Análise do desgaste de ferramentas no fresamento de engrenagens cônicas de grandes dimensões fundidas em aço ABNT 4140

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1 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA Cláudio Parreira Lopes Análise do desgaste de ferramentas no fresamento de engrenagens cônicas de grandes dimensões fundidas em aço ABNT 4140 São João Del Rei, 2013

2 Análise do desgaste de ferramentas no fresamento de engrenagens cônicas de grandes dimensões fundidas em aço ABNT 4140 Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Universidade Federal de São João Del Rei, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica Área de Concentração: Materiais e Processos de Fabricação Orientador: Prof. Dr. Durval Uchôas Braga São João Del Rei, 2013

3 L864a Lopes, Cláudio Parreira Análise do desgaste de ferramentas no fresamento de engrenagens cônicas de grandes dimensões fundidas em aço ABNT 4140 [manuscrito] / Cláudio Parreira Lopes f. ; il. Orientador: Durval Uchôas Braga Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de São João Del Rei. Departamento de Engenharia Mecânica. Referências: f Fresamento - Teses. 2. Avarias - Teses. 3. Engrenagens - fabricação - Teses. 4. Comando Numérico Computadorizado - CNC - Teses. 5. Corrente elétrica - Teses. I. Braga, Durval Uchôas (orientador) II. Universidade Federal de São João Del Rei. Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título CDU:

4 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Análise do desgaste de ferramentas no fresamento de engrenagens cônicas de grandes dimensões fundidas em aço ABNT 4140 Autor: Cláudio Parreira Lopes Orientador: Prof. Dr. Durval Uchôas Braga A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação: São João Del Rei, 19 de abril de 2013

5 Dedico este trabalho à minha esposa Michele, meu raio de sol.

6 Agradecimentos Agradeço primeiramente a Deus, força constante que me fez prosseguir nos momentos difíceis deste caminho, sendo meu guia, meu piloto, minha luz e meu norte durante este tempo de provação e mudança de pensamento. Agradeço também a minha esposa Michele de Cássia Fernandes Fonseca, por compartilhar os momentos de alegrias e tristezas durante o mestrado. Pela companhia e pelo carinho, dedico este trabalho a você. A minha família, Sr. Armando Lopes de Camargos, Sra. Raimunda Parreira Lopes, Sr. Jairo Antônio de Paula, Adriano Parreira Lopes, Luciana Parreira Lopes, Mateus Silva Correa, Sr. Divino José da Fonseca, Sra. Beatriz Fernandes Fonseca, Lorena Angélica Fonseca, Arnaldo de Andrade, Fernanda Fernandes Fonseca e Daniel Chaves Backer, pelo apoio e pela amizade neste período de ausência. Aos colegas da Pemill Indústria de Usinagem Ltda. que ajudaram na realização dos ensaios: Claudiney Libério de Bessa, Rômulo Nilmar de Sousa, Anderson Alessandro Diniz, Fábio Lara Amaral e Luiz Henrique de Brito. Ao amigo Edson José dos Santos pelo apoio técnico na parte elétrica. Aos amigos Paulino Salviano Filho e Edson Lemos de Sousa por terem disponibilizado os recursos necessários para realização deste trabalho. Ao Prof. Dr. Wagner Custódio de Oliveira, do Centro Federal de Educação Tecnológica Cefet Divinópolis, pela divulgação dos trabalhos em seu blog. Ao Prof. Steven Shenfield, do Centro de Cultura Britânica Red Lion Divinópolis, pela importante contribuição no aprendizado da língua inglesa. Aos colegas de mestrado Reinaldo Emílio Cruz de Jesus, Elifas Levi da Silva, Deibe Valgas dos Santos, Ana Paula Borges de Melo, Ely Wagner Ferreira Sabará e Cleiton Arlindo Martins, pelo companheirismo e pelo tempo de convivência compartilhado. Aos funcionários da Universidade Federal de São João Del Rei UFSJ, Camilo Lellis dos Santos, Emílio Dias Moreira, Mônica Maria Jaques, Prof. Dr. José Antônio da Silva, Prof. Dr. Lincoln Cardoso Brandão, Prof. Dr. Marco Antônio Schiavon, Prof. Dr. Frederico Ozanan Neves, pela experiência e dedicação demonstradas.

7 Ao Prof. Dr. José Felipe Dias e ao Prof. Antônio Lombardo, da Universidade de Itaúna UIT, que abriram as portas para meu ingresso no programa de mestrado. Em especial ao amigo Prof. Dr. Durval Uchôas Braga, da Universidade Federal de São João Del Rei UFSJ, pela dedicação e pelo comprometimento profissional. Finalmente, a todos aqueles que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

8 Resumo Técnicas não intrusivas de monitoramento são importantes aliadas para redução do descarte subjetivo de ferramentas nos processo de usinagem. Apesar da crescente utilização de equipamentos CNC nas indústrias metalmecânicas, existe a ausência de sensores integrados aos equipamentos que indiquem ao operador o momento ideal para troca da ferramenta desgastada. Assim, torna-se necessário aliar métodos diretos e indiretos de controle com o objetivo de suprir esta carência. Neste trabalho foram monitorados os sinais de corrente elétrica/potência no processo de fresamento frontal de engrenagens em máquina CNC com o intuito de correlacioná-los ao desgaste e/ou avarias apresentados. As informações coletadas formaram um banco de dados responsável pela tomada de decisão com relação ao momento ideal de substituição das pastilhas no processo. Como variáveis independentes utilizou-se dois tipos de ferramentas, três valores de velocidade de corte e quatro comprimentos de usinagem. Os dados foram tratados estatisticamente através da análise de variância (ANOVA). Por meio do contraste estatístico pode-se concluir que as ferramentas utilizadas estão sujeitas a maior ocorrência de desgastes e/ou avarias quando trabalham com menores velocidades de corte, e que os fenômenos de degradação apresentados podem ser relacionados com o aumento da corrente elétrica/potência, pelo menos em 83% dos ensaios realizados. Palavras Chave: CNC, Fresamento, Desgastes/Avarias, Fabricação de Engrenagens, Corrente Elétrica.

9 Abstract Non-intrusive monitoring techniques are important allies to reduce disposal subjective tools in machining process. Despite the increasing use of CNC equipment in the metal-mechanic industries, there is a lack of integrated sensors on equipment to indicate to the operator the ideal time to change the tool worn. Thus, it becomes necessary to combine direct and indirect methods of control in order to fill the gap. In this work we monitored the signals of current / power in the process of face milling of gears on a CNC machine in order to correlate them to wear and / or damage presented. The information collected formed a database responsible for decision making regarding the optimal time to replace the pads in the process. As independent variables, two types of tools, three values of speed of cutting and machining four lengths. The data were statistically analyzed by analysis of variance (ANOVA). By means of statistical contrast can be concluded that the tools used are subjected to higher occurrence of wear and / or damage when working at lower cutting speeds and that the phenomena of degradation presented may be linked to increased electric current / power at least 83% of the tests. Keywords: CNC, Milling, Wear / Damage, Gear Manufacturing, Electrical Current.

10 Lista de figuras Figura a) Tornofresamento; b) Fresamento de rosca; c) Fresamento trocoidal (adaptado de SANDVIK, 2011) Figura Fresamento frontal (METÁLICA, 2012) Figura a) χr = 10º; b) χr = 45º; c) χr = 90º (adaptado de KENNAMETAL, 2012) Figura Localização do diâmetro na fresa (ISCAR, 2012) Figura Diferentes valores de Dc em diferentes geometrias de ferramentas (adaptado de MITSUBISHI, 2012) Figura a) a p fresamento tangencial (adaptado de SANDVIK, 2011); b) a p fresamento frontal (KENNAMETAL, 2012) Figura a) Largura de corte fresamento tangencial; b) Largura de corte fresamento frontal (adaptado de SANDVIK, 2011) Figura Velocidade de corte no fresamento (NBR-6162, 1989) Figura Avanço por dente no fresamento (adaptado de SANDVIK, 2011) Figura Avanço por rotação no fresamento (adaptado de SANDVIK, 2011) Figura Espessura máxima do cavaco no fresamento (WALTER, 2012) Figura Espessura máxima do cavaco para χr = 90º (ISCAR, 2012) Figura Espessura máxima do cavaco em pastilhas redondas (χr < 60º) (adaptado de SANDVIK, 2011) Figura Determinação do diâmetro efetivo em fresas tipo ball (KENNAMETAL, 2010) Figura Inclinação do eixo principal da máquina (SANDVIK, 2011) Figura Corte raso (KENNAMETAL, 2010) Figura Diferentes regiões de entrada da ferramenta (adaptado de SANDVIK, 2011) Figura Danos em ferramentas de corte (adaptado de CHILDS et al. 2000)... 33

11 Figura Regiões para medição de desgastes em ferramentas (adaptado de ISO 3685, 1993) Figura Desgaste de flanco (ISCAR, 2012) Figura Desgaste de cratera (WALTER, 2007) Figura Representação gráfica de desgaste em ferramentas (DAVIM, 2008) Figura Fresamento de engrenagem em centro de usinagem CNC (HELLER GROUP, 2010) Figura a) Verificação do estado de superfície (DIGIMESS, 2012); b) Inspeção visual Figura Medição óptica Figura Medição da corrente elétrica e potência do motor (adaptado de MEASURE CURRENT, 2012) Figura Modelo de um mapa de intensidade luminosa montado a partir do sinal de emissão acústica (SOUTO, 2007) Figura Monitoramento por processamento de imagens (BARREIRO et al., 2008) Figura Centro de usinagem Travis M Figura Detalhes e dimensões do corpo de prova Figura Determinação dos comprimentos de corte Figura Montagem no microscópio Mitutoyo Figura Montagem no microscópio eletrônico de varredura Figura Projetor de perfil Digimess Figura Medição eixo coordenado X para ferramenta T Figura Transdutor digital Yokogawa Figura a) Transformador de corrente (LUKMA, 2012); b) Montagem do transdutor digital Yokogawa Figura Montagem do sistema via Transdig Figura a) Durômetro manual Time Hardness Tester; b) Pontos de medição da dureza no perfil do dente usinado Figura Valor médio do desgaste nas ferramentas Figura Superfície secundária de folga ferramenta T Figura Superfície secundária de folga ferramenta T

12 Figura Valor médio da corrente para ferramentas utilizadas Figura Aresta secundária de corte da ferramenta T1 para comprimento de corte L2; a) 80% v c ; b) 90% v c ; c) 100% v c Figura Aresta secundária de corte da ferramenta T1 para comprimento de corte L4; a) 80% v c ; b) 90% v c ; c) 100% v c Figura Aresta secundária de corte da ferramenta T2 para comprimento de corte L2; a) 80% v c ; b) 90% v c ; c) 100% v c Figura Aresta secundária de corte da ferramenta T2 para comprimento de corte L4; a) 80% v c ; b) 90% v c ; c) 100% v c... 69

13 Lista de tabelas Tabela Tabela de análise da variância Tabela Variáveis independentes Tabela Seleção das ferramentas T1 e T Tabela Variáveis dependentes Tabela Dureza em Hardness Brinell (HB) no dente da engrenagem Tabela Análise de variância para dureza Tabela Desgaste (µm) medido na superfície secundária de folga Tabela Análise de variância para desgaste na superfície secundária de folga Tabela Valores da corrente elétrica (Ampere) Tabela Análise de variância da corrente elétrica... 65

14 Lista de abreviaturas e siglas Letras Latinas A - divisão da aresta principal de corte a e - largura de corte [mm] a p - profundidade de corte [mm] Aα - superfície principal de folga A α - superfície secundária de folga B - divisão da aresta principal de corte C - divisão da aresta principal de corte d - diâmetro externo da fresa [mm] D - diâmetro do cortador [mm] Dc - diâmetro externo da fresa [mm] De - diâmetro efetivo [mm] f - avanço por rotação [mm/rot] f z - avanço por dente [mm/dente] h máx. - espessura máxima do cavaco [mm] H 0 - hipótese de nulidade H 1 - hipótese de não nulidade I - i-ésimo ic - diâmetro externo da pastilha redonda [mm] J - j-ésimo KT - profundidade do desgaste de cratera [mm] kv - kilovolt kw - kilowatt L1 - comprimento de corte 1 [mm] L2 - comprimento de corte 2 [mm] L3 - comprimento de corte 3 [mm] L4 - comprimento de corte 4 [mm] L5 - comprimento de corte 5 [mm] L6 - comprimento de corte 6 [mm] Le - comprimento da ferramenta [mm]

15 n - rotações por minuto ou velocidade do fuso N - divisão da aresta principal de corte PK - ponto de tangência [mm] R - raio da fresa redonda [mm] r ε - raio de ponta da ferramenta [mm] S - aresta de corte T1 - ferramenta 1 T2 - ferramenta 2 Th - espessura da ferramenta [mm] VB B - largura do desgaste de flanco [mm] v c - velocidade de corte [m/min] v f - avanço da mesa ou velocidade de avanço da mesa [mm/min] VI - Virtual Instrument (Instrumento Virtual) Wi - largura da ferramenta [mm] zc - número de arestas efetivas de corte Y ij - observação do i-ésimo tratamento na j-ésima unidade experimental Letras Gregas α - nível de significância ε ij - erro associado ao i-ésimo tratamento da j-ésima unidade experimental χ r - ângulo de posição [graus] µ - média geral estatística µm - micrometro T i - efeito do i-ésimo tratamento φ - ângulo de contato do dente em corte efetivo [graus] Abreviações ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas AD - Analógico Digital AlTiN - Nitreto de Alumínio Titânio ANOVA- Analysis of Variance (Análise de Variância) CAD - Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador)

16 CAM - Computer Aided Manufacturing (Manufatura Assistida por Computador) CNC - Comando Numérico Computadorizado F(calc.) - valor calculado para distribuição de Fisher F(tab.) - valor tabelado para distribuição de Fisher GL - Grau de Liberdade HB - Hardness Brinell HRC - Hardness Rockwell C HSC - High Speed Cutting HSM - High Speed Machining ISO - International Organization for Standardization Hz - Hertz MEV - Microscópio Eletrônico de Varredura MPa - MegaPascal MQL - Minimal Quantity of Lubrificant (Quantidade Mínima de Lubrificante) NBR - Norma Brasileira Regulamentadora NC - Numeric Control (Comando Numérico) QMRes - quadrado médio dos resíduos QMTrat - quadrado médio dos tratamentos rpm - Rotações por Minuto SSRes - soma dos quadrados dos resíduos SSTotal- soma dos quadrados totais SSTrat - soma dos quadrados dos tratamentos TiN - Nitreto de Titânio USB - Universal Serial Bus (Porta Serial Universal)

17 SUMÁRIO 1 - INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Processo de usinagem por fresamento Características básicas do fresamento frontal Fresamento quanto aos parâmetros de usinagem Fresamento frontal com ferramentas tipo ball Posição da ferramenta no fresamento frontal Desgastes e avarias em ferramentas Elementos causadores de desgastes e avarias em ferramentas Caracterização do desgaste em ferramentas Principais desgastes e avarias em ferramentas Características do aço ABNT Processos de produção de engrenagens Monitoramento e controle de sinais Monitoramento por sinais elétricos do motor Vantagens obtidas com a utilização de sensores de efeito Hall Análise de variância MATERIAIS E MÉTODOS Máquina, corpo de prova, ferramentas e variáveis Monitoramento dos sinais elétricos do motor Medição da dureza no corpo de prova Programação do centro de usinagem CNC Fluido de corte RESULTADOS E DISCUSSÕES Dureza das superfícies usinadas Desgastes das ferramentas Monitoramento da corrente elétrica do motor da máquina Análise qualitativa da superfície da ferramenta CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 73

18 1 - INTRODUÇÃO O processo de fresamento convencional utilizado na fabricação de engrenagens de grandes dimensões vem sendo substituído gradativamente por alternativas de manufatura assistidas por computador, executadas em máquinas CNC. A principal vantagem na utilização deste método é a fabricação de perfis com dimensões e formas variadas, sem necessidade de aquisição de ferramentas específicas. As ferramentas convencionais empregadas no processo tradicional (fresa módulo, fresa caracol) possuem valores elevados de aquisição, sendo igualmente custosas quando necessitam de reafiação e execução de nova cobertura. Quando comparadas às ferramentas intercambiáveis, as mesmas perdem em requisitos logísticos e técnicos, como dificuldades para mensurar desgastes/avarias em microscópios e projetores de perfil, geometria complexa, classe limitada de aplicação para usinagem de materiais, custos com equipamentos e ferramental dedicado, entre outros. Apesar dos constantes avanços encontrados nas atuais máquinasferramenta, ainda não é completamente possível se determinar de forma precisa o momento ideal para troca das ferramentas de corte no processo de usinagem. Por vezes, algumas características do produto/processo são utilizadas como justificativa para determinar o fim de vida da ferramenta, o que pode conduzir a uma tomada de decisão imprecisa. Baseado nestas informações torna-se necessário conhecer e avaliar o desempenho das ferramentas substituindo-as no momento ideal. No cenário fabril mundial pode-se observar que os equipamentos que empregam o princípio do fresamento, ou seja, a remoção de material por meio de ferramentas multicortantes, têm se tornado as máquinas de maior utilização e emprego. Isto ocorre devido ao seu caráter multifuncional, pois com a evolução dos equipamentos mecatrônicos, também ocorre crescente demanda na busca por soluções de usinagem. Devido à velocidade de fabricação e atendimento a curtos prazos de entrega, é importante salientar que muitas empresas não se preocupam com a utilização correta de ferramentas de corte, o que pode causar em médio prazo, significativas perdas econômicas. De nada adianta realizar investimentos em maquinário

19 19 tecnologicamente avançado quando não se dá a devida atenção para as ferramentas necessárias ao processo de fabricação. Então, é preciso criar condições de acompanhamento e determinar critérios mais rigorosos quanto ao descarte de ferramentas, principalmente quando levamos em consideração as dificuldades para gerenciar grandes lotes de fabricação e máquinas que trabalham praticamente em ciclos ininterruptos de produção. O objetivo geral deste trabalho consiste em contribuir para formação e aperfeiçoamento dos pesquisadores interessados em estudar o processo de fresamento de engrenagens em máquinas CNC, utilizando-se técnicas de investigação aliadas ao conhecimento científico. O objetivo específico consiste em correlacionar a eficiência de duas ferramentas utilizadas no processo de fresamento frontal na fabricação de engrenagens cônicas de grandes dimensões fundidas em aço ABNT 4140, em três níveis de velocidade de corte e quatro níveis de comprimento de corte, permitindo assim, sugerir uma seleção racional da ferramenta e/ou parâmetros de corte ideais.

20 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Processo de usinagem por fresamento. Atualmente o fresamento pode ser considerado o sistema de fabricação mais flexível encontrado nas indústrias de usinagem de materiais. A característica de adaptação à geometria das peças, independentemente de sua complexidade, principalmente quando se utilizam máquinas CNC, e as altas taxas de remoção de material fazem do processo um dos mais utilizados no setor metalmecânico. Podem-se encontrar inúmeras definições para o processo de fresamento, as quais convergem para uma operação de usinagem na qual a peça de trabalho é submetida à passagem de uma ferramenta rotativa cilíndrica com uma ou mais arestas de corte. O eixo de rotação da ferramenta de corte é perpendicular à direção de alimentação da peça de trabalho e a forma geométrica da superfície criada pode ser diversificada (DAVIS, 2002; DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2008; SANDVIK, 2005; STOETERAU, 2004; TRENT, 2000; YOUSSEF e EL-HOFY, 2008). A aresta da fresa pode possuir diversos formatos e suas taxas de produção são elevadas. O fresamento é uma operação de corte interrompido, onde as arestas da fresa alternam o contato com a peça durante cada rotação, criando um ciclo de força, impacto e choque térmico, sendo necessário à ferramenta suportar tais condições (GROOVER, 2010). Durante os últimos anos o processo de fresamento evoluiu lado a lado com o desenvolvimento das máquinas-ferramentas (SANDVIK, 2011). O estado da arte do processo se caracteriza pelo aumento da flexibilidade dos equipamentos com máquinas de cinco ou mais eixos, máquinas multitarefa, e pela redução dos tempos passivos referentes à troca de máquinas. Segundo Repo (2010), o número adicional de graus de liberdade de um equipamento, caracterizado pelo aumento do número de eixos da máquina, pode comprometer a rigidez do mesmo. Apesar desta limitação e, dependendo da geometria de trabalho, ainda torna-se possível executar praticamente todas as operações para conclusão de uma peça empregando-se uma única máquina.

21 21 Outra tendência do fresamento é a usinagem com menor profundidade de corte e com maior velocidade de avanço, conhecida como high speed machining (HSM) ou com maior velocidade de corte, conhecida como high speed cutting (HSC). Este processo possui alta taxa de remoção de material, baixas forças de corte, bom acabamento superficial, elevada transferência de calor na interface cavaco ferramenta, pequena distorção dimensional e baixos níveis de vibração (RODRIGUES e COELHO, 2007). Devido às altas velocidades utilizadas, a usinagem em HSC produz altas temperaturas na zona primária de cisalhamento do cavaco, induzindo a plasticidade na peça de trabalho e, portanto, diminuindo as forças de corte (ABUKHSHIM, MATIVENGA e SHEIKH 2005). A evolução das ferramentas também está ligada ao projeto e ao desenvolvimento dos materiais. Se por um lado fundição e forjamento são capazes de garantir produtos bem próximos das dimensões finais (e consequentemente com menor sobremetal), as ferramentas modernas são capazes de usinar materiais endurecidos, ligas de alta resistência e superligas. Ferramentas com cobertura multicamada, substratos e geometria de corte tecnologicamente desenvolvida também auxiliam na usinagem dos novos materiais. O fresamento básico está dividido em operações elementares, como o faceamento, fresamento de cantos, fresamento de perfis, cavidades e canais. Com o desenvolvimento das máquinas e softwares o número de operações está em constante ampliação. Novas operações são obtidas pelo fresamento, podendo citar o tornofresamento, o fresamento de roscas, a usinagem em rampa circular, o fresamento trocoidal, mostrados na Figura 2.1. a) b) c) Figura a) Tornofresamento; b) Fresamento de rosca; c) Fresamento trocoidal (adaptado de SANDVIK, 2011).

22 Características básicas do fresamento frontal. O fresamento é denominado frontal quando a posição da árvore na fresadora é perpendicular à superfície da mesa, conforme mostrado na Figura 2.2. Figura Fresamento frontal (METÁLICA, 2012). O ângulo de posição (χ r ) é o ângulo formado entre a tangente de um ponto da aresta principal de corte e a direção de avanço da ferramenta. Este afeta a espessura dos cavacos, a força de corte e a vida da ferramenta. Os ângulos de posição mais comuns são 10º, 45º e 90º, mostrados na Figura 2.3. Quando χ r = 10º, as fresas podem trabalhar com altos valores de avanço por dente (f z ) e serem utilizadas para fresamento de mergulho. Quando χ r = 45º, as forças de corte radiais e axiais possuem as melhores condições de balanceamento, porém os valores da profundidade de corte ficam limitados. Quando χ r = 90º, as forças radiais ficam orientadas na direção do avanço, permitindo usinar peças de paredes finas e com menor vibração. Nas pastilhas redondas e ferramentas com grande raio de ponta, o ângulo de posição varia entre zero e 90º, alternando a direção da força de corte ao longo do raio da aresta.

23 23 a) b) c) Figura a) χ r = 10º; b) χ r = 45º; c) χ r = 90º (adaptado de KENNAMETAL, 2012). Segundo Davim (2008), o controle rígido da geometria de corte é capaz de alterar o fluxo dos cavacos, quebrar e executar a expulsão correta dos mesmos. Quando este controle é empregado no fresamento, por exemplo, utilizando-se ângulo de posição com 45, permite que a velocidade de avanço seja ampliada em 40%, aumentando-se assim a produtividade. Também permite distribuir corretamente a temperatura na cunha de corte e influenciar o estado de tensão residual da superfície usinada. O diâmetro da fresa (Dc) é o diâmetro medido acima do ponto PK, onde a aresta de corte principal encontra a fase paralela da ferramenta, conforme mostrado na Figura 2.4. É utilizado para o cálculo da velocidade de corte (v c ) na operação de fresamento. Figura Localização do diâmetro na fresa (ISCAR, 2012).

24 24 Dependendo da geometria da ferramenta, o diâmetro da fresa (Dc) deverá ser cuidadosamente considerado. A interpretação da sua localização no arranjo da ferramenta, conforme mostrado na Figura 2.5, tem influência no cálculo da velocidade de corte real. Figura Diferentes valores de Dc em diferentes geometrias de ferramentas (adaptado de MITSUBISHI, 2012). A profundidade de corte (a p ), mostrada na Figura 2.6, contribui para o volume de metal que a ferramenta remove da peça. Alguns fatores são limitadores da profundidade de corte: tamanho da pastilha, potência da máquina, geometria da peça, entre outros. a) b) Figura a) a p fresamento tangencial (adaptado de SANDVIK, 2011); b) a p fresamento frontal (KENNAMETAL, 2012). A largura de corte (a e ), mostrada na Figura 2.7, é a distância transversal em relação à superfície que está envolvida na usinagem. Também é entendida como a largura radial da fresa envolvida no corte.

25 25 Figura a) Largura de corte fresamento tangencial; b) Largura de corte fresamento frontal (adaptado de SANDVIK, 2011) Fresamento quanto aos parâmetros de usinagem. A velocidade de corte é a velocidade instantânea do movimento de corte, no ponto de corte escolhido (NBR-6162, 1989), dada em metros por minuto (m/min) e obtida pela Expressão 2.1, em que n é a rotação do eixo árvore da máquina e d o diâmetro da fresa. No fresamento, a velocidade de corte é representada como mostrado na Figura 2.8. Figura Velocidade de corte no fresamento (NBR-6162, 1989). O avanço por dente (f z ), mostrado na Figura 2.9, é a distância linear percorrida pela ferramenta enquanto um determinado dente está em processo de corte. É dado em milímetros por dente (mm/dente). O valor do avanço por dente é

26 calculado a partir da espessura máxima recomendada para o cavaco (h máx. ) e do ângulo de posição da ferramenta (χ r ). 26 Figura Avanço por dente no fresamento (adaptado de SANDVIK, 2011). O avanço por rotação (f), mostrado na Figura 2.10, é a distância percorrida pela ferramenta durante uma rotação completa. É dado em milímetros por rotação (mm/rot). É usado nos cálculos de avanço e na determinação da capacidade de acabamento gerada pela fresa. Figura Avanço por rotação no fresamento (adaptado de SANDVIK, 2011). O número de arestas efetivas de corte (z c ) corresponde ao número de dentes que usinam simultaneamente. É utilizado para determinar a velocidade de avanço e tem influência crítica no escoamento dos cavacos e na estabilidade operacional. A velocidade de avanço (v f ), também denominada avanço da mesa, representa o movimento da ferramenta em relação à peça. É dada pela Expressão 2.2 em (mm/min).

27 27 A espessura máxima do cavaco (h máx. ) é um valor que está relacionado à produtividade. Quando localizado na faixa ideal, garante que realmente ocorre o processo de corte efetivo. Um cavaco com espessura muito baixa corresponde a um desempenho insatisfatório da usinagem; um cavaco com espessura muito alta corresponde à sobrecarga na aresta de corte, conduzindo a mesma ao colapso. Matematicamente é obtida pela Expressão 2.3 e mostrada na Figura 2.11, em que φ representa o ângulo de contato do dente em corte efetivo. Na Figura 2.12 observase a espessura máxima do cavaco em função do ângulo de posição (χ r ). Figura Espessura máxima do cavaco no fresamento (WALTER, 2012). Figura Espessura máxima do cavaco para χ r = 90º (ISCAR, 2012).

28 28 É importante salientar que a tendência de tornar a espessura do cavaco próxima do zero permite o aumento do avanço por dente em algumas condições: fresas com pastilhas de aresta reta, fresas com pastilhas redondas, fresas com pastilhas com raio de ponta grande e fresamento periférico com largura radial pequena. Nas fresas com pastilhas redondas ou pastilhas com raio de ponta grande, o melhor desempenho é obtido quando o ângulo de posição permanece abaixo de 60º. Nestes casos, a profundidade de corte possui a limitação de não exceder 25% do diâmetro da pastilha (ic), conforme mostrado na Figura As pastilhas redondas possuem melhor relação de espessura máxima do cavaco quando comparadas às pastilhas de aresta reta. Figura Espessura máxima do cavaco em pastilhas redondas (χ r < 60º) (adaptado de SANDVIK, 2011). No fresamento periférico com largura radial pequena, a espessura máxima do cavaco varia dependendo da razão entre largura fresada e diâmetro da fresa (a e / Dc). Quando esta razão é menor que 50%, a espessura mínima do cavaco é reduzida em relação ao avanço por dente (f z ) Fresamento frontal com ferramentas tipo ball. Ferramentas ball são aquelas que possuem perfil externo semelhante à forma geométrica de uma esfera ou semi-esfera. Este tipo de ferramenta é muito utilizado na usinagem de matrizes, peças com superfícies complexas, usinagem high speed, aplicadas na indústria aeroespacial e na indústria automobilística. Em função da sua forma geométrica, alguns conceitos devem ser considerados para sua utilização.

29 O diâmetro efetivo da ferramenta deve ser observado inicialmente para o cálculo da rotação do eixo árvore, conforme mostrado na Figura Figura Determinação do diâmetro efetivo em fresas tipo ball (KENNAMETAL, 2010). O diâmetro efetivo é definido como o diâmetro axial real da fresa na linha de centro da profundidade de corte, sendo afetado pelo raio de ponta da ferramenta e pela profundidade axial de corte. Matematicamente é obtido pela Expressão 2.4: O diâmetro efetivo substitui o diâmetro da fresa para o cálculo da velocidade de corte na fórmula convencional. Assim, a velocidade de corte passa a ser obtida matematicamente pela Expressão 2.5: Um inconveniente na aplicação da geometria ball são os esforços de corte presentes na região próxima ao centro da ferramenta. Como o diâmetro possui a tendência de aproximar-se de zero, a velocidade de corte também aproxima-se de zero. Esta montagem é prejudicial ao processo de corte, pois o escoamento de cavacos no centro da ferramenta é crítico devido ao espaço estreito na aresta transversal.

30 30 A fim de minimizar as tensões geradas nesta condição, sugere-se que o eixo da ferramenta seja inclinado com relação à linha de centro principal do eixo árvore da máquina, conforme mostrado na Figura O objetivo desta inclinação é de mover a zona de corte para fora do centro da ferramenta, ajudando a equalizar as cargas presentes na formação do cavaco. Figura Inclinação do eixo principal da máquina (SANDVIK, 2011). Infelizmente em muitas máquinas não é possível executar tal configuração, muito menos inclinar as peças que se pretende produzir. Assim, nas situações onde o diâmetro total da ferramenta está envolvido no trabalho de corte, deve-se selecionar um raio de ponta para ferramenta de modo a criar um diâmetro efetivo, e utilizar profundidades de corte adequadas para minimizar os esforços presentes na região próxima ao centro do inserto. Outra montagem que permite o emprego de velocidades de corte e avanço por dente maiores é o corte raso, conforme mostrado na Figura No corte raso, a profundidade de corte é menor que o raio de ponta da fresa, porém a ferramenta possui uma fase reta. Neste caso, a velocidade de corte pode ser aumentada devido ao menor tempo de contato da aresta de corte. O tempo de propagação do calor na zona de contato decai, e consequentemente, as temperaturas da aresta de corte e da peça são mantidas baixas. O avanço por dente também pode ser aumentado devido à diminuição da espessura dos cavacos.

31 31 Figura Corte raso (KENNAMETAL, 2010). O diâmetro efetivo (De), no corte raso, pode ser obtido pela Expressão 2.6: Posição da ferramenta no fresamento frontal. A formação inicial do cavaco ocorre em três regiões distintas segundo a posição da fresa, conforme mostrado na Figura 2.17: na entrada do corte, no arco de contato e na saída do corte. Na entrada do corte, a ferramenta está sujeita a tensões de compressão. Não é considerada uma região crítica, apesar de produzir cavacos mais espessos. Figura Diferentes regiões de entrada da ferramenta (adaptado de SANDVIK, 2011).

32 32 Os maiores problemas ocorrem na região de saída do cavaco. Um cavaco espesso não tem apoio no ponto final de corte, possuindo tendência a curvar-se. Essa curvatura gera uma força de tração, levando a ferramenta a apresentar quebras. Um arco de contato grande produz maior tempo de corte, e por consequência, maior calor transferido para aresta de corte. Uma maneira de se obter cavacos mais espessos na entrada do corte e cavacos menos espessos na saída do corte é o deslocamento da linha de centro entre ferramenta e peça (WALTER, 2012). Observando-se uma relação prática, é recomendado que o diâmetro da fresa seja entre 20-50% maior do que a largura de corte (a e ), e que a distância entre centros seja maior que zero para atenuar os esforços. Porém, a utilização do deslocamento entre centros não deve ser tomada como regra, pois depende exclusivamente da condição da ferramenta Desgastes e avarias em ferramentas. Os desgastes e as avariais em ferramentas, quando observados de maneira direta ou indireta, podem ser considerados como indicadores do fim de vida das mesmas. Além de alterar a qualidade superficial do produto usinado, também podem comprometer sua dimensão e sua geometria. Apesar de serem fenômenos comuns a qualquer tipo de ferramenta, desgastes e avarias são indesejáveis, no entanto, não é possível trabalhar sem eles. O termo desgaste é definido como sendo a perda contínua e microscópica de partículas da ferramenta devido à ação do corte. As outras ocorrências, que não apresentam esta característica, são definidas como avarias (DINIZ, MARCONDES e COPPINI, 2008). A avaria também é entendida como um fenômeno que ocorre de maneira repentina e inesperada, causada pela quebra, lascamento ou trinca da aresta de corte. A quebra e o lascamento levam a destruição total ou à perda de uma quantidade considerável de material da aresta de corte, sendo mais comum em ferramentas com baixa tenacidade (MACHADO et al., 2009). Estudar e entender o processo pelo qual as ferramentas se desgastam é fundamental, pois permite ações efetivas para reduzir este fenômeno, prolongando assim a vida da aresta de corte. Desgastes acelerados e avarias frequentes levam a

33 33 parada das máquinas para troca, significando custos adicionais e perda de produtividade. Segundo Barreiro et al. (2008), esta é uma questão importante para empresas que trabalham com critérios específicos de identificação e substituição de ferramentas Elementos causadores de desgastes e avarias em ferramentas. Segundo Childs et al. (2000), os danos de uma ferramenta de corte são influenciados pelos seguintes fatores: stress, temperatura da superfície da ferramenta, processo de usinagem utilizado, condições de corte da ferramenta e do material de trabalho, velocidade de corte, taxa de alimentação, presença ou não de fluido de corte e seu tipo, entre outros. As condições gerais que levam ao desgaste das ferramentas são baseadas em fenômenos químicos, abrasivos e adesivos. Estes mecanismos são classificados de acordo com a temperatura de corte, conforme mostrado na Figura Figura Danos em ferramentas de corte (adaptado de CHILDS et al., 2000). Os danos mecânicos que incluem abrasão, lascamento, quebra e fadiga são independentes da temperatura. Os danos térmicos, como deformação plástica, difusão térmica e reação química aumentam drasticamente à medida que a temperatura aumenta, porém a difusão térmica e a reação química não são causas diretas dos danos.

34 34 O desgaste abrasivo é tipicamente causado pelo deslizamento de partículas duras contra a ferramenta de corte. Estas podem ser provenientes da microestrutura metalúrgica da peça bem como das regiões externas ao corte. O desgaste por atrito ocorre numa escala maior do que o desgaste por abrasão. Antes de serem removidos pelo desgaste, as partículas ou grãos do material da ferramenta são mecanicamente enfraquecidas pela microfratura, como resultado da interação do deslizamento no processo de corte. O lascamento é causado pela carga de choque mecânico devido à flutuação da força de corte. Quando o lascamento atinge níveis elevados, conduz a aresta à fratura. A deformação plástica é observada quando a ferramenta de corte não pode suportar o esforço de compressão sobre sua ponta, devido aos altos valores de temperatura presentes. Segundo Filho e Diniz (2002), no fresamento frontal, a frequência de entrada das arestas de corte na peça é o fator predominante que influencia o desgaste e a vida da ferramenta. Além disso, a variação da velocidade de corte também tem influência na vida da ferramenta, independente da existência de uma variação na velocidade de avanço ou do avanço por dente Caracterização do desgaste em ferramentas. O desgaste da ferramenta é um processo gradual. Existem duas regiões fundamentais de desgaste em ferramentas de corte que podem ser utilizadas para medição: a superfície principal de folga e a superfície de saída (ARAKHOV, 2008). Estas regiões são caracterizadas, em sua grande parte, pelo desgaste na superfície de folga da ferramenta, dito frontal ou de flanco, e pelo desgaste de cratera na superfície de saída do cavaco da mesma. Para medição do desgaste, a aresta principal de corte da ferramenta é dividida em quatro regiões: C, B, A e N (ISO-3685, 1993), conforme mostrado na Figura 2.19.

35 35 Figura Regiões para medição de desgaste em ferramentas (adaptado de ISO 3685,1993). A largura do desgaste de flanco (VB B ) é medida perpendicular à aresta principal de corte. A profundidade do desgaste de cratera (KT) é medida entre a face original e o ponto de contato mais interno localizado na concavidade do vale Principais desgastes e avarias em ferramentas. O desgaste de flanco (ou desgaste frontal) ocorre na superfície de folga da ferramenta, conforme mostrado na Figura No fresamento é notado quando se utiliza velocidade de corte muito alta e avanço por dente pequeno. Para minimizar sua ocorrência, sugere-se o emprego de ferramentas com melhor classe de resistência ao desgaste, redução da velocidade de corte e aumento do avanço por dente. Figura Desgaste de flanco (ISCAR, 2012).

36 36 O desgaste de cratera, mostrado na Figura 2.21, é o desgaste observado na superfície de saída da ferramenta, causado pelo atrito entre ferramenta e cavaco. Seu aparecimento pode ser minimizado quando se utilizam ferramentas de metal duro com cobertura, ferramentas cerâmicas ou quando o material da peça gera cavacos curtos e frágeis. Figura Desgaste de cratera (WALTER, 2007). O desgaste de uma ferramenta também pode ser acompanhado à medida que o tempo de corte ou o percurso de usinagem cresce. Existem três regiões distintas que são observadas quando este acompanhamento é realizado de maneira gráfica (DAVIM, 2008). No gráfico da Figura 2.22 pode-se observar as regiões de desgaste de uma ferramenta. Figura Representação gráfica de desgaste em ferramentas (DAVIM, 2008).

37 37 A região I corresponde ao desgaste primário ou inicial, sendo caracterizada pelo desgaste acentuado da ferramenta em função da desagregação das camadas de revestimento e acomodação das faces de contato entre ferramenta e peça. A região II corresponde ao estado estacionário do desgaste, sendo caracterizada pela operação normal da ferramenta durante o trabalho. A região III corresponde ao desgaste acelerado, sendo caracterizada pela concentração dos maiores esforços de corte, elevadas temperaturas e vibrações. Segundo Alexandre (2005), o monitoramento da vibração da ferramenta e a utilização de redes neurais artificiais são utilizados para identificação dos diferentes estágios de desgaste de uma ferramenta, e para o estabelecimento do fim de vida da mesma no processo de usinagem Características do aço ABNT Segundo Catálogo Villares (2005), o aço ABNT 4140 é um aço de média temperabilidade, que atinge valores intermediários de dureza, resistência e tenacidade após o beneficiamento. É um aço de baixa liga que alia resistência mecânica e média usinabilidade (índice 0,55). O aço ABNT 4140 está incluído entre os aços preferenciais para construção mecânica e se caracteriza por possuir um teor de carbono geralmente situado acima de 0,38%, acrescido de elementos de liga tais como cromo, molibdênio e níquel. Na indústria de exploração de petróleo, é utilizado na fabricação de junções de tubos ou canais dotados de várias aberturas e conexões, denominados blocos manifold. Na indústria siderúrgica, é utilizado na fabricação de rolos para laminação e peças de lingotamento contínuo. Na indústria automotiva, é usado na fabricação de eixos, pinos, bielas, cabeçotes, engrenagens, pinhões, virabrequins e na indústria de geração de energia é usado na fabricação de eixos para turbinas, geradores hidráulicos e sistemas de acionamento.

38 38 Segundo Catálogo Gerdau (2003), o aço ABNT 4140 apresenta as seguintes propriedades: - Dureza: HB (laminado/normalizado); máximo 228 HB (recozido); máximo 190 HB (esferoidizado). Após a têmpera, atinge dureza entre HRC. - Temperatura de normalização: 870º C. - Temperatura de austenitização: 870º C. - Resistência a tração: 1020 MPa (após normalizado e recozido). - Limite de escoamento: 655 MPa (após normalizado e recozido). Do ponto de vista metalúrgico, a microestrutura do aço ABNT 4140 é predominantemente formada por perlita e ferrita. Quando esferoidizado possui microestrutura formada por carbonetos globulares dispersos na matriz ferrítica Processos de produção de engrenagens. Segundo Maitra (1994), para a produção de engrenagens vários processos de fabricação podem ser utilizados: fundição em areia, fundição centrífuga, metalurgia do pó, forjamento, extrusão, brochamento, entre outros. Para engrenagens de aço com grandes dimensões, os perfis são obtidos por meio de ferramentas de forma ou são produzidos por processos de geração de dentes como o Fellows, Renânia, Gleason, Klingelnberg e o processo Oerlikon. Para efeito da pesquisa é importante conhecer processos que utilizam programas específicos e dedicados, aplicados exclusivamente em máquinas controladas por comando numérico computadorizado (CNC). Segundo Oberg et al. (2008), a programação através de controle numérico (NC) é uma lista de instruções e comandos que descrevem completamente, em sequência, cada operação a ser realizada por uma máquina. Quando um programa é executado, cada instrução é interpretada pelo controlador da máquina, que faz uma ação, como iniciar ou parar um eixo, ligar ou desligar uma bomba de fluido refrigerante, mudar a velocidade de avanço ou rotação, mover a mesa ou uma ferramenta numa direção específica. Uma grande vantagem do processo CNC, se comparado aos processos convencionais antes descritos, é a produtividade e a facilidade para obtenção de perfis complexos. Nos processos tradicionais, para cada perfil de dente necessita-se

39 39 de um perfil especial de ferramenta, ou seja, todas as vezes que o perfil é modificado é necessário trocar ou comprar nova ferramenta. No processo CNC, na maioria dos casos, uma única ferramenta pode ser empregada para obter o perfil desejado. Todas as correções da geometria da peça podem ser executadas com auxílio de softwares CAM, tornando o projeto e a manufatura mais versáteis. Na figura 2.23 observa-se um centro de usinagem CNC utilizado no processo de fabricação de uma engrenagem helicoidal. Figura Fresamento de engrenagem em centro de usinagem CNC (HELLER GROUP, 2010) Monitoramento e controle de sinais. Segundo Davis (2002), nos primeiros trabalhos de usinagem o processo de detecção de falhas em ferramentas era exclusivamente dependente do fator humano. Não existiam interfaces que fossem capazes de fornecer dados confiáveis a respeito do estado de utilização de uma máquina ou de um ferramental, tampouco existiam técnicas de manutenção com esta finalidade. Em função do desenvolvimento industrial, as demandas de produção cresceram. Máquinas e ferramentas mais eficientes foram introduzidas gradualmente nas linhas de produção e, apesar do aumento na eficiência das máquinas, a capacidade do operador para responder eventos inesperados tornou-se bastante limitada.

40 40 Máquinas modernas podem trabalhar com rotações de até rpm e executar avanços rápidos numa velocidade de até 500 milímetros por segundo. Neste contexto, a necessidade de detecção e monitoramento tornou-se essencial, pois não existem condições físicas ao homem de monitorar estas grandezas subjetivamente. Assim, as máquinas passaram a ser dotadas de mecanismos capazes de prever falhas, evitando o colapso dos sistemas de manufatura. Observa-se que o grau de sofisticação desta tecnologia tornou-se hoje muito evidente, com máquinas monitoradas praticamente 90% do seu tempo de uso. Há uma década, este valor raramente ultrapassaria 60% destes mesmos tempos. Segundo Su (2010), uma característica desejada para os sistemas atuais é a capacidade de detectar eletronicamente o momento no qual uma ferramenta está excessivamente gasta e alertar sobre falhas iminentes da mesma, promovendo o uso racional dos recursos. Apesar dos inúmeros esforços realizados, ainda não foi estabelecido um padrão de monitoramento que pudesse ser aplicado amplamente pelas indústrias. Isso ocorre devido à complexidade dos fenômenos do processo de usinagem e à grande diversidade dos métodos de monitoramento existentes (AIZED, 2010). O monitoramento pode ser definido como o estado que envolve a medição, o processamento e a análise de sinais. As características dos sinais medidos devem ser conhecidas, a fim de selecionar métodos adequados para o processamento e análise dos mesmos (BOTSARIS e TSANAKAS, 2008; MANYAM, 2009; REPO, 2010). Segundo Elbestawi e Dumitrescu (2006), o monitoramento pode ser dividido em dois tipos básicos: monitoramento direto e monitoramento indireto. As técnicas diretas possuem maior precisão na determinação do fracasso do ferramental, entretanto, ocasionam a parada da produção. Através das técnicas diretas é possível realizar análise da ferramenta ou da superfície da peça de trabalho no final de cada ciclo de usinagem. Métodos de análise básicos incluem a verificação do estado de superfície (perfilômetros, rugosímetros), inspeção visual, medições ópticas, análise do tamanho e forma do cavaco, entre outros.

41 41 A principal desvantagem destes métodos é que qualquer deterioração significativa que ocorra entre as medições, quando não percebida, causará posteriormente um dano potencial à máquina e/ou à ferramenta. Nas Figuras 2.24 e 2.25 observam-se alguns exemplos de técnicas de medição direta. a) b) Figura a) Verificação do estado de superfície (DIGIMESS, 2012); b) Inspeção visual. Figura Medição óptica. As técnicas indiretas usam variáveis correlacionadas com os sinais do processo para monitorar as possíveis falhas das ferramentas. Estas técnicas podem ser aplicadas continuamente durante a usinagem, sendo inclusive utilizadas para criação de algoritmos de monitoramento on-line.

42 42 São exemplos de técnicas indiretas a medição das forças de corte, medição da corrente e potência do motor do eixo árvore, medição da temperatura na região de corte, sensores de presença, análise de vibração e ruído, ultra-som, emissão acústica, entre outras. Na Figura 2.26 observa-se um exemplo de técnica de medição indireta. Figura Medição da corrente elétrica e potência do motor (adaptado de MEASURE CURRENT, 2012). Segundo Botsaris e Tsanakas (2008), existe uma tendência óbvia entre os pesquisadores no sentido de aplicar métodos indiretos, devido à sua característica não intrusiva. A utilização de sensores externos de monitoramento nem sempre é prática, uma vez que acrescenta complexidade para o arranjo geral da usinagem (REPO, 2010). Os sensores para monitoramento direto devem ser montados nas imediações da peça, ficando expostos ao calor e aos cavacos e fluidos refrigerantes, o que pode afetar sua integridade e comprometer a qualidade das medições. A fim de funcionarem perfeitamente, os sensores externos também necessitam de manutenção adicional e frequente calibração.

43 43 Uma maneira de contornar estes problemas seria a utilização do monitoramento indireto, para coleta dos sinais disponíveis na máquina sem efetuar mudanças significativas no layout. Técnicas de monitoramento indireto também podem utilizar transferência de dados por meio de fibra óptica em operações de corte interrompido, como no fresamento. Este método consiste em verificar a capacidade de resposta da aresta de corte da ferramenta ao estímulo, que vai se alterando à medida que a mesma sofre desgaste (SU, 2010). Souto (2007) executou o monitoramento do fresamento por meio de sinais de emissão acústica e mapas de intensidade luminosa. Os resultados obtidos pelo autor demonstraram erros de batimento e insertos com diferentes níveis de desgaste. Segundo Souto (2007), a técnica de monitoramento através de mapas consegue identificar a energia contida no impacto dos insertos e o momento do lascamento da aresta de corte da ferramenta. Na Figura 2.27 observa-se a utilização deste tipo de técnica. Figura Modelo de um mapa de intensidade luminosa montado a partir do sinal de emissão acústica (SOUTO, 2007).