dos metais Manual técnico Sandviken, Suécia, 2010.
