Jefferson de Oliveira Gomes Instituto Tecnológico de Aeronáutica / CCM (Centro de Competência em Manufatura) CTA SJC

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1 Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil 20 de outubro de 2010 ANÁLISE DE RUGISIDADE EM SUPERFÍCIES USINADAS DE FORMA COMPLEXA Joana D arc Dias Costa Instituto Tecnológico de Aeronáutica / Rua H8A apartamento 105 Campus do CTA SJC Bolsista PIBIC-CNPq joaninha_pe@hotmail.com Jefferson de Oliveira Gomes Instituto Tecnológico de Aeronáutica / CCM (Centro de Competência em Manufatura) CTA SJC gomes@ita.br Resumo. Este trabalho foi desenvolvido na área de resistência dos materiais e usinagem. Ele tem como objetivo a ambientação aos ensaios envolvidos nesse estudo em especial os de medida de acabamento superficial após usinagem de peças que apresentam um perfil complexo tendo regiões com brusca mudança de direção fato esse que torna sua usinagem mais difícil. Para ensaios de rugosidade foi usado um aparelho chamado rugosímetro o qual realiza a detecção das irregularidades superficiais do material através de indutância diferencial. Palavras chave: rugosidade usinagem superfície complexa rugosímetro. 1. Introdução A evolução dos processos de usinagem acompanhou ao longo dos tempos o desenvolvimento de vários setores da indústria como a engenharia de produção e a engenharia de produtos. Neste último campo é importante citar a atenção dada à flexibilidade da produção à diminuição dos tempos de preparação e à constante preocupação em fabricar com o menor custo possível (SUN; GUO; JIA 2006; ALMEIDA 2003). Os novos projetos de produtos quase sempre implicam peças de geometria complexa o que exige novos requisitos e soluções dos fabricantes de moldes e matrizes e por conseqüência dos fabricantes de máquina-ferramenta software de programação e ferramentas de corte (SUN; GUO; JIA 2006). É na manufatura que muitas indústrias têm buscado suporte para reduzir tempo custos e prazos. Por isso os investimentos em novas tecnologias como máquinas-ferramenta CNC capazes de usinar peças complexas de pequenas dimensões e fabricadas em materiais endurecidos são constantes. O desafio hoje é encontrar soluções que aperfeiçoem os processos produtivos e os tornem mais enxutos e flexíveis (LEE 2006). Um ciclo de usinagem está associado a trabalhos manuais ou de máquinas que possibilitam a execução de uma dada operação de corte. De acordo com Ferraresi (1977) o ciclo de usinagem de uma peça é constituído diretamente pelas seguintes fases: Preparo da máquina-ferramenta para execução de um lote de peças; Colocação e fixação de peça na máquina-ferramenta; Aproximação ou posicionamento da ferramenta para o início do corte; Operação de corte da ferramenta; Afastamento da ferramenta; Inspeção (se necessária) e retirada da peça usinada; Remoção da ferramenta para substituição ou afiação; Recolocação e ajustagem da ferramenta em seu suporte. A rugosidade superficial trata-se de um tipo de erosão microscópica deixada pela usinagem que são imperceptíveis ao olho humano. Esta rugosidade ou acabamento superficial está diretamente ligado a afiação e tipo de ferramenta utilizada. Por este motivo melhores resultados são obtidos com ferramentas de corte adequadas e afiadas com precisão para cada tipo e dureza de material a ser usinado. 2. Análise de rugosidade As superfícies dos componentes mecânicos devem ser adequadas ao tipo de função que exercem. Por esse motivo a importância do estudo do acabamento superficial aumenta à medida que crescem as exigências do projeto. Superfícies de componentes deslizantes como o eixo de um mancal devem ser lisas para que o atrito seja o menor possível. Essas exigências de acabamento não são tão rigorosas no caso das superfícies externas da tampa e da base de um mancal por exemplo (AGOSTINHO; RODRIGUES; LIRANI 2004). Os diferentes processos de fabricação de componentes mecânicos determinam acabamentos diversos nas suas superfícies. Obviamente a produção de superfícies lisas exige em geral custo de fabricação mais elevado. No entanto

2 essas superfícies por mais lisas que se apresentem visualmente apresentam irregularidades. Essas irregularidades compreendem dois grupos conhecidos de erros: erros macrogeométricos e erros microgeométricos. Os chamados erros macrogeométricos são os erros de forma verificáveis por meio de instrumentos convencionais de medição como micrômetros relógios comparadores projetores de perfil etc. Entre esses erros incluem-se divergências de ondulações ovalização retilineidade planicidade circularidade etc. Durante a usinagem as principais causas dos erros macrogeométricos são: Defeitos em guias de máquinas-ferramenta; Desvios da máquina ou da peça; Fixação errada da peça; Distorção devida ao tratamento térmico. Já os erros microgeométricos são as rugosidades superficiais que nada mais são do que de irregularidades isto é pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam uma superfície. Essas irregularidades podem ser avaliadas com aparelhos eletrônicos a exemplo do rugosímetro. A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento dos componentes mecânicos. Ela influi na: Qualidade de deslizamento; Resistência ao desgaste; Possibilidade de ajuste do acoplamento forçado; Resistência oferecida pela superfície ao escoamento de fluidos e lubrificantes; Qualidade de aderência que a estrutura oferece às camadas protetoras; Resistência à corrosão e à fadiga; Vedação; Aparência. As principais causas dos erros do tipo rugosidade são imperfeições nos mecanismos das máquinas vibrações no sistema peça-ferramenta desgaste das ferramentas e o próprio método de conformação da peça. Essa constatação é feita através da análise da grandeza a orientação e o grau de irregularidade da rugosidade. Para medida de rugosidade superficial o sistema básico de medida adotado é o da linha média M. Nesse sistema todas as grandezas da medição da rugosidade são definidas a partir do seguinte conceito de linha média: linha média é a linha paralela à direção geral do perfil no comprimento da amostragem de tal modo que a soma das áreas superiores compreendidas entre ela e o perfil efetivo seja igual à soma das áreas inferiores no comprimento da amostragem (le). A Figura 1 abaixo ilustra como funciona esse mecanismo de cálculo. Figura 1. Cálculo através do sistema M. Onde A1 e A2 são as áreas acima da linha média e A3 é a área abaixo da linha média. (1)

3 A superfície de peças apresenta perfis bastante diferentes entre si. As saliências e reentrâncias (rugosidade) são irregulares. Para dar acabamento adequado às superfícies é necessário portanto determinar o nível em que elas devem ser usinadas. Ou seja deve-se adotar um parâmetro que possibilite avaliar a rugosidade (ALVES 2002). O parâmetro de rugosidade média é denotado por R a e faz a média aritmética dos valores absolutos das distâncias h i do perfil real ao perfil médio como mostrado na Figura 2. Figura 2. Medida de R a. Já o parâmetro de rugosidade máximo R y é definido como sendo o maior dos valores de rugosidade parcial Z i que se apresenta no percurso de medição (lm). No caso da Figura 3 abaixo o maior valor parcial é Z3. (2) Figura 3. Rugosidade máxima R y definida pela rugosidade parcial (neste caso Z3). A rugosidade R z corresponde a média aritmética dos cinco valores de rugosidade parcial Z i ao longo do comprimento de medição lm. A Equação 3 a seguir mostra a relação desse parâmetro no caso ilustrado na Figura 3. (3) 2.1. Descrição experimental O principal ensaio realizado no projeto foi um teste de rugosidade em superfície. Para realizar tal experimento foi

4 necessária a utilização de um equipamento como o mostrado na Figura 4 abaixo chamado rugosímetro. Esse aparato realiza a detecção das irregularidades superficiais do material através de indutância diferencial e apresenta uma ponta de diamante a qual percorre a superfície da amostra cujo raio é de aproximadamente 5µm. Além disso esse equipamento só pode ser operado numa faixa de temperatura compreendida entre 5ºC e 40ºC para oferecer resultados confiáveis por isso a temperatura do laboratório utilizado era regulada por sistema de refrigeração a ar para garantir uma temperatura dentro dessa faixa em geral 20ºC. Figura 4. Rugosímetro. A peça analisada feita em aço foi usinada por fresamento concordante sob ação contínua de fluido de corte e seu formato ficou como mostrado na Figura 5. Como mencionado anteriormente ela possui um perfil complexo pois apresenta geometria com cristas que fazem brusca mudança de direção. Em uma dessas cristas há um raio entre a parte ascendente e descendente de 4 mm enquanto na outra não há raio o que caracteriza um canto vivo. As dimensões principais da peça são 125 mm de comprimento 565 mm de largura e altura máxima de aproximadamente 425 mm. Além disso sabe-se que sua geometria foi concebida com uma inclinação de 75º em

5 Figura 5. Modelo 3D da peça. Foram analisadas quatro regiões da peça as quais tiveram parâmetros diferentes de usinagem na parte ascendente de cada crista. Ainda para realizar o experimento foi necessário deixar a peça ligeiramente inclinada de forma que a superfície a ser analisada ficasse paralela ao sensor do rugosímetro conforme ilustra a segunda imagem da Figura 6.

6 Figura 6. Direção de medição da rugosidade. Os comprimentos de amostragem foram definidos segundo a NBR 6405/1988 como sendo 08 mm. Ainda foram feitas cinco medições ao longo de cada uma das quatro regiões para todos os parâmetros de rugosidade a saber R a R y R z e R q Resultados 1. Lateral parte canto vivo Nesse caso foram medidos parâmetros de rugosidade relacionados à parte indicada pela seta na figura ao lado. O gráfico da Rugosidade x Parâmetro de rugosidade feito com as médias e desvios padrões está mostrado na Figura 7 abaixo:

7 Figura 7. Gráfico dos parâmetros de rugosidade para a lateral parte canto vivo Lateral parte convexa

8 A figura ao lado mostra a outra superfície em que foi feita a medida de rugosidade. Novamente é apresentado o gráfico da Rugosidade x Parâmetro de rugosidade feito com as médias e desvios padrões dessa vez na Figura 8: Figura 8. Gráfico dos parâmetros de rugosidade para a lateral parte convexa 2.3. Conclusões Da análise dos gráficos das Figuras 7 e 8 constata-se a quase ausência de variação de rugosidade nas diferentes regiões de medição. Dessa forma não é possível afirmar que os diferentes métodos de usinagem utilizados neste trabalho afetam significativamente a rugosidade superficial da peça. Outros ensaios são requeridos para conclusão da qualidade de usinabilidade no caso de superfícies complexas como a aqui apresentada. 3. Agradecimentos Agradeço ao CNPq e ao meu orientador Jefferson Gomes pela oportunidade de ter meu primeiro contato na área de engenharia aplicada onde pretendo atuar futuramente. Por fim agradeço a meus pais pelo suporte dado nas minhas decisões e aos colegas do ITA pela ajuda fornecida nos momentos difíceis. 4. Referências AGOSTINHO. O L; RODRIGUES. A C S; LIRANI J: Tolerâncias ajustes desvios e analise de dimensões Ed 2004 Editora Edgard Blucher S Paulo ALMEIDA D. A. Gerência da produção. Itajubá: Universidade Federal Apostila curso de especialização em qualidade produtiva programa de pós-graduação em Engenharia de Produção. ALVES M. L. Efeito da Medição de Rugosidade na Massa de Padrões de Massa Classe F2. Rio de Janeiro p Dissertação (Mestrado em Metrologia para a Qualidade Industrial) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro LEE H. S. et al. Systematic finishing of dies and moulds. International Journal of Machine Tools & Manufacture v. 46

9 p SUN Y. W; GUO D. M; JIA Z. Y. Spiral cutting operation strategy for machining of sculptured surfaces by conformal map approach. Journal of Materials Processing Technology v. 180 p