UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

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(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ. ANÁLISE DA VARIAÇÃO DA FORÇA DE AVANÇO NO PROCESSO DE FURAÇÃO DE LIGA INCONEL 718. Rodrigo Marques Rios. PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA. MECÂNICA. DA. ESCOLA POLITÉCNICA. DA. UNIVERSIDADE. FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.. Aprovado por:. Prof. Anna Carla Monteiro de Araujo; DSc. Prof. José Luis Lopes da Silveira; DSc. Prof. Lavinia Maria Sanabio Alves Borges; Dsc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL DEZEMBRO DE 2014.

(2) Agradecimentos: Agradeço em primeiro lugar a Deus por mais esta conquista em minha vida e por todas as outras que ainda estão por vir. À professora Anna Carla Araújo pela paciência durante este período, pelos ensinamentos e total dedicação que não se restringiram a orientação do trabalho mas também ao meu bem estar. Uma profissional altamente competente que certamente servirá de inspiração no desenvolvimento de minha carreira. Ao técnico Vladimir Calixto do CEFCON por seu comprometimento e dedicação na preparação dos equipamentos e contribuições nos experimentos. A minha noiva Ana Carolina, que acompanhou todo meu esforço no desenvolvimento deste trabalho dando conselhos e incentivos fundamentais em minha caminhada. Aos meus pais, Ronaldo e Lourdes, que apesar das dificuldades, sempre batalharam para me proporcionar melhores oportunidades de estudo. À todos os meus familiares e amigos, que ansiosamente aguardavam este momento, eu deixo aqui os meus agradecimentos.. i.

(3) Resumo: O Inconel 718 é uma superliga a base de níquel amplamente empregada nas indústrias nuclear, petrolífera e principalmente aeroespacial, onde é utilizado na fabricação da seção quente de motores de turbinas a gás. As suas propriedades de alta dureza, resistência a temperaturas elevadas e baixa condutividade térmica lhe conferem a característica de baixa usinabilidade, onde se observa desgastes severos na ferramenta durante o corte do material. A furação é um processo de usinagem com velocidade de corte variável ao longo da aresta de corte e com dificuldades na remoção de cavacos, o que a torna ainda mais difícil neste tipo de material. O estudo do comportamento dos esforços de usinagem se faz necessário na busca das condições de corte ideais, onde se tem o melhor aproveitamento da ferramenta e assim maior eficiência na produção. A realização deste trabalho permitiu a compressão da variação da força de avanço em função da velocidade de corte para o processo de furação em uma peça de Inconel 718. A partir da variação da velocidade de corte foi possível encontrar uma região ótima analisando-se a progressão do desgaste de cratera na superfície de saída das brocas nos intervalos dos experimentos.. ii.

(4) Sumário: 1. Introdução.................................................................................................................. 1 2. Revisão Bibliográfica ................................................................................................. 3. 2.1. O Processo de Furação ....................................................................................... 3 2.2. Broca Helicoidal .................................................................................................. 4 2.3. Materiais e Revestimentos das Brocas ................................................................ 8 2.4. Parâmetros de Corte na Furação ........................................................................ 9 2.4.1. Avanço ......................................................................................................... 9 2.4.2. Profundidade de Corte ................................................................................ 10 2.4.3. Velocidade de Corte ................................................................................... 10 2.4.4. Grandezas Relativas ao Cavaco ................................................................ 11 2.5. Forças e Torque na Furação ............................................................................. 11 2.5.1. Determinação Teórica da Força de Avanço e Toque .................................. 14 2.4.3. Determinação da Força de Avanço e Torque pelo Método de Kienzle ........ 15 2.6. Desgastes na Broca .......................................................................................... 16 2.7. Furação do Inconel ........................................................................................... 18 2.7.1. Principais Características do Material – Inconel 718.................................... 18 2.7.2. Condições de Corte do Inconel 718 ........................................................... 19 3. Materiais e Métodos ................................................................................................ 24. 3.1. Corpo de Prova ................................................................................................. 24 3.2. Ferramenta de Corte ......................................................................................... 26 3.2.1. Furação ....................................................................................................... 27 3.2.2. Furação com Pré-furação com broca de centro .......................................... 27 3.3. Fluido de Corte ................................................................................................. 28 3.4. Parâmetros de Corte ......................................................................................... 28 3.5. Equipamentos ................................................................................................... 30 3.5.1. Centro de Usinagem ................................................................................... 30 3.5.2. Dinamômetro .............................................................................................. 30 3.5.3. Amplificador de Sinais ................................................................................ 30 3.5.4. Placa de Aquisição ..................................................................................... 30 3.6. Experimentos .................................................................................................... 31 iii.

(5) 3.7. Análise do degaste ............................................................................................ 31 3.8. Estimativa dos Esforços de Corte ..................................................................... 33 4. Resultados e Discussão .......................................................................................... 35 4.1. Força de Avanço Medida nos Experimentos sem pré-furação .......................... 37 4.2. Força de Avanço Medida nos Experimentos com pré-furação com broca de centro ....................................................................................................................... 42 4.3. Análise dos Resultados de Força de Avanço .................................................... 45 4.4. Comparação da Força de Avanço Experimental com o calculado utilizando o modelo de Kienzle e pressão específica inicial ...................................................... 49 4.5. Desgaste da Ferramenta ................................................................................. 50 5. Conclusão ............................................................................................................... 53 6. Bibliografia .............................................................................................................. 54 Apêndice A .................................................................................................................. 57. iv.

(6) Figuras:. Figura 1: Processo de furação em cheio e furação de centro de acordo com DIN 8589 [8] ................................................................................................................................... 4 Figura 2: Broca helicoidal com haste cônica de acordo com DIN 1412 [8] ...................... 5 Figura 3: Gumes e superfícies de uma broca helicoidal [7] ............................................ 5 Figura 4: Ângulo de ponta de uma broca helicoidal [7].................................................... 6 Figura 5: Vida da ferramenta para os ângulos: (a) de ponta; (b) de incidência [5]........... 7 Figura 6: Grandezas de corte na furação [8]. ................................................................ 10 Figura 7: Forças em uma broca helicoidal segundo Spur [7]......................................... 13 Figura 8: Força de avanço em: (a) primeiro contato com a peça; (b) entrada total da aresta transversal de corte; (c) entrada total da aresta principal de corte [12] .............. 13 Figura 9: Tipos de desgaste em uma broca helicoidal [2] ............................................. 17 Figura 10: Variação da Força de Avanço e Torque na furação do Inconel 718 [5]. ....... 20 Figura 11: Força de corte e avanço vs. velocidade de corte no processo de torneamento de uma barra de Inconel 718 com ferramenta de metal duro sem revestimento e avanço de 0,2 mm/rot [18]. ................................................................... 21 Figura 12: Corpo de prova fixado ao dinamômetro antes dos testes............................. 24 Figura 13: Posicionamento dos furos ............................................................................ 26 Figura 14: Dimensões (em mm) da broca A1244 [28]. .................................................. 27 Figura 15: Especificações da broca de centro para pré-furação [29]............................. 28 Figura 16: Dados de corte para broca A1244 [28]......................................................... 29 Figura 17: Equipamentos: A) Dinamômetro Kistler utilizado para medição da força de avanço; B) Amplificador de sinais Kistler; C) Placa de aquisição de sinais ................... 31 Figura 18: Ciclo das brocas helicoidais 1 e 2 ................................................................ 32 Figura 19: Microscópio óptico Olympus BXM60 ............................................................ 33 Figura 20: Ajuste linear para determinação das constantes de Kienzle kz.1.1 e mz. .... 34 Figura 21: Corpo de prova após a realização dos testes .............................................. 35 Figura 22: Cavacos gerados em: A) Furo 1 (Vc=4 m/min); B) Furo 2 (Vc=2 m/min); C) Furo 3 (Vc=6 m/min) ..................................................................................................... 36 Figura 23: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 2 m/min (furos 2 e 6) ....... 37 Figura 24: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 4/min (furos 1 e 5) ........... 38 Figura 25: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 6 m/min (furos 3 e 4) ....... 38 Figura 26: (a) primeiro contato da ponta da broca com a peça; (b) ponta da broca totalmente inserida na peça usinada............................................................................. 40 v.

(7) Figura 27: Diferentes regiões ao longo da profundidade do furo para força de avanço no processo de furação em cheio ................................................................................. 41 Figura 28: Força de Avanço para Vc = 2 m/min com pré-furação (furos 8 e 12). .......... 42 Figura 29: Força de Avanço para Vc = 4 m/min com pré-furação (furos 7 e 11). .......... 43 Figura 30: Força de Avanço para Vc = 6 m/min com pré-furação (furos 9 e 10). .......... 43 Figura 31: Diferentes regiões ao longo da profundidade do furo para força de avanço no processo de furação com pré-furação ...................................................................... 44 Figura 32: Média e dispersão das forças de avanço para furação em cheio ................. 45 Figura 33: Média e dispersão das forças de avanço para furação com pré-furação...... 46 Figura 34: Variação da força de avanço com a velocidade de corte para furação com pré-furação. Ajuste polinomial: = , + −, . + , .

(8) .................... 47 Figura 35: Variação da força de avanço com a velocidade de corte para furação em cheio e com pré-furação. Ajuste polinomial: =

(9) , + −, . + , .

(10) 48 Figura 36: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 1: em a) aresta 1; b) aresta 2 ........................................................................................................................ 50 Figura 37: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 1 após réplica dos ensaios: a) aresta 1; b) aresta 2 ................................................................................... 50 Figura 38: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 2 em: a) aresta 1; b) aresta 2 ........................................................................................................................ 51 Figura 39: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 2 após réplica dos ensaios: a) aresta 1; b) aresta 2 ................................................................................... 52. vi.

(11) Tabelas:. Tabela 1: Participação nos esforços em uma broca helicoidal de forma geral [1]. .......... 12 Tabela 2: Recomendações para furação com broca helicoidal de aço rápido [16] .......... 19 Tabela 3: Parâmetros de corte utilizados para usinagem do Inconel 718 ....................... 22 Tabela 4: Composição química do Inconel 718 [17]........................................................ 24 Tabela 5: Propriedades mecânicas do Inconel 718 à temperatura ambiente [16] ........... 25 Tabela 6: Dados de corte e posição dos furos para os ensaios ...................................... 25 Tabela 7: Cálculo da rotação e da velocidade de avanço ............................................... 29 Tabela 8: Dados para determinação de kz 1.1 e mz [27] ................................................ 34 Tabela 9: Comparação do modelo experimental com o cálculo da previsão de força *49. vii.

(12) 1. Introdução O processo de furação é considerado um dos mais importantes dentre os processos de usinagem. Na indústria manufatureira a grande maioria das peças possuem pelo menos um furo, e somente uma parte muito pequena dessas peças já chegam com o furo pronto oriundo do processo de obtenção da peça bruta, como a fundição por exemplo [1]. Por ser normalmente realizada nos últimos estágios do processo produtivo, a peça chega nesta etapa com um alto valor agregado, e com isso, erros na execução do furo encarecem a produção devido a geração de refugos [2]. Desta forma, é fundamental que se tenha pleno conhecimento do material a ser usinado bem como dos parâmetros de corte que serão utilizados durante o processo de furação, pois isto irá minimizar as chances de falha e permitirá redução de custos e aumento da produção. Dependendo da microsestrutura do material, o processo de usinagem pode ser bem complexo, como é o caso das superligas de níquel. Este material é utilizado principalmente em aplicações aeroespaciais e plantas de geração de energia, onde se requer componentes com elevada resistência mecânica, boa resistência à fadiga, à fluência e à corrosão, mesmo operando continuamente em elevadas temperaturas. A aplicação também se estende a indústria petrolífera, na exploração de petróleo e gás em poços de águas profundas, que normalmente estão submetidos a uma combinação de altas pressões e altas temperaturas com a presença de elementos corrosivos. Neste caso, a utilização de superligas garante que as altas taxas de oxidação do meio não interfiram no funcionamento de válvulas, dutos, flanges e bocais. A baixa taxa de usinabilidade dessas ligas confere a elas o rótulo de um material difícil de usinar [3,4,5], isso em função de propriedades como alta resistência e alta dureza a quente, afinidade para reagir com o material da ferramenta e por sua baixa condutividade térmica, o que leva a altas temperaturas na zona de corte. A Micro-soldagem também pode ocorrer na interface ferramentapeça levando a formação da aresta postiça de corte. Dentre todas as superligas à base níquel, o INCONEL 718 está entre os mais conhecidos. Ele possui uma microestrutura composta por uma matriz austenítica cúbica de face centrada endurecida por precipitação, o que lhe confere alta resistência mecânica em baixa, média e alta temperatura. Estudos [5,6] foram realizados nos últimos anos visando à compreensão da vida da ferramenta a partir da evolução do desgaste durante operações de furação do Inconel 718. Diferentes 1.

(13) geometrias de brocas resultaram em níveis de desgaste e tempos de vida distintos e a evolução do desgaste promoveu o aumento gradual dos esforços de corte. Além da ferramenta, mudanças em outros parâmetros de entrada como: avanço, velocidade de corte e aplicação de fluido lubri-refrigente, promovem mudanças nos esforços resultantes do processo de furação. Segundo eles, o campo de pesquisa para investigação do processo de furação do Inconel 718 é bem amplo e ainda pouco explorado. Quando comparada as operações de torneamento e fresamento, a furação possui uma literatura bem limitada para este tipo de material apesar de sua importância no processo de fabricação. É preciso entender as condições de corte ideais para que se tenha o melhor aproveitamento da ferramenta e assim um menor custo de produção. O presente trabalho é uma contribuição na compreensão da variação da força de avanço no processo de furação de uma barra de Inconel 718, quando se utiliza diferentes velocidades de corte. As diferentes condições de velocidade de corte serão analisadas e a progressão do desgaste na superfície de saída das brocas será avaliada entre os intervalos dos experimentos para verificar sua influência no comportamento da força.. 2.

(14) 2. Revisão Bibliográfica Este capítulo irá apresentar os conceitos fundamentais sobre o processo de furação de superligas à base de níquel, em específico o Inconel 718. Serão abordadas as principais geometrias de brocas utilizadas neste caso, as condições e os parâmetros de corte, as forças atuantes no processo e as principais características de desgaste da ferramenta.. 2.1. O processo de Furação A furação é um dos processos de usinagem mais utilizados na indústria manufatureira e um dos mais importantes na fabricação aeroespacial. Segundo SHARMAN, AMARASINGHE e RIDGWAY [6] deve-se dar ênfase a confiabilidade do processo de furação, considerando tolerância dimensional e qualidade do furo, pois ele é último a ser executado e por isso possui altos custos já envolvidos. Em geral, as peças têm que ser furadas em cheio ou terem seus furos aumentados pelo processo de furação [1]. Conforme a norma alemã DIN 8589, a furação é definida como um processo de usinagem com movimento de corte circular, ou seja, com movimento rotativo principal, onde a ferramenta apresenta movimento de avanço apenas na direção do seu eixo de rotação, o qual mantém sua posição em relação à ferramenta e à peça. A furação de centro é normalmente utilizada em operações na qual a peça será fixa para ser usinada “entre pontas” ou para melhorar a centragem da broca em furações subsequentes. Os furos produzidos possuem uma parte escariada com ângulo de 60° ou 90°, ou ainda um segundo ângulo, d e proteção, de 120° [7]. O processo de furação faz parte do grupo de operações de corte com ferramentas de geometria definida, ou seja, arestas cortantes com formato e tamanho conhecidos, assim como torneamento e fresamento. Estima-se que a furação represente 30% de todas as operações de usinagem e 75% do volume de material removido na usinagem [2]. Apesar de sua importância tal processo recebeu poucos avanços nos últimos anos. Enquanto se desenvolvem com certa rapidez ferramentas com materiais novos para processos como torneamento e fresamento, como é o caso do cerâmico, nitreto de boro cúbico e diamante, na furação estes. 3.

(15) materiais são raramente empregados e a ferramenta mais utilizada ainda é a broca helicoidal de aço rápido, seguida da broca de metal duro [1]. Esta dificuldade em acompanhar a evolução tecnológica deve-se em partes pelas condições severas nas quais o processo de furação é executado. Podemos citar as seguintes particularidades [8]: Variação na velocidade de corte: de zero no centro do furo a um valor máximo na periferia; Dificuldade de remoção de cavacos;. Distribuição inadequada de calor na região de corte; Desgaste acentuado nas quinas com cantos vivos;. Atrito entre as guias, parede do furo e o próprio cavaco;. Figura 1: Processo de furação em cheio e furação de centro de acordo com DIN 8589 [8]. Dentre as variantes do processo de furação, pode-se afirmar que a furação em cheio é o mais comum. Neste processo um furo cilíndrico é usinado na peça em uma única passada atingindo uma profundidade normalmente compreendida entre três a cinco vezes o diâmetro da broca. Quanto maior for a profundidade do furo mais difícil será a remoção do cavaco, fazendo-se necessário em alguns casos a interrupção do processo para remoção de cavaco e calor.. 2.2. Broca helicoidal Para a abertura de furos são empregadas ferramentas denominadas brocas. Em função das características do furo, tais como diâmetro, profundidade, tolerâncias (dimensionais e geométricas) e volume de produção, podem-se empregar diferentes tipos de brocas, entre elas [8]: brocas chatas, brocas escalonadas, brocas com dutos de refrigeração, brocas de centro, brocas canhão, brocas ocas e brocas helicoidais. Esta última ocupa a posição de maior importância entre as ferramentas 4.

(16) de furação. Estima-se que ela represente de 20 a 25% de todas as operações de usinagem, e hoje seja a ferramenta de usinagem produzida em maior escala e mais difundida no mundo [8]. Como esta é a ferramenta utilizada neste estudo, as suas características mais importantes serão tratadas adiante. A nomenclatura das partes constituintes de uma broca helicoidal é definida pela norma DIN 1412 (NBR 6176). Podem existir variações geométricas, tais como ausência de rebaixo, haste cilíndrica ao invés de cônica, existência de canais para refrigeração interna, e etc. [9]. A terminologia básica está ilustrada na Figura 2.. Figura 2: Broca helicoidal com haste cônica de acordo com DIN 1412 [8]. Pode-se observar que sua forma construtiva é composta basicamente de uma haste cilíndrica e uma parte cortante. No que tange a dimensões, as brocas são classificadas pelo seu diâmetro externo, que deve estar dentro da tolerância h8. Quanto ao comprimento, distingue-se o comprimento total da broca, o comprimento da hélice, o comprimento da haste (cone) [7], como mostra a Figura 2. A Figura 3 apresenta a geometria da parte cortante de uma broca helicoidal. De acordo com a definição [8], as arestas principais se mostram na direção de avanço e a aresta transversal é também parte integrante do gume principal, apesar de devido a seu ângulo de saída negativo quase não apresente corte, mas sim uma deformação plástica do material com a extrusão na direção do gume principal.. Figura 3: Gumes e superfícies de uma broca helicoidal [7] 5.

(17) A broca helicoidal, assim como qualquer outra ferramenta de usinagem, tem seu desempenho afetado por sua geometria. Os ângulos desempenham papéis importantes na evolução do desgaste e força resultante atuantes no processo de furação. A figura 4 ilustra o ângulo de ponta de uma broca helicoidal.. Figura 4: Ângulo de ponta de uma broca helicoidal [7]. O ângulo de ponta () é formado pelos dois gumes principais no plano que contém o eixo da broca. Ele varia de acordo com o tipo de material e as dimensões da peça a ser usinada. Ângulos de ponta grande prejudicam a centragem e provocam um aumento no diâmetro dos furos. Por outro lado, reduzem o atrito das guias na parede do furo minimizando o desgaste. Além disso, um grande ângulo de ponta permite, usualmente, o aumento do avanço. Isto possibilita uma substancial redução no tempo de usinagem. Ângulos de ponta pequenos proporcionam uma boa centragem da broca e garantem furos com melhores precisões dimensionais, mas ao mesmo tempo aumentam o atrito das guias na parede do furo. Para um mesmo avanço, o aumento do ângulo de ponta da broca provoca a diminuição da espessura do cavaco [2]. A figura 5 ilustra o procedimento de CHEN e LIAO [5] realizado com brocas de metal de duro revestidas com TiAlN PVD onde o objetivo foi determinar os ângulos ótimos de ponta e de incidência para o processo de furação de uma peça de Inconel 718. A velocidade de corte e o avanço utilizados nos experimentos foram 13,2 m/min e 0,1 mm/rot respectivamente.. 6.

(18) Figura 5: Vida da ferramenta para os ângulos: (a) de ponta; (b) de incidência [5].. O estudo concluiu que um número maior de furos pôde ser obtido com a broca com ângulo de ponta igual a 140° e ângulo de incidência de 8° indicando uma maior vida da ferramenta nestas condições. No presente trabalho foi utilizado um ângulo de ponta igual a 130°. Esta é a condição pad rão fornecida pelo fabricante para a broca utilizada. A forma de afiação também é um fator decisivo no tempo de vida de uma broca helicoidal. Uma geometria adequada de afiação reduz os esforços de corte durante a furação. O tipo de afiação mais comumente usada é a afiação em cone de revolução ou simplesmente afiação cônica, onde a broca é colocada em frente a um rebolo de copo, de modo que seu eixo geométrico forme com a face do rebolo um ângulo igual à metade do ângulo de ponta desejado e então a broca girada em torno de seu eixo de rotação. Outros tipos de afiações de brocas helicoidais foram desenvolvidos com objetivo de melhorar a performance na usinagem de determinados tipos de materiais. São eles [10]: Afinação da aresta transversal de corte: objetivo principal é reduzir o esforço axial na ferramenta a partir da redução da espessura núcleo; Afiação cruzada: caracterizado pela eliminação parcial ou total do gume transversal. Tem-se uma redução significativa da força axial;. 7.

(19) Afiação com ângulo de ponta duplo: é afiado um segundo ângulo de ponta com 90° na parte exterior da aresta principal de corte. Tem como objetivo reduzir o desgaste ao aumentar o comprimento da aresta principal de corte e do raio de quina; Afiação em S: apresenta a aresta transversal com ponta em espiral. Também tem como objeto a redução da força de avanço, além de melhor acabamento da peça e menor geração de calor nas extremidades da broca;. Os estudos de CHEN e LIAO [5] e SHARMAN, AMARASINGHE e RIDGWAY [6] apontam uma melhor performance na furação do Inconel 718 para brocas com afiação cruzada combinada com ângulo de ponta duplo. Para o segundo, pôde-se observar uma vida da ferramenta até cinco vezes maior quando incluída a afiação de ponta. secundária,. o. que. permitiu. uma. melhor. dissipação. de. calor,. e. consequentemente menor desgaste na parte mais externa da aresta de corte. Além disso, outros estudos [6] apontaram que a aresta transversal com ponta em espiral, afiação em S, levou a ganhos significativos na vida da ferramenta quando comparada com a aresta transversal reta para experimentos com liga de titânio, podendo ser uma alternativa para o Inconel 718. No presente trabalho manteve-se a afiação cônica já fornecida pelo fabricante.. 2.3. Materiais e revestimentos de brocas Os materiais para brocas helicoidais, assim como a maioria dos materiais para ferramentas, devem atender a características como resistência mecânica, alta dureza, resistência a quente e tenacidade. No caso de brocas, por possuírem uma geometria relativamente complexa, exige-se ainda um material com facilidade de fabricação. Os principais materiais que satisfazem essas exigências são o aço rápido e o metal duro. O segundo permite alcançar maiores níveis de dureza, resistência ao desgaste e resistência a quente que o primeiro, mantendo a tenacidade em níveis aceitáveis. Isto torna a broca de metal duro mais apropriada para furação de materiais de dureza muito elevada como o Inconel 718, porém devese levar em conta que esta superioridade acarreta em custos mais elevados para as brocas de metal duro em relação as de aço rápido.. 8.

(20) A utilização de revestimentos nas brocas helicoidais promove melhorias nas propriedades da ferramenta o que leva a um aumento de vida e consequentemente um ganho de produtividade. Os revestimentos proporcionam maior resistência ao desgaste, reduzem o atrito na superfície de saída do cavaco, funcionam como isolante térmico e químico, aumentando a vida da ferramenta e reduzindo os esforços de usinagem. [10] Atualmente os tipos de revestimentos mais utilizados em brocas são: TiC, TiN, TiCN e o TiAlN, normalmente executados pelo método de deposição física (PVD), onde é possível realizar a aplicação de uma nova camada após a reafiação da ferramenta sem alterações de dimensão ou formato. O experimento de SHARMAN, AMARASINGHE e RIDGWAY [6], apontou durante a furação do Inconel 718, um rendimento (nº de furos) entre 60 a 180% superior com uma broca helicoidal revestida com TiAlN multicamadas PVD, quando comparado com uma broca helicoidal de mesma geometria de afiação porém sem o revestimento. Este tipo de ferramenta não foi utilizada neste estudo em função de seu alto custo de aquisição, optou-se por uma broca de aço rápido sem revestimento com condições de corte apropriadas para furação do Inconel 718. Esta ferramenta atende as expectativas de avalição da variação da força de avanço.. 2.4 Parâmetros de Corte na Furação Os parâmetros de corte são as grandezas definidas pelo operador e ajustadas na máquina, direta ou indiretamente, para definir a maneira como o processo de corte será realizado. Os três parâmetros que devem ser definidos na furação são: avanço, profundidade de corte e velocidade de corte.. 2.4.1 Avanço O avanço () é o percurso de avanço em cada volta ou curso da ferramenta [1]. Na furação é o percurso linear por revolução numa direção paralela ou coincidente com o eixo do furo [11]. O limite superior do valor utilizado para o avanço é definido pelas características da máquina e a resistência mecânica da ferramenta. Pode-se utilizar os valores entre 0,5 e 2% do diâmetro da broca como referências para o avanço [8].. 9.

(21) Entende-se por o percurso de avanço realizado por cada dente. Em. brocas helicoidais com duas arestas tem-se: = /2, como observado na figura 6.. A velocidade de avanço (௙ ) é uma grandeza proporcional ao avanço. É calculada pelo produto do avanço (), em mm/rot, pela rotação da ferramenta (), em RPM, conforme equação abaixo: ௙ = . . [mm/min]. (2.3-1). Figura 6: Grandezas de corte na furação [8].. 2.4.2 Profundidade de Corte A profundidade de corte (௣ ) é a profundidade de penetração do gume principal medida perpendicularmente ao plano de trabalho. Na furação corresponde à metade do diâmetro da broca, conforme observado na Figura 6.. 2.4.3 Velocidade de Corte A velocidade de corte (௖ ) é a velocidade instantânea de um ponto de. referência da aresta de corte, segundo uma direção e sentido de corte [2]. É calculada em função da posição do ponto da aresta de corte em relação ao centro de rotação da broca. Portanto, varia de um valor igual à zero no centro do furo até um máximo em sua periferia. Pode-se afirmar que velocidades de corte muito elevadas podem levar a um superaquecimento da ferramenta provocando perda de 10.

(22) capacidade de corte e redução da vida útil. Em contrapartida, velocidades de corte muito baixas podem provocar problemas de acabamento na peça com a formação da aresta postiça de corte. A velocidade de corte máxima na broca é calculada a partir de seu diâmetro. Tem-se então [8]:. =. .. . . 2(). [m/min]. (2.3-2). Onde:. = rotação da ferramenta [rpm].. ()= posição de um ponto qualquer na aresta de corte [mm]. A. velocidade de corte é máxima em = /2.. 2.4.4 Grandezas Relativas ao Cavaco A partir dos parâmetros de corte, como observado na figura 6, pode-se calcular a geometria do cavaco pela largura e espessura do cavaco. A espessura do cavaco indeformado (ℎ) é medida perpendicularmente a aresta de corte e pode ser calculada a partir do avanço por dente () e do ângulo de ponta de ponta () da ferramenta conforme equação abaixo [7]: . ℎ = . ( ) . [mm]. (2.4-1). A largura do cavaco (

(23) ) é o comprimento do cavaco a ser retirado medido na superfície de corte, segundo a direção normal à direção de corte. Na furação é calculada através da equação [7]:.

(24) =. . ഑ మ. . ( ). [mm]. (2.4-2). 2.5 Forças e Torque na Furação A estimativa de forças e toque atuantes nos processos de usinagem é de fundamental importância para avaliação das condições de corte e desenvolvimento. 11.

(25) de máquinas-ferramentas [1]. Como em todos os processos de usinagem, diversos fatores influenciam nos esforços de corte na furação, dentre eles podemos destacar como principais: o avanço, a profundidade de corte, a geometria da ferramenta, o material da peça, o material da ferramenta e a velocidade de corte. Durante o processo de furação verificam-se três regiões de reação à penetração da broca: a) Nas duas arestas principais de corte b) Na aresta transversal de corte c) Nas guias em contato com a parede do furo De forma qualitativa, pode-se observar na tabela 1 a relação dos esforços relacionados a cada região: Tabela 1: Participação nos esforços em uma broca helicoidal de forma geral [1].. Arestas Principais. Aresta Transversal. Atritos. Força de Avanço. 39 – 59%. 40 – 58%. 2 – 5%. Torque. 77 – 90%. 3 – 10%. 3 – 13%. Pode-se observar através dos dados apresentados na tabela acima que as arestas principais de corte exercem uma grande participação nos valores de torque obtidos no processo de furação. Já para a força de avanço, a aresta transversal de corte também exerce um papel de destaque. Isto deve-se a baixa rotação e ângulo de saída negativo na região central da broca que leva ao esmagamento do cavaco e encruamento do fundo do furo. Este efeito danoso pode ser amenizado aplicando-se a afiação da aresta transversal ou a furação com pré-furação ou com furo de centro. A força de usinagem que atua na aresta principal de corte durante a furação com broca helicoidal pode ser decomposta em três componentes: força de corte ( ௧ ), força de avanço ( ௭ ) e força radial ( ௥ ) como mostra a figura 7. A força de corte ( ௧ ) está relacionada à resistência do material ao corte e ela a responsável pelo. momento torsor gerado no processo. As forças radiais ( ௥ ) atuantes nas duas arestas principais de corte se anulam devido à simetria dos gumes em relação ao eixo central. Por fim, a força de avanço ( ௭ ) é decorrente da resistência ao corte, principalmente da aresta transversal, no sentido do avanço.. 12.

(26) Figura 7: Forças em uma broca helicoidal segundo Spur [7]. A contribuição das arestas principais e transversal de corte na força de avanço fica evidente quando analisamos o comportamento desta força no tempo durante o processo de furação. A figura 8 evidencia três momentos distintos: a, b e c, desde o instante em que a aresta transversal encosta na peça até a entrada total do gume principal.. Figura 8: Força de avanço em: (a) primeiro contato com a peça; (b) entrada total da aresta transversal de corte; (c) entrada total da aresta principal de corte [12]. Percebe-se um aumento gradual da força de avanço à medida que a ferramenta penetra na peça, pois isso significa uma maior área de contato, ou seja, maior resistência ao corte. No instante (a) a ferramenta toca a peça e o valor da 13.

(27) força sai rapidamente do valor nulo. A aresta transversal começa então a penetrar na peça fazendo a força aumentar gradualmente até o instante (b). A partir deste ponto se inicia o processo de penetração da aresta principal de corte até o instante (c), onde a profundidade de corte é igual ao raio da broca (2,5mm) o que significa que o gume principal está totalmente dentro da peça usinada e como consequência a força de avanço é máxima neste ponto. 2.5.1 Determinação Teórica da Força de Avanço e Torque A força de corte, neste caso a força tangencial ( ௧ ), atuante em cada aresta. de corte pode ser expressa pelo produto da pressão específica de corte (௖ ) pela área da secção de corte (), onde: =

(28) . ℎ. [mm²]. (2.5-1). Então, tem-se que: = ௖ . . [N]. (2.5-2). Substituindo-se os valores de

(29) e ℎ conforme equações (2.4-1) e (2.4-2), chegamos a equação da força de corte em cada aresta de corte: = ௖ ..

(30) . 2. [N]. (2.5-3). O torque total () atuante na broca é encontrado considerando-se a contribuição de cada aresta cortante. Tem-se então que: = 2 . ( .. ஽ ) ସ଴଴଴. [Nm]. (2.5-4). Pode-se concluir então que: = ௖ ..

(31) . ² 4000. [Nm]. (2.5-5). A força de avanço ( ௭ ) atuante em cada aresta é calculada de forma análoga a força de corte. Neste caso deve-se considerar a pressão específica de avanço (௭ ).. = ௭ . . [N]. (2.5-6). 14.

(32) A pressão específica de corte na direção normal ao gume () pode ser projetada da direção de avanço e assim a equação para força de avanço em cada aresta pode reescrita como: = ௡ . ( ) . ఙ ଶ. 7).

(33) . 2. [N]. (2.5-. A força de avanço total ( ௧ ) atuante na broca é dada pelo somatório das. contribuições em cada aresta, podendo ser calculada através da equação: ௧ = ௡ . . . ଶ ఙ. [N]. (2.5-. 8). 2.5.2 Determinação da Força de Avanço e Torque pelo Modelo de Kienzle O modelo de Kienzle oferece resultados mais precisos para o cálculo dos esforços de corte, pois leva em consideração a variação da pressão específica com a espessura do cavaco. É necessário que sejam experimentalmente determinadas. as constantes as constantes da equação: ௖ଵ.ଵ e 1 − ௖ , para o cálculo da força de corte ( ௧ ). A constante . representa a pressão específica de corte para remover. um cavaco quadrado de área igual a 1 mm² e 1 − ௖ é o expoente que indica a. relação da espessura do cavaco indeformado com ௧ . Tem-se então [7]: ௧ = ௖ଵ.ଵ .

(34) . ℎ(ଵି௠೎ ). [N]. (2.5-9). Substituindo-se os valores de

(35) e ℎ conforme equações (2.4-1) e (2.4-2), chegamos a equação da força de corte em cada aresta de corte segundo Kienzle: = ௖ଵ.ଵ . ሺଵି௠௖ሻ . ଶ . ஽. ଵ. (௦௘௡ቀ ቁ)೘೎ ഑ మ. [N]. (2.5-10). O torque total () pode ser calculado pela equação: = 2. (௖ଵ.ଵ .

(36) . ℎ(ଵି௠೎ ) . ସ଴଴଴) ஽. [Nm]. (2.5-11). Pode-se concluir então que o torque atuante na broca segundo Kienzle será calculado através da equação: = ௖ଵ.ଵ . ሺଵି௠௖ሻ .. ஽మ ଵ . ସ଴଴଴ (௦௘௡ቀ഑ቁ)೘೎ మ. [Nm]. (2.5-12). 15.

(37) Uma adaptação da equação de Kienzle pode ser utilizada para determinação. da força de avanço ( ௭ ). Para isso, deve-se determinar experimentalmente as. constantes ௭ଵ.ଵ e 1 − ௭ , que representam respectivamente a pressão específica. de avanço para remover um cavaco de área igual a 1 mm² e o expoente que indica a. relação da espessura do cavaco indeformado com a força de avanço. Tem-se a equação abaixo para a força de avanço atuante em cada aresta de corte da broca: ௭ = ௭ଵ.ଵ .

(38) . ℎ(ଵି௠೥ ). [N]. (2.5-13). Então, a força de avanço total ( ௧ ) atuante na broca pode ser calculada através da equação: ௧ = ௭ଵ.ଵ . ሺଵି௠௭ሻ . . ଵ. (௦௘௡ቀ ቁ)೘೥ ഑ మ. [N]. (2.5-14). As constantes da equação de Kienzle são características da usinabilidade de cada material e do processo de usinagem que será executado. Os fabricantes de ferramentas de corte disponibilizam esses dados para consulta para que os esforços possam ser estimados. Neste estudo foi utilizado o modelo de Kienzle para previsão dos esforços na furação de uma peça de Inconel 718.. 2.6 Desgastes na Broca. O desgaste pode ser definido como a perda gradual de material pela ação mútua entre o cavaco e a ferramenta e entre a peça e a ferramenta, decorrentes de solicitações mecânica, térmicas e químicas. Os principais mecanismos de desgaste das ferramentas de corte são [1]: aresta postiça de corte, abrasão, aderência, difusão e oxidação. Na furação, a variação da velocidade de corte e a dificuldade em expulsar os cavacos da zona de corte caracterizam a abrasão mecânica como principal mecanismo de desgaste [10].. No processo de furação, os desgastes usualmente mensurados são o de flanco e de cratera, sendo estes utilizados como critério de fim de vida da ferramenta. O desgaste de flanco ocorre em função do forte atrito dos flancos da broca com a superfície da peça usinada. Normalmente a broca apresenta um desgaste acentuado em sua periferia, onde a velocidade de corte é máxima. O desgaste de cratera ocorre na superfície de saída da ferramenta causado pelo atrito 16.

(39) gerado durante o deslizamento do cavaco. Conforme apresentado na figura 9, além dos desgastes de flanco e cratera, pode-se observar na broca: desgaste de aresta transversal, desgaste de quina e desgaste das guias laterais [2].. Figura 9: Tipos de desgaste em uma broca helicoidal [2]. Uma das regiões de maior desgaste na broca é a aresta transversal, onde ocorrem danos a partir do primeiro contato ferramenta-peça. Há um desgaste progressivo pelo esmagamento do material em função de grandes solicitações mecânicas associadas a velocidade de corte tendendo a zero nesta região. Nas quinas também há um desgaste intenso devido as solicitações térmicas relacionadas à maior velocidade de corte neste ponto e ao calor gerado pelo atrito do cavaco na superfície de saída, assim como o atrito das guias contra a parede do furo. No trabalho de CHEN e LIAO [5] sobre a furação do Inconel 718, a força de atrito mostrou ser o fator determinante para a falha da ferramenta. Observa-se que a avaliação do desgaste na broca pode ser dividida em quatro estágios. No primeiro, nota-se uma remoção da camada de revestimento da ferramenta e desgaste de flanco na faixa de 0,1mm. Em um segundo estágio percebe-se a formação da aresta postiça de corte, micro-trincas na superfície da saída da broca e desgaste de flanco de 0,2mm. Seguindo o processo de furação, observa-se no terceiro estágio o lascamento da aresta de corte e desgaste de flanco de 0,3mm. Ao afinal, no ultimo estagio nota-se um crescimento acelerado do desgaste de flanco, que ultrapassa a faixa de 0,4mm, e desgaste de cratera, que promovem variações drásticas nos esforços de usinagem, evidenciando a condição crítica e fim de vida da ferramenta. O estudo aponta ainda que a utilização do fluido de corte é fundamental para reduzir a força de atrito e aumentar a vida da ferramenta e que aplicação de um fluido modificado com nano-partículas pode prolongar a vida da ferramenta em até três vezes mais que a utilização de um fluido de corte tradicional.. 17.

(40) 2.7 Furação do Inconel 2.7.1 Principais Características do Material – Inconel 718 “Superliga” é a denominação dada às ligas a base de níquel, cobalto, ou titânio, com características mecânicas, químicas e térmicas especiais. Entre elas: alta resistência à corrosão, baixa perda de resistência em altas temperaturas e adequação a aplicações de risco e de ordem médica [13]. O desenvolvimento das superligas a base de níquel se iniciou nos Estados Unidos por volta dos anos 40. O objetivo era a fabricação de um material que funcionasse por longos períodos em atmosferas altamente oxidantes e corrosivas, submetidas a temperaturas acima de 650°C [14], e a aplicação principal seria em paletas de turbinas de aviões a jato que no início do século passado já dispunham, em estágio avançado, de sua teoria termo-mecânica, porém naquela época ainda não se conhecia materiais que fossem capazes de suportar as condições impostas para esse emprego [15]. Hoje em dia as superligas à base de níquel são amplamente utilizadas na indústria aeroespacial e plantas de geração de energia, onde se faz necessário à utilização de um material com elevada resistência mecânica, boa resistência à fadiga, resistência à fluência, e baixa corrosão quando opera por longos períodos a altas taxas de temperatura e pressão. O Inconel 718 é um material conhecido como de difícil usinagem, independente do processo de usinagem utilizado. Isso é devido a propriedades como alta dureza, resistência a altas temperaturas, afinidade para reagir com o material da ferramenta e baixa condutividade térmica [3,4,5,6]. Na usinagem do Inconel 718 a temperatura no gume de corte cresce facilmente devido a propriedades térmicas pobres, o que leva a deformações plásticas e desgaste acelerado da ferramenta de corte. Estudos [6] revelam temperaturas em torno de 900°C na zona de corte para operações de torneament o com velocidade de corte relativamente baixa, 30 m/min e mais de 1300°C para velocidades na faixa de 300 m/min. Ainda pode ocorrer micro-soldagem na interface cavaco-ferramenta levando à formação da aresta postiça de corte. Somado a isto, a matriz austenítica precipitada que compõe esta liga, junto com o rápido endurecimento que ocorre durante a usinagem tornam as condições de corte ainda pior [5].. 18.

(41) 2.7.2 Condições de Corte do Inconel 718 Os fatores que caracterizam a baixa usinabilidade do Inconel 718 causam desgaste severo na ferramenta durante o corte, tanto desgaste de flanco, desgaste de cratera e falha catastrófica. Isto obriga um grande número de paradas para troca de ferramenta e acerto da máquina o que significa diminuição da produtividade. Para se assegurar a vida da ferramenta e a integridade da superfície usinada é necessária a escolha correta da ferramenta de corte, com material adequado e geometria indicada, além da correta definição dos parâmetros de corte, ou seja, avanço e velocidade de corte. A tabela 2 apresenta recomendações de velocidades de corte e avanços para furação com broca helicoidal convencional de diversos grupos de superligas de níquel para diferentes diâmetros. O Inconel 718 pertence ao grupo D-2, caracterizado pela presença de partículas duras precipitadas na matriz de níquel o que dificulta a usinagem do material.. Tabela 2: Recomendações para furação com broca helicoidal de aço rápido [16]. Grupos de ligas. Diâmetro da. Velocidade de. Avanço [mm/rot]. de níquel. broca [mm]. corte [m/min]. A. <1.6. 17 - 23. 0.01 – 0.03. B. 1.6 – 3.2. 14 - 17. 0.03 – 0.05. C. 3.2 – 4.8. 8 - 11. 0.05 – 0.10. D-1. 6.4 – 7.9. 6-9. 0.08 – 0.13. D-2. 9.5 – 11. 3-4. 0.10 – 0.18. D-2 (envelhecida). 13 – 17. 2-3. 0.15 – 0.25. E. 19 – 25. 15 - 21. 0.20 – 0.38. Sabe-se que as forças de corte estão correlacionadas a fatores como acabamento da superfície, desgaste da ferramenta, temperatura na zona de corte, atrito, vibração, etc. Assim, o monitoramento das mesmas se torna fundamental para que se possa garantir qualidade de acabamento da peça e maior eficiência na produção, na medida em que uma das fases mais críticas do processo de manufatura é o monitoramento do desgaste da ferramenta assegurando o momento ideal para sua substituição. As forças de corte são usadas então, como indicadores de desgaste da ferramenta. Por esta razão, de acordo com ZHANG S., LI J.F e WANG Y.W [17], o estudo da relação entre as forças de corte e o controle eficiente do desgaste da ferramenta durante a usinagem do Inconel 718 é reconhecido como. 19.

(42) um problema desafiador. O trabalho deles aponta que para o fresamento do Inconel 718 há uma correlação direta entre as variações das componentes da força de usinagem e a dimensão do desgaste de flanco e pode-se concluir que a propagação do desgaste na ferramenta é responsável pelo aumento gradual dos esforços durante o corte. Estes esforços podem ser atenuados significativamente com a aplicação de fluido pulverizado a alta pressão e ar comprimido a baixa temperatura, minimizando o efeito do atrito e da adesão de material da peça nas faces da ferramenta, o que resulta em um aumento de 57% na vida da ferramenta. Para a furação do Inconel 718, o trabalho de CHEN e LIAO [5] testou o comportamento da força de avanço e torque de uma broca de metal duro com recobrimento TiAlN PVD a uma velocidade de corte de 13,2 m/min e avanço de 01 mm/rot. O estudo aponta um crescimento do torque significativamente maior que da força de avanço em uma fase inicial de desgaste, como pode ser observado na figura 10. Isto é resultado de uma força de atrito excessiva gerada pela remoção da camada de revestimento da ferramenta.. Figura 10: Variação da Força de Avanço e Torque na furação do Inconel 718 [5].. Na fase seguinte, onde o desgaste de flanco observado é de 0,2mm, a variação do torque torna-se mais suave e processo de furação é considerável como estável. Na terceira fase nota-se uma flutuação nos valores de força de avanço e torque causado principalmente pelo lascamento da aresta de corte. Na última fase observa-se um crescimento acelerado da força de avanço e uma queda do torque, nesta situação a ferramenta já apresenta desgaste severos e perde sua capacidade de corte do material. As variações dos parâmetros de corte exercem influência direta na magnitude das componentes de força de usinagem do Inconel 718. Os estudos de. 20.

(43) DEVILLEZ et al. [18] e FANG N., WU Q., [19] desenvolveram ensaios com diferentes condições de corte a fim de avaliar os parâmetros de maior influência nas forças atuantes durante o processo de torneamento do Inconel 718 e consequentemente no desgaste da ferramenta. Em DEVILLEZ et al. [18] valores de velocidade de corte entre 20 e 200 m/min foram testados para dois avanços distintos: 0,1 e 0,2 mm/rot, com ferramentas de metal duro com e sem revestimento em processo sem fluido de corte. Observa-se que para o avanço de 01, mm/rot as forças de avanço e corte diminuem com o aumento da velocidade corte, se situando em um range de 200 à 1000 N para a ferramenta sem revestimento e 200 à 600 N para a ferramenta com revestimento TiAlN. Este efeito favorável do revestimento não é observado para o avanço de 0,2 mm/rot. Em ambas as condições testadas observa-se que tanto a força de avanço quanto a força de corte decrescem com o aumento da velocidade corte apresentando um valor mínimo.. Figura 11: Força de corte e avanço vs. velocidade de corte no processo de torneamento de uma barra de Inconel 718 com ferramenta de metal duro sem revestimento e avanço de 0,2 mm/rot [18].. Como pode ser observado na figura 11, os valores mínimos de força de avanço e de corte são iguais a 300 e 650 N respectivamente, indicando uma relação experimental entre elas igual a 0,46. Ambos são encontrados em uma velocidade de corte em torno de 50 m/min, o que corresponde a um valor limite para este parâmetro. Na literatura disponível para o Inconel 718 nota-se que para uma 21.

(44) ferramenta sem revestimento os valores ótimos de velocidade de corte situam-se entre 20 e 50 m/min. A tabela 3 apresenta os materiais de ferramenta e parâmetros de corte utilizados em diversas operações de usinagem com o Inconel 718 realizadas nos últimos anos.. Tabela 3: Parâmetros de corte utilizados para usinagem do Inconel 718. Operação. Material ferramenta. Vc [m/min]. n [rpm]. f [mm/rot]. A. Devillez, et al., [18]. Torneamento. Metal duro revestida. 20 - 200. 25 - 245. 0,1 - 0,2. A. Devillez, et al., [20]. Torneamento. Metal duro revestida. 40 - 80. 70 - 140. 0,1. A. Kortabarria, et al., [26]. Torneamento. Metal duro. 30 - 70. 190 - 445. 0,15 - 0,25. Chen, Y. C.; Liao, Y. S., [5]. Furação. Metal duro revestida. 13,2. 400. 0,1. J.L. Cantero, et al, [24]. Torneamento. Metal duro revestida. 50 - 70. 105 - 150. 0,1. Lohithaksha M Maiyar, et al., [22]. Fresamento. Metal duro. 25 - 75. 795 - 2390. 0,06 - 0,12. Machining nickel alloys, liga não envelhecida [17]. Furação. Aço rápido. 3-4. 100 - 115. 0,1 - 0,18. Machining nickel alloys, liga envelhecida [17]. Furação. Aço rápido. 2-3. 49 - 56. 0,15 - 0,25. Muammer Nalbant, Abdullah Altın, Hasan Gökkaya, [25]. Torneamento. Metal duro revestida. 15 - 75. 95 - 480. 0,2. M.Z.A.Yazid, et al., [23]. Torneamento. Metal duro revestida. 90 - 150. 280 - 460. 0,10 - 0,15. N. Fang, Q. Wu, [19]. Torneamento. metal duro revestida. 58 - 174. 370 - 1110. 0,075 - 0,12. Referência. 22.

(45) Tabela 3 (continuação): Parâmetros de corte utilizados para usinagem do Inconel 718. Operação. Material ferramenta. Vc [m/min]. n [rpm]. f [mm/rot]. Furação. metal duro revestida. 25. 995. 0,1. Fresamento. metal duro revestida. 55. 875. 0,1. T. Beno, U. Hulling, [21]. Furação. metal duro. 35. 930. 0,05. Valentim P., [27]. Furação. Aço rápido com cobalto. 10 - 15,6. 374 - 583. 0,04 - 0,06. Referência Sharman, A.R.C.; Amarasinghe, A.; Ridgwa K., [6] S. Zhang, J.F. Li, Y.W. Wang, [16]. Pode-se observar através da tabela 3 que a grande maioria dos experimentos de usinagem do Inconel 718 é realizado com ferramenta de metal duro, o que é bem usual na usinagem de materiais com elevada dureza, e certamente permite a utilização de altas velocidades de corte, até 200 m/min. Neste estudo porém, foi utilizada uma ferramenta de aço rápido, que com menor custo permitiria as análises da variação da força de avanço assim como uma broca de metal duro. Isto implicou na utilização de velocidades de corte relativamente baixas já que o aço rápido suporta uma temperatura de corte de até algo em torno de 650°C. A realização de experimentos com ferramentas de corte de diferentes materiais, revestimentos e geometria, aliados a mudanças nos parâmetros: avanço e velocidade de corte, e ambientes de corte já testados, tendem a proporcionar uma literatura mais rica para compreensão do comportamento dos esforços durante a usinagem do Inconel 718 e consequentemente um melhor aproveitamento da ferramenta com maior eficiência no processo produtivo.. 23.

(46) 3. Materiais e Métodos O presente trabalho tem como objetivo investigar a influência da variação da velocidade de corte na força de avanço para operação de furação de uma peça de Inconel 718. Cabe ressaltar que a literatura envolvendo o processo de furação de superligas é bastante limitada, portanto este trabalho possui um caráter investigativo. Este capítulo apresenta todas as condições de realização dos experimentos, como: as especificações do material, as ferramentas de corte, as condições de corte, os equipamentos e metodologia para os ensaios.. 3.1 Corpo de Prova O corpo de prova utilizado nos ensaios foi uma peça cilíndrica de Inconel 718, com 106 mm de comprimento e 95 mm de diâmetro soldada a uma chapa para correta fixação no dinamômetro conforme mostrado na figura 12. As tabelas 4 e 5 revelam a composição química e propriedades mecânicas típicas do material.. Figura 12: Corpo de prova fixado ao dinamômetro antes dos testes Tabela 4: Composição química do Inconel 718 [17]. Ni. Cr. Nb. Mo. Ti. Al. Mín.. 50,000. 17,000. 4,750. 2,800. 0,650. 0,200. Máx.. 55,000. 21,000. 5,500. 3,300. 1,150. 0,800. Elemento. Co. Mn. Cu. P. S. Fe. % peso. ≤0,350. ≤0,350. ≤0,300. ≤0,015. ≤0,015. 17,000. Elemento % peso. 24.

(47) Percebe-se que a liga apresenta o níquel (Ni) e o cromo (Cr) como os elementos principais, ambos com propriedade de boa resistência a oxidação. O nióbio (Nb), titânio (Ti) e alumínio (Al) formam os precipitados endurecedores que aliados ao molibdênio (Mo) e os demais elementos, aumentam a resistência mecânica da liga a altas temperaturas. Altos teores de ferro (Fe) além de baixar o custo e melhorar a maleabilidade da liga, tendem a aumentar seu ponto de fusão. Em contrapartida, ligas ricas em ferro apresentam pior resistência a oxidação do que as ricas em Níquel. Tabela 5: Propriedades mecânicas do Inconel 718 à temperatura ambiente [16]. Resistência à tração (Mpa). Resistência ao escoamento (Mpa). Módulo de elasticidade (GPa). Dureza (HRc). 1240. 1036. 206. 36. Observa-se que o Inconel 718 é um material que possui alta resistência mecânica, e boa ductilidade e dureza quando comparado aos aços ligados tratados termicamente. As posições “X” e “Y” do centro de cada furo em relação ao centro da peça também estão descritas na tabela 6 e ilustradas na figura 13. Como pode ser visto no desenho, já havia um furo de 8,5 mm no centro da peça oriundo de um procedimento [29] anterior. Tabela 6: Dados de corte e posição dos furos para os ensaios. ࢉ. [mm/rot]. ࢌ. Y. [rpm]. . X. [m/min]. . [mm/min]. [mm]. [mm]. 1. 4. 125. 0,07. 9. 0. 21,5. 2. 2. 62. 0,07. 4. 13,82. 16,47. 3. 6. 187. 0,07. 13. 21,17. 3,73. 4. 6. 187. 0,07. 13. -21,17. 3,73. 5. 4. 125. 0,07. 9. -13,82. 16,47. 6. 2. 62. 0,07. 4. 36,44. 6,43. 7. 4. 125. 0,07. 9. 32,06. 18,47. 8. 2. 62. 0,07. 4. 23,78. 28,34. 9. 6. 187. 0,07. 13. -36,44. 6,43. 10. 6. 187. 0,07. 13. -32,06. 18,47. 11. 4. 125. 0,07. 9. -23,78. 28,34. 12. 2. 62. 0,07. 4. 0. 37. FURO. 25.

(48) X. Y. Figura 13: Posicionamento dos furos. A estrutura do código CNC desenvolvido para execução dos furos encontrase no apêndice A deste trabalho.. 3.2 Ferramenta de Corte O Inconel 718 é conhecidamente um material de baixa usinabilidade em função de propriedades já citadas como alta dureza, alta resistência em temperaturas elevadas, afinidade para reagir com o material da ferramenta e baixa difisubilidade térmica. Isto significa que para que o processo de usinagem transcorra bem é necessário que a ferramenta de corte possua alta dureza a quente e grande resistência ao desgaste.. 26.

(49) 3.2.1 Furação Optou-se por utilizar uma broca de aço rápido sem revestimento com uma concentração de 5% de cobalto e com tratamento térmico para aumento de dureza, referenciada por HSS-E. A composição química é dada por: 0,82%-C, 4,5%-Cr, 6,0%-W, 5,0%-Mo, 2,0%-V e 5%-Co. Segundo o fabricante, Walter Titex, esta broca é apropriada para aplicações severas, particularmente com elevada carga térmica, utilizada para furação de materiais de alta resistência e de rápido endurecimento, aço inoxidável austenítico, aços resistentes ao calor, titânio, bronze duro e ligas especiais. A broca modelo A1244 possui forma helicoidal com ângulo de ponta igual a 130°, apropriado para furação do Inconel 718. Seu comprimento total é de 133 mm e afiação cônica da parte cortante. A figura 14 ilustra outras dimensões relevantes em milímetros, como diâmetro da haste e diâmetro da broca, igual a 10,2 mm.. Figura 14: Dimensões (em mm) da broca A1244 [28].. O valor do diâmetro selecionado foi escolhido para usinar furos de preparação para roscas métricas de diâmetro nominal igual a 12 mm e passo 1,75 mm (M12x1,75), e conforme norma NBR 10625 – “Execução de Furos Roscados”, este é o diâmetro apropriado para a broca nesta operação.. 3.2.2 Pré-furação com broca de centro A broca utilizada para etapa de pré-furação foi uma broca de centro de aço rápido, modelo A200 do fabricante Dormer. Os parâmetros de corte utilizados foram velocidade de corte igual a 4 m/min e avanço igual 0,019 mm/rot, conforme. 27.

(50) recomendações do fabricante para furação do Inconel 718. A figura 15 ilustra as dimensões e as demais grandezas de corte utilizadas na usinagem do material.. Figura 15: Especificações da broca de centro para pré-furação [29]. 3.3 Fluido de Corte Fazendo uso de uma ferramenta de aço rápido sem revestimento, a utilização de um fluido lubri-refrigerante se torna indispensável para usinagem de um material de elevada dureza como o Inconel 718. O fluido de corte utilizado foi o Balxedot do fabricante Baltar Química. Este é um fluido solúvel de base vegetal com etanol e óleo de soja em sua composição. Indicado para uso em operações de usinagem de metais ferrosos e não ferrosos que segundo o fabricante, proporciona uma economia de ferramental da ordem de 40 a 60% quando operando em centros de usinagem de controle numérico. Com a elevação da temperatura pelo atrito na interface peça-ferramenta, sua formulação promove uma reação com as partículas metálicas removidas da peça produzindo micro-gotículas de graxa nesta interface, o que impede a soldagem ferramenta/peça. O fluido foi utilizado na concentração 1:40 conforme recomendações do fabricante.. 3.4 Parâmetros de Corte Inicialmente os parâmetros de corte foram definidos a partir das. recomendações do fabricante. Conforme apresentado na figura 16 tem-se: ௖ =. 2 /, ou seja, = 62 e = 0,07 /, ou seja, ௙ = 4 /.. 28.

(51) Figura 16: Dados de corte para broca A1244 [28]. Posteriormente analisou-se os experimentos que realizaram usinagem do Inconel 718 nos últimos anos. Estes dados com os respectivos autores estão apresentados na tabela 3. Considerando as informações apresentadas, foi possível definir os parâmetros de corte mais adequados e as variações de velocidades que seriam testados neste trabalho: Velocidades de corte: 2, 4 e 6 m/min Avanço da ferramenta: 0,07 mm/rot Profundidade do furo: 5 mm. A partir destes dados e das equações 2.3-1 e 2.3-2, foi possível calcular as rotações e velocidades de avanço da ferramenta que seriam inseridas na programação da máquina CNC. Tem-se então:. Tabela 7: Cálculo da rotação e da velocidade de avanço. Velocidade de. Rotação da. Velocidade de avanço. corte. ferramenta. da ferramenta. ௖ଵ 2 /. ଵ 62 . ௙ଵ 4 /. ଶ 187 . ௙ଷ 13 /. ௖ଶ 4 / ௖ଷ 6 /. ଶ 125 . ௙ଶ 9 /. 29.

(52) 3.5 Equipamentos 3.5.1 Centro de Usinagem O centro de usinagem vertical Polaris V400 com trocador de pallet foi a máquina utilizada para realização dos experimentos. A máquina opera com linguagem CNC e seu lay-out de trabalho possui um curso de 700 mm em “X”, 420 mm em “Y” e 470 mm em “Z”. A rotação máxima do eixo é de 10.000 rpm e tem capacidade para armazenar 24 ferramentas. A fixação da broca na máquina foi feita através de um mandril com pinça de 10,0 mm.. 3.5.2 Dinamômetro A captação da força de avanço foi feita através do dinamômetro Kistler modelo 9257BA que possui área útil de 100 x 170 mm. A figura 17A mostra o equipamento preso à mesa da máquina CNC. A peça foi preparada para fixação nos furos da parte superior do dinamômetro. Este modelo não mede torque.. 3.5.3 Amplificador de Sinais O sinal elétrico de força do dinamômetro é conectado a um amplificador de sinais Kistler 5233A. A amplificação pode ser selecionada entre as quatro faixas de medição disponíveis no equipamento: 0-500N, 0-1KN, 0-2KN e 0-5KN. A faixa selecionada foi de 5kN, ou seja, 1,0 mV/N, uma vez que o microcomputador recebe até 10 V. A figura 17B ilustra uma foto deste equipamento.. 3.5.4 Placa de aquisição Para o armazenamento e tratamento dos dados no computador, é necessário transformar os sinais analógicos gerados no dinamômetro em sinais digitais. Para isto, foi utilizada uma placa analógico-digital da National Instruments, apresentada na figura 17C. A frequência de aquisição utilizada em todos os experimentos foi 500 Hz, assim tem-se no mínimo 160 pontos/rotação. O programa que realizou o processamento de sinais foi o LabVIEW Signal Express fornecido pelo fabricante da placa.. 30.

(53) Figura 17: Equipamentos: A) Dinamômetro Kistler utilizado para medição da força de avanço; B) Amplificador de sinais Kistler; C) Placa de aquisição de sinais. 3.6 Experimentos A sequência de ensaios a serem executados para investigação da força de avanço foi planejada de forma aleatória com duas réplicas para cada experimento de modo a minimizar a influência do desgaste da ferramenta nos resultados e aumentar a confiabilidade dos gerados. Foram então realizados doze experimentos no total com três velocidades de corte distintas, com e sem pré-furação e duas réplicas para cada condição. Os furos 1 ao 6 foram executados sem pré-furação e os furos 7 ao 12 foram executados com furação prévia.. 3.7 Análise do desgaste A avaliação do desgaste nas superfícies de saída da ferramenta foi realizada em intervalos de três experimentos, ou seja, após a execução de três furos com as. 31.