CAMPUS BLUMENAU – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
LUDIVAR JUNIOR DE SOUZA
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO FC-15 SOBRE AS CARACTERÍSTICAS DE USINAGEM E RUGOSIDADE
DE PEÇAS FUNDIDAS
BLUMENAU 2019
LUDIVAR JUNIOR DE SOUZA
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO FC-15 SOBRE AS CARACTERÍSTICAS DE USINAGEM E RUGOSIDADE
DE PEÇAS FUNDIDAS
Trabalho Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina Campus Blumenau como requisito para a obtenção do título Engenheiro de Materiais
Orientador: Prof. Dr Márcio Roberto Rocha
BLUMENAU 2019
LUDIVAR JUNIOR DE SOUZA
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA MICROESTRUTURA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO FC-15 SOBRE AS CARACTERÍSTICAS DE USINAGEM E RUGOSIDADE
DE PEÇAS FUNDIDAS
Este Trabalho de Curso foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia de
Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina Blumenau, 14 de novembro de 2019.
________________________ Prof. Johnny de Nardi Martins, Dr.
Coordenador do Curso Banca Examinadora:
Prof. Márcio Roberto da Rocha, Dr. Orientador(a)
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. João Batista Rodrigues Neto, Dr.
Avaliador(a)
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Wanderson Santana da Silva, Dr.
Avaliador(a)
AGRADECIMENTOS
Ao Meu orientador, professor Dr. Márcio Roberto Rocha, que conduziu várias, longas e frutíferas conversas, transmitindo ensinamentos para que este trabalho fosse bem sucedido.
A minha família, por todo apoio e confiança depositada.
Ao preparador Gerson Theilaker pela realização dos ensaios na máquina de CNC.
Ao técnico do laboratório da qualidade Edson Krenkel por ceder os equipamentos e insumos para preparação metalográfica e análise em microscópio óptico.
Aos meus colegas de Empresa X, especialmente aos da engenharia de processos, usinagem de tampas, e da produção pelo auxilio e suporte prestado, e principalmente pelo convívio diário.
A UFSC por proporcionar um ensino gratuito e de qualidade. .
RESUMO
Os ferros fundidos cinzentos são amplamente empregados devido a fatores como: baixo custo, resistência mecânica, capacidade de amortecimento de vibrações, facilidade de fusão e moldagem e excelente usinabilidade. A usinagem é o método de fabricação mais utilizado em todo o mundo, nas mais diversas aplicações, das mais simples até as mais complexas. Seu desempenho está diretamente ligado a uma série de fatores, tais como: parâmetros de corte, tipo de ferramenta e tipo do material a ser usinado. Para avaliação do desempenho da usinagem, a rugosidade superficial é um dos parâmetros mais aplicados, pois tem grande impacto sobre a qualidade final do produto. O presente trabalho surgiu a partir da necessidade de uma maior compreensão dos fatores que interferem na rugosidade das peças fabricadas em operações de usinagem, e que apresentam grandes variações em seus valores. Valores altos de rugosidade afetam a montagem das peças, devido a maior interferência entre as superfícies. Para identificação dos fatores responsáveis por este problema, foi construído um diagrama de causa e efeito com as principais variáveis que podem contribuir com sua ocorrência. A partir deste diagrama foi levantado três pontos a se focar: microestrutura, parâmetros de usinagem e desgaste da ferramenta. Assim, para a realização dos experimentos foram utilizadas duas matérias-primas com diferentes microestruturas, uma que apresenta melhor atendimento dos níveis de rugosidade de projeto e outro com maior dificuldade. Serão usadas combinações diferentes dos dois principais parâmetros de usinagem para a operação de acabamento, velocidade de corte (Vc) e avanço (f). Cada parâmetro terá dois valores e para cada lote de amostra será retirado o inserto e analisado o desgaste. Os resultados mostraram que a microestrutura com maior quantidade de perlita apresentou melhores resultados de acabamento superficial, no entanto, também apresentaram maiores níveis de desgaste. Também foi possível notar que os melhores resultados no acabamento superficial foram com valores mais baixos de velocidade de corte e avanço. A combinação deste menores parâmetros de corte com a microestrutura com maior quantidade de perlita apresentou todos os valores de rugosidade superficial dentro do especificado em projeto, mostrando que a utilização conjunta destes parâmetros atendeu os requisitos de qualidade exigida.
ABSTRACT
Gray cast irons are widely used due to factors such as low cost, mechanical strength, vibration damping ability, ease of fusing and molding and excellent machinability. Machining is the most widely used manufacturing method in the world, in the most diverse applications, from the simplest to the most complex. Its performance is directly linked to a number of factors such as cutting parameters, tool type and material type to be machined. For evaluation of machining performance, surface roughness is one of the most applied parameters, as it has a great impact on the final product quality. The present work arose from the need for a better understanding of the factors that interfere with the roughness of the parts manufactured in machining operations, and which present large variations in their values. High roughness values affect part assembly due to increased interference between surfaces. To identify the factors responsible for this problem, a cause and effect diagram was constructed with the main variables that may contribute to its occurrence. From this diagram three points to focus on were raised: microstructure, machining parameters and tool wear. Thus, to carry out the experiments two raw materials with different microstructures were used, one that has better compliance with the design roughness levels and another with greater difficulty. Different combinations of the two main machining parameters will be used for finishing operation, cutting speed (Vc) and feed (f). Each parameter will have two values and for each sample batch the insert will be removed and the wear analyzed. The results showed that the microstructure with higher amount of perlite presented better surface finishing results, however, also presented higher wear levels. It was also noted that the best results in surface finishing were with lower values of cutting speed and feed rate. The combination of these smaller cutting parameters with the microstructure with the highest amount of perlite showed all the surface roughness values within the specified design, showing that the joint use of these parameters met the required quality requirements.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Micrografia de um ferro fundido cinzento. F (ferrita); G (grafita); P (perlita); ... 19
Figura 2 – Relação entre carbono equivalente e a resistência à tração de um ferro fundido cinzento. ... 20
Figura 3 – Diagrama de referência para as forma da grafita. ... 21
Figura 4– Diagrama de referência para a distribuição da grafita. ... 21
Figura 5– Diagrama de referência para o tamanho da grafita. ... 22
Figura 6– Ilustração das principais operações no torno. ... 24
Figura 7 – Cunha de corte da ferramenta. ... 26
Figura 8 – Elementos da cunha de corte da ferramenta de torneamento. ... 27
Figura 9 – Mecanismo de formação do cavaco. ... 28
Figura 10 – Tipos de cavaco mais comuns. ... 29
Figura 11 – Ferramenta de corte quebrada. ... 30
Figura 12– Lascamento. ... 30
Figura 13 – Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte. ... 31
Figura 14 – Desgaste do flanco. ... 32
Figura 15 – Desgaste do entalhe. ... 32
Figura 16 – Desgaste de cratera. ... 33
Figura 17 – Parâmetros para medir desgastes da ferramenta. ... 33
Figura 18 – Exemplo de curva de desgaste obtida para o torneamento de um aço com ferramentas de metal duro. ... 35
Figura 19 - Parâmetro Ra... 36
Figura 20 – Marcas de avanço deixadas na superfície da peça. ... 37
Figura 21 - Força de corte aplicada para a superfície (esquerda) e interior da peça(direita). .. 41
Figura 22 - Diagrama de Ishikawa para o estudo de caso estudado. ... 43
Figura 23 - Fluxograma das combinações de experimentos realizados. ... 45
Figura 24 – Desenho da tampa utilizada nos experimentos. O diâmetro de 40 mm foi da região usinada nos experimentos. ... 46
Figura 25 – Desenhos da tampa utilizada nos experimentos. O diâmetro de 40 mm foi da região usinada nos experimentos. ... 47
Figura 26 – Inserto utilizado nos experimentos... 48
Figura 27– Rugosímetro e base de apoio para medição da amostra. ... 48
Figura 28 – Variação de microestrutura na borda da MC1 com aumento respectivamente de 200 e 1000. ... 50
Figura 29 – Variação de microestrutura na borda da MC2 com aumento respectivamente de 200 e 1000. ... 51 Figura 30 – Gráfico de cubo indicando as combinações entre Vc e f e sua influência na rugosidade. Rugosidade em Ra m. ... 54 31 - Gráfico da variação de Ra para cada experimento. ... 54 Figura 32 - Gráfico do efeito da microestrutura na rugosidade superficial. ... 55 Figura 33 - Gráficos dos efeitos da velocidade de corte na rugosidade superficial para MC1 (esquerda) e MC2 (direita). ... 56 Figura 34 – Perfil de rugosidade para Vc = 140 m/min (A) e Vc = 150 m/min (B) em MC1. 57 Figura 35 - Gráfico dos principais efeitos na rugosidade superficial. ... 57 Figura 36 – Desgaste da aresta de corte para f = 0,06 mm/rev. ... 58 Figura 37 – Desgaste da aresta de corte para f = 0,07 mm/rev. ... 59
LISTA DE TABELA
Tabela 1 Classificação dos ferros fundido cinzentos propriedades mecânicas. ... 18
Tabela 2 – Efeito de alguns elementos no ferro fundido cinzento. ... 20
Tabela 3 - Composição química da liga do ferro fundido cinzento... 34
Tabela 4- Efeito da estrutura na velocidade prática de Torneamento. ... 40
Tabela 5 - Composição química da liga do ferro fundido cinzento FC-15 utilizado nas fabricações de tampas de motores elétricos. ... 44
Tabela 6 – Propriedades mecânicas e matriz metalográfica da liga do ferro fundido cinzento. ... 44
Tabela 7 - Parâmetros de corte utilizados no experimento. ... 44
Tabela 8 - Composição química da liga do ferro fundido cinzento FC-15 de cada microestrutura. ... 51
Tabela 9 - Valores de dureza obtidos nos experimentos. ... 52
Tabela 10 - Valores de rugosidade medidos nos experimentos... 52
Tabela 11 - Valores de rugosidade calculados a partir dos parâmetros de avanço e do raio da ponta da ferramenta. ... 53
LISTA DE ABREVIATURAS Vc – Velocidade de corte [m/min] f – Avanço [mm/rot]
MC – Microestrutura MC1 – Microestrutura 1 MC2 – Microestrutura 2
ap – Profundidade de corte [mm]
rε – Raio de ponta da ferramenta de corte [mm] Rateórico- Rugosidade média teórica
Ra – Rugosidade média [μm] Aa – Superfície principal de folga Sp – Aresta de corte
Aa’ – Superfície secundária de corte Ss – Aresta secundária de corte T – Tempo de vida útil da ferramenta
ISO - International Organization for Standardization KT – Profundidade de cratera [μm]
KB – Largura de cratera [μm]
KM - Distância do centro da cratera a aresta de corte [μm] VB – Desgaste de flanco [μm]
VBN e VBC – Desgastes de entalhe [μm]
ASTM – American Society for Testing and Materials (Sociedade Americana para Testes e Materiais)
G – Grafita Fer – Ferrita Per – Perlita
NBR – Norma Brasileira
1. INTRODUÇÃO ... 15
1.1 JUSTIFICATIVA ... 15
1.2 OBJETIVO ... 16
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 17
2.1 FERRO FUNDIDO CINZENTO ... 17
2.2 PROCESSOS DE USINAGEM ... 22
2.2.1 Grandezas do processo de torneamento ... 24
2.2.2 Geometria da Ferramenta ... 26
2.2.3 Formação do Cavaco ... 27
2.2.4 Desgaste da ferramenta de Usinagem ... 29
2.2.5 Vida da ferramenta de Usinagem... 34
2.3 RUGOSIDADE SUPERFICIAL ... 36
2.4 USINABILIDADE DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS ... 38
3. METODOLOGIA ... 43
3.1 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS ... 47
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 50
4.1 ANÁLISE METALOGRÁFICA ... 50
4.2 ANÁLISE RA ... 52
4.3 ANÁLISE DESGASTE DO INSERTO ... 58
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 60
1. INTRODUÇÃO
Os ferros fundidos cinzentos são a classe mais comum dos ferros fundidos, com baixo custo, alta fluidez na fundição, boa usinabilidade e facilidade de fabricação, já que não exigem equipamentos de alta complexidade. Apresenta boa resistência à compressão e corrosão, sendo que a propriedade que mais se destaca é sua capacidade de amortecimento, o que permite ampla utilização em bases de máquinas, cabeçote de cilindros, polias, carcaças e tampas de motores elétricos. Apesar do baixo custo presente, do constante desenvolvimento dos processos de manufatura e das exigências de qualidade cada vez maiores, novos desafios são criados para a sobrevivência das empresas.
Dentre os requisitos de qualidade, a rugosidade superficial tem grande impacto sobre a qualidade final da peça e com exigências cada vez mais crescentes, o entendimento da relação entre metalurgia e usinagem é primordial para atender tais expectativas.
A usinagem é o processo mais utilizado em todo o mundo, nas mais diversas aplicações, das mais simples até as mais complexas. Seu desempenho está diretamente ligado a uma série de fatores, tais como: tipo de material a ser usinado, parâmetros de usinagem e tipo de ferramenta.
Em caso de escolhas não bem dimensionadas, podem gerar problemas relacionados a rugosidade superficial, tais como irregularidades que formem concentradores de tensões, favorecendo o surgimento de trincas e aumento o risco de fratura da peça. (Davim, 2008)
Outros aspectos também podem ser prejudicados, tais como: aparência, custo, vedação, coeficiente de atrito, acoplamento entre componentes, entre outros (Thomas, 1999). Portanto se torna de grande valia os estudos dos fatores que impactam no desempenho dos processos de usinagem, principalmente para indústria que atua nesse campo.
1.1 JUSTIFICATIVA
A qualidade superficial das peças torneadas está intrinsecamente relacionado com o processo e do tipo de microestrutura presente no ferro fundido cinzento FC-15. Neste sentido, observou-se na empresa X a dificuldade em manter os níveis de rugosidade em seu processo em função da variação destas microestrutura. O presente trabalho surgiu a partir da necessidade de uma maior compreensão dos fatores que interferem na rugosidade das peças fabricadas em operações de torneamento, e que apresentam grandes variações em seus valores. A rugosidade média (Ra) limite estipulada é de 1,2μm, podendo ser encontrados valores de até 2,5μm.
Valores altos de rugosidade afetam a montagem das peças, devido a maior interferência entre as superfícies. Isto dificulta o processo e exige a aplicação de maiores esforços, que em algumas situações, podem levar à deformação ou fratura das mesmas.
Decorrente da intrínseca relação de desempenho do processo de usinagem e qualidade do acabamento superficial com a estrutura e propriedade do material a ser usinado e da vida útil da ferramenta. Faz-se necessário avaliar a influência combinada que os mesmo estão desempenhando no processo de usinagem, e por consequência, na qualidade superficial da peça.
Como a usinagem é um processo largamente empregado na indústria, também se faz necessário analisar a influência da microestrutura do ferro fundido cinzento (FC-15) na qualidade superficial da peça e como se relaciona com a parâmetros de usinagem e o desgaste da ferramenta, além de que, os estudos dos mecanismos da usinagem possuem grande importância tecnológica e econômica e contribuem de maneira significativa para o correto entendimento do processo.
1.2 OBJETIVO
O presente trabalho tem como objetivo analisar a influência dos constituintes da microestrutura do FC-15, dos parâmetros de usinagem e do desgaste da ferramenta na qualidade superficial da peça.
Tem como objetivos específicos:
➔ Avaliar a influência dos constituintes da microestrutura do material na rugosidade a partir de variações nos parâmetros de velocidade de corte e de avanço.
➔ Avaliar a influência dos parâmetros de velocidade de corte e de avanço sobre a quantidade de desgaste da ferramenta de corte utilizada.
➔ Identificar o tipo de desgaste experimentado pela ferramenta de corte nas condições de usinagem utilizada.
➔ Sugerir parâmetros adequados de usinagem de acordo com a microestrutura apresentada e ferramenta utilizada.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os ferros fundidos cinzentos são muito utilizados na indústria por suas características de resistência mecânica, resistência ao desgaste, capacidade de amortecimento e processabilidade. Um dos processos mais utilizados na sua fabricação é a usinagem, a qual pode ser descrita como uma operação de retirada do material sob a forma de cavaco. Portanto serão apresentadas uma breve descrição dos ferros fundidos cinzentos e suas caraterísticas gerais, além dos aspectos de usinagem e fatores de controle.
2.1 FERRO FUNDIDO CINZENTO
O Ferro Fundido constitui um conjunto de ligas de fundamental importância para a indústria, não somente devido às características inerentes do próprio material, mas também por meio da introdução de elementos de liga e/ou pela aplicação de tratamentos térmicos, que permitiram ser utilizados em aplicações antes exclusivas do aço. (Chiaverini, 2007 apud Dias, 2011, p. 4).
Os grupos de ferro fundido consistem em liga ternário Fe-C-Si, que tem usualmente pelo menos, 2% de carbono, em teor superior aquele que pode ser retido em solução na austenita, de modo a resultar em carbono parcialmente livre (grafita), principalmente na forma de lamelas e nódulos. O ferro fundido cinzento é o tipo de ferro onde parte do carbono está sob a forma de grafita e segundo Chiaverini(2007), a liga de ferro fundido cinzento é a mais aplicada, dentre todos os ferros fundidos, devido a seguintes características:
➔ Fácil fusão e moldagem ➔ Boa resistência mecânica ➔ Excelente usinabilidade ➔ Boa resistência ao desgaste
➔ Boa capacidade de amortecimento
Além de apresentarem várias características não encontradas em outros materiais, o seu custo de aquisição é competitivo. Os ferros fundidos cinzentos são classificados de acordo com suas propriedades mecânicas de tração, sendo usualmente indicado o valor mínimo de limite de resistência. A EB-126 da ABNT (tabela 1) relaciona os tipos a sua resistência mecânica à tração, enquanto a SAE J431c descreve especificações mais detalhadas para o emprego na indústria automobilística.
Tabela 1 Classificação dos ferros fundido cinzentos propriedades mecânicas.
Fonte: Adaptado Chiaverini (2007)
Conforme aumenta o nível da classe, aumentam as seguintes propriedades:
➔ Todas as propriedades mecânicas, incluindo resistência a elevadas temperaturas.
➔ Acabamento superficial após operação de usinagem. ➔ Resistência ao desgaste
Todavia, reduz as seguintes propriedades: ➔ Resistência ao choque térmico. ➔ Capacidade de amortecimento. ➔ Usinabilidade.
Os constituintes usuais do ferro fundido cinzento são: grafita (G), perlita (P) e ferrita (F). A grafita forma-se junto à austenita durante a solidificação da peça, com a austenita
sofrendo novas transformações de fases que tendem a se decompor em perlita e/ou ferrita e grafita em temperaturas próximas de 750ºC. A figura 1 traz uma micrografia com a presença dos três constituintes. (Pieske, 1976)
Figura 1- Micrografia de um ferro fundido cinzento. F (ferrita); G (grafita); P (perlita);
Fonte: Adaptado Bose Filho (2019)
Para o ferro fundido cinzento a grafita é de suma importância, já que as propriedades mecânicas são influenciadas pela forma, dimensão, quantidade e distribuição, e pela relativa dureza da matriz metálica que envolve a grafita. Sendo esses fatores influenciados pelo conteúdo da composição química, principalmente pelo carbono e o silício e, em menor extensão do fósforo. O efeito destes três elementos é representado pela seguinte fórmula a qual define “carbono equivalente”:
𝐶𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 = %𝐶 + %𝑆𝑖+%𝑃3 (1)
Dentre estes três elementos, o silício é o mais importante, pois é o principal agente responsável pela geração de grafita. O fósforo deve ser mantido o mais baixo possível, dentro das características dessas ligas. A figura 2 traz a relação entre a resistência à tração e o carbono equivalente. (Chiaverini, 2007)
Figura 2 – Relação entre carbono equivalente e a resistência à tração de um ferro fundido cinzento.
Fonte: Chiaverini (2007)
A formação de ferrita e grafita é facilitada quanto menor for à velocidade de resfriamento e pela adição dos respectivos elementos de liga silício, alumínio, boro (em até 0,15%) e titânio (em até 0,25%). Enquanto que a formação de perlita é favorecida pela adição de elementos de liga, tais como cobre, níquel e estanho. A tabela 2 apresenta a influência da adição de elementos de liga na formação de perlita, ferrita e grafita. (Chiaverini, 2007)
Tabela 2 – Efeito de alguns elementos no ferro fundido cinzento.
A norma NBR 6593 trata dos aspectos da morfologia da grafita para todos os tipos de ferro fundido, sendo que o formato é classificado da seguinte maneira:
Figura 3 – Diagrama de referência para as forma da grafita.
Fonte:ABNT (2015)
Posteriormente também é classificado as cinco principais formas sob as quais a grafita ocorre nos ferros fundidos cinzentos e que foram designadas por A, B, C, D e E. A ABNT também classifica o comprimento médio dos veios de grafita em oito tamanhos, numerados de 1 a 8. A classificação da distribuição e tamanho é bem similar ao apresentado na norma ASTM A 247. (Pereira,1985)
Figura 4– Diagrama de referência para a distribuição da grafita.
Figura 5– Diagrama de referência para o tamanho da grafita.
Fonte: ABNT (2015)
A maior parte da grafita aparece nos ferros fundidos cinzentos na solidificação do eutético, que se apresenta ao microscópio sob a forma de lamelas ou partículas vermiformes. A grafita se desenvolverá sob a forma de lamelas, se a velocidade de seu crescimento for maior que a rapidez com que nascem novas lamelas. As lamelas se desenvolverão no tipo A se o espaço interdendrítico for suficiente, o qual ocorre para as ligas adjacentes ao ponto eutético.
Nas ligas mais distantes do ponto eutético, e, portanto, de mais baixo carbono, o espaço interdendrítico que sobra para o eutético limita-se a estreitos corredores entre os ramos das dendritas. Portanto as lamelas que se formam seguem a orientação interdendrítica tipo E. Já quando a velocidade de formação de novos núcleos de grafitização é tal que o meio se abstém de carbono equivalente, antes que cada partícula possa tomar um desenvolvimento apreciável, as grafitas formadas serão do tipo D. (Colpaert, 1974)
Quando a equilíbrio entre as tendências citadas na formação de lamelas e partículas vermiformes, ocorre a formação do tipo B que apresenta para cada núcleo de solidificação do eutético uma área com partículas vermiformes circundadas por lamelas em disposição radial, dando ao conjunto um aspecto de roseta. (Pereira, 1985)
2.2 PROCESSOS DE USINAGEM
A usinagem pode ser definida como a operação no qual a ação combinada entre o movimento relativo ferramenta-peça e a aplicação de força, confere à peça forma, dimensões e acabamento, através da produção de cavaco. Entende-se como cavaco a porção de material
que é removido da superfície do corpo menos resistente em forma geométrica irregular. (Ferrraresi, 1970).
Segundo Machado et al.(2015) todos modelos de operações de usinagem existentes podem ser subdivido em desbaste e acabamento. No desbaste o foco está em realizar a maior taxa de remoção do material, não necessitando cuidado com rugosidade ou qualquer parâmetro dimensional final da peça. O único cuidado é em deixar sobremetal suficiente para o processo de acabamento. Já no acabamento teremos o oposto, ou seja, o foco desta operação está em obter as dimensões finais da peça e alto acabamento superficial, sendo a rugosidade o principal parâmetro para avaliar a qualidade desta operação.
A usinagem também têm a particularidade de ser uma operação fundamentalmente prática e que abrange um número elevado de parâmetros. Machado et al.( 2015) realizaram uma definição paradoxal, pois afirmaram que a usinagem é complexa e simples ao mesmo tempo, pois é extremamente dificultoso encontrar as condições ideais de operação. No entanto, após definidas é fácil replicá-las dentro dos parâmetros exigidos de fabricação.
Segundo Black (1995 apud Deveras, 2016, p. 16), a dificuldade em obter as condições ideais de operação se deve pelas altas taxas de deformação e por o único processo onde a deformação plástica do material é restrita unicamente pela ferramenta de corte. A grande gama de parâmetros também contribui para a complexidade do processo, pois resulta em uma infinidade de combinações, gerando resultados muito diferentes. Apesar da alta complexidade, os processos de usinagem gozam de alta popularidade, podendo ser classificados como a maior classe de operações de manufatura, com o torneamento como processo de remoção de material mais comumente empregado (KAWI, 2011 apud Rosa, 2016, p. 28).
A operação de torneamento (figura 6) segundo Ferraresi (1970) pode ser descrita como o processo no qual a peça a ser usinada é fixada e gire em torno do eixo principal de rotação da máquina, enquanto a ferramenta fixa em um porta-ferramenta realiza o movimento de avanço longitudinal e/ou transversal.
Figura 6– Ilustração das principais operações no torno.
Fonte: Machado Et Al. (2015)
O material removido desliza na superfície de saída da ferramenta, resultando em tensões normais e de cisalhamento elevadas. Além disso, há um alto coeficiente de atrito no decorrer da formação do cavaco. Quanto à direção da trajetória, o torneamento pode ser retilíneo ou curvilíneo (Ferraresi, 1970). Também é classificado nesse grupo o torneamento cilíndrico interno, torneamento cônico interno e externo, faceamento, sangramento, recartilhamento e perfilamento.(Machado et al. 2015)
2.2.1 Grandezas do processo de torneamento
O desempenho e qualidade do processo de torneamento estão diretamente relacionados a um movimento relativo escolhido apropriadamente entre a peça e a ferramenta. Portanto para correto entendimento do processo também é necessário estudar os movimentos entre ferramenta e peça e a norma NBR 6162 - Movimentos e relações geométricas na usinagem dos metais: terminologia aborda justamente esses conceitos. Para o processo de torneamento podemos considerar que a peça é estacionária e o movimento é feito pela ferramenta. (Ferraresi, 1970)
Distinguem-se os movimentos em dois grupos: os que geram remoção de material da peça e os que não removem material. O primeiro é constituído da seguinte forma (Machado et al. 2015):
➔ Movimento de Avanço: acontece entre a peça e a ferramenta, e junto ao movimento de corte, provoca a remoção de material da peça.
➔ Movimento de Corte: também ocorre entre a peça e a ferramenta, o qual, na ausência de movimento de avanço, retira uma única vez material.
➔ Movimento efetivo de corte: é resultante dos movimentos acima realizados ao mesmo tempo.
O segundo grupo é constituído dos seguintes movimentos:
➔ Movimento de aproximação: realizado antes da usinagem, aproxima a peça e a aresta de corte para definir onde será iniciado o processo.
➔ Movimento de ajuste: também ocorre antes da usinagem e é realizado entre a peça e a aresta de corte para definir a espessura de material a ser retirado ➔ Movimento de correção: é realizado entre a peça e a aresta de corte para
compensar o desgaste das ferramentas de fixação da peça.
➔ Movimento de recuo: ocorre após a usinagem, quando a ferramenta será afastada da peça.
Além da definição dos movimentos a serem realizados, outros parâmetros, tais como as variáveis de entrada: material da peça a ser usinado, o material e geometria da aresta de corte da ferramenta de usinagem, a velocidade de corte (Vc), a profundidade de corte (ap) e velocidade de avanço (Vf) afetam o desempenho da usinagem. A resposta a esse conjunto de parâmetros será dado pelas variáveis de saída, tais como rugosidade superficial, dimensões finais da peça e forma de cavaco. (Machado et al. 2015)
➔ Velocidade de Corte (vc): velocidade instantânea na aresta cortante da ferramenta, considerando-se a direção e o sentido de corte. Para processos com movimentação de rotação, Vc pode ser calculada a partir de:
𝑣𝑐 =𝜋.𝑑.𝑛1000[𝑚𝑖𝑛𝑚 ] (2)
Onde d = diâmetro da peça a ser usinada; n = número de rotações por minuto.
➔ Velocidade de avanço (vf): velocidade imediata na aresta cortante da ferramenta, segundo a direção e sentido de avanço. Pode ser calculada pela equação :
Onde: f = avanço em mm por revolução (mm/rev) e 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 sentido efetivo de corte. É calculada vetorialmente:
𝑣𝑒
⃗⃗⃗ = 𝑣⃗⃗⃗ + 𝑣𝑐 ⃗⃗⃗⃗ 𝑓 (4)
➔ Penetração de Trabalho (ap): é a profundidade de penetração da ferramenta no material medida em relação a direção perpendicular ao plano de trabalho.
2.2.2 Geometria da Ferramenta
As características geométricas da ferramenta de corte possuem relação direta com o desempenho do processo de usinagem, portanto ao escolher uma geometria incorreta, a operação será falha. (Machado et al. 2015 apud Deveras, 2016, p. 18)
Diniz et al. (2008) afirmaram que as ferramentas de usinagem apresentam algumas partes construtivas importantes, tais como: cunha de corte, superfície de saída (Ag), superfície principal de folga (Aα), aresta de corte (Sp). Segundo Ferraresi (1970) a mais importante delas é a cunha de corte, pois é a parte da ferramenta onde se origina o cavaco.
Figura 7 – Cunha de corte da ferramenta.
Fonte: Machado et al. (2015)
A superfície de saída (Aγ) é definida como a superfície da cunha de corte onde o cavaco se move. A diminuição ou aumento do ângulo da superfície afetar o atrito do cavaco com a superfície, resultando em redução ou aumento dos esforços de corte. Já a superfície de
folga é um espaço entre a ferramenta e a superfície de usinagem que pode proporciona menor atrito e maior estabilidade para aresta de corte. A superfície de folga pode ser diferenciada entre superfície principal de folga (Aα) e a superfície secundária de folga (Aα’).
Machado et al. (2015) defini as arestas de corte como a intersecção entre as superfícies de saída e de folga. É necessário que se faça uma distinção entre a aresta principal de corte (Sp) da aresta secundária de corte (Ss). Quando observada a cunha de corte a partir do plano de trabalho e com um ângulo da direção de avanço (φ) igual a 90°, a aresta principal indica à direção de avanço e a aresta secundária a direção contrária. A ponta de corte consiste na intersecção das arestas principal e secundária de corte. O ponto de corte escolhido serve de referência para que as superfícies e ângulos da cunha de corte sejam determinados. A figura 8 apresenta uma ilustração dos elementos da cunha de corte. (Machado et al., 2015)
Figura 8 – Elementos da cunha de corte da ferramenta de torneamento.
Fonte: Machado Et Al. (2015)
2.2.3 Formação do Cavaco
A formação do cavaco tem relação com diversos fatores no processo de usinagem, tais como: desgaste da ferramenta, os esforços de corte e calor gerado na usinagem. Portanto seu estudo proporciona um melhor entendimento das forças presentes, além de proporcionar conhecimento acerca do aperfeiçoamento das ferramentas de corte, tal como novos materiais, revestimentos, texturização e criação de quebra cavacos. (Diniz et al. 2008)
Divide-se o processo de formação do cavaco em quatro eventos sequenciais (Ferraresi, 1970):
i. Ocorre quando a aresta cortante da ferramenta penetra a peça e uma pequena porção do material é recalcada contra a superfície de saída da ferramenta. ii. Ao material ser recalcado, ele sofrerá uma deformação elástica, no entanto,
conforme aumenta tensão exercida o material irá se deformar plasticamente e formara uma trinca que se propaga de acordo natureza frágil ou dúctil do material, tendo por fim a ruptura. A ruptura geralmente acontece por cisalhamento e como a formação de cavaco é dinâmico, há planos instantâneos de ruptura e geração de trincas que geram zonas específicas de cisalhamento, como: zona primária e secundária de cisalhamento (Machado et al. 2015). A figura 9 ilustra a formação destas zonas de cisalhamento.
Figura 9 – Mecanismo de formação do cavaco.
Fonte: Machado et al. (2015)
iii. Prosseguindo a penetração da ferramenta e a porção de material removido da peça começará a deslizar sobre a superfície de saída da ferramenta, no entanto, será às propriedades do material da peça e dos parâmetros de avanço e corte que definirá a forma do cavaco, podendo ser contínuo, quando o material removido permanece unido ou descontínuo, quando ocorre o rompimento entre as lamelas do material removido (Machado et al. 2015). A figura 10 ilustra este processo.
Figura 10 – Tipos de cavaco mais comuns.
Fonte: Machado et al. (2015)
iv. Devido ao movimento relativo entre a ferramenta e a peça, ocorre sobre a superfície de saída da ferramenta o escorregamento da porção de material removido da peça (cavaco). Enquanto isso ocorre, uma nova lamela de material removido (imediatamente adjacente à porção anterior) se forma e passa pelo mesmo processo, repetindo o fenômeno sucessivamente. (Diniz et al. 2008) Segundo Diniz et al. 2008 o fenômeno de formação do cavaco em condições normais de operação é periódico, pois segue o ciclo recalque, deformação plástica e ruptura, deslizamento e saída de material sucessivamente.
2.2.4 Desgaste da ferramenta de Usinagem
Para todos os processos de usinagem ocorre desgaste da ferramenta e, portanto, em algum momento será necessário a troca da mesma, por maior que seja a dureza e resistência ao desgaste do da ferramenta e por menor que seja a resistência mecânica da peça. Portanto estudar o modo como ocorre o desgaste permite estimar a vida útil da ferramenta, diminuindo as paradas de máquinas, os custos de processo e aumentando a produtividade e a qualidade superficial da peça. (Leal, 2015)
A perda de vida útil da ferramenta de corte acontece de diversas formas durante a usinagem. Pode-se distingui-los em três fenômenos: avaria, deformação plástica e desgaste. (Machado et al. 2015)
Segundo Machado et al.( 2015) a avaria ocorre de maneira abrupta e inesperada, causando quebra, lascamento ou trinca da aresta de corte. A quebra (figura 11) ocorre a partir de um aumento nas forças de usinagem devido aos seguintes aspectos: progressivo desgaste aresta de corte, parada instantânea do movimento de corte sem a retirada prévia da ferramenta da peça, material da ferramenta de corte frágil, corte interrompido. É a mais frequente em
ferramentas com baixa tenacidade, como cerâmicos e os ultraduros. Esse tipo de avaria prejudica o acabamento da peça. (Ferraresi, 1970)
Já as trincas (figura 12) promovem o surgimento de uma fenda na aresta de corte, o que pode promover o lascamento ou quebra da ferramenta.
Figura 11 – Ferramenta de corte quebrada.
Fonte: SANDVIK (2012) Figura 12– Lascamento.
Fonte: SANDVIK (2012)
Para o processo de torneamento é incomum ocorrer uma avaria, pois a ocorrência de choques mecânicos e térmicos é baixa, no entanto, caso o material tenha algum tipo de porosidade na região usinada, pode ocorrer à avaria. (Machado et al. 2015)
Na deformação plástica ocorre a alteração da geometria da aresta de corte da ferramenta pelo deslocamento de material. O deslocamento do material é devido às altas taxas de tensões e altas temperaturas que estão presentes na superfície da aresta de corte da ferramenta durante o processo. Estes deslocamentos acabam por gerar deficiência do controle de cavaco e declínio da qualidade do acabamento superficial. (Diniz et al. 2008)
O desgaste em ferramentas de corte é definido pela Norma ISO 3685 (1993 apud Leal, 2015, p. 36) como mudança de sua forma original durante o corte devido à perda progressiva de material. Na figura 13 são apresentadas as principais regiões de desgaste em uma ferramenta.
Figura 13 – Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte.
Fonte: Machado Et Al. (2015).
A partir da figura podemos observar que existem três tipos principais de desgaste: Desgaste de flanco ou frontal (figura 14) - área B: é o desgaste mais comum em
ferramentas de corte, sendo que todo processo de usinagem convencional, tal como o torneamento proporciona bastante desgaste de flanco. Ocasiona a deterioração do acabamento superficial da peça e muda as medidas dimensionais, podendo sair da faixa de tolerância estipulada.
Figura 14 – Desgaste do flanco.
Fonte: SANDVIK (2012)
Desgaste de entalhe (figura 15) - áreas C e D: é causado principalmente pelo aumento da temperatura e da velocidade de corte, sendo. O desgaste de entalhe muda a forma da ponta da ferramenta, influenciando no acabamento superficial da peça usinada.
Figura 15 – Desgaste do entalhe.
Fonte: SANDVIK (2012)
Desgaste de cratera (figura 16) - área A: ocorre na superfície de saída da ferramenta, portanto é provocado pelo atrito entre a ferramenta de corte e o cavaco. Em processos que utilizam ferramentas de metal duro recobertas ou cerâmicas e quando o material da peça gera cavacos curtos (ferro fundido cinzento) podem não provocar ou reduzir o desgaste de cratera
Figura 16 – Desgaste de cratera.
Fonte: SANDVIK (2012)
A norma ISO 3685: 1993 (figura 17) quantifica os desgastes nas ferramentas de corte de aço rápido, metal duro e cerâmica. Como o processo de desgaste acontece de forma contínua e em pequenas proporções, pode-se monitorá-lo para que ele não afeta no desempenho do processo de usinagem. Os principais parâmetros a serem quantificados para determinar o fim de vida em operações de desbaste são:
➔ Desgaste de flanco médio (VB). ➔ Desgaste de flanco máximo (VBmáx). ➔ Profundidade de cratera (KT). ➔ Largura da cratera (KB).
➔ Distância do centro da cratera a aresta de corte (KM). ➔ Desgaste de entalhe (VBN e VCN = 1 mm).
Figura 17 – Parâmetros para medir desgastes da ferramenta.
A evolução do desgaste acontece em três estágios, sendo que o primeiro acontece nos primeiros instantes de corte, onde o desgaste apresenta uma taxa decrescente. Após ocorre uma aumento acentuado do desgaste devido à adequação da ferramenta ao processo. O desgaste continua a crescer até que ocorre um ponto de inflexão, onde iniciará o segundo estágio, caracterizado pelo aumento do desgaste a uma taxa constante, pois a ferramenta já adequada ao processo tem os mecanismos de desgaste estabelecidos. O último estágio inicia-se quando o desgaste já acumulado é tamanho que, aumenta acentuadamente a taxa e promove a quebra da ferramenta. (Machado et al. 2015)
Segundo Machado et al.(2015) para operações de acabamento, o principal parâmetro para avaliação é a rugosidade superficial exigida, o que ocasiona a troca da ferramenta muito antes do início do terceiro estágio.
Prasanna, Kiran e Deeleepkumar (2014) estudaram a influência do raio de ponta sobre o desgaste da ferramenta e a rugosidade final da peça durante o torneamento de um ferro fundido cinzento com composição química de acordo com a tabela 3:
Tabela 3 - Composição química da liga do ferro fundido cinzento.
C Si Mn P S Cr Cu
3,0 à 3,5 1,9 à 2,2 0,45 à 0,65 0,1 Máx. 0,05 Máx. 0,3 à -0,5. 0,3 à 0,6 Fonte: Prasanna, Kiran e Deeleepkumar (2014)
Os resultados mostram que a vida da ferramenta diminui com o aumento do avanço e da velocidade de corte. No entanto, em relação ao raio de ponta acontece o oposto, pois o de 1,2 mm apresentou maior vida da ferramenta quando comparado ao raio de ponta de 0,8 mm. O maior raio de ponta proporciona maior resistência ao impacto da aresta de corte durante o torneamento de um material frágil como o ferro fundido cinzento. Por fim, o aumento da velocidade de corte, a diminuição no avanço e o aumento do raio de ponta produzem valores menores de rugosidade.
2.2.5 Vida da ferramenta de Usinagem
A vida da ferramenta pode ser definida como o tempo de corte necessário para a ferramenta atingir um critério de vida útil previamente estabelecido. Por exemplo, a rugosidade superficial pode ser utilizada como critério de vida útil, pois a partir do momento que não se consegue alcançar o valor estipulado, se deve trocar a ferramenta. (Ferraresi, 1970)
F. W. Taylor observou que o tempo de vida da ferramenta está diretamente relacionado com a velocidade de corte. Isso se deve ao fato que o aumento da temperatura na região do cavaco é diretamente relacionado com a velocidade de corte, o que ativa ou acelera os mecanismos de desgastes já apresentados. A obtenção da relação tempo de vida e velocidade de corte é feita experimentalmente e é exclusiva para cada par ferramenta/peça. A curva na figura 18 apresenta essa relação. (Machado et al. 2015)
Figura 18 – Exemplo de curva de desgaste obtida para o torneamento de um aço com ferramentas de metal duro.
Fonte: Ferraresi (1970)
A função de vida T = f(υ) foi deduzida por Taylor em 1906 e é conhecida como curva de vida da ferramenta, sendo expressa da seguinte maneira:
𝑇 = 𝐾. 𝑉𝑐−𝑥 (5)
Onde o expoente x e a constante K são particulares para cada conjunto ferramenta/peça e demais condições corte. A representação da curva em escala logarítmica possui a característica de uma reta, podendo ser expressa da seguinte maneira (Freitas, 2013):
A constante K é interpretada como a vida da ferramenta para a velocidade de 1 m/min, o expoente x é o coeficiente angular da reta no diagrama bi-logarítmico. Em muitos casos é melhor expressar a relação T – Vc da seguinte maneira
𝑉𝑐 . 𝑇𝑦 = 𝐶 (7) Onde, 𝑦 = 𝑥1 (8) 𝐶 = 𝐾 1 𝑥 (9) 2.3 RUGOSIDADE SUPERFICIAL
A rugosidade superficial pode ser descrita como o conjunto de irregularidades e erros microgeométricos deixadas pelas ferramentas após a usinagem na superfície da peça no torneamento ou fresamento. Segundo Machado et al. (2015) os fatores que mais influenciam a rugosidade são:
➔ Marcas da ponta da ferramenta ou de fragmentos da mesma, podendo ser de natureza periódica para alguns processos e aleatória para outros.
➔ Geração de rebarba do material durante a operação
➔ Restos de arestas postiças de corte de uma ferramenta na superfície. ➔ Forma do quebra-cavaco na ponta da ferramenta.
É muito comum na indústria o uso da rugosidade como parâmetro de qualidade do processo. O parâmetro de medição mais aplicado é o Ra, o qual representa a média aritmética dos valores absolutos das ordenadas no comprimento da amostragem, conforme figura 19.
Figura 19 - Parâmetro Ra.
O Ra é utilizado internacionalmente para representar a rugosidade e a norma ISO 4287 (2002) regulamenta sua aplicação no Brasil. Para o processo de usinagem seu valor pode demostrar que está acontecendo desvios durante a operação, tais como: desgaste da ferramenta. Outros importantes fatores para sua aplicação são: a praticidade de realização do experimento, baixo custo e o fato de não ser destrutivo. Para o processo de torneamento estima-se a partir dos dados de avanço (f) em mm/rev e raio da ponta ferramenta (rɛ) em mm.
𝑅𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝑓 2
31.2.𝑟𝑒 (𝜇𝑚) (10)
A rugosidade também sofre influência de vários parâmetros de processo, tais como: ➔ Geometria da ferramenta de corte
➔ Geometria da peça ➔ Rigidez da máquina
➔ Condições de corte (Vc e f) ➔ Material da peça e da ferramenta
No uso de uma ferramenta nova para o processo, existe pouco contato entre a aresta de ferramenta e a superfície da peça, de modo que a rugosidade será dada pelas marcas de avanço deixadas na peça pela ferramenta. Estas marcas estão ilustradas na figura 20.
Figura 20 – Marcas de avanço deixadas na superfície da peça.
Fonte: Machado et al. (2015).
As condições de corte têm enorme influência sobre a rugosidade, em relação à velocidade de corte teremos que para valores mais baixos, a rugosidade obtida é alta. Se utilizarmos altos valores de avanços combinados, a rugosidade será ainda pior. Portanto a velocidades maiores de corte a rugosidade será mais baixa, no entanto, ao atingir valores que elevem as vibrações, a rugosidade irá saltar para valores maiores. Mas o avanço é o que têm
maior influencia, pois pela equação que define a Ra, a medida que o avanço diminui também ocorre a redução dos níveis de rugosidade superficial. No entanto, segundo Diniz et al. 2008 para pequenos valores de avanço a rugosidade pode aumentar, tal como f = 0,07mm/rev para um rɛ = 0,4mm, pois a grande diminuição da pressão específica de corte, ocasionando uma deformação do cavaco mais irregular e aumento lateral de cavaco
A geometria da ferramenta também tem grande influência, principalmente o raio de ponta (rɛ), que deve ser grande o suficiente para diminuir o efeito das marcas de avanço, de modo a gerar uma superfície mais homogênea, com menos marcas de avanço. No entanto o aumento do raio da ponta da ferramenta irá proporcionar aumento do atrito devido a maior área de contato entre a ferramenta e a peça, ocasionando no aumento da vibração da ferramenta e na rugosidade superficial. (Diniz et al. 2008)
Outro fator que afeta a rugosidade é o fluido de corte, que apresenta duas funções durante o processo de usinagem, o primeiro é o de lubrificante, o qual melhora o acabamento superficial, pois diminui o atrito entre a ferramenta de corte e a peça. Quando age como refrigerante, seu efeito pode melhorar o acabamento devido à redução dos desgastes da ferramenta, entretanto, ocasiona o aumento dos esforços de usinagem, pois aumenta a resistência ao cisalhamento do material da peça. O que pode piorar o acabamento superficial.
De modo geral, a rugosidade será menor quando:
➔ A ponta da ferramenta possui um raio de arrendondamento. ➔ A aresta de corte está sem desgaste ou quebras.
➔ Alta dureza e baixa ductilidade da peça a ser usinada.
➔ Granulação fina e alta dureza dos microconstituintes da peça a ser usinada. ➔ Consistência nas propriedades.
2.4 USINABILIDADE DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS
Na usinagem dos ferros fundidos cinzentos, a vida da ferramenta, as velocidades de corte e de avanço sofrem influência direta da microestrutura. Para um ferro fundido cinzento, a microestrutura é o principal indicador de sua usinabilidade, pois além da influência da própria matriz ou da porcentagem relativa de ferrita e perlita, o tipo de lamela de grafita (quantidade, distribuição e tamanho) também influência na usinabilidade do material. (Coelho et al. 2001)
Como a liga do ferro fundido cinzento é caracterizada pela grande quantidade de lamelas de grafita, os quais introduzem descontinuidades (vazios) na matriz do metal e que reduzem a ductilidade, causando a quebra fácil dos cavacos (formando cavacos de ruptura) e
geram um comprimento de contato cavaco-ferramenta pequeno, e por esta razão, quando se aumenta a quantidade de grafita, melhora-se a usinabilidade permitindo baixas forças de usinagem e potência consumida, baixas taxas de desgaste e altas taxas de remoção de material.
A grafita do tipo C é associada com grandes flocos grosseiros e a presença deste tipo de grafita torna difícil a obtenção de bom acabamento de usinagem. A grafita do tipo A, randômica orientada, promove boas propriedades mecânicas além de melhorar a usinabilidade dos ferros fundidos com este tipo de grafitização. São mais dúcteis e seus efeitos ficam mais pronunciados quando a taxa de carbono equivalente aumenta. O tipo D promove bom acabamento de superfície. (ASM, 1982)
A grafita também adiciona ao material características lubrificantes, de modo a contribuir para a diminuição do atrito entre peça e ferramenta e evitar/minimizar a aderência do cavaco com a peça e, assim, evitar/minimizar fenômenos com a aresta postiça de corte e o desgaste por atrito. (Chiaverini, 2007)
A ferrita é essencialmente um constituinte livre de carbono. Com a exceção da grafita, a ferrita tem a dureza mais baixa que qualquer constituinte do ferro. Entretanto, não é tão mole quanto a ferrita de aços de baixo carbono, porque no ferro fundido, a ferrita contém silício. O efeito moderado de dureza do silício dissolvido promove à ferrita facilidade de corte. Isto deve-se ao fato que, este elemento, nas usuais taxas de 1,5% a 3,0% afeta muito pouco a vida da ferramenta. O mesmo já não ocorre em ferros fundidos especiais com altos teores de silício na ordem de 14%, os quais são de difícil usinabilidade. (IFSI, 1971)
A ferrita tem dureza na ordem de 100 a 150 HB e em grandes quantidades melhora a usinabilidade. É o microconstituinte de melhor usinabilidade, excetuando-se apenas os casos em que se encontra fortemente ligada com cromo, silício e alumínio. (Silveira, 1983)
A perlita é constituinte comum em ferros fundidos de média resistência e dureza. É composta de lamelas alternadas de ferrita mole e carbeto de ferro duro. A estrutura mais fina é mais dura. Portanto, deve ser usinada em menores velocidades de corte. Para os ferros fundido cinzento, a perlita assegura a melhor combinação de usinabilidade e resistência ao desgaste (IFSI, 1971). Em termos de propriedades mecânicas, elas estão entre às propriedades da ferrita e da cementita, portanto possui dureza entre 150 e 350 HB. A perlita fina é mais resistente e, portanto de mais difícil usinagem, enquanto, a perlita grosseira é menos resistente e mais usinável. (Angus, 1963)
Para um ferro fundido cinzento com uma matriz mais dura, a velocidade de corte necessária para manter a vida da ferramenta constante torna-se menor, ou seja, a usinabilidade
diminui, sob o critério de vida da ferramenta. Quando a porcentagem da perlita aumenta e a da ferrita diminui, a vida da ferramenta obtida em operações de usinagem como torneamento, fresamento tangencial, e furação diminui. (ASM, 1989)
A tabela 4 mostra que para uma estrutura composta por 5% de cementita e 95% de perlita fina, as velocidades de corte usadas precisariam ser igual a 25% da que seria utilizada se a liga fosse 100% ferrítica para obtenção da mesma vida de ferramenta. Pequenas variações na microestrutura podem fazer grande diferença na usinabilidade. (Silveira, 1983).
Tabela 4- Efeito da estrutura na velocidade prática de Torneamento.
Fonte: Chiaverini (2007)
Para usuários de ferros fundidos, maiores valores de dureza acarretam em maiores problemas durante a usinagem. A usinabilidade do ferro fundido nodular com 230 HB, por exemplo, é menor que a metade em termos de vida da ferramenta, se comparada com ferro fundido nodular com 170 HB. (Bjorkregen e Johannesson, 1999)
Isso não necessariamente quer dizer que valores extremamente baixos também não acarretam em problemas, principalmente nas operações de acabamento em que exige-se maior precisão dimensional e menores valores de rugosidade, pois acarretam em maiores dificuldades para que o cavaco seja separado da superfície da peça de maneira mais homogênea.
Ferros fundidos que apresentam geometrias complexas, com paredes com espessuras diferentes, apresentam durezas variadas, pois para cada seção ocorreu durante a fundição diferentes velocidades de resfriamento. Consequentemente, a usinabilidade nestes ferros também é diferente de um ferro fundido com forma simples (paredes com espessuras
uniformes), tendo pontos de usinagem mais fáceis, como também mais difíceis alternados dependentes destas seções.
Os ferros fundidos geralmente são tratados termicamente para minimizar estas diferenças, no entanto, na maioria das fundições, a diferença na usinabilidade de uma seção para outra é relativamente pequena. Isso não significa que uma condição local não pode estar presente nos fundidos e interferira seriamente no que está sendo usinado. Uma área dura no fundido pode ser formado como resultado de rápida solidificação, o que pode ocorrer em uma seção fina, como um canto vivo, ou adjacente a áreas finas do molde. Estas condições podem causar rápida solidificação fora do normal e resultar na formação de carbonetos duros. Tal formação de pontos duros pode ser geralmente corrigida por troca de molde ou práticas de fundição. (IFSI, 1971)
Também pode ocorrer de a superfície de uma peça de ferro fundido ter dureza maior e, consequentemente, usinabilidade menor que a região mais interior da peça, devido à maior taxa de resfriamento que resulta em maior formação de carbonetos e menor formação de grafitas.
Segundo Peach (2009) A estrutura mais refinada próxima à superfície exige maiores forças de corte, pois há múltiplas variáveis presentes, desde a morfologia da grafita, conteúdo de ferrita e geometria da superfície (figura 21).
Figura 21 - Força de corte aplicada para a superfície (esquerda) e interior da peça(direita).
Fonte: Peach (2009)
A dureza é um bom indicador da microestrutura e, portanto, da usinabilidade do ferro fundido, no entanto, não é consistente porque diferentes microestruturas com diferentes propriedades podem apresentar a mesma dureza.(IFSI, 1971)
Outro fator que prejudica a utilização da dureza é a heterogeneidade presente em peças com geometria complexa. Portanto para avaliar melhor a usinabilidade do ferro fundido é indicado combinar uma avaliação da microestrutura do local a ser usinado com o ensaio de
rugosidade depois, pois a rugosidade é o principal indicativo do desempenho da operação de usinagem, a qual está intrinsicamente relacionado com a microestrutura.
3. METODOLOGIA
A fabricação de peças com torneamento interno e que apresentam variações na sua rugosidade é indicada como ponto comum no processo de usinagem. Isto é observado na fabricação de tampas de ferro fundido FC15, na Empresa X, a qual tenta controlar os desvios de rugosidade para evitar a ocorrência de refugos. Tais desvios podem ser gerados por diversos fatores, os quais devem ser avaliados para se aumentar os níveis de qualidade das peças.
Assim, como ponto inicial foi elaborado um diagrama de causa e efeito com objetivo de identificar os principais fatores que poderiam contribuir com os desvios de rugosidade e identificar os de maior interesse. Este diagrama é apresentado na Figura 22.
Figura 22 - Diagrama de Ishikawa para o estudo de caso estudado.
Fonte: Autor
Após realização do diagrama foram selecionados os fatores vinculados à microestrutura, parâmetros de usinagem e, desgaste da ferramenta, como possivelmente os de maior contribuição para os desvios nos valores de rugosidade.
Para a análise destes fatores foram então selecionados dois modelos de tampas de ferro fundido FC-15, usinados na Empresa X. Estes modelos são produzidos inicialmente por fundição. Destaca-se que esta escolha se deve às possíveis variações químicas e microestruturais que ocorrem nas peças devido a terem origem de fornecedores diferentes. Embora a especificação nominal (Tabelas 5 e 6) do ferro fundido seja a mesma.
Tabela 5 - Composição química da liga do ferro fundido cinzento FC-15 utilizado nas fabricações de tampas de motores elétricos.
C Si Mn P S Cr Cu
3,2 à 3,5 2,00 à 2,4 0,60 à 0,90 0,20 Máx. 0,15 Máx. 0,3 à -0,5. 0,3 à 0,6 Fonte: [Empresa X]
Tabela 6 – Propriedades mecânicas e matriz metalográfica da liga do ferro fundido cinzento. Resis. à Tração (kgf/mm²) Lim. de Escoamento (kgf/mm²) Resis. à Compressão (kgf/mm²) Resis. à Cisalhament o(kgf/mm²) Resis. à Flexão (kgf/mm²) Dureza (HB) Matriz Metálica 15,0 8,0-10,5 55- 70 15 23-37 140-190. Ferrítica-Perlítica Fonte: [Empresa X]
A peça identificada como A, com microestrutura (MC1) normalmente no processo de usinagem tem menor desvio das especificações de rugosidade. Já a peça B, com microestrutura (MC2) apresenta uma maior frequência de desvios. A partir destas duas microestruturas (MC’s), foi feito um planejamento dos parâmetros de torneamento na etapa de acabamento, com a definição da velocidade de corte (Vc) e avanço (f), conforme indicado na tabela 7 e figura 23.
Tabela 7 - Parâmetros de corte utilizados no experimento.
f(mm/rev) Vc(m/min)
0,06 (f1) 140 (Vc1)
0,07 (f2) 150 (Vc2)
Figura 23 - Fluxograma das combinações de experimentos realizados.
Fonte: Autor
Foram utilizadas cinco amostras para cada condição de usinagem. Portanto, para cada microestrutura (MC1 e MC2) foram preparadas um total de vinte amostras, totalizando quarenta peças para todo o experimento. Para cada condição de usinagem foi utilizada uma pastilha de corte nova (aresta de corte), a qual foi analisada após a operação quanto às suas características do desgaste.
Em todas as amostras usinadas (diâmetro interno) foi verificada a rugosidade superficial e o valor comparado com um valor teórico. A profundidade de corte ap foi mantida igual a 0,2 mm para todas as combinações. Na Figura 24 é apresentada a peça (tampa) fixada na máquina, com a indicação da região usinada.
Figura 24 – Desenho da tampa utilizada nos experimentos. O diâmetro de 40 mm foi da região usinada nos experimentos.
Fonte: Autor
Na Figura 25 podem ser observadas as tampas com suas características geométricas e, as regiões onde foram executadas a usinagem e o controle da rugosidade. O diâmetro interno é o local onde são montados os rolamentos de suporte do eixo do motor. O rolamento aplicado em ambas às tampas é o 6203 DDU 1L da NSK, o qual exige tolerâncias dimensionais e geométricas estreitas para a sua montagem. Caso ocorram desvios fora dos níveis especificados em projeto, há dificuldades para a sua montagem, podendo inclusive em alguns casos levar à danos na peça e rolamento.
Diâmetro interno usinado
Figura 25 – Desenhos da tampa utilizada nos experimentos. O diâmetro de 40 mm foi da região usinada nos experimentos.
Fonte: Autor 3.1 MATERIAIS E EQUIPAMENTOS
A usinagem das tampas foi executada em um Torno CNC Haas SL10, onde foi utilizado um inserto (figura 26) WCMT06T304-PF WPP10S da empresa Walter Tools com formato triangular, positivo 80º, com raio de ponta re = 0,4 mm. O suporte usado foi o S20S-SWLCL-06 da empresa Katalog e tipo aresta-grampo.
Este suporte foi selecionado de modo a minimizar possíveis vibrações durante a operação de corte. Os parâmetros recomendados pelo fabricante para f e ap para esta ferramenta
de corte selecionada podem varia de 0,07-0,3 mm/rot e 0,3-2,0 mm, respectivamente. Os valores selecionados para os experimentos visaram à diminuição da rugosidade superficial, pois conforme descrito no 2.2 da revisão bibliográfica, valores mais baixos de avanço proporcionam melhores rugosidades. Também, o menor valor de profundidade selecionado teve como objetivo reduzir o desgaste da ferramenta.
Figura 26 – Inserto utilizado nos experimentos.
Fonte: Walter Tools (2017)
Para medições da rugosidade foi utilizado um rugosímetro Mahr, modelo MarSurf 400 C (figura 26). O cut-off foi igual a 0,08 mm, de acordo com a norma ISO 4288:1996, pois o valor de Ra a ser medido estava na faixa de 0,1 até 2μm. Para esta medição, as peças foram fixadas em dispositivo próprio, conforme pode ser observado na Figura 27.
Figura 27– Rugosímetro e base de apoio para medição da amostra.
Fonte: Autor
Para avaliação das microestruturas das amostras, foi realizada uma análise metalográfica para observação por microscopia óptica. As amostras foram cortadas em uma cortadeira metalográfica da Fortel modelo CF II, com refrigeração.
Foram então embutidas em baquelite (Fortel, mod. EFD 30) e lixadas com as lixas #220, #320, #400, #600 e #1200 (lixadeira Teclago, mod. PL02E). Posteriormente foram polidas utilizando suspensão de alumina com granulometria média de 0,3μm, seguido de ataque químico utilizando nital (4% de ácido nítrico + 96% de álcool etílico).
As microestruturas foram avaliadas com um microscópio óptica (Fortel Industrias., modelo IM100i) com câmera acoplada.
Para análise do desgaste das pastilhas de corte utilizadas no torneamento das peças, foi utilizado um estereoscópio da marca Nova modelo SM20. As imagens foram feitas com a
câmera de um celular. Para avaliação da dureza foi utilizado um microdurômetro da marca DGD modelo DHTMVS - 100.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 ANÁLISE METALOGRÁFICA
Na Figura 28 pode-se ser observado as microestruturas das amostras após ataque metalográfico. As peças fornecidas por MC1 apresentaram a microestrutura com matriz com predominância perlítica. Já as amostras fornecidas por MC2 apresentaram diferenças maiores nestas microestruturas, pois a regiões com matriz perlítica (zonas cinzas) e regiões com matriz ferrítica (zonas brancas), conforme destacado na figura 29.
Figura 28 – Variação de microestrutura na borda da MC1 com aumento respectivamente de 200 e 1000.
Figura 29 – Variação de microestrutura na borda da MC2 com aumento respectivamente de 200 e 1000.
Fonte: Autor
Para MC1 o percentual de perlita foi de 83,12% e ferrita 16,88%, enquanto que para MC2, foi de 59,90 % (perlita) e 40,10 % (ferrita). Em ambas as microestruturas a predominância da forma da grafita é tipo I e a distribuição é tipo A. O tamanho da grafita em MC1 varia pouco, de 2 a 3, no entanto, na MC2 o tamanho varia de 2 a 5. Um fator que pode ter contribuído com isto seria o carbono equivalente (CE) da peça. Portanto para melhor entendimento dessa diferença de microestrutura foi averiguado junto a fornecedores qual era à composição química de cada microestrutura. A tabela 8 apresenta os respectivos valores para cada microestrutura.
Tabela 8 - Composição química da liga do ferro fundido cinzento FC-15 de cada microestrutura.
C Si Mn P S Cr Cu CE(%)
MP1 3,58 2,15 0,35 0,08 0,09 0,05 0,11 4,34
MP2 3,67 2,57 0,62 0,04 0,09 0,04 0,02 4,54
Fonte: Autor
Através da tabela de composição química observou-se diferença em Cu, Mn e Si, pois a MC1 apresenta a mais 0,09% de Cu, como o mesmo tem forte efeito perlitizante, diminui a geração de ferrita livre. Na MC1, a priori é o que acontece. Associado a isto, está a menor
quantidade de sílicio presente na mesma, pois a MC2 apresenta 0,42% de Si a mais do que na MC1. 0,27% de Mn e. A maior presença de Si proporciona maior CE (4,54%) em relação a MC1, 4,32%, o que permite a formação de grafita e ferrita em maior quantidade para a MC2, apesar de o manganês ser um formador de perlita, pois a maior quantidade de silício causa maior influência na microestrutura. As maiores presenças de regiões com matriz ferrítica apresentados pela mesma na figura 29 corroboram a esse pensamento. O CE também influência nas propriedades mecânicas da peça, portanto foi realizado um ensaio de microdureza para verificar a diferença dentre as duas microestruturas. A tabela 9 apresenta os respectivos valores.
Tabela 9 - Valores de dureza obtidos nos experimentos.
Microestrutura Micro dureza (HV1) Média Desvio Padrão
MC1 138 155 208 253 184 188 45,36
MC2 147 215 259 150 152 185 50,33
Fonte: Autor
Os valores de microdureza medidos apresentam valores médios similares, no entanto, o desvio padrão é significativo em ambas às microestruturas, portanto pode-se concluir que devido a heterogeneidade das microestruturas o ensaio não foi efetivo para representar a dureza da microestrutura de cada material.
4.2 ANÁLISE RA
Na Tabela 10 são apresentados os valores das rugosidades das superfícies usinadas para cada combinação.
Tabela 10 - Valores de rugosidade medidos nos experimentos.
Experimento Microestrutura f (mm/rev) Vc (m/min) Rugosidade (μm) Média (μm) Desvio Padrão Exp1 MC1 0,06 140 0,695 0,821 0,769 0,874 0,883 0,808 0,078 Exp2 MC1 0,06 150 1,347 1,384 1,492 1,217 1,109 1,310 0,149 Exp3 MC2 0,06 140 1,333 1,300 1,123 1,357 0,730 1,169 0,262 Exp4 MC2 0,06 150 1,289 1,552 1,629 1,637 1,620 1,545 0,147 Exp5 MC1 0,07 140 1,282 1,365 0,958 0,559 0,671 0,967 0,358 Exp6 MC1 0,07 150 1,643 1,357 1,182 1,507 1,223 1,382 0,193 Exp7 MC2 0,07 140 1,386 1,287 1,385 1,344 1,397 1,360 0,045 Exp8 MC2 0,07 150 1,434 1,390 1,762 1,129 1,101 1,3632 0,269 Fonte: Autor
Ao realizar a comparação entre os experimentos com parâmetros de corte similar, mas com matéria-prima diferente, pode-se constatar que:
