UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de
resistência a compressão em pastas de cimento para
poços de petróleo
FABRÍCIO PEREIRA FEITOZA DA SILVA
NATAL- RN, 2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de
resistência a compressão em pastas de cimento para
poços de petróleo
FABRÍCIO PEREIRA FEITOZA DA SILVA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof. Dr. Ulisses Borges Souto.
NATAL - RN
2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de
resistência a compressão em pastas de cimento para
poços de petróleo
FABRÍCIO PEREIRA FEITOZA DA SILVA
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Dr. Ulisses Borges Souto ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Prof. Dr. Evans Paiva da Costa Ferreira ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Prof. Dr. Júlio César de Oliveira Freitas ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais, familiares e amigos. Dedico, também, à força divina que rege minha fé para ir em busca de meus anseios e objetivos.
Agradecimentos
À Deus que me conduziu e iluminou nessa trajetória.
Ao professor Dr. Ulisses Borges Souto, pela orientação, suporte acadêmico e por acreditar em meu potencial, contribuindo com que esse projeto se concretizasse.
Ao professor Dr. Júlio Cezar de Oliveira Freitas Coordenador do Labcim/UFRN, por todo companheirismo e suporte ao longo dessa jornada.
Aos colegas e amigos do Laboratório de cimentos–Labcim/UFRN, especialmente aqueles que contribuíram com comentários construtivos, e com suporte técnico em muitas análises/ensaios experimentais.
À empresa GSM – Grupo de Serviços e Manutenção Hidráulico / Industrial / Residencial, que contribuiu com todo o processo de fabricação mecânica do molde.
Silva, F. P. F. Manufatura de molde cúbico metálico para ensaio de resistência a compressão em pastas de cimento para poços de petróleo. 2021. 68 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2021.
Resumo
Os estudos das técnicas de usinagem são largamente utilizados na indústria metal mecânica, envolvendo superfícies complexas e diferentes geometrias. Desde então, a evolução na fabricação de ferramentas e desenvolvimento de máquinas especiais, possibilitou manufaturar moldes e matrizes com maior precisão e heterogeneidade. No que se refere à ferramenta de corte, são mais interessantes as que permitem maiores velocidades de corte, maiores vidas úteis, ou que substituam duas ou mais ferramentas. Diante das dificuldades da não existência de um fornecedor certificado nacional, e os altos custos de importação, surgiu a necessidade de manufaturar um lote de moldes cúbicos de metal conforme as exigências da norma NBR 9831:2020. O presente trabalho, tem como objetivo demonstrar os principais parâmetros utilizados na usinagem do molde cúbico de aço. Dentro deste contexto, o trabalho está dividido em algumas etapas, como, especificação dos materiais, manufatura dos componentes, modelagem geométrica, e análises dos resultados. O aço inoxidável austenítico AISI 304 é utilizado para confecção do molde cúbico, devido à alta resistência a corrosão. A manufatura dos componentes é realizada através de diversos processos de fabricação mecânica, tendo como principal, o fresamento, um processo bastante empregado em superfícies planas. Na modelagem é utilizado um software de projeto de engenharia assistido por computador, CAD (computer-aided design). Os resultados mostraram-se bastante satisfatórios, pois as dimensões finais atenderam as exigências técnicas da norma. Ao final, conclui-se que os moldes fabricados estão aptos a produzir cubos de pasta de cimento para ensaios de resistência a compressão.
Silva, F. P. F Manufacture of metallic cubic mold for testing compressive strength in cement slurry for oil wells. 2021. 68 p. Conclusion work project (Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2021.
Abstract
The studies of machining techniques are widely used in the metalworking industry, involving complex surfaces and different geometries. Since then, the evolution in the manufacture of tools and the development of special machines has made it possible to manufacture molds and dies with greater precision and heterogeneity. As far as the cutting tool is concerned, the ones that allow higher cutting speeds, longer service lives, or that replace two or more tools are more interesting. Faced with the difficulties of not having a national certified supplier, and the high import costs, the need arose to manufacture a batch of cubic metal molds in accordance with the requirements of the NBR 9831: 2020 standard. The present work aims to demonstrate the main parameters used in the machining of the steel cubic mold. Within this context, the work is divided into some stages, such as, specification of materials, manufacture of components, geometric modeling, and analysis of results. AISI 304 austenitic stainless steel is used to make the cubic mold, due to its high resistance to corrosion. The manufacture of components is carried out through various mechanical manufacturing processes, with milling as the main one, a process widely used on flat surfaces. The modeling uses computer-aided engineering design software, CAD (computer-aided design). The results proved to be quite satisfactory, as the final dimensions met the technical requirements of the standard. At the end, it is concluded that the molds manufactured are able to produce cement slurry cubes for compressive strength tests.
Lista de Ilustrações
Figura 2.1 – Gráfico ilustrando a passividade dos aços-cromo expostos durante 10
anos a uma atmosfera industrial 4
Figura 2.2 – Direções do movimento de corte 8
Figura 2.3 – Percurso de corte 9
Figura 2.4 – Dois tipos básicos de fresamento 11
Figura 2.5 – Fresamento discordante 12
Figura 2.6 – Fresamento concordante 13
Figura 2.7 – Tipos de geometria das fresas 14
Figura 2.8 – Classificação quanto à estrutura e forma geométrica 15
Figura 2.9 – Variação cíclica da temperatura de corte 17
Figura 2.10 – Fatura na aresta de corte 18
Figura 2.11 – Diagrama com os principais mecanismos de desgaste 19
Figura 2.12 – Superfície teórica fresada por fresamento tangencial 21
Figura 2.13 – Representação de uma broca helicoidal 23
Figura 2.14 – Geometria da cunha de uma broca helicoidal 25
Figura 2.15 – Cinemática do processo de rosquemento com machos rígidos 26
Figura 3.1 – Fluxograma descrevendo todas as etapas do projeto 28
Figura 3.2 – Chapa de aço inoxidável 5/16” 30
Figura 3.3 – Parafusos utilizados para unir as partes do molde 31
Figura 3.4 – Conjunto montagem 33
Figura 3.6 – Furadeira fresadora combinada 36
Figura 3.7 – Fresa similar à que foi utilizada na fabricação do molde 37
Figura 3.8 – Fresa utilizada no faceamento do molde 37
Figura 3.9 – Conjunto de macho e vira macho 39
Figura 4.1 – Conjunto molde após usinagem 40
Figura 4.2 – Ensaio de estanqueidade no molde cúbico 43
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Propriedades química do aço inoxidável AISI 304 29
Tabela 3.2 – Especificações do parafuso Allen de cabeça cilíndrica sextavado interno 31
Tabela 3.3 – Especificações da barra roscada 5/16” 32
Tabela 3.4 – Porca sextavada 5/16” 32
Tabela 4.1 – Variações permissíveis para os moldes cúbicos de 50 mm 41
Tabela 4.2 – Dimensões do molde cúbico após manufatura 42
Lista de abreviaturas e siglas
ABNT – Associação brasileira de normas técnicas CAD - computer-aided design
d – diâmetro da peça ou da ferramenta [mm] f – Avanço [mm/ver]
n – Número de rotação por minuto [rpm] Vc – Velocidade de corte [m/min]
Ve – Velocidade efetiva [m/min]
Sumário
Dedicatória ... i Agradecimentos ... ii Resumo ... iii Abstract ... iv Lista de Ilustrações ... vLista de Tabelas ... vii
Lista de abreviaturas e siglas ...viii
Sumário ... ix 1 Introdução ... 1 1.1 Objetivos ... 3 2 Revisão Bibliográfica ... 4 2.1 Introdução ... 4 2.2 Aço Inoxidável ... 4
2.2.1 Classificação dos aços inoxidáveis ... 5
2.2.2 Usinabilidade dos aços inoxidáveis ... 6
2.3 Grandeza física no processo de corte ... 7
2.3.1 Movimentos ... 7
2.3.2 Direção dos movimentos ... 8
2.3.3 Percurso da ferramenta na peça ... 9
2.3.4 Velocidades no processo... 10
2.4 Fresamento ... 11
2.4.1 Fresamento discordante ... 13
2.4.2 Fresamento concordante ... 14
2.5 Deterioração da ferramenta no fresamento ... 17
2.5.1 Mecanismo de degaste... 20
2.6 Acabamento da região fresada ... 21
2.7 Processo de furação ... 22
2.7.1 Brocas helicoidais ... 24
2.8 Usinagem de rosca interna ... 26
2.9 Molde ... 28
3 Metodologia ... 29
3.1 Materiais ... 30
3.1.1 Especificação do aço ... 30
3.1.2 Especificação dos parafusos ... 31
3.2 Métodos ... 34
3.2.1 Projeto ... 34
3.3 Máquinas-Ferramenta utilizado na manufatura ... 36
3.3.1 Equipamento de corte... 36
3.3.2 Fresadora e fresa ... 36
3.3.3 Sistema de furação e broca ... 39
3.3.4 Macho de roscar ... 40 4 Resultados e Discussões ... 41 4.1 Usinagem ... 41 4.2 Teste de estanqueidade ... 43 4.3 Corpos de prova ... 44 5 Conclusões ... 47 6 Referências ... 48 7 Anexos ... 52
1 Introdução
A manufatura constitui um papel importante em uma nação industrializada impactando diretamente na economia. Durante os últimos anos novas tecnologias de fabricação, sistemas automatizados e inúmeras inovações de sistema foram implementados para melhorar a eficiência da máquina e do operador e aumentar a produtividade para reduzir o custo de fabricação.
O processo de usinagem possibilita atingir alguns objetivos, como, acabamento de superfícies de peças fundidas ou conformadas mecanicamente, conseguindo obter-se melhor aspecto superficial e dimensões mais precisas, de acordo com as especificações de fabricação e com o uso deste. Nas operações de usinagem, uma porção do material das peças é retirada pela ação de uma ferramenta chamada ferramenta de corte, produzindo o cavaco que é caracterizado por uma forma geométrica irregular (CHIAVERINI, 1986).
São numerosos os fatores que tem influência sobre a usinabilidade de um material. Por exemplo: as condições de corte, a geometria da ferramenta, as propriedades mecânicas, a microestrutura e as propriedades físico-químicas da peça e da ferramenta (GOMES, 1996).
O processo de fresamento é bastante empregado, principalmente em superfícies planas, de maneira precisa e eficaz. As condições de usinagem dependem de ferramenta de corte, máquina ferramenta, fluido de corte, e parâmetros de corte. Recomendações de fabricantes somente seriam usadas como um guia, desde que melhores condições possam ser encontradas para outras ferramentas e parâmetros de corte (RICHETTI, 2004).
Os avanços tecnológicos nas áreas de ferramentas e equipamentos tornam o fresamento cada vez mais abrangente e competitivo, atingindo níveis de tolerâncias dimensionais cada vez mais exigentes. Além disso, os excelentes níveis de acabamento e a obtenção de geometrias complexas possibilitam a constante ampliação de sua aplicação na manufatura (DEWES et al., 1999).
Na área da fabricação de moldes e matrizes, o processo de fresamento difundiu-se, também pela redução dos tempos de usinagem, mas principalmente
porque possibilitou o uso de ferramentas de diâmetros pequenos e consequentemente a obtenção de geometrias mais próximas da geometria final da peça. Isto possibilita diminuir o tempo de polimento e ajustagem final.
Normalmente, os moldes e matrizes são compostos por peças com geometrias complexas confeccionadas em materiais de elevada dureza, o que torna a atividade de usinagem mais difícil. Apesar dos moldes e matrizes representarem um pequeno investimento comparado a todo programa de produção, seu projeto e manufatura representam um aspecto fundamental no tempo total de desenvolvimento. Outro fator importante é que, em determinados processos, a qualidade dos moldes e matrizes implica diretamente na qualidade das peças produzidas (OLIVEIRA, 2007).
A cimentação de poços de petróleo consiste em deslocar uma pasta de cimento no interior do poço com objetivo de isolar os diferentes intervalos atravessados durante o processo de perfuração. Quando posicionado adequadamente, cimento promove a estabilidade mecânica e o selo hidráulico do poço, garantindo uma produção de petróleo ambientalmente segura. Uma das propriedades mais importantes de um sistema de pasta de cimento para aplicação em poços petrolíferos é sua resistência à compressão.
Para a determinação de resistência a compressão em pastas de cimento para poços de petróleo, são utilizados moldes cúbico de 50mm (~2pol). Este método de teste fornece um meio de determinar as propriedades mecânicas, e os resultados podem ser usados para determinar a conformidade com as especificações.
Como consequência da ausência de um fornecedor certificado nacional, e os altos custos de importação, surgiu a necessidade de manufaturar um lote de moldes cúbicos de metal conforme as exigências da norma NBR 9831:2020.
1.1 Objetivos
O objetivo geral deste presente trabalho, é desenvolver um projeto com as principais análises de engenharia e manufatura na confecção de um molde cúbico constituído de metal duro, não atacável pelo cimento, e tendo as faces laterais suficientemente rígidas para evitar sua deformação. Nesse sentido, foram adotados os seguintes objetivos específicos:
Atender as especificações exigidas pela norma, determinando uma menor precisão possível dentro do qual a peça em questão exerça sua função corretamente.
Apresentar propriedades de tolerância geométricas admissíveis.
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Introdução
A revisão bibliográfica traz uma breve apresentação dos assuntos que estão direto ou indiretamente relacionadas ao tema desta pesquisa. Portanto, inicia-se abordando o tipo de aço utilizado na confecção do molde. Em seguida, apresenta-se uma revisão sobre os processos de usinagem envolvidos, fresamento e usinagem de roscas internas. São também abordadas questões referentes à aplicação e qualidade no produto final.
2.2 Aço Inoxidável
Adições de cromo aumentam a resistência à oxidação e à corrosão do aço. Aços com teores de cromo superiores a 12% têm grande resistência à oxidação e são comumente designados como aços inoxidáveis. Estes aços são de grande interesse para a engenharia, em função de sua resistência à oxidação e à corrosão, propriedades mecânicas a temperaturas elevadas e tenacidade (dos inoxidáveis austeníticos) (SILVA e MEI, 1998).
Entretanto, nenhum material é inoxidável, no sentido da palavra, e muita atenção deve ser dada à correta seleção do material para aplicação em meios corrosivos; o aço ao carbono comum, por exemplo, pode apresentar resultados superiores a um aço “inoxidável”, inadequadamente selecionado (SILVA e MEI, 1998).
Para atingirem a condição que os torna inoxidáveis, os aços inoxidáveis formam um filme de óxido de pequena espessura à superfície do metal, invisível e aderente (ASM HANDBOOK, 2002).
A Figura 2.1 ilustra o fato, ao mostrar que à medida que aumenta o teor de cromo no aço, este passa, em atmosfera industrial, de metal de grande corrosibilidade a um metal praticamente indestrutível pela corrosão.
Figura 2.1: Gráfico ilustrando a passividade dos aços-cromo expostos durante 10 anos a uma atmosfera industrial.
Fonte: CHIAVERINI (1986).
O cromo é, de fato, o elemento mais importante, pois é o mais eficiente de todos, quando empregado em teores acima de 10%.
2.2.1 Classificação dos aços inoxidáveis
As principais composições de aços inoxidáveis (p. ex. 12% Cr, 18% Cr + 8% Ni, etc.) foram desenvolvidas, acidentalmente, há cerca de 70 anos. A partir destas composições, foram estudados os efeitos de diversos elementos de ligas e residuais, como C, N, Mo, etc. Novas composições vem sendo desenvolvida desde então, aproveitando os resultados obtidos nestas pesquisas. Os efeitos dos diversos
elementos de liga na estrutura dos aços inoxidáveis podem ser observados a partir dos diagramas de equilíbrio de fases (SILVA e MEI, 1998).
Para fins de classificação e discussão de propriedades, os aços inoxidáveis são agrupados em 3 principais classes:
1. MARTENSÍTICO – São ligas de Fe + Cr com composições que interceptam o campo austeníticos no diagrama de fase sendo, portanto endurecíveis por tratamento térmico de têmpera. Incluem-se nesta família os aços: (AISI) 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, B e C, 501.
2. FERRÍTICOS – São ligas Fe + Cr essencialmente ferríticas, e que não endurecem por tratamento térmico de tempera. Os principais tipos são: (AISI) 405, 430, 430F, 446, 502.
3. AUSTENÍTICOS – São ligas Fe + Cr + Ni que não endurecem por tratamento térmico de têmpera, e sendo predominantemente austeníticos após a tratamento térmico comercial. Incluem-se nesta família: (AISI) 301, 302, 304, 308, 310, 316, 317, 321, 347. Outros aços inoxidáveis austeníticos incluem aqueles em que, por questão de custo, parte do níquel é substituído por manganês ou nitrogênio (elementos estabilizadores de austenita) ex.: (AISI) 201 e 202.
2.2.2 Usinabilidade dos aços inoxidáveis
O termo usinabilidade é normalmente utilizado para descrever as propriedades de um material durante a usinagem. Quando é dito que um material A tem maior usinabilidade que um material B, isto pode significar que durante a usinagem do material A atingiu-se menores valores de desgastes, ou melhores condições do acabamento superficial, ou menor potência requerida para usinagem (NASCIMENTO, 2008).
Por causa da grande variedade de aços inoxidáveis disponíveis, uma simples caracterização da sua usinabilidade pode levar a conclusões equivocadas. A usinabilidade dos aços inoxidáveis varia de muito baixa a muito alta, dependendo da escolha das ligas. Em geral, os aços inoxidáveis são considerados mais difíceis de
usinar que outros metais, como alumínio e aços de baixa liga, pois aderem à pastilha durante o corte, mostrando tendência de produzir cavacos longos e aderentes, formando assim a aresta postiça de corte. Isto reduz a vida da pastilha e prejudica o acabamento superficial da peça (NASCIMENTO, 2008).
A melhora da usinabilidade dos aços inoxidáveis geralmente está acompanhada de uma queda na resistência a corrosão. Nos últimos anos, tem-se utilizado a técnica de controle das inclusões óxidas para melhorar a usinabilidade, sem deterioração das outras propriedades. Isto é alcançado através de tratamento especial durante a fabricação de aço líquido. Além disso, a melhoria na usinabilidade tem apresentado ainda algumas interferências nas propriedades mecânicas do aço (TESSLER e BARBOSA, 2002).
2.3 Grandeza física no processo de corte
O princípio usado em toda máquina-ferramenta para obter a superfície desejada é providenciar um movimento relativo apropriado entre a peça a ferramenta, escolhida adequadamente. Assim, para o estudo de usinagem, é necessário a definição das grandezas físicas no processo de corte. A norma NBR 6175:2015 Usinagem – Processos Mecânicos: Terminologia trata justamente desses conceitos (ABNT, 2015). A seguir são apresentadas algumas definições básicas extraídas dessa norma.
2.3.1 Movimentos
Os movimentos nas operações de usinagem são movimentos relativos entre a peça e aresta cortante e a peça considerada estacionária. Podem- se distinguir dois tipos de movimentos: os que causam diretamente a saída de cavaco e os que não tomam parte diretamente na sua retirada. Movimentos que causam diretamente a saída do cavaco:
Movimento de corte: realizado entre a peça e a aresta de corte, o qual, na ausência de movimento de avanço, produz somente uma única retirada de cavaco.
Movimento de avanço: realizado entre a peça e a aresta de corte, o qual, com o movimento de corte, provoca a retirada contínua de cavaco.
Movimento efetivo: resultante dos movimentos de corte e avanço, realizados ao mesmo tempo.
Movimentos que não causam diretamente a formação do cavaco:
Movimento de aproximação: realizado entre a peça e a aresta de corte, por meio do qual ambas se aproximam antes da usinagem. Movimento de ajuste: realizado entre a peça e a aresta de corte para
determinar a espessura de material a ser retirado.
Movimento de correção: realizado entre a peça e a aresta de corte para compensar o desgaste da ferramenta, ou outra variação (térmica, por exemplo).
Movimento de recuo: realizado entre a peça e a aresta de corte com o qual a ferramenta, após a usinagem, é afastada da peça.
2.3.2 Direção dos movimentos
Devem-se distinguir as direções dos movimentos que causam diretamente a retirada de cavaco:
Direção de corte: instantânea do movimento de corte. Direção de avanço: instantânea do movimento de avanço. Direção efetiva: instantânea do movimento efetivo de corte.
Figura 2.2 ilustram essas direções para o fresamento tangencial discordante, respectivamente.
Figura 2.2: Direções do movimento de corte.
Fonte: ABNT NBR 6175 (2015) apud Machado.
2.3.3 Percurso da ferramenta na peça
Percurso de corte (Lc): é o espaço percorrido pelo ponto de referência
da aresta cortante sobre a peça, segundo a direção de corte.
Percurso de avanço (Lf): é o espaço percorrido pelo ponto de
referência da aresta cortante sobre a peça, segundo a direção de avanço. Nos casos em que há movimento de avanço principal e lateral, devem-se distinguir os componentes do percurso de avanço. Percurso efetivo (Le): é o espaço percorrido pelo ponto de referência
da aresta cortante sobre a peça, segundo a direção efetiva do corte. Definições análogas são válidas para os movimentos que não tornam parte diretamente na retirada do cavaco. Figura 2.3 ilustras os percursos da ferramenta na operação de fresamento tangencial discordante.
Figura 2.3: Percurso de corte.
Fonte: MACHADO, et al. (2009).
2.3.4 Velocidades no processo
Velocidade de corte (Vc) é a velocidade instantânea do ponto de referência
da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido do corte. Equação 1.1 mostra como determinar os processos de movimento.
𝑣𝑐
=
π .d .n1000 [m/min] (1.1)Onde:
d = diâmetro da peça ou da ferramenta em mm n = número de rotações por minuto (rpm).
Velocidade de avanço (Vf) é a velocidade instantânea do ponto de referência
da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido de avanço. É dada pela Equação 1.2:
𝑣𝑓 = 𝑓 . 𝑛 [mm/min] (1.2)
Onde:𝑓 = avanço em mm/rev (mm por revolução)
𝑛
= número de rotações por minuto.Velocidade efetiva de corte (Ve) é a velocidade instantânea do ponto de
referência da aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e o sentido efetivo do corte. É calculada vetorialmente como mostra a Equação 1.3:
𝑣𝑒
⃗⃗⃗⃗ = 𝑣𝑐
⃗⃗⃗⃗ + 𝑣𝑓
⃗⃗⃗⃗
[m/min] (1.3) A seleção das velocidades de corte e de avanço (e consequentemente da velocidade efetiva) mais adequadas depende da operação de usinagem e dos materiais da ferramenta e da peça. Além destas, têm-se também as velocidades de aproximação, de ajuste, de correção e de recuo. Embora não tomem parte na retirada de cavaco, as velocidades de aproximação e recuo são particularmente importantes em máquinas comandadas numericamente, visto que valores elevados para tais velocidades contribuem para a redução do tempo total de fabricação da peça (MACHADO, et al 2009).2.4 Fresamento
A operação de fresamento é reconhecida pela versatilidade na produção de geometrias diversas, além de garantir elevadas taxas de remoção de material, visto que a ferramenta (fresa) possui múltiplas arestas de corte. Nesse grupo de operações, a ferramenta gira enquanto a peça, presa à mesa, é responsável pelos movimentos de avanço longitudinal e transversal. Em situações especiais, a peça pode ficar estática enquanto a ferramenta realiza todos os movimentos (MACHADO, et al 2009).
Fresamento tangencial (concordante ou discordante). Fresamento tangencial de canais ou de perfis.
Fresamento de topo. Fresamento frontal.
Fresamento com fresa de topo esférica. Fresamento de cavidades.
A maior quantidade de eixos de movimentação possíveis de serem implementados em um equipamento lhe confere grande flexibilidade, quando comparado a outros processos de usinagem. Desta forma, o fresamento é utilizado na usinagem de peças das mais variadas geometrias e tamanhos, na fabricação de peças com complexidade e obtendo níveis de tolerância e acabamento superficial cada vez melhores, à medida que as máquinas e ferramentas evoluem (HELLENO e SCHÜTZER, 2003).
No fresamento o processo de corte é interrompido. Isto é, o dente da fresa entra e sai da peça a cada revolução da ferramenta o que sujeita os dentes a um ciclo de forças de impactos e cargas térmicas a cada rotação, necessitando de ferramentas com características adequadas, máquinas e sistemas de fixação de elevada rigidez.
Existem várias maneiras de diferenciar e classificar os diferentes tipos de fresamento. Figura 2.4 apresenta uma das classificações baseada na orientação do eixo da ferramenta em relação ao movimento de avanço.
Figura 2.4: Dois tipos básicos de fresamento: (a) tangencial, (b) faceamento.
Outros tipos de fresamento são variantes ou podem ser considerados combinação deles. Como exemplo pode ser citado a geração de engrenagens, o fresamento de canais, entre outros.
Existem duas técnicas fundamentais de fresamento. De acordo com sentido de rotação em relação ao movimento de avanço, podendo ser classificado em fresamento concordante ou fresamento discordante.
2.4.1 Fresamento discordante
No corte discordante, o sentido do movimento de avanço é contrário ao sentido do movimento da fresa. No fresamento discordante a espessura de corte aumenta progressivamente de zero até um valor máximo. Além disso, frequentemente o contato é realizado com uma superfície encruada, causada pelo corte do dente anterior. A Figura 2.5 mostra o fresamento discordante e suas terminologias conforme a norma ABNT NBR 6175:2015.
Figura 2.5: Fresamento discordante.
Fonte: ABNT NBR 6175 (2015).
No corte discordante é utilizado apenas em ocasiões especificas, pois é exigido um sistema de fixação mais rígidos para não ocasionar o desprendimento da peça, o que em altas velocidades oferece risco de graves acidentes.
2.4.2 Fresamento concordante
No corte concordante o movimento de avanço da mesa apresenta o mesmo sentido que o movimento rotatório da ferramenta. Neste tipo de fresamento, a componente vertical de usinagem apresenta a mesma direção em todo o corte, ou seja, empurrando a peça em direção à mesa. Isto diminui vários inconvenientes em relação ao corte discordante. Existem ainda alguns inconvenientes neste tipo de usinagem. Como o início do corte se dá arrancando a máxima seção transversal de corte, muita força é dispensada no início do corte, fato que é altamente ampliado em usinagem de materiais duros, o que pode favorecer quebras e diminuição da vida da ferramenta (DINIZ et al. 2001).
Outro inconveniente é que a componente horizontal da força de usinagem possui o mesmo sentido de avanço da mesa. Esta força, portanto, também está no sentido oposto da força horizontal de usinagem, que tem modulo variável, devido a variação da espessura de corte. Então, a força resultante final sobre o fuso da máquina varia em módulo e sentido, o que pode gerar vibração. A Figura 2.6 mostra o fresamento concordante e suas terminologias conforme ABNT NBR 6175:2015.
Figura 2.6: Fresamento concordante.
Com isto, em geral, o fresamento concordante possibilita melhor acabamento superficial da peça, sendo por isto, preferido e muitos casos.
2.4.3 Geometria das fresas
A geometria da ferramenta de corte exerce grande influência no desempenho da usinagem. Por melhor que seja o material da ferramenta, se a sua geometria não for preparada adequadamente, não haverá êxito na operação. Tamanha é a sua importância que se faz necessário normalizar, da maneira mais conveniente possível, os ângulos da cunha cortante para uniformizar a nomenclatura entre os profissionais e a literatura especializada.
Segundo Suarez (2008) Além das diferentes geometrias, uma fresa pode apresentar diferentes formatos projetados com base nas superfícies a gerar na peça, podendo mudar, por exemplo, a quantidade de dentes e a distribuição das cunhas cortantes (frontal ou tangencial). Em geral, existe uma faixa do número de dentes na qual se consegue vantagens no acabamento, no controle da vibração e na temperatura, fatores que tem grande importância neste trabalho.
Figura 2.7 mostra alguns tipos de hélices tipicamente utilizadas na usinagem com fresas cilíndricas.
Figura 2.7: Tipos de geometria das fresas.
(N) (H) (W) Fonte: Adaptado CIMM (2021).
N: Para usinagem leva, com dentes paralelos ao eixo de rotação para larguras de até 19 mm. Para tamanhos maiores têm ângulos de hélice entre 15 e 25°.
H: Para usinagem pesada, com larguras superiores a 50mm, têm ângulo de hélice de 25 a 45° para obter um impacto mais favorável na entrada e uma ação de corte mais uniforme e distribuída.
W: São fresas cilíndricas com ângulo de hélice superior a 45°, com grande rendimento, indicadas para a usinagem de alumínio e metais leves em geral. As ranhuras têm grande capacidade de alojar os cavacos (dentes bem espaçados) e o ângulo de saída lateral bastante grande.
Para cada aplicação, tipo de operação e de material adota-se uma ferramenta de geometria específica para cada caso. Figura 2.8 Classifica algumas fresas de acordo com sua estrutura e quanto a sua forma geométrica.
Figura 2.8: Classificação quanto à estrutura e forma geométrica.
A escolha entre eles vai depender da relação entre profundidade e largura do rasgo for grande, as fresas de disco são a primeira opção. A escolha definitiva vai depender do tipo de máquina disponível. As fresas de disco necessitam de uma fresadora horizontal, enquanto as de topo, de uma fresadora vertical (DINIZ et al. 2001).
2.5 Deterioração da ferramenta no fresamento
De acordo com Diniz (2001), além dos diversos fenômenos que causam o desgaste da ferramenta de usinagem, o fresamento possui algumas características peculiares que auxiliam o processo de desgaste e/ ou avaria da ferramenta. São elas:
Variação na temperatura: quando uma dada aresta está em contato com a peça realizando o corte, a mesma se aquece. Devido a espessura de corte variável, a distribuição de temperatura é irregular. Quando a aresta sai da peça e passa a girar em alta velocidade ao ar e em contato com o fluido de corte, ele se resfria. Estas variações de temperatura resultam em tensões que podem causar as trincas térmicas.
Consequentemente, as temperaturas em um corte interrompido flutuam ciclicamente, aumentando durante o tempo ativo da aresta de corte e diminuindo durante o tempo inativo. A variação cíclica dessa temperatura é ilustrada na Figura 2.9.
Figura 2.9: Variação cíclica da temperatura de corte.
Fonte: PALMAI (1987).
A curva “a” da figura representa o aquecimento da aresta em um corte contínuo, no qual a temperatura tende a se estabilizar em um valor constante, equilibrando a geração do calor na formação de cavacos com as perdas por condução para a peça, para a ferramenta, para cavaco e, por convecção, para o fluido de corte ou ambiente (corte a seco). A curva “b” representa o resfriamento continuo da aresta, desde o valor constante de temperatura atingido durante o corte até a temperatura ambiente.
Variação dos esforços mecânicos: no fresamento, por exemplo, a cada ciclo ou giro da fresa, cada inserto ou aresta sofre um impacto violento na entrada do corte. Esse impacto é causado pela mudança súbita de carga zero, no ciclo inativo, para carga total de natureza compressiva. Quando a situação é desfavorável, a ferramenta pode sofrer lascamento ou mesmo quebrar-se no primeiro ciclo, devido a condições abusivas ou inadequadas. Entretanto, mesmo trabalhando adequadamente, a aresta estará sujeita a um carregamento repetitivo a cada entrada na peça, que pode levar ao aparecimento de trincas por fadiga.
A Figura 2.10 apresenta avarias de origem mecânicas em uma ferramenta utilizada no fresamento de aço inoxidável austeníticos ABNT 304.
Figura 2.10: Fratura na aresta de corte.
Fonte: SANDVIK (2000).
A somatória das trincas de origem térmica com as trincas de origem mecânica resulta num tipo de formação na cunha cortante da ferramenta denominada sulco em forma de pente.
Estas características existem maior cuidado com a tenacidade e resistência ao choque térmico da pastilha, bem como com o dimensionamento da geometria da ferramenta a fim de que ela possa resistir a estes fenômenos.
Mesmo se a ferramenta de corte possuir tenacidade suficiente para evitar uma avaria, estará sempre sujeita ao desgaste. O tempo em que uma aresta de corte trabalha efetivamente antes de ser reafiada ou substituída é denominado "vida da ferramenta de corte" (T) (MACHADO et al., 2009).
Uma maneira prática muito utilizada industrialmente é permanecer usando a aresta de corte até que as peças produzidas ultrapassem a faixa de tolerância e/ou acabamento estabelecida para a usinagem, mas ainda estejam, porém, dentro das especificações de projeto. Entretanto, usar uma aresta de corte após um elevado nível de desgaste acarreta um alto risco, pois valores excessivos de desgaste causam aumento da força de usinagem e da geração de calor, elevando a chance de alcançar um nível de falha catastrófico.
2.5.1 Mecanismo de degaste
Geralmente, em condições normais de corte, todas as formas de desgaste acontecem devido a vários mecanismos envolvidos no processo de usinagem. A Figura 2.11 apresenta um diagrama clássico com os diversos mecanismos de desgaste em função da temperatura.
Figura 2.11: Diagrama com os principais mecanismos de desgaste.
Fonte: MACHADO et al., (2009).
No diagrama exposto, os mecanismos de abrasão, adesão, difusão e oxidação são apresentados em função da temperatura de corte ou de qualquer parâmetro que a influencie, principalmente a velocidade de corte. Em baixas temperaturas, apenas -os mecanismos de adesão e abrasão estão presentes e a adesão é predominante, enquanto em temperaturas elevadas, a adesão perde lugar para os novos mecanismos de difusão e oxidação. Observa-se que esses dois mecanismos vão crescendo em participação com o aumento da temperatura, e que a difusão cresce em uma escala exponencial. Esse diagrama também salienta que o desgaste total cresce muito com o aumento da temperatura de corte (MACHADO et al., 2009).
2.6 Acabamento da região fresada
A qualidade das superfícies das peças é caracterizada pelo acabamento obtido na usinagem e pelas propriedades físicas e mecânica do metal na camada superficial. Estas propriedades são modificadas durante o processo de usinagem devido à alguns fatores como: pressão da ferramenta, atrito da superfície, calor gerado no processo de corte, entre outros.
As ferramentas usadas em operações de acabamento geralmente têm ângulos de corte positivos para reduzir as forças de corte e obter melhor acabamento superficial. A geometria mais aguda faz com que elas sejam mais frágeis do que as ferramentas de desbaste. Em geral, o acabamento utiliza menores profundidades de corte e são empregadas maiores velocidades de corte para obter o melhor acabamento e chegar à geometria e às dimensões finais da peça (TOH, 2004).
As superfícies de peças, quando observadas de perto, em detalhes mostram que apresentam sempre após um tipo de usinagem, irregularidades. Estas por si causam imperfeições ou marcas deixadas pela ferramenta de corte que atuam sobre tal superfície da peça. Partindo disso vê-se a importância do estudo do acabamento superficial na medida da necessidade de precisão, que aumenta com a funcionalidade das peças (PALMA, 2006).
O fresamento tangencial produz uma superfície ondulada. A altura desta ondulação define a rugosidade máxima teórica que é calculada a partir do diâmetro da fresa e do avanço por dente (Figura 2.12). Esta rugosidade máxima teórica pode ser dada por:
𝑅 𝑚𝑎𝑥 =
𝑓 ²Figura 2.12: Superfície teórica fresada por fresamento tangencial.
Fonte: DINIZ et al. (2001).
Ainda segundo Diniz (2001), algumas ações podem ser realizadas para diminuir a vibração e melhorar o acabamento, como a aplicação do fresamento concordante, o uso adequado de fluido de corte, diminuição da profundidade de corte lateral (ae) e de diversos outros parâmetros que se bem empregados ajudam o
processo de corte.
No fresamento frontal, como o faceamento, por exemplo, a utilização de pastilhas alisadoras em ferramentas com arestas intercambiáveis, melhora o acabamento da superfície e abaixa a rugosidade, pois tem uma aresta secundária plana com um comprimento de corte (bs) bem maior que as demais, sobrepondo os
passes anteriores (MACHADO et al., 2009).
2.7 Processo de furação
O processo de furação é um dos processos de usinagem mais utilizados na indústria manufatureira. A grande maioria das peças de qualquer tipo utilizadas na indústria tem pelo menos um furo, e somente uma parte muito pequena dessas peças já vem com o furo pronto do processo de obtenção (fundição, forjamento,
etc.). Em geral, as peças têm de ser furadas em cheio ou terão seus furos aumentados através do processo de furação (DINIZ et al., 2001).
Furação é um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de um furo, geralmente cilíndrico, numa peça, com auxílio de uma ferramenta geralmente multicortantes. Para tanto, a ferramenta ou a peça giram e, simultaneamente a ferramenta ou a peça se deslocam segundo uma trajetória retilínea, coincidente ou paralela ao eixo da máquina, pode ser dividida nas categorias: furação em cheio, escareamento, furação, escalonada, furação de centros e trepanação (FERRARESI, 1995).
Neste processo devem-se levar em conta os seguintes fatores: diâmetro do furo, profundidade, tolerâncias de forma e de medidas e volumes de produção. As operações de furação sempre se realizam em condições severas, onde a velocidade de corte não é uniforme, variando desde zero no centro do furo até no máximo na periferia. O fluido de corte chega com dificuldade até a aresta de corte, onde é mais necessário, e deve atuar como refrigerante, lubrificante e meio de remoção dos cavacos (STEMMER, 2008).
De acordo com DINIZ (2001), tem crescido bastante a utilização de centros de usinagem CNC no processo de furação. Com isto, vários desenvolvimentos têm ocorrido com os materiais das ferramentas de furação (brocas). Alguns desenvolvimentos nesta área são:
a) Broca de aço rápido revestida com nitreto de titânio – possibilitou um substancial aumento da velocidade de corte e/ou da vida da ferramenta em relação a broca de aço rápido sem revestimento; b) Broca inteiriça de metal duro – quando o furo é pequeno (menor que
20mm) e a máquina possui rotação, rigidez e potência suficiente, esta broca é uma boa alternativa;
c) Broca com pastilhas intercambiáveis de metal duro – brocas deste tipo são inviáveis quando seu diâmetro é pequeno, devido à dificuldade de fixação dos incertos. Porém, para brocas de diâmetros médios esta é uma boa opção, desde que, novamente, a máquina propicie sua utilização;
d) Brocas especiais – quando o furo tem diâmetro muito grande e/ou um comprimento muito grande em relação ao diâmetro (relação L/D grande) estes tipos de brocas podem ser utilizadas.
Porém, atualmente no Brasil, mais da metade das operações de furação ainda são realizadas com brocas helicoidais de aço rápido com ou sem camada de cobertura. Isto torna o processo de furação extremamente lento.
2.7.1 Brocas helicoidais
Existem vários tipos de brocas disponíveis no mercado, cada qual para uma aplicação distinta. Dentre elas, a principal e mais utilizada para furação em materiais metálicos é a broca helicoidal.
Os conceitos básicos e a nomenclatura das diversas partes das brocas helicoidais são definidos pala norma ABNT – TB-111 (DIN-412). A norma ABNT-EB-621 (DIN-1414) dá as diretrizes para a fabricação e aplicação de brocas helicoidais de aço rápido. Esta normalização é base para construção de brocas especiais de metal-duro, de grande utilização na indústria. A Figura 2.13 mostra vários componentes de uma broca helicoidal (STEMMER, 2008).
Figura 2.13: Representação de uma broca helicoidal.
a) Haste – destina-se à fixação da broca da máquina. Em brocas de diâmetro pequeno (até 15mm) em geral usa-se brocas de haste cilíndrica e a fixação à máquina se dá por intermédio de mandris; b) Diâmetro (D) – é medida entre as duas guias da broca. Normalmente
tem tolerância dimensional h8;
c) Núcleo – parte interior da broca de diâmetro igual a 0.16 D. Serve para conferir rigidez à broca;
d) Guias – a superfície externa de uma broca helicoidal apresenta duas regiões (uma em cada aresta de corte) que tem diâmetro maior que o diâmetro das paredes da broca;
e) Canais helicoidais – são as superfícies de saída da ferramenta. O comprimento do canal helicoidal também pode variar dependendo do diâmetro da broca e do comprimento do furo que se deseja usinar; f) Aresta de corte – numa broca helicoidal as duas arestas principais de
corte não se encontram em um ponto, mas existe uma terceira aresta ligando-as. Esta terceira aresta é chamada de aresta transversal de corte.
Para cada operação de furação, existe uma geometria ótima para emprego da broca. Na Figura 2.14, pode-se verificar os ângulos que compõem a geometria da cunha de corte de uma broca helicoidal e sua importância significativa sobre o processo de furação.
Figura 2.14: Geometria da cunha de uma broca helicoidal.
Fonte: STEMMER (2008).
Brocas helicoidais possuem os ângulos denominados: “α” que é conhecido como ângulo de folga ou incidência, “β”, que é conhecido com ângulo de cunha, e “γ”, que é o ângulo de saída. Esta analogia é aplicada como conceito em qualquer ferramenta de corte (DINIZ et al., 2001).
2.8 Usinagem de rosca interna
Segundo Ferraresi (1969), a operação de rosqueamento é definida como um processo mecânico de usinagem destinado à obtenção de filetes, por meio da abertura de um ou vários sulcos helicoidais de passo uniforme, em superfícies cilíndricas ou cônicas de revolução. Por meio de uma grande variedade de processos pode-se manufaturar roscas, alguns deles são:
Usinagem por torneamento ou fresamento (ambos com ferramentas de única ou múltipla aresta);
Usinagem com ferramentas rígidas – macho rígido ou cossinete; Ferramenta laminadora;
Fundição e injeção;
Machos de corte são ferramentas de múltiplos cortes específicas para execução de roscas internas, podendo ser utilizadas tanto manualmente quanto em máquinas como, furadeiras, tornos, centros de usinagem e rosqueadeiras. Em relação ao sistema de fixação, estas ferramentas podem ser fixas por desandadores, no caso do processo manual, ou em mandris rígidos ou flutuantes, no caso de máquinas (FERRARESI, 1969; SMITH, 2008). Figura 2.15 ilustra a cinemática do processo de rosqueamento com machos rígidos.
Figura 2.15: Cinemática do processo de rosquemento com machos rígidos.
Fonte: Adaptado de AHN et al. (2003) apud ANDRADE.
Na figura 2.15, para esse tipo de processo e tipo de ferramenta, existem duas fases. A primeira, de corte (movimento de avanço) e a segunda, um movimento de retorno. Além disso, em conjunto com o movimento linear deve haver também um movimento angular sincronizado.
Processos que envolvem a utilização de machos rígidos, fresas integrais, ferramentas de única e de múltipla aresta de corte para fabricação de roscas são os processos mais comuns para roscas internas. A escolha do melhor processo está diretamente associada à aplicação, ou seja, necessidades como elemento de
transmissão ou de fixação, grau de precisão dimensional, geometria e principalmente o material a ser usinado (STEPHENSON e AGAPIOU, 2006). Um segundo fator é a quantidade de componentes a ser produzida em função da viabilidade econômica para ferramentas dedicadas ou da necessidade de ferramentas genéricas para uma gama de roscas.
2.9 Molde
O molde é composto de forma cúbica, todos os componentes devem ser compostos por metal não corrosível, devido serem imerso em água no banho térmico para cura à pressão atmosférica, que devem ter dimensões adequadas à imersão completa dos moldes para argamassa, ou pasta de cimento para poços de petróleo (SILVA, 2021)
Geralmente os materiais empregados podem ser bronze, ou aço inoxidável e a espessura mínima deve ser de 5mm. O principal objetivo do molde, é determinar a resistência à compressão da pasta de cimento endurecida. Tal informação possibilita estimar a resistência que a pasta endurecida apresentará no poço após a operação de cimentação (NBR 9831:2020).
Existem uma infinidade de moldes para ensaio em argamassa ou pastas de cimento, porém, cada um com objetivo e norma especifica para cada tipo de ensaio a ser a realizado. Por exemplo: ensaio de resistência flexão em três pontos, ensaio de resistência a compressão em moldes cilíndricos (NBR 7215:1996), entre outros.
3 Metodologia
Este capitulo visa descrever, apresentar os recursos, e procedimentos adotados para realização dos experimentos a fim de atingir os objetivos proposto, como também, as características dos materiais usinados, as especificações das ferramentas e dos equipamentos. Na Figura 3.1 apresenta um fluxograma descrevendo todas as etapas do projeto.
Figura 3.1: Fluxograma descrevendo todas as etapas do projeto.
3.1 Materiais
Para realização do presente trabalho, foram utilizados os materiais que estão divididos de acordo com as etapas 3.1.1 e 3.1.2.
3.1.1 Especificação do aço
O material da peça de trabalho utilizado, corresponde a um aço inoxidável austenítico AISI 304, e sua composição química básica é representada na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Propriedades química do aço inoxidável AISI 304.
Composição (%)
C Mn P S Si Cr Ni
0,08 2,0 (máx) 0,045 (máx) 0,030 (máx) 1,0 (máx) 18,0–20,0 8,0-11,0
(ASM, 2005)
A chapa inox 304 é um dos modelos de chapa mais utilizados no mercado por causa de suas características, tanto de espessura quanto de resistência, que atendem as mais diversas aplicações utilizadas pelas fabricantes. Devido ao fato de poder ser fabricada em diversos tamanhos, pode se adequar facilmente ao trabalho a ser realizado, sem que ofereça qualquer tipo de risco ao profissional que a manuseia.
O comprimento das chapas de aço inoxidável pode ser conforme à solicitação do cliente e a disponibilidade do fabricante, porém, a chapa utilizada para fabricação dos moldes possui uma espessura de 5/16” polegadas (≈ 7,93 mm). Na Figura 3.2 mostra algumas chapas de aço inoxidável com largura x comprimento de: 1,2 x 3,0 m.
Figura 3.2: Chapa de aço inoxidável 5/16”.
Fonte: Compraço1.
3.1.2 Especificação dos parafusos
Parafusos são elementos de fixação, empregados na união não permanente de peças, isto é, as peças podem ser montadas e desmontadas facilmente, bastando apertar e desapertar os parafusos que as mantém unidas. Na Figura 3.3 é possível visualizar os parafusos que foram utilizados para unir as partes do molde, (a) parafusos Allen de cabeça cilíndrica sextavado interno M4 x 12mm, (b) barra roscada 5/16” x 90mm com porca sextavado.
1 Disponível em: < https://compraco.com.br/products/chapa-de-aco-inox-5-16mm-304 > acesso em: 25 mar.
Figura 3.3: Parafusos utilizados para unir as partes do molde.
Fonte: Elaborada pelo autor.
O parafuso Allen é fabricado com aço de alta resistência à tração e possui um furo hexagonal de aperto na cabeça, que geralmente é cilíndrica recartilhada. Para aperto, utiliza-se uma chave especial: chave Allen. A Tabela 3.2 mostra as informações técnicas.
Tabela 3.2: Especificações do parafuso Allen de cabeça cilíndrica sextavado interno.
Aplicações do produto
Comprimento útil de rosca 12 mm
Tipo de rosca Rosca máquina
Acionamento Sextavado interno
Medida do acionamento 3 mm
Material Aço inox
Diâmetro M4
Norma dimensional DIN 912
Passo / Fios 1,25 MA
Fonte: Elaborada pelo autor.
Para a barra roscada, em geral, é um elemento de fixação muito utilizado em projetos mecânicos e em todo ramo industrial. Sua principal vantagem, é variedade
de tamanho que se pode encontrar no mercado. A Tabela 3.3 e 3.4 mostra as informações técnicas da barra e da porca sextavada, utilizado na fabricação do molde.
Tabela 3.3: Especificações da barra roscada 5/16”.
Especificação
Diâmetro 5/16 pol
Material Aço Inox 18.8 (304)
Acabamento Passivado
Dimensões ASME B16.5
Rosca UNC – ASME B1.1
Fonte: Elaborada pelo autor.
Tabela 3.4: Porca sextavada 5/16”.
Especificação
Diâmetro 5/16 pol
Rosca/FPP UNC – 18 fios
Altura 6,93 mm
Chave 1/2 pol
Material Aço inoxidável 304 A2
Acabamento Passivado
Dimensões ASME B18.2.2
Fonte: Elaborada pelo autor.
Esses parafusos (barra roscada) atravessam, de lado a lado, as peças a serem unidas no molde, passando livremente nos furos.
3.2 Métodos
3.2.1 Projeto
O principal objetivo a ser alcançado, é produzir um molde cúbico constituído de metal duro, não atacável pelo cimento, e tendo as faces laterais suficientemente rígidas para evitar sua deformação. Para isso, através da ferramenta CAD (computer-aided design) o primeiro passo foi a elaboração de um modelo geométrico (Figura 3.4).
Figura 3.4: Conjunto montagem.
O software Solidworks, foi utilizado para modelar todo o conjunto do molde, conforme especificado pela norma ABNT NBR 9831:2020. A Figura 3.5 mostra uma vista explodida, também chamada de perspectiva explodida, é um diagrama, imagem ou desenho técnico, onde mostra a relação e a sequência de montagem do conjunto que será manufaturado.
Figura 3.5: Vista explodida da montagem.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Em anexo segue o projeto detalhado e a lista de peças, conforme a norma, e especificações de desenho técnico.
3.3 Máquinas-Ferramenta utilizado na manufatura
Neste tópico, serão apresentados os equipamentos e ferramentas utilizadas para alcançar o objetivo proposto. A projeto foi executado em parceria com a empresa GSM, Grupo de serviços e manutenção hidráulico / industrial / residencial.
3.3.1 Equipamento de corte
A primeira etapa após a aquisição da chapa inox 5/16”, foi realizar o processo de corte. Buscando qualidade e precisão, utilizou-se o corte a laser para obter dimensões predefinidas e próximas do objetivo final. Esta etapa de corte foi realizada em uma empresa terceirizada.
O corte a laser é realizado através da incidência de um feixe de laser sobre o ponto da peça, capaz de fundir e vaporizar o material em volta desse ponto. Desse modo, é possível furar e cortar diversos materiais metálicos. As coordenadas de deslocamento geralmente são comandadas por um sistema CAD (Computer Aided Design).
3.3.2 Fresadora e fresa
O fresamento frontal é um dos métodos mais utilizados para acabamento, empregado na indústria de moldes e matrizes, estabelecido no sistema convencional, onde a maioria das máquinas ferramentas são dotadas de apenas três eixos, o que dificulta a aplicação de muitas estratégias existentes nos softwares CAM. A Figura 3.6 é possível visualizar a furadeira fresadora combinada que foi utilizada no processo de fabricação do molde.
Figura 3.6: Furadeira fresadora combinada.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Na segunda fase dos experimentos, os ensaios realizados com fresamento frontal, foi utilizado uma fresa de facear (fresa frontal). Fresas para fresamento com ângulos de posição de 45 – 90º para aplicação média, oferece um corte mais leve, visto que, a capacidade para profundidades de corte de 6 – 8 mm dentro de uma faixa de avanço de 0,2 – 0,6 mm. Figura 3.7 exemplifica uma fresa de faceamento sobre uma determinada superfície e, Figura 3.8 a Fresa utilizada no ensaio.
Para as condições de usinagem foram determinados os seguintes parâmetros:
Vc = 162 m/min;
fz = 0,15 mm / dente;
ap = 0,20 mm,
Os parâmetros de usinagem utilizados foram determinados de acordo com as recomendações do fabricante, assim como, reduzir ao máximo o fenômeno do desgaste e obter uma boa rugosidade da superfície usinada.
Figura 3.7: Fresa similar à que foi utilizada na fabricação do molde.
Fonte: Sandvik2.
Figura 3.8: Fresa utilizada no faceamento do molde.
Fonte: Elaborada pelo autor.
2 Disponível em < https://www.sandvik.coromant.com/pt-pt/knowledge/milling/pages/face-milling.aspx
3.3.3 Sistema de furação e broca
Para realizar a furação no molde, também se utilizou a furadeira fresadora combinada, a diferença é a modificação do mandril. O mandril pode ser dividido em duas regiões distintas: a interface de fixação das ferramentas ou porta-ferramentas, e a interface de travamento do mandril na máquina-ferramenta. Para o furo de menor diâmetro utilizou-se uma broca de 3,5 mm.
Porém, para o furo de maior diâmetro, utilizou-se a furação em duas fases: pré furação com a broca de 3,5 mm e em seguida, furação final com uma broca de 8 mm. Esse método possibilita a obtenção de furos mais precisos e com melhor acabamento. Como vantagens temos, forças de avanço menores e um processo de usinagem mais estáveis.
Estas brocas são todas helicoidais, e passaram por processo de revenimento para melhor eficiência na furação do aço inoxidável. Segue a descrição do produto:
Broca revenida;
Indicada para furo em aço inox; Norma DIN338INOX;
Diâmetro: 3,5 e 8,0 mm; Comprimento 70 mm.
A velocidade de corte é sempre referida ao diâmetro da broca e a rotação por minuto do equipamento, tem-se pois:
Vc = 18 m / min, para d = 8,0 mm;
Vc = 8 m / min, para d = 3,5 mm;
Os avanços possíveis dependem do tipo de material da peça e do diâmetro da broca. O s avanços dados se situam usualmente de 2% diâmetro da broca. Então:
f = 0,07 mm, para d = 3,5 mm;
3.3.4 Macho de roscar
Na Figura 3.9, mostra um conjunto composto por três machos M4 x 0,7 utilizados para roscas tradicionais, e em seguida, o vira macho tipo T M3 – M7 que auxilia no processo de usinagem de rosca interna.
Figura 3.9: Conjunto de macho e vira macho.
4 Resultados e Discussões
Neste capítulo são apresentados os resultados referentes as etapas experimentais, seguindo os métodos apresentados no capítulo anterior. Serão abordadas as principais características do processo, tais como, resultado final do molde após a manufatura e as respectivas medidas dimensionais.
4.1 Usinagem
Aplicando os parâmetros de usinagem apresentados no fluxograma da Figura 3.1, conseguiu-se o molde que está apresentado na Figura 4.1.
Figura 4.1: Conjunto molde após usinagem.
No processo de usinagem, o ideal seria usinar as peças o mais próximo possível da medida nominal. Porém, não é viável, pois uma operação deste tipo absorveria um tempo muito grande, originaria uma porcentagem muito alta de refugos, além de usinar uma peça com a precisão que, na grande maioria dos casos, não é necessária. A consequência direta de um procedimento desse tipo, seria o encarecimento do produto devido à baixa produtividade e ao alto tempo de usinagem.
Na verdade, é necessário somente determinar dentro de que desvio a medida nominal a peça pode ser executada. Para isso, segundo a ABNT NBR 9831:2020, os moldes e máquinas de ensaio de compressão uniaxial, devem estar de acordo com os requisitos estabelecidos na norma ASTM C 109/C 109M – 2. Tabela 4.1 mostra as dimensões e tolerâncias exigida pela norma.
Tabela 4.1: Variações permissíveis para os moldes cúbicos de 50 mm.
Parâmetro Molde novo Molde em uso
Distância entre lados opostos 50 mm ± 0,13 mm 50 mm ± 0,50 mm Altura de cada compartimento 50 mm + 0,25 mm / - 0,13 mm 50 mm + 0,25 mm / - 0,38 mm Fonte: ASTM C 109/C 109M – 2.
Após a usinagem de todos os componentes e montagem do conjunto, realizou a verificação dimensional, podendo determinar para cada espaço cúbico, se a variação dimensional está dentro da tolerância adotada e manteve-se as dimensões exigidas.
A ferramenta de medição utilizada para medir a distância, entre os dois lados simetricamente opostos do molde fabricado, foi o paquímetro. O paquímetro utilizado foi o Mytutoyo, segue as especificações técnicas:
Série: 500;
Modelo: Digital ABSOLUTE AOS; Capacidade: 150 mm / 6 pol;
Exatidão: ± 0,02 mm.
Recentemente, o paquímetro foi calibrado no Laboratório de Metrologia / Labmetrol – UFRN. Tabela 4.2 apresenta o resultado das medidas dimensionais do molde cúbico.
Tabela 4.2: Dimensões do molde cúbico após manufatura.
Parâmetro Cubo 1 Cubo 2 Cubo 3
Distância entre lados opostos F1: 50,03 mm F2: 50,01 mm F1: 50,08 mm F2: 50,05 mm F1: 50,04 mm F2: 50,03 mm Altura de cada compartimento 49,92 mm 50,05 mm 50,01 mm F1: Face 1, F2: Face 2.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Avaliando os resultados obtidos na Tabela 4.2, e confrontando com a Tabela 4.1, é possível aferir que o molde fabricado atendeu as especificações exigidas pela norma. Assim validando o uso para ensaios de resistência a compressão uniaxial em pastas de cimento.
4.2 Teste de estanqueidade
Devido o molde ser preenchido por um fluido, é necessário que a base, obtenha uma tolerância geométrica de diferença de plano (planicidade) mínima. A planicidade é medida através da intersecção de um plano perpendicular aos planos de medida, evitando assim, problemas como concavidade ou convexidade.
Uma fina camada de graxa é aplicada nas faces internas do molde e na base, para facilitar o desmolde do cimento após um determinado tempo de cura. Em seguida é realizado um teste de estanqueidade para identificar imperfeições na base e nas arestas do molde. O teste de estanqueidade consiste simplesmente em preencher um local com certa quantidade de água, esperar um certo tempo, e
realizar a inspeção visual. Figura 4.2 é possível visualizar como esse ensaio foi realizado.
Figura 4.2: Ensaio de estanqueidade no molde cúbico.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Um tensoativo foi adicionado a água, para constatar que o molde está preenchido por um fluido. Aguardou por um determinado tempo, e verificou se houve algum vazamento por alguma fresta ou irregularidade no molde.
A partir desse experimento, foi possível dizer que molde se manteve hermético ou estanque, podendo assim, evitar retrabalho e problemas a curto prazo.
4.3 Corpos de prova
A pasta de cimento foi preparada de acordo com a Seção 7 da ABNT NBR 9831:2020. Em seguida, resumidamente, a pasta de cimento é vertida em todos os compartimentos do molde, em duas camadas de alturas aproximadamente iguais. Um bastão de vidro é utilizado para agitar a pasta de cimento em cada compartimento, afim de evitar bolhas de ar. Seção 10.2.2 da ABNT NBR 9831:2020, preparo e colocação da pasta, descreve detalhadamente este procedimento. Figura 4.3: (a) molde preenchido com cimento, (b) corpo de prova após o desmolde.
Figura 4.3: (a) molde preenchido, (b) corpo de prova após desmolde.
Fonte: Elaborada pelo autor.
Após o desmolde, foi obtido as medidas com paquímetro novamente, as dimensões das faces que estarão em contato com as placas da prensa mecânica, sendo assim perpendiculares à face de moldagem. Tabela 4.3 mostra as medidas dimensional dos corpos de prova.
Tabela 4.3: Dimensões dos corpos de prova.
Parâmetro Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3
Largura 50,03 mm 50,05 mm 50,04 mm
Espessura 49,98 mm 50,03 mm 50,01 mm
Altura 49,89 mm 49,90 mm 50,02 mm
Fonte: Elaborada pelo autor.
(a)
Geralmente, à altura do corpo de prova irá depender da composição da pasta de cimento, o quanto que o sistema é capaz de manter as partículas de sólido em suspenção. Porém, as demais medidas, apresentaram resultados satisfatório em comparação com a Tabela 4.1.
5 Conclusões
A partir dos resultados obtidos neste trabalho, é possível chegar às seguintes conclusões:
O processo de usinagem conseguiu atender as especificações exigidas pela norma, determinando uma melhor precisão possível dentro do qual a peça em questão exerça sua função corretamente.
A utilização da ferramenta de facear proporcionou um bom acabamento (em termos de planicidade) no molde, e conseguiu atingir o principal objetivo que era atender às especificações dimensionais.
O molde apresentou propriedades de tolerâncias geométricas admissíveis a partir do ensaio de estanqueidade realizado.
Foi possível produzir corpos de prova de cimento com as dimensões especificada pela norma.
6 Referências
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