ANÁLISE COMPARATIVA DA FORÇA AXIAL NA FORMAÇÃO DE ROSCAS INTERNAS POR CORTE E LAMINAÇÃO

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1 ANÁLISE COMPARATIVA DA FORÇA AXIAL NA FORMAÇÃO DE ROSCAS INTERNAS POR CORTE E LAMINAÇÃO Dario Geraldo Rodrigues Mestre em Engenharia Mecânica pela UFSJ Docente na Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais CEFET - MG rodriguesdg@hotmail.com RESUMO O roscamento é um processo de formação do perfil de rosca, as quais possuem variadas aplicações no ramo industrial, com intuito de atender à montagem de peças. As roscas são desenvolvidas a partir do tipo de componente a ser fabricado e também para se adequarem às especificações de qualidade, segurança, produtividade e baixo custo de produção. Esta pesquisa abordou a fabricação de rosca pelos processos de corte e laminação, com o objetivo de avaliar comparativamente os esforços mecânicos na força axial. Conforme literatura, a laminação apresenta melhor qualidade no que se refere ao acabamento superficial, maior resistência e processo sem a formação de cavaco, devido à conformação do material. Como variáveis, foram avaliadas as amostras em três níveis de velocidade de corte e em três percentuais de concentração de fluido lubrificante. O material estudado foi o aço ABNT 1035 com a especificação da rosca M14x1.5. Para comparação dos processos, utilizou-se o método estatístico análise de variância (ANOVA). Os resultados demonstraram que na laminação apresentou maior força axial em comparação ao processo de corte. Palavras-chave: Processo de Corte. Processo de Laminação. Força Axial - Esforço Mecânico. COMPARATIVE ANALYSIS OF AXIAL FORCE IN ROLLING AND MACHINNG OF INTERNAL THREADS ABSTRACT Threading is a forming process to produce an thread element with various applications in the industries in order to join and assembly of parts. The threads are developed from the type of component to be manufactured and also of the specifications of quality, safety, productivity and low production cost. This research studies the manufacture of thread by cutting and rolling processes, comparing its axial manufacture forces. It had been established that thread formed by rolling process presents better quality in terms of surface finish and higher mechanical strength, with the advantage of to be a process without chip formation, due to the forming of the material. In this work, the influence variables were the process speed (cutting speed or rolling speed) in three levels and the concentration of lubricant fluid, also in three levels. The material studied was steel ABNT 1035 and the thread specification was M14x1.5. For the comparison of the processes, a statistical Method of analysis of variance (ANOVA) was used. The results showed that rolling threads presented greater axial force compared to the cutting process. Key words: Cutting Process. Rolling Process. Axial Force - Mechanical Effort. INTRODUÇÃO O roscamento é um processo de transformação da matéria-prima e com a sua fabricação ser realizada por usinagem, por conformação ou por processo de modelagem. A aplicação de cada método está relacionada ao produto a ser manufaturado, para atender ao perfil projetado e com as ferramentas necessárias para cada modelo de material. 1

2 O processo por corte ocorre com a retirada de material pelas ferramentas de usinagem, com a modificação do produto e a formação do acabamento desejado. A conformação mecânica ou laminação estabelece o deslocamento de material até a formação do produto final por meio da deformação plástica. Atualmente, devido à competitividade e à evolução técnica nos métodos de fabricação e das ferramentas aplicadas na geração das roscas, as empresas buscam desenvolver processos mais robustos, eficazes, com capabilidade e com melhor relação custo-benefício. Portanto, são relevantes e pertinentes estudos sobre as características dos processos de fabricação de roscas e suas especificidades. Esta pesquisa visa a analisar o comportamento da força axial (Fz) na formação da rosca interna e comparar os processos de usinagem e de conformação mecânica no material aço ABNT Para a formação da rosca, foram estabelecidos os parâmetros de velocidade de corte e percentual de fluido lubrificante com objetivo de verificar suas influências nos resultados da força axial. PROCESSO DE ROSCAMENTO O processo de laminação ou conformação possui parâmetros e características para formação de rosca com maior robustez, isso ocorre devido aos esforços gerados na compactação de material que agrega maior qualidade ao produto final. Nesta pesquisa, trataremos os conceitos do perfil de rosca e as análises dos esforços mecânicos. De acordo com Andrade (2014, p.4), [...] as roscas são definidas por uma projeção contínua dos filetes helicoidais de secções uniformes em uma superfície cilíndrica.. Ainda de acordo com o autor, classificam-se as roscas como interna ou externa ao cilindro e podem ser divididas quanto à sua aplicação em elementos de fixação ou transmissão de movimentos. De acordo com Cardoso (2012), o perfil de uma rosca é considerado conforme a FIG. 1, classificado por diâmetro externo da porca (d), diâmetro do parafuso (D), diâmetro menor da porca (d1), diâmetro menor do parafuso (D1), diâmetros dos flancos da porca (d2), diâmetro dos flancos do parafuso (D2), passo da rosca (P) e ângulo de flancos (α). Figura 1 Perfil rosca métrica ABNT 1988 Fonte: Cardoso (2012). Já em relação aos processos de fabricação de roscas, conforme Badami, Hege e Patterson (2003), as roscas são produzidas pelos dois processos: de corte e de conformação. No processo de corte, são utilizadas as ferramentas de uma ou 2

3 mais arestas e, no processo de conformação, ferramentas planas ou rolos laminadores com equipamentos automáticos específicos. No que se refere às ferramentas para fabricação da rosca, o macho de corte, de acordo com Tsuruda (2010), o roscamento interno com macho de corte é referenciado pela retirada de cavaco do produto usinado, pois o diâmetro da broca é menor do que o diâmetro externo do macho de corte. O roscamento torna-se complexo devido aos ajustes necessários no processo para evitar o erro de sincronismo entre o movimento de rotação e de avanço da ferramenta, a quebra do macho, devido ao desgaste prematuro e, pode-se também, ao desalinhamento entre a ferramenta e o pré-furo, devido à variação do diâmetro interno. Conforme a Figura 2, seguem as descrições para cada segmento da ferramenta de roscar com canal helicoidal e sua geometria. Figura 2 Macho de corte com canal helicoidal Fonte: Moraes (2010). Em relação aos rendimentos da utilização dessas ferramentas, de acordo com Mota (2009), o roscamento com macho é de fácil aplicação e é citado com alta eficiência de processo. Dentre os pontos positivos para esse processo, pode-se citar sua produtividade e economia para roscas menores, menor tempo de ajuste, equipamentos ociosos e sua utilização em altas velocidades de corte e maior vida da ferramenta. Ao analisar a ferramenta macho laminador, segundo Ivanov e Kirov (1997), possui característica similar à ferramenta de corte com a região de haste e a região de trabalho. Nesta, constitui o chanfro e o diâmetro que compõem os filetes que serão gerados a rosca, conforme identificados na FIG. 3. Na seção (AA), visualiza-se a seção transversal da ferramenta, com os pontos de contato (a, b) que podem ser paralelos ou dispostos em hélice. Na seção B, consta o chanfro da ferramenta com os diâmetros (d0, d1 e d2) e o ângulo кr. 3

4 Figura 3 Nomenclatura ferramenta macho laminador Fonte: Ivanov e Kirov (1997) O processo de laminação de rosca interna consiste na formação do perfil de rosca a partir da compressão exercida pela ferramenta macho laminador no diâmetro interno do produto. Já no processo de rosca por usinagem, a estrutura granular do material foi cortada durante o processo. Para Agapiou (1994 apud BRETAS, 2009): A principal diferença entre a rosca laminada e usinada é a alta resistência mecânica nos filetes conformados pelo processo de laminação, o que é mostrado na orientação das fibras do material. A não geração de cavacos e a alta durabilidade da ferramenta também são vantagens do processo de laminação a serem consideradas (AGAPIOU, 1994 apud BRETAS, 2009, p. 18). Para a formação do perfil de rosca no processo de laminação, ocorre o deslocamento de material entre o contato da ferramenta e a peça. Diante disso, ele possui um perfil específico, divisão na crista (split crest), devido ao escoamento de material (FROMENTIN et al., 2004), conforme a Figura 4. Ainda, segundo os autores, a conformação e a formação da rosca dependem do diâmetro do pré-furo. Quanto menor o diâmetro do pré-furo, menor será a divisão na crista da parte superior. Figura 4 Divisão na crista perfil rosca laminada Fonte: Fromentin et al. (2004). De acordo com Fromentin et al. (2010), o processo de laminação é muito interessante e econômico em comparação ao processo de corte, devido à maior vida da ferramenta, à maior confiabilidade e à não formação de cavaco durante a fabricação de rosca. O sistema de lubrificação, como aplicado no roscamento por corte, obtém as 4

5 vantagens de refrigeração do processo e melhor escoamento do material durante a formação da rosca, como também beneficia o rendimento da ferramenta. A lubrificação no roscamento evita que o material seja acumulado nos flancos dos filetes de rosca e assegura que o torque e a força necessários para o processo de formação não sejam superiores ao especificado. Outro ponto relevante é a utilização do fluido lubrificante com aditivos químicos, o que proporciona maior estabilidade na refrigeração e, consequentemente, maior vida da ferramenta. ESFORÇOS MECÂNICOS Para o bom desenvolvimento do processo de fabricação de rosca, a homogeneidade do pré-furo, tanto no diâmetro, ovalização ou concentricidade, pode ocasionar maior esforço e carga radial, com redução de vida da ferramenta. Consequentemente, forma-se um perfil de rosca irregular, como também a quebra da ferramenta. Dessa forma, estabelece-se que os controles de preparação do préfuro, dos diâmetros e de conicidade, são fundamentais para a estabilidade do processo de roscamento por laminação. Em análise da força axial de um estudo realizado, de acordo com Fromentin et al. (2004), nos testes experimentais dessa força para o aço C22, foi utilizado o parafuso de fixação aço C70, com objetivo de quantificar e comparar as características do perfil de rosca pelo processo do macho de corte e pelo macho laminador. Nesse estudo, nota-se que o material C22 para o processo de laminação obteve a força de ruptura 27% maior do que o processo com macho de corte. Esse percentual é atribuído devido ao encruamento de material na região da rosca que proporciona maior força de cisalhamento. Na Figura 5, identifica-se o comparativo entre os processos para o aço C22, com as forças de tração aplicadas, e o percentual de resistência entre o processo de corte e o laminado. Figura 5 Força de tração das roscas formadas pelo processo de corte e de laminação Fonte: Fromentin et al. (2004). Identifica-se, nesse processo, a diferença no perfil de rosca, formado para o processo de corte, e o split crest, devido à conformação do material para o perfil laminado dos aços C22 e C70. Conforme Haag e Amancio (2012), dentro dos processos de usinagem e conformação, as características e as variáveis que mais influenciam na formação de rosca são o momento torçor (torque) e o esforço axial. Essas grandezas geram interferência direta das condições de corte das ferramentas, processo de lubrificação, 5

6 atrito e profundidade de corte. Ainda, segundo os autores, é importante obter conhecimento dos valores de torque e esforço axial para identificar as aplicações e as direções das forças, os parâmetros e o dinamismo do processo. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Nesta etapa, constam os recursos físicos para o planejamento do experimento e, também, as etapas do processo e o detalhamento dos testes realizados. Materiais e métodos Quanto à usinagem dos materiais foram utilizados os recursos: o equipamento centro de usinagem vertical modelo ROMI Discovery 560, fluido lubrificante semisintético biodegradável, ferramentas broca helicoidais diâmetros Ø mm e Ø mm, e a ferramenta para abertura da rosca M14x1.5. Para a fixação do corpo de prova, foi projetado e construído um flange para posicionamento no equipamento dinamômetro com o objetivo de retransmitir o momento da força axial relacionada nesta pesquisa. Na Figura 6, consta o projeto de construção para posicionamento do corpo de prova para o experimento de usinagem e conformação. Figura 6 Projeto dispositivo de fixação do corpo de prova Fonte: Autor. Para realizar as leituras dos dados do momento torçor durante a formação da rosca, aplicou-se o dinamômetro piezoelétrico estacionário Kistler 9272 com quatro canais, um amplificador de sinais Kistler 5070A e o software DynoWare, também fornecido pela Kistler, apresentados conforme a Figura 7. 6

7 Figura 7 a) Dinamômetro b) Amplificador Carga c) Tela Software Planejamento dos experimentos Na preparação das ferramentas, as brocas helicoidais e os machos de corte e laminador foram ajustados na pinça flutuante e posicionados no cabeçote do centro de usinagem vertical Romi. Já no que se referem à preparação do dispositivo de fixação, as amostras foram ajustadas na posição vertical e fixadas pela haste do cilindro hidráulico. Foram analisados os esforços mecânicos dos processos de fabricação de corte e de laminação e utilizado o método estatístico ANOVA, com análise da variância de acordo com um planejamento fatorial e do detalhamento da força axial (Fz). Para este trabalho, foram realizados 54 ensaios, com 27 amostras para o processo de fabricação de rosca por laminação e 27 amostras no processo de corte. Para cada processo, foram analisados três níveis de velocidade de corte (V m/min., V m/min. e V m/min) e três níveis de percentual do fluido lubrificante (5%, 10% e 13%), com três réplicas de cada nível. Para a montagem do corpo de prova no dispositivo de fixação, os mesmos foram posicionados na parte interna da flange, fixadas por parafusos laterais, com objetivo de travamento para não permitir as movimentações radial e axial durante o processo de furação e rosca. Nas Figuras 8-a e Figura 8-b, mostram-se as montagens das ferramentas para fabricação de rosca M14x1.5 para o processo de corte e laminação. Figura 8 - a Ferramenta macho de corte b) Ferramenta macho laminador Nota: (a) Macho de corte Nota: (b) Laminador 7

8 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Foram realizadas as análises dos esforços força axial (Fz) para se compararem os respectivos processos de formação de rosca por corte e por laminação. Identificou-se que, no processo de laminação, os valores relacionados ao esforço axial mantêm índices superiores em comparação ao processo por corte. Isso ocorre devido à força necessária de aplicação da ferramenta para a conformação do material. Figura 9 Força axial máxima (N) comparativo entre os processos de corte e de laminação Fonte: Autor. No que se refere aos estudos estatísticos de análise de variância, é possível afirmar que, para o experimento realizado no processo de corte, não houve influência dos parâmetros estabelecidos nas variáveis de resposta e teste de contraste (Tabela 1). Tabela 1 Análise variância força axial processo de corte Fatores G.L. MSS Fcalc Fo SST SSFLUIDO 2382, ,05 1, ,555 NÃO INFLUENCIA SSVELOCIDADE 2261, ,52 1, ,555 NÃO INFLUENCIA SSINTERAÇÃO 5121, ,32 1, ,928 NÃO INFLUENCIA SSERRO 11921, ,309 Contraste das Velocidades Fatores SSC fcalc ftab Vc1 - Vc2 17,1405 0, ,41387 não difere Vc1 - Vc3 1857,04 2, ,41387 não difere Vc2 - Vc3 1517,36 2, ,41387 não difere Contraste dos Fluidos Fatores SSC fcalc ftab 5%-10% 2349,89 3, ,74723 não difere 5%-13% 373,373 0, ,74723 não difere 10%-13% 849,888 1, ,74723 não difere Já no processo de laminação, os dados indicaram que as velocidades de corte e o percentual de fluido possuem influência nos resultados de torque, conforme 8

9 os dados mostrados na Tabela 2. Nos testes de contraste para a velocidade de corte, as três interações entre elas diferem, e, quanto maior a velocidade, menor a força aplicada. Tabela 2 Análise variância força axial processo de laminação Fatores G.L. MSS Fcalc Fo SST 32386,7 26 SSFLUÍDO 3673, ,84 4, ,555 INFLUÊNCIA SSVELOCIDADE 10712, ,13 12,8022 3,555 INFLUÊNCIA SSINTERAÇÃO ,5 6, ,928 INFLUÊNCIA SSERRO 7530, ,376 Para o contraste dos fluidos, apenas a interação entre os percentuais de 5% e 13% de lubrificante não demonstrou diferença estatisticamente significativa. Nesse caso, para o percentual de 10%, obtiveram-se menores valores de força axial aplicada para os testes de contraste mostrados na Tabela 3. Tabela 3 Teste de Contraste das velocidades e fluidos força axial processo de laminação Contraste das Velocidades Fatores SSC fcalc ftab Vc1 - Vc2 2510,33 6, ,41387 difere Vc1 - Vc ,7 25,5958 4,41387 difere Vc2 - Vc3 2849,37 6, ,41387 difere Contraste dos Fluidos Fatores SSC fcalc ftab 5%- 10% 3050,59 7, ,74723 difere 5%- 13% 35,9835 0, ,74723 não difere 10%- 13% 2423,94 5, ,74723 difere Na análise de dispersão das amostras, gráfico Boxplot, Figura 10-a e Figura 10-b, os valores entre os métodos corte e laminação apresentam variações similares em comparação à velocidade de corte, com a mediana calculada em 30.0 m/min. menor. 9

10 Figura 10 a) Gráfico força axial (N) processo de corte e b) Gráfico força axial (N) processo laminação. Nota: Figura 10-a Processo de Corte Nota: Figura 10-b Processo laminação Quando aplicado o gráfico probabilidade normal e histograma, mostra-se, na Figura 11-a e Figura 11-b, a normalidade das amostras em relação à reta. No histograma, notam-se os conjuntos de valores para os métodos de corte e laminação devido à dispersão entre eles. 10

11 Figura 11 a) Gráfico probabilidade normal e b) Histograma para valores de força axial (N) nos processos de corte e de laminação. Nota: Figura 11-a Probabilidade normal Nota: Figura 11-b Histograma Fonte: Autor. De acordo com os dados apresentados para os processos de usinagem e conformação, na análise de variância, conclui-se, com os dados da Tabela 4, que existe influência no tipo de processo e entre a interação deste com a velocidade de corte para a força axial. Tabela 4 Análise variância força axial comparação processo de corte e de laminação Fatores G.L. MSS Fcalc Fo SST ,7 53 SSA , ,456 4,113 INFLUENCIA SSB 5846, , , ,259 NÃO INFLUENCIA SSC 1989, , ,7744 3,259 NÃO INFLUENCIA SSAB 208, , , ,259 NÃO INFLUENCIA SSAC 10984, , , ,259 INFLUENCIA SSBC 11510, , , ,634 NÃO INFLUENCIA SSABC 4080, , , ,634 NÃO INFLUENCIA SSERRO 46236, , Fonte: Autor. 11

12 Diante da influência na interação dos processos, foi realizado o teste de contraste nas velocidades no método de usinagem e também em comparação ao método de conformação com objetivo de comparar as igualdades (Tabela 05). Tabela 5 Teste de contraste força axial processo de corte e de laminação Contraste Interações Fatores SSC fcalc ftab Corte 17.5 m/min. / 30.0 m/min. 17, , , não difere Corte 17.5 m/min. / 39.5 m/min. 1857,045 1,4459 4, não difere Corte 39.5 m/min. / Laminação ,47 54,9395 4, difere m/min. Constata-se que as especificações no método de corte com as velocidades estudadas nesta pesquisa não diferiram entre si, ou seja, não há diferença estatisticamente significativa. Para comprovar que os métodos de usinagem e conformação se diferem, foi realizado o contraste para o processo de corte a 39.5 m/min. com o processo de laminação a 39.5 m/min. Portanto, ao utilizar as velocidades mencionadas no método de corte, proporciona-se menor esforço na força axial para a formação da rosca. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com as análises dos resultados, no processo de laminação, pode-se constatar que a força axial foi estatisticamente superior, com as variáveis de resposta de velocidade de corte e o percentual de fluido lubrificante. E pela análise de variância, no processo de corte e laminação, apenas o percentual de concentração de fluido entre 5% e 10% diferiu e interferiu diretamente nos experimentos. Conclui-se, também, que, no processo de corte, com maiores parâmetros de velocidade e de percentuais de concentração de fluido, obtiveram-se menor força axial na formação da rosca, em consequência, melhor utilização de equipamento, menor consumo de energia e maior vida de utilização da ferramenta. REFERÊNCIAS ANDRADE, Igor Lopes. Otimização do fresamento de roscas internas por interpolação helicoidal f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR ISO 724. Rosca Métrica ISO de uso geral Dimensões básicas. Rio de Janeiro, Brasil. BADAMI, V. G.; HEGE, R. E.; PATTERSON, S. R A novel method for forming fine-pitch threads in Superinvar. 12

13 BRETAS, R. A. Análise da usinagem de roscas por interpolação helicoidal no ferro fundido vermicular f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Instituto Superior Tupy, Joinville. CARDOSO, F. G. Análise das forças de fresamento de roscas API Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e Tecnologia dos Materiais) Centro Federal de Educação Tecnológica, Rio de Janeiro. FROMENTIN, G.; et al. An experimental study on the effects of lubrification in form tapping FROMENTIN, G.; et al. Precision and surface integrity of threads obtained by form tapping, 2004 HAAG, C.; AMANCIO, M. R. M. Estudo comparativo entre o processo de rosqueamento interno com macho de corte e rosqueamento interno com macho laminador em ferro fundido nodular austemperado: uma abordagem das grandezas físicas. E-Tech: Tecnologias para Competitividade Industrial. Metalmecânica, Florianópolis, n. esp. p , IVANOV, V.; KIROV, V. Rolling of internal threads: Part MORAES, C. New Employees Training (NET) Rosqueamento - waltertools MOTA, P. R. Estudo do processo de rosqueamento com macho de corte de metal duro em ferro fundido vermicular f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia. TSURUDA, T. K. Influência do pré-furo na resistência à tração de roscas fabricadas com macho de corte em máquina CNC. In: IV SEMINÁRIO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA. 2010, Goiânia-GO. IFG - Instituto Federal de Goiás Campus Goiânia. 13