ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PASTILHAS DE METAL DURO WIPER E STANDARD NO PROCESSO DE TORNEAMENTO DE FERRO FUNDIDO NODULAR

Transcrição

1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PASTILHAS DE METAL DURO WIPER E STANDARD NO PROCESSO DE TORNEAMENTO DE FERRO FUNDIDO NODULAR Marcos de Souza, marcos.souza@sc.senai.br¹ Claudinei Haag, claudinei.haaag@sc.senai.br¹ José Mário Fernandes de Paiva Junior, josemario@sc.senai.br¹ Nilton Manoel Lacerda Adão, niltonlacerda@sc.senai.br¹ Kelly Patrícia Dias, kelly.dias@sc.senai.br¹ 1 Faculdade de Tecnologia SENAI Joinville, Rua Arno Waldemar Döhler, 957. Joinville SC. Resumo: O objetivo deste trabalho é avaliar a rugosidade superficial, obtida por meio de ensaios de usinagem do ferro fundido nodular, utilizando pastilhas de metal duro standard e wiper. Para tanto, dois corpos de prova foram usinados com os mesmos parâmetros de corte (profundidade, velocidade de corte e avanço) para identificar a partir de que momento, se dá a diferenciação de rugosidade entre as duas pastilhas. Tomou-se como referencial, o cálculo teórico da pastilha standard. A partir dos resultados obtidos nos ensaios, pode-se concluir que a usinagem do ferro fundido nodular com pastilhas standard apresenta um crescimento da rugosidade conforme o avanço aumenta. Na usinagem com pastilhas wiper os valores da rugosidade são semelhantes aos da pastilha standard, entretanto, o avanço utilizado é menor. À medida que o avanço aumenta, os valores de rugosidade são menores que os das pastilhas standard. Na comparação entre as duas pastilhas estudadas, define-se que utilizando pastilhas wiper é possível diminuir o tempo de usinagem e manter a qualidade superficial. Palavras-chave: torneamento, ferro fundido nodular, rugosidade superficial, pastilhasl wiper, pastilhas standard. 1. INTRODUÇÃO O progresso da indústria está associado aos avanços tecnológicos. Na indústria metal mecânica, a evolução das máquinas operatrizes e dos materiais para ferramentas de corte possibilitam o alto desempenho, além da boa resistência ao desgaste da ferramenta. Esse avanço serve para suprir as exigências impostas por um mercado altamente competitivo. A otimização dos parâmetros de usinagem de acordo com a seleção adequada do inserto tem sido uma das principais alternativas empregadas na atualidade. Para definir o melhor inserto, deve-se considerar o material que está sendo usinado bem como as características da geometria da ferramenta. Destarte, o presente artigo trata desta perspectiva através da utilização de pastilhas com tecnologia wiper no processo de torneamento, quantificando a partir de que faixa de avanço o efeito alisador da tecnologia wiper tem efeito em relação a pastilha standart. Como referência para discutir este ganho de produtividade utilizou-se o cálculo teórico da rugosidade média e máxima em comparação com os resultados obtidos no experimento, que avaliou a rugosidade no processo de torneamento do ferro fundido nodular. Assim, pode-se definir como objetivo deste artigo a avaliação da rugosidade superficial com pastilhas de metal duro, standard e wiper, no processo de torneamento do ferro fundido nodular. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O processo de fundição é um dos métodos de fabricação mais antigos que existem. Civilizações de aproximadamente 4000 a.c. já utilizavam esta técnica para desenvolver seus produtos. Segundo Pires (2006) o processo de fundição iniciou-se com a fundição de cobre, seguindo com o bronze e posteriormente com a fundição do ferro. Atualmente, os ferros fundidos mais utilizados são: ferro fundido cinzento, ferro fundido branco, ferro fundido maleável, ferro fundido vermicular e ferro fundido nodular (Pires, 2006). Os ferros fundidos juntamente com os aços são os materiais mais utilizados pela indústria e a composição química de cada tipo de ferro fundido é primordial para a sua aplicação. De acordo com a composição química os ferros fundidos são classificados observando o teor de cada tipo de elemento. Segundo Callister (1999) os ferros fundidos formam uma classe de ligas ferrosas que possui teores de Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

2 carbono 2,14%, na prática, contudo, a maioria dos ferros fundidos contém entre 3,0% e 4,5% de carbono [...]. Com esse alto índice de carbono, o ferro fundido torna-se um material muito frágil e precisa de outros elementos na sua composição. Mesmo assim, o carbono é um dos elementos mais importantes na estrutura do ferro fundido. Segundo Telles (2007) o carbono determina a quantidade de grafita. No ferro fundido nodular o carbono está presente na forma esferoidal. Já o silício é o elemento que tem a função de grafitizacão que por sua vez melhora a usinabilidade do material. Carneiro (2005) alega que a principal influência do silício na composição do ferro fundido e o deslocamento da composição do eutético. O ponto eutético é formado com porcentagens menores de carbono à medida que o teor de silício aumenta. Isso significa que, ao fundir-se, o silício dará equilíbrio no sistema fundido. Para se obter o ferro fundido nodular, o ferro cinzento passa por uma modificação na sua composição química ainda no estado líquido. Segundo Pires (2006) o ferro fundido nodular de grafita esferoidal é obtido por tratamento do banho líquido com uma pequena adição de magnésio, inferior a 0,05%. Assim, o ferro nodular apresenta características tecnológicas superiores aos ferros fundidos cinzentos. A forma esferoidal da grafita provoca uma resistência plástica superior comparado com os outros ferros fundidos. A Figura 1 apresenta a microestrutura do ferro nodular e mostra como a grafita está distribuída. Figura 1. Microestrutura do ferro fundido nodular (Consalter; Guedes; Pury, 1987) Observar-se na micrografia da figura 1, uma microestrutura distribuída com os nódulos de grafita numa matriz predominantemente ferritica. Em estudos realizados por Hasse (1996) foi possível constatar que em ferros fundido nodular, é possível que o material apresente uma distribuição na sua microestrutura, caracterizada por nódulos ou esferas de grafita. A matriz metálica, que envolve estas partículas, pode ser ferrítica ou perlítica, ou ainda uma mistura destes dois, dependendo do tratamento térmico dado. As peças manufaturadas com este material são muito mais dúcteis e resistentes do que as produzidas em ferro fundido cinzento. O ferro fundido nodular possui características mecânicas próximas ao do aço. Teles (2007) afirma que genericamente, os ferros fundidos são tidos como materiais que apresentam uma boa usinabilidade, principalmente os cinzentos e nodulares de menor dureza e resistência. A usinabilidade dos ferros fundidos é definida a partir da distribuição de seus elementos químicos. Como a grafita está presente em sua matriz o ferro fundido nodular apresenta uma boa usinabilidade. Segundo Diniz (2003) usinabilidade pode ser definida como uma grandeza tecnológica que expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de propriedades de usinagem de um material em relação a outro tomado como padrão. Para se obter uma boa usinabilidade, fatores devem ser levados em consideração, como a dureza do material, estrutura do equipamento, as características da ferramenta de corte devem ser apropriadas para a usinagem. Analisando o quesito ferramentas de corte Diniz (2003) identifica que não existe uma classificação geral de materiais para ferramentas. Entretanto, tomando em conta suas características químicas os materiais para construção de ferramentas de corte podem ser agrupados em aços rápidos, aços rápidos com cobertura, metal duro, metal duro com cobertura, cerâmicas, nitreto cúbico de boro e diamante (Diniz, 2003). Aliando-se ao aspecto da ferramenta é fundamental discutir as grandezas de corte que para Ferraresi (2003) devem ser ajustadas direta ou indiretamente durante o processo de remoção de cavaco. Dentre as grandezas que abordam o referido estudo destaca-se o avanço (f), que é a grandeza do movimento de avanço, dado em milímetro por rotação ou curso (Stemmer, 2001). Avanço de corte (fc): de acordo com Diniz (2003) é a distancia entre duas superfícies consecutivas em usinagem, medida no plano de trabalho e perpendicular a direção de corte. O aumento do avanço de corte caracteriza um aumento da rugosidade na superfície usinada. Telles (2007) afirma que o ferro fundido nodular apresenta uma boa resistência ao impacto. Este fato se deve à forma esferoidal da grafita que evita a propagação de trincas. Além disso, as pecas fabricadas com ferro fundido nodular podem suportar cargas equivalentes às pecas feitas de aço. Além dessas características as peças de ferro fundido nodular são mais leves que as de aço. Considerando a influência da grandeza do avanço sobre a rugosidade da peça, este estudo avalia justamente a relação com o raio de ponta das ferramentas de corte em duas situações distintas de geometria: standard ou convencional e wiper. As diversas geometrias das pastilhas estão cada vez mais se aperfeiçoando para um melhor desempenho no momento da usinagem. No entanto, um estudo no raio de corte das pastilhas ajuda a melhorar o

3 desempenho da pastilha. Segundo Sandvik (2008) as pastilhas wiper são pastilhas inovadoras de alta produtividade para torneamento de acabamento e semi-acabamento. A execução de uma pequena alteração na geometria da ferramenta geralmente no raio de canto da pastilha, para que os parâmetros de avanço possam ser dobrados sem prejudicar o acabamento superficial. Camargo (2002) afirma que a sua concepção esta centralizada na geometria da ponta, que ao invés de ter um raio de ponta re normal, trata-se de uma ponta composta de raios e de faces planas como mostra a Figura 2. Com essa inovação tecnológica pode-se obter um ganho em produção com a mesma qualidade superficial. Figura 2. Comparação de geometria convencional (a) e geometria no formato wiper (b) - Grzesilk e Wanat (2006) Conforme Novaski (1994) a rugosidade ou textura primária é formada por sulcos ou marcas deixadas pela ferramenta que atuou sobre a superfície da peca e se encontra superposta ao perfil de ondulação. Essas marcas se dão quando a máquina ferramenta está usinando um material com uma ferramenta de corte. Novaski (1994) ainda afirma que a ondulação ou textura secundária e o conjunto das irregularidades repetidas em ondas de comprimento bem maior que sua amplitude surgida por imprecisões de movimentos dos equipamentos. As ondulações podem ser caracterizadas por vibrações vindas da máquina ferramenta no momento de usinagem. Os sulcos ou marcas deixadas pela ferramenta podem ser mensurados por diferentes parâmetros de rugosidade. Os mais utilizados na indústria são o R a, R z e o R y. Para este estudo foram utilizados os parâmetros R a e R y. Gadelmawla et al (2002) apud Brunetti (2008) a rugosidade média, R a, é definida como a média aritmética dos valores absolutos dos desvios das alturas do perfil, [...], a partir de uma linha média. Esta grandeza pode ser representada como sendo a altura de um retângulo, cuja área é igual a soma absoluta das áreas delimitadas entre o perfil de rugosidade a linha média, tendo por comprimento, o percurso de medição. A Figura 3 mostra a linha média dentro de um percurso de medição (lm) em uma amostragem de rugosidade média (Ra). Figura 3. Definição gráfica do parâmetro Ra Brunetti (2008) De acordo com Camargo (2002) o valor de R a pode ser expresso em µm (sistema métrico) ou µinch (sistema inglês) e a resolução dos rugosimetro e geralmente de 0,1 µm (10 µinch) ou 0,01 µm (1 µinch). Os valores obtidos são importantes para controlar o acabamento superficial. Segundo Novaski (1994) rugosidade media (R z ) é a medida aritmética dos 5 valores da rugosidade parcial (Z i ). Os cinco valores aparecem quando se obtém o percurso de medição. A Figura 4 mostra como os cinco valores estão distribuídos dentro de um percurso de medição. O parâmetro R y, também denominado R max, representa o maior valor das rugosidades (Z i ) que se expressa dentro de um percurso de medição (lm) (Novaski,1994) que pode ser observado na Figura 4 que mostra o esquema de medição dentro de um percurso de medição (lm).

4 Figura 4. Parâmetros de rugosidade Rz, Rmax e percurso de medição Novaski (1994) O percurso de medição segundo Camargo (2002), é a extensão do trecho útil do perfil da rugosidade usado diretamente na avaliação, projetado sobre uma linha média. Sempre que se inicia a medição com o rugosímetro, o percurso inicial é o mesmo. Conforme estudos (Camargo, 2002) este percurso inicial representa a extensão da primeira parte do trecho apalpado, mas que não é utilizado na medição, projetado sobre a linha média. Neste experimento investiga-se a variação da rugosidade entre pastilhas standard e wiper e toma-se como referência o cálculo teórico dos parâmetros de rugosidade R a e R y. A Equação 1 apresenta a forma do cálculo para o parâmetro R a e a Equação 2 apresenta a forma para o cálculo do parâmetro R y. Tanto R a quanto R y são representados em mícrons (µm). O avanço (f) é representado em mm/rot e o raio de ponta da pastilha (rε) em mm. f 2 50 Ra (1) r 2 f Ry 8 r (2) Como a rugosidade teórica apresenta os valores de referência para o experimento, a Tabela 1 expressa estes valores baseando-se em diferentes valores para os avanços. Tabela 1. Valores teóricos de rugosidade em parâmetros R a e R y Brunetti (2008) Avanço (f) Raio da ponta (mm) Rugosidade (mm/volta) (Rε) R a (µm) R y (µm) 0,18 0,8 2,025 5,0625 0,25 0,8 3, , ,3 0,8 5,625 14,0625 0,45 0,8 12, , ,6 0,8 22,5 56,25 0,8 0, Estes avanços foram padronizados para o estudo em questão, tanto para o cálculo teórico da rugosidade quanto para o experimento com a pastilha standard e wiper. 3. MATERIAIS E MÉTODOS O desenvolvimento dos ensaios foi realizado com dois corpos de prova de ferro fundido nodular nas dimensões de 76,2mm de diâmetro por um comprimento de 100 mm. A máquina utilizada para os ensaios foi um torno CNC Romi modelo GL240 com 20cv de potência. Para a realização dos ensaios foi utilizado um porta ferramenta com ângulo de posição de 95º conforme a codificação padrão ISO 5608/1980E, cujo código é PWLNL2020K06. As pastilhas intercambiáveis que foram utilizadas eram na versão standard e versão wiper com ângulo de ponta de 80º conforme padrão ISO 1832/1991 na codificação WNMG M3,TP2500 e WNMG060408W M3,TP2500, respectivamente, sendo ambas fornecidas pela empresa Seco Tools. Como parâmetros de corte para o experimento, foram considerados uma velocidade de corte constante de 350m/min e uma profundidade de corte (ap) de 2,0mm, o avanço por volta foi incrementado a cada dois passes sendo repetidos para cada processo. O objetivo do ensaio não era controlar desvios nas dimensões lineares da peca após a usinagem. Por esse motivo apenas o rugosímetro foi utilizado no experimento para efetuar os registros de medição da rugosidade. O modelo do rugosímetro usado foi o MITUTOYO 5J 201 P. Os parâmetros de medidas utilizados foram R a e R y.

5 4. RESULTADOS Em intervalos de dois passes para cada avanço selecionado foi realizada a leitura da rugosidade. A Tabela 2 mostra os valores resultantes do experimento utilizando a pastilha standard. Tabela 2. Valores da rugosidade com pastilhas standard Avanço (f) mm/volta R a (µm) R y (µm) 0,18 0,8 5,95 0,25 1,81 8,75 0,3 1,94 9,56 0,45 5, ,6 7,01 32,54 0,8 16,75 56,54 A Tabela 3 mostra os valores resultantes no experimento utilizando a pastilha wiper. É perceptível a mínima variação de rugosidade no parâmetro R a para a faixa de avanço 0,18 mm/rot e 0,25 mm/rot. Para a rugosidade com o parâmetro R y a variação para esta mesma faixa de avanço representou em média 6%. À medida que o avanço foi aumentando a diferença entre a pastilha standard e wiper também foi aumentando Tabela 3. Valores de rugosidade com pastilhas wiper Avanço (f) mm/volta R a (µm) R y (µm) 0,18 0,78 5,38 0,25 1,81 8,62 0,3 1,19 8,24 0,45 1,55 9,96 0,6 1,31 8,32 0,8 2,67 14,98 A usinagem do ferro fundido nodular com a pastilha standard mostra um crescimento da rugosidade conforme o avanço aumenta. A utilização de uma profundidade de corte (ap) de 2 mm pode afetar na rugosidade através de vibrações ocasionas pelo esforço de corte ou pela estrutura do equipamento. A Figura 5 mostra como a superfície usinada ficou após ser usinada com avanço de 0,8 mm/volta, resultante da vibração ocorrida na usinagem. Figura 5. Superfície usinada com pastilha standard utilizando um avanço de 0,8 mm/rot. Há um crescimento muito elevado do valor da rugosidade entre os avanços de 0,6 mm/rot e 0,8 mm/rot na pastilha standard como pode ser observado na Figura 6. Esse crescimento tem relação com o raio do gume cortante que é de 0,8 mm. Quando o valor do avanço ultrapassa a metade do valor do raio do gume cortante há um aumento da rugosidade. Outro fator que pode ocasionar vibrações é que quanto maior for o raio de ponta do gume cortante maior é o contato entre ferramenta e peça. As vibrações também ocorreram nos ensaios com a pastilha wiper quando o avanço utilizado foi de 0,8 mm/rot, no entanto não houve um crescimento elevado da rugosidade como o que ocorreu com a pastilha standard para este mesmo intervalo de avanço como indica a Figura 6.

6 Figura 6. Gráfico comparativo do R a para pastilhas standard e wiper Os valores obtidos através do cálculo de rugosidade de R a são teóricos (tabela 1) e podem ser considerados como base para a determinação do valor do avanço correto. Conforme o gráfico da Figura 7a o R a teórico com avanço de 0,3mm/volta apresenta uma rugosidade de 5,62µm. Já o Ra da ferramenta Standard com avanço de 0,3mm/volta apresenta uma rugosidade de 1,94µm. Uma diferença onde o R a teórico apresentou-se 200% maior que o R a medido. A pastilha wiper com avanço de 0,6 mm/volta apresentou uma rugosidade de 1,31µm em quanto que a Standard com avanço de 0,3 mm/volta apresentou uma rugosidade de 1,94µm. O valor real ganho com a pastilha wiper na rugosidade R a representou uma redução de 32% e um ganho de 100% na produtividade. Os valores obtidos através do cálculo da rugosidade R y também estão muito altos se comparado com os resultados obtidos através da leitura na região usinada como mostra a Figura 7b. (a) (b) (b) Figura 7. Gráficos comparativos R a (a) e R y (b) para cálculo teórico, pastilhas standard e wiper Através dos gráficos apresentados observa-se que tanto o R a como o Ry medidos na superfície usinada com pastilhas wiper demonstram uma variação muito pequena e muito menor com o aumento do avanço. Com base nos dados obtidos, é possível afirmar que a redução da rugosidade através da tecnologia wiper fica comprovadamente indiscutível. O aspecto importante a destacar é a partir de qual faixa de avanço a tecnologia wiper tenha sua eficiência demonstrada. Isto ocorre com um avanço superior a 0,3 mm/rot quando a fase alisadora começa a atuar. 5. CONCLUSAO Como observado há uma distância muito grande sobre o cálculo teórico da rugosidade e os resultados colhidos no experimento, o que demonstra que o cálculo pode representar um índice confiável de segurança no sentido de se preservar um determinado nível de rugosidade. Neste sentido o aumento ocorrerá um aumento no tempo de processo, pois a tendência será de se operar com uma faixa de avanço mais baixa. 6. REFERÊNCIAS BRUNETTI, Cristiano. Efeitos da preparação de corpo de provas na vida em fadiga de contato de rolamento de ferro fundido nodular austemperado p. dissertação (mestrado) Universidade Tecnológica do Paraná. Programa de pós-graduação em engenharia mecânica e de materiais. Curitiba 2008.

7 CALLISTER Jr., William D. Ciência e Engenharia de Materiais. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, CAMARGO, Robson de. Rugosidade superficial nas operações de torneamento. Santa Bárbara d Oeste CARNEIRO, Paulo Augusto Osório. Metalografia e tratamento térmico II. Ferro fundido. Rio de Janeiro, Disponível em: CONSALTER, L. A. ; GUEDES, L. C. ; PUREY, J. A.. Usinabilidade de ferros fundidos. Fundição e Matérias Primas, Sao Paulo, n. 84, p , DINIZ, Anselmo Eduardo; MARCONDES, Francisco Carlos; COPPINI, Nivaldo Lemos. Tecnologia da usinagem dos materiais. 4 ed. São Paulo: Artliber, FERRARESI, Dino. Fundamentos da usinagem dos metais. São Paulo: Edgard Blucher LTDA GRZESIIK, W. and WANAT, T., 2006, Surface finish generated in hard turning of quenched alloy steel parts using conventional and wiper ceramic inserts, Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 46, pp HASSE, S.: Ductile Cast Iron: Handbook for Producers and Appliers of Casting. Original in German. Schiele & Schön, Berlin, NOVASKI, Olívio. Introdução à Engenharia de Fabricação Mecânica. São Paulo: Edgard Blucher PIRES, Amandio da Cruz. Desenvolvimento de ligas de ferro fundido cinzento para a fabricação de cilindros secadores utilizados em máquinas de produção de papel p., Dissertação (mestrado)-universidade São Francisco, Pós-graduação strictu sensu em Engenharia e Ciências dos Materiais, Itatiba SANDVIIK do Brasil. Manual técnico de usinagem. São Paulo. STEMMER, Caspar Erich. Ferramentas de corte I. 5 ed. Florianópolis: Editora da UFSC TELES, Jose Marcelo. Torneamento de ferro fundido nodular ferritizado com nióbio utilizando ferramentas de metal duro p. Dissertação (Mestrado) Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá. Itajubá DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

8 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil COMPARATIVE STUDY OF IN INSERTS WIPER AND STANDART IN THE PROCESS OF TURNING NODULAR CAST IRON Marcos de Souza, marcos.souza@sc.senai.br¹ Claudinei Haag, claudinei.haaag@sc.senai.br¹ José Mário Fernandes de Paiva Junior, josemario@sc.senai.br¹ Nilton Manoel Lacerda Adão, niltonlacerda@sc.senai.br¹ Kelly Patrícia Dias, kelly.dias@sc.senai.br¹ 1 Institution and address for third author Abstract. The aim of this study was to evaluate the surface roughness, obtained by testing the machining of ductile iron using standard carbide inserts and wiper. To this end, two billets were machined with the same cutting parameters (depth, cutting speed and feed) to identify at what happens when the differentiation of roughness between the two pads. For that, we took as reference the theoretical calculation of the standard insert. The results from the tests, it can be concluded that the machining of ductile iron with standard inserts is growing with increasing roughness increases. When machining with wiper inserts the values of roughness are similar to standard insert when the advance used is less; as the progress increases, the roughness values decrease when compared to the first case. Using wiper inserts can reduce machining time and keep the surface Keywords: turning, ductile iron, surface roughness, wiper inserts Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011