Construção de Dispositivos para Medição para Forças de Usinagem em Processo de Furação

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1 Construção de Dispositivos para Medição para Forças de Usinagem em Processo de Furação P. R. P. Pinto Filho H. A. B. Sanches I. F. Machado 1. RESUMO O trabalho objetiva o projeto e a construção de um dispositivo capaz de avaliar esforços de usinagem no processo de furação de materiais metálicos. Para a construção do dispositivo de medição foi utilizada uma base de alumínio equipado com extensômetros, que enviam sinais que são obtidos por um sistema de aquisição de dados. Foi analisado o correto posicionamento dos extensômetros, estudando a distribuição de deformações no material e depois procedendo à montagem. Após a montagem foi construída uma curva de calibração para relacionar as deformações durante o processo de furação com os esforços de usinagem. Posteriormente serão relacionados os esforços de usinagem com as características mecânicas dos corpos-de-prova. Palavras-chave: furação, usinagem, extensometria, forças de corte, aquisição de dados. RESUMEN Este trabajo tiene como objetivo el diseño y la construcción de un dispositivo capaz de evaluar los esfuerzos en el maquinado durante el proceso de taladrado de materiales metálicos. Para la construcción del dispositivo de medición de fuerzas fue utilizada una base de aluminio equipada con extensómetros que envían las señales obtenidas al sistema de adquisición de datos. Se analizó el correcto posicionamiento de los extensómetros, estudiando la distribución de deformaciones en el material y luego se realizó el montaje. Después del montaje fue construida una curva de calibración para relacionar las deformaciones durante el proceso de taladrado con los esfuerzos de maquinado. Posteriormente serán relacionados los esfuerzos de maquinado con las propiedades mecánicas de las probetas. 17

2 2. INTRODUÇÃO O estudo dos processos de usinagem se mostra mais importante atualmente. E isso devido a busca pela otimização nas linhas industriais de fabricação. Para tal, é necessário o desenvolvimento de sistemas que nos permitam quantificar parâmetros fundamentais a esses processos. Em especial, um método importante por ser eficiente, de simples montagem e de baixo custo é a medição de forças de corte através de dispositivos equipados com sensores do tipo extensômetros. O projeto do dispositivo deve gerar as máximas deformações de forma a facilitar e amplificar as medições. O projeto para o dispositivo de furação iniciou-se com o cálculo estrutural dos esforços os quais o dispositivo estaria exposto, e passou-se para a escolha do material da base. Ele deveria ser resistente o suficiente para suportar as forças durante a usinagem e para fixar bem o conjunto, e elástico o suficiente para amplificar as tensões, que seriam captadas pelos extensômetros. Escolheu-se o alumínio, que além de apresentar as características desejadas, é um metal leve, o que facilitaria o transporte do dispositivo. A seguir, buscou-se um cilindro de alumínio que correspondesse com o diâmetro mínimo de projeto. Passado essa fase, iniciou-se a fabricação do mesmo. O primeiro problema foi a fixação do corpo-de-prova no dispositivo. O sistema pensado inicialmente, baseado no uso de braçadeiras, mostrou-se ineficaz, pois não foi possível deformar as paredes de alumínio o suficiente para tensionar a peça. Enquanto pensavase nesse problema, passou-se para a colagem dos extensômetros, onde encontramos outro problema, o posicionamento dos mesmos. Tal problema foi resolvido com o uso do riscador, com que se marcou as posições corretas. Foram perdidos alguns extensômetros, pois a superfície lisa da base não estava se mostrando eficaz para a colagem. O problema foi solucionado com a lixamento das paredes com uma lixa com granulação maior. Para a fixação do corpo-de-prova, foi decidido o uso de chavetas. Para tal, fez-se oito rasgos passantes nas paredes do cilindro superior do dispositivo, e rasgos superficiais (com aproximadamente 2mm de profundidade) no corpo-de-prova. Placas pequenas e finas de aço são utilizadas. Esse procedimento garantiu ótima fixação contra a rotação da peça, além de transmitir de maneira homogênea as tensões para os sensores instalados na base inferior do cilindro. 18

3 3. OBJETIVOS Os objetivos deste trabalho são: projetar, instrumentar, calibrar, testar e colocar disponível para ensaios um dispositivo munido de extensômetros, para ser usado em furadeiras industriais, onde esse dispositivo estará ligado a um sistema para aquisição dos dados, de forma a avaliar as forças resultantes da furação em corpos-de-prova de um aço utilizado em construção mecânica (ABNT 1045) após diferentes tratamentos térmicos; além disso, desenvolver uma metodologia de ensaios que visa aprimorar o conceito de usinabilidade, relacionando-o com parâmetros que permitam avaliá-lo, e relacioná-lo de forma mais precisa com as propriedades mecânicas e com a microestrutura do material usinado. 4. MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 Forças de usinagem A força de usinagem no processo de furação é dada pela resultante dos esforços que atuam sobre a ferramenta de corte - a broca. Na verdade, não se trabalha com a força de usinagem propriamente dita, mas sim com suas componentes, a força de penetração (Fp) e o momento de torção (Mt). A Figura 1 ilustra a força as componentes da força de usinagem na operação de furação. O conhecimento ou mesmo a estimativa dos esforços de usinagem máximos é utilizado, de um modo geral, para o dimensionamento do equipamento de usinagem e projeto de ferramentas e dispositivos de usinagem. No entanto, esses esforços variam durante o processo de usinagem e podem ser utilizados para estudar os mecanismos de formação de cavaco. 4.2 Dispositivos de medição Para o dispositivo de medição, foi necessário projetar uma base de alumínio cilíndrica, onde o corpo de prova é fixado, e que por sua vez é fixado na mesa da máquina, conforme esquematizado na Figura 2. Oito extensômetros, divididos em duas Pontes de Wheatstone, são responsáveis pela medição das forças de penetração (gages A, C, E, G) e de torção (B, D, F, H), respectivamente. A posição dos strain gages pode ser claramente vista na Figura 3. Esse arranjo tem duas importantes vantagens e uma desvantagem: aumento da sensibilidade e compensação de temperatura, já que se encontram na mesma posição longitudinal; porém, para garantir isso, foi necessário o uso de um gabarito e muito zelo na hora da colagem dos extensômetros. Para a calibração foi usinado um corpo-de-calibração, que é um cilindro de aço equipado com um parafuso sextavado. Esse aparato foi fixado no dispositivo, e aplicouse com um torquímetro momentos de torção. Os sinais foram aquisitados e plotados em um gráfico (ver figura 2). 19

4 Figura 1. Dispositivo para medição de forças para furação (esquerda); disposição dos sensores vista superior (direita). Figura 2. Esquema das forças de usinagem para furação (esquerda); Curva de Calibração do dispositivo (direita). 5. AGRADECIMENTOS À Aços Villares Sidenor S.A pelo apoio (projeto CONSTRUMEC (FINEP-FIPT-Aços Villares S.A, Processo no ), à FAPESP pelo apoio no que se refere a boa parte dos equipamentos utilizados (processo 03/ ), ao Laboratório de Fenômenos de Superfície (LFS) da Escola Politécnica da USP, à Iscar do Brasil S.A., pelas

5 ferramentas de corte e ao Sr. Francisco dos Reis Faustino pelo auxílio na parte experimental. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Metals Handbook - Machining. USA. ASM, vol 16, Peckener, D.; Bernstein, I.M. Handbook of Stainless Steels. USA. McGraw Hill, Cap. 24. Dimla E. Dinla Sr., Sensor signals for tool-wear monitoring in metal cutting operations a review of methods. International Journal of Machine Tools & Manufacturing. Vol. 40, pp , Dimla E. Dinla Sr.; Lister, P.M. On-line metal cutting tool condition monitoring. I: Force and vibration análisis. International Journal of Machine Tools & Manufacturing. Vol. 40, pp , Ferraresi, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais.São Paulo. Edgard Blücher ltda Guimarães, A.R. Sistema para a medição das componentes da força de usinagem em operações de torneamento. Trabalho de Formatura. Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Farias, M. C. M. Extensometria. Trabalho de PMC-5003 Instrumentação e Análise de Medidas de Grandezas Mecânicas. Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo