INVESTIGAÇÃO DA FORMA DE FURAÇÃO EM FERRO FUNDIDO CINZENTO

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1 PIBIC-UFU, CNPq & FAPEMIG Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA INVESTIGAÇÃO DA FORMA DE FURAÇÃO EM FERRO FUNDIDO CINZENTO Igor Mauro de Castro Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia Campus Santa Mônica, Av. João Naves de Ávila 2121, Uberlândia/MG, CEP igormaurodm@yahoo.com.br Rosemar Batista da Silva Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia rsilva@mecanica.ufu.br Resumo: A grande maioria das peças da indústria metal mecânica tem pelo menos um furo, e somente uma parte muito pequena dessas peças já vem com o furo pronto do processo de obtenção da peça bruta. Isso mostra a importância do processo de furação no contexto da indústria de fabricação por remoção de cavaco. Mas mesmo sendo um processo muito comum, não se encontram na literatura informações mais detalhadas sobre a utilização de diferentes ciclos de furação. Por este motivo, este trabalho apresenta resultados de estudo da influência do ciclo de furação na vida de brocas helicoidais. Foram utilizados dois ciclos de furação: contínua e intermitente (pica-pau) sendo que para este último foi variado o número de paradas da broca ao executar o furo. Os testes foram realizados com brocas HSS revestidas com TiNAl. O material usinado foi ferro fundido cinzento GH190 com aplicação de fluido de corte pela técnica MQF. Utilizaram-se velocidades de corte de 45 e 65 m/min. e avanços de 0,2 e 0,3 mm/volta. Foi monitorado o número de furos produzidos; e o critério de fim de vida da broca foi colapso da mesma. Os resultados mostraram que, em geral, o ciclo de furação e o número de paradas influenciam na quantidade de furos usinados. O ciclo intermitente com uma parada permitiu aumentar em cerca de 395% o número de furos produzidos em relação ao ciclo contínuo utilizando-se a menor velocidade de corte e o menor avanço. Em geral aumento do número de paradas diminui o número de furos produzidos. Palavras-chave: Ciclos de Furação, Número de paradas, técnica MQF, broca HSS, ferro fundido cinzento 1. INTRODUÇÃO Os processos de usinagem ocupam uma posição de destaque em relação aos outros processos utilizados na fabricação de peças e componentes automotivos. Através dos processos de usinagem convencional que executam o corte por cisalhamento (torneamento, furação, fresamento, alargamento, retificação, rosqueamento, etc.) é possível dar à maioria dos materiais utilizados na indústria metal mecânica (aços, ferros fundidos e alumínio, dentre outros) as mais diversas formas, dimensões e acabamento, dentre outras características, a fim de se cumprir os requisito s de projeto (Da Silva, 2001 e Machado e Da Silva, 2004). Dentro destes processos, a furação é talvez a operação mais utilizada nos processos industriais de fabricação. Grande parte das peças que são fabricadas em indústrias metalúrgicas e de fabricação possui, pelo menos, um furo, e somente uma parte muito pequena dessas peças já vem com o furo pronto do processo de obtenção da peça bruta (Diniz et al., 2006). A operação de furação possui características intrínsecas, assim como todos os outros processos de usinagem, e muitas destas características são consideradas fatores complicadores do processo que merecem destaque (De Castro, 2001): 1 Acadêmico do curso de Engenharia Mecatrônica; 2 - Orientador

2 O processo de geração do cavaco ocorre dentro do furo, escondido, e existe um espaço limitado nos canais para a remoção dos cavacos, o que normalmente dificulta o transporte dos mesmos para fora da região de corte. A velocidade de corte não é uniforme, variando desde zero, no centro do furo, até um máximo na periferia, sendo isto um grande problema; o que pode implicar em variações de forças atuantes na ponta da ferramenta, no cisalhamento de material da peça, e consequentemente, podendo prejudicar o acabamento superficial. A lubrificação/refrigeração da região de corte é comprometida, já que o fluido de corte encontra dificuldade (ou não chega) para alcançar a região de corte, devido principalmente ao movimento de rotação da broca que tende a expulsar o fluido; Há uma distribuição inadequada de calor na região de corte e isso pode afetar a integridade superficial da peça e/ou diminuir a resistência mecânica da broca; O atrito e desgaste ocorrem de maneira mais acentuada nas quinas com cantos vivos da ferramenta. Aliado aos fatores complicadores do processo de furação existe também o fator profundidade do furo. À medida que a profundidade do furo aumenta, torna-se mais difícil a remoção do cavaco, fazendo-se necessário a interrupção freqüente do processo com a retirada da broca de dentro do furo, para que o cavaco possa ser removido e o calor gerado minimizado, principalmente q uando o material usinado forma cavacos longos. Centros de usinagem CNC possuem ciclos de furação capazes de usinar furos com sucessivas penetrações, podendo a ferramenta recuar até um plano de referência para eliminar cavacos, ou recuar cerca de 1 mm para quebrar o cavaco. Entretanto, a literatura ainda conta com poucos trabalhos que envolvem diferentes tipos de furação. Dentro deste contexto, este trabalho visa investigar a influência do ciclo de furação contínuo (ou em cheio) e intermitente (também conhecida como furação pica pau ) em diferentes velocidades de corte e avanço durante a usinagem do ferro fundido cinzento GH 190 com brocas de aço rápido revestidas com TiAlN. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A máquina-ferramenta usada para os ensaios foi um Centro de Usinagem Vertical CNC linha Discovery modelo 760 com potência do motor principal de 9 KW, rotação máxima de rpm da marca ROMI. Os testes de furação foram realizados na posição vertical, sentido descendente, sem pré-furo e sem furo de centro. Os furos usinados são não passantes e apresentavam profundidade de 40 mm, proporcionando uma relação do comprimento pelo diâmetro do furo igual a 4 (L/D = 4). Os parâmetros de corte utilizados são ilustrados na Tabela 1. Para cada teste foi realizado trê s corridas (A, B e C) ou duas repetições, e a média entre as corridas é o valor considerado para a vida das ferramentas de corte. Tabela 1 Parâmetros de corte utilizados nos testes de furação. Parâmetro Valor Número de Paradas D, 1, 2 e 3 Velocidade de Corte (Vc), m/min 45 e 65 Avanço (f), mm/volta 0,2 e 0,3 Onde: D refere-se à furação direta (contínua) Na Tabela 2 são mostrados o número de testes realizados com as combinações das variáveis citadas na Tabela 1. Lembrando que todos foram realizados com MQF na vazão de 30 ml/h. Como critério de fim de vida para os ensaios foi utilizado o colapso das brocas. 2

3 Tabela 2 Número dos testes e suas respectivas condições de corte. Teste Nº Paradas Vc (m/min) f (mm/volta) 1 D 45 0,20 2 D 65 0, , , , , , ,30 O material dos corpos de provas foi o ferro fundido cinzento GH 190 na forma de chapas com dimensões 500mm x 200mm x 45mm. A composição química e outras características deste material estão mostradas na Tabela 3. As superfícies de entrada dos furos foram fresadas com o objetivo de eliminar o acabamento bruto de fundição e de ajustar a espessura. Para otimização do número de furos foi gerado um programa CNC que permitia a obtenção de 64 furos, divididos em oito fileiras com oito furos cada. A distância lateral entre os furos no corpo de prova foi de 1,5 mm. Tabela 3 Composição química e características do ferro fundido cinzento GH 190 (Santos, 2002) Composição química (%) Características estruturais C Si Cr S P Matriz Grafita 3,2-3,5 2,0-2,5 0,2 0,15 0,10 Perlítica lamelar máx. 5% de ferrita Cementita e carbono livre Tipos B e D Máx. 1% Dureza (HV) Brocas de aço-rápido revestidas com TiAlN e diâmetro de 10 mm foram utilizadas neste trabalho. Elas foram fabricadas pela OSG do Brasil. Na Tabela 4 são mostradas algumas das propriedades do revestimento TiAlN destas brocas. Tabela 4 Propriedades do revestimento TiAlN (Costa, 2004) Microdureza (HV 0,05) 3300 Temperatura máxima de trabalho ( C) 900 Cor da cobertura Cinza-violeta Os testes de furação foram realizados na presença de fluido de corte modelo Vascol000 de origem vegetal fabricados pela empresa Blaser Swisslube AG. A vazão utilizada foi de 30 ml/h e a pressão de aplicação de 0,9 MPa aplicado pela técnica de Mínima Quantidade de Fluido (MQF). Esta técnica, que tem conquistado cada vez mais adeptos da usinagem, é uma alternativa para operações em que o fluido de corte ainda não pode ser dispensado, como no caso de furação de aços e ferros fundidos. É intermediária à usinagem com refrigeração/lubrificação e a absoluta mente sem refrigeração (a seco). Conhecida também como Mínima Quantidade de Lubrificante, do Inglês Minimum Quantity Lubrication (MQL) esta técnica consiste em despejar apenas uma gosta de óleo pulverizada pelo ar comprimido na região de corte para produzir um pequeno filme de proteção lubrificante. A mínima quantidade de fluido de corte, especificamente adaptada ao processo, permite a produção de processos altamente seguros sem a modificação dos parâmetros de corte e 200 3

4 sem redução da vida das ferramentas (Costa, 2004). O aparelho pulverizador de fluido, modelo O2AO-STD fabricado pela ITW Fluid Products Group, operava com um fluxo contínuo de ar comprimido, ajustado em torno de 0,9 MPa, e spray intermitente de fluido na freqüência de 1 pulso por segundo. Este sistema consiste de um reservatório para o fluido de corte com alimentação manual, válvulas para regulagem do fluxo de ar comprimido e óleo, manômetro, mangueiras condutoras (ar comprimido e fluido) e 2 bicos com base de fixação magnética, para aplicação externa da mistura ar comprimido-fluido sobre a ferramenta-peça. O fluido de corte é conduzido através de uma mangueira de menor diâmetro que chega ao bico, dentro de outra maior que conduz o ar comprimido. 3. RESULTADO E DISCUSSÃO Os resultados para a vida das brocas para os testes da Tabela 2, expresso em número de furos usinados, podem ser visualizados na Tabelas 5 e também nas Figuras 1 e 2. Tabela 5 Resultado para vida das brocas (número de furos usinados) para os testes da Tabela 2. Teste Corridas A B C Vida Média (furos) Da Tabela 5 pode ser observado que a furação em velocidade de corte mais baixa (45 m/min) e menor avanço (0,2 mm/volta), testes 1, 3, 5 e 7 (veja parâmetros de corte na Tabela 2) sempre produziu um número de furos maior em relação à furação com velocidade de corte e avanço maiores. Observa-se ainda que ao utilizar o ciclo de furação pica-pau com uma parada (teste 3), foi realizado o maior número médio de furos, seguidos pelos ciclos pica pau com 3 e 2 paradas (testes 7 e 5, respectivamente) e ciclo contínuo (teste 1). Isso indica que a furação pica-pau é eficiente no sentido de aumentar a vida da ferramenta, e, consequentemente, de aumentar o número de furos produzidos. Esta eficiência pode ser atribuída às condições de lubri-refrigeração que são melhoradas com o principio deste método que consiste em retirar a broca do furo durante a usinagem em seguida colocá-la novamente no furo, dando continuidade ao processo. Neste momento em que a broca sai do furo ela traz consigo parte dos cavacos formados, como também garante a refrigeração da ferramenta (broca) e diminuindo assim a influência da perda de dureza a quente que normalmente ocorre no processo de furação contínua (direta ou em cheio). Realizar 1 parada durante a furação parece ser a condição mais apropriada para usinagem deste material nas condições investigadas. 4

5 Figura 1 Número de furos em função do ciclo de furação e número de paradas após usinagem de ferro fundido cinzento GH 190 com brocas de HSS com velocidade de corte de 45 m/min e avanço de 0,2 mm/volta. Figura 2 Número de furos em função do ciclo de furação e número de paradas após usinagem de ferro fundido cinzento GH 190 com brocas de HSS com velocidade de corte de 65 m/min e avanço de 0,3 mm/volta. 5

6 Os resultados da Tabela 5 também mostram que, praticamente, não houve diferença significativa em termos de furos usinados, apenas 3 furos no máximo, na furação em condições de corte consideradas mais severas, maior velocidade de corte (65 m/min) e maior avanço (0,30 mm/volta) testes 2, 4, 6 e 8 (Tabela 2). Nestas condições normalmente são desenvolvidas temperaturas altas durante o corte, exigindo do material da ferramenta uma elevada dureza a quente e considerável resistência mecânica. E uma das funções dos fluidos de corte é promover a queda destas temperaturas. O aumento da velocidade de corte, em geral, promove o aumento da temperatura na interface cavaco-ferramenta (Costa et al, 2005), e conseqüentemente acelera os mecanismos de desgastes termicamente ativados. Esta é uma possível explicação para o número reduzido de furos produzidos a relativas altas velocidades de corte e avanço e mpregadas neste trabalho Os resultados da Tabela 5 e Figura 2 também indicam que, para as condições de usinagem mais severas, não há influência também do ciclo de furação e nem do número de paradas para o ciclo pica-pau. Isso pode ser atribuído às altas temperaturas geradas nestas condições, e possivelmente o tempo de recuo da broca até voltar a usinar não tenha sido suficiente para refrigerar a broca e assim minimizar os efeitos dos mecanismos de desgaste termos-ativados. Analise complementares dos efeitos médios do número da forma de furação e número de paradas na vida das ferramentas relacionados com os resultados da Tabela 5, são apresentados na Tabela 6. Observa-se desta tabela ganhos percentuais importantes quando se passa da condição de furação contínuo para 3 paradas, cerca de 289% de aumento no número de furos produzidos. Ao passar do ciclo de furação contínuo para 1 parada este percentual é ainda maior, representando um aumento de 395% no número de furos produzidos. Para o mesmo ciclo de furação intermitente, ao passar de 1 para 3 paradas há queda no número de furos em 22%. Tabela 6. Efeito médio da variação da forma de furação e do número de paradas para condição mais branda dos resultados da Tabela 5. Ciclo/número de paradas Efeito na Vida Média (número de furos) Contínuo 1 parada 395% Contínuo 2 paradas 5% Contínuo 3 paradas 289% 1 parada 2 paradas 81% 1 parada 3 paradas 22% 2 paradas 3 paradas 307% Em relação aos efeitos da variação dos parâmetros de corte, velocidade e avanço (que embora não tenham sido apresentados neste trabalho mas que foram calculados), verificou-se a redução de 113 furos ao elevar a velocidade de corte de 45 para 65 m/min e o avanço de 0,20 para 0,30 mm/volta. 4. CONCLUSÕES Os resultados obtidos, levando-se em consideração os níveis das variáveis testadas, nos permitem as seguintes conclusões: O ciclo de furação e o número de paradas durante o processo influenciam significativamente na vida de brocas, em termos de furos produzidos, na usinagem do ferro fundido cinzento GH 190 com brocas de HSS nas condições investigadas. Para velocidade de corte 45 m/min e avanço 0,2 mm/volta houve cerca de 395% de aumento no número de furos obtidos ao se utilizar o ciclo de furação intermitente (pica-pau) com uma parada em relação ao ciclo de furação convencional, contínuo. Este aumento pode estar relacionado com as condições de lubri- 6

7 refrigeração melhoradas e também da retirada e quebra de cavaco mais eficiente que o ciclo intermitente proporciona. Para condições de corte severas com velocidade de corte 65 m/min e avanço de 0,3 mm/volta não há uma mudança significativa na quantidade de furos usinados quando se altera a forma de furação, essa marca não ultrapassa cerca de 33%, o que equivale a aproximadamente um furo. Nestas condições severas há são desenvolvidas altas temperaturas, além do tempo de recuo da broca no ciclo pica pau que não é suficiente para refrigerar a broca. Para condição mais severa, não foi notada mudança significativa na produtividade entre os ciclos de furação contínua e intermitente na furação do ferro fundido GH190 com brocas HSS. A furação com velocidade de corte e avanço menores permitiu usinar mais furos em relação à furação em condições mais severas. E em condições mais brandas, o ciclo de furação intermitente com 3 paradas permitiu um aumento de 289% em relação ao ciclo de furação contínuo. Já para duas paradas a queda foi de 5%. Em relação ao número de paradas, o ciclo de furação com uma parada foi a mais eficiente foi mais eficiente que os demais, com aumento de 81% e 22% em relação a duas e três paradas, respectivamente. O aumento da velocidade de corte de 45 para 65 m/min e do avanço de 0,20 para 0,30 mm/volta diminuiu a vida das brocas em média 113 furos. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao programa PIBIC/CNPq/UFU, pelo suporte financeiro, e às empresas: Teksid do Brasil e OSG-Ferramentas de Precisão Ltda, pelo fornecimento do ferro fundido e das brocas, respectivamente; e por último à Faculdade de Engenharia Mecânica da UFU pela oportunidade de realização deste trabalho. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, D. O., 2008, Investigação dos Desvios Geométricos no Alargamento de Ferro Fundido com Ferramentas Revestidas, Dissertação de Mestrado UFU, Uberlândia. COSTA, E. S., 2004, Furação de Aços Microligados com Aplicação de Mínima Quantidade de Fluido (MQF), Dissertação de Doutorado UFU, Uberlândia MG, Dezembro. COSTA, E. S., MACHADO, A. R., JÚNIOR, E. A. S., RAMOS, C. A. D., 2005, Desempenho de Brocas Helicoidais de Aço-Rápido Revestidas com TiN Aplicando Mínima Quantidade de Fluido de Corte (MQF), In: III Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação - COBEF, Joinville-SC. DA SILVA, R. B., 2001 Alargamento Cônico do Ferro Fundido Nodular GGG 40, Dissertação (Mestrado em Eng. Mecânica) - UFMG, Belo Horizonte - MG, Março. DE CASTRO, P. R. A., 2001, Aspectos Tecnológicos da Usinagem a Seco e com Mínima Quantidade de Fluido de Corte na Furação com Broca Helicoidal, Dissertação de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Eng. Mecânica da UFSC, Florianópolis-SC, 178 p. DINIZ, A. E., MARCONDES, F. C., COPPINI, N. L., 2006, Tecnologia da Usinagem dos Materiais, 5 a Ed., São Paulo, Editora Artliber. MACHADO, A. R., DA SILVA, M. B., 2004, Usinagem dos metais, Apostila 8ª. Versão, Editora da Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, Brasil, 257p. SANTOS, S. C., 2002, Estudo da Influência de Revestimento e da Aplicação de Fluido de Corte no Desempenho de Brocas de Aço-Rápido e de Metal Duro Integral na Usinagem de Ferro Fundido Cinzento, Dissertação de Doutorado UFU, Uberlândia MG, Brasil. 7

8 INVESTIGATION OF THE DRILLING FORM IN GRAY CAST IRON Igor Mauro de Castro Federal University of Uberlândia Faculty of Mechanical Engineering, Campus Santa Mônica, 2121, João Naves de Ávila Avenue, Uberlândia/MG, Zip Code Rosemar Batista da Silva Federal University of Uberlândia - Faculty of Mechanical Engineering rsilva@mecanica.ufu.br Abstract: Most of the components manufactured by industry have, in general one hole, and only a very small part of these components already contains a hole performed by casting process - process of obtaining crude piece. This shows the importance of the drilling in the manufacturing industry by removing chip. But even drilling being a very common process, there is not in the literature detailed information regard use of different cycles of drilling. Therefore, this work shows results of study of the influence of drilling in the life cycle of twist drills. Two cycles of drilling were used: continuous and intermittent (peck drilling), and for the latter it was varied the number of stops during each hole s drilling. The tests were performed with TiNAl coated HSS drills. The material was grey cast iron GH190 with application of fluid by MQL technique. Cutting parameters were: cutting speeds of 45 and 65 m/ min and feed rates of 0.2 and 0.3 mm/rev. Number of holes machined were monitored and the tool rejection criterion was the drill collapse. The results showed that, in general, the cycle of drilling and number of stops can influence the quantity of machined holes. About 395% increase in number of roles produced was observed when intermittent drilling cycle with one stop was tested, compared to continuous cycle at lowest cutting speed and feed rate. In general, increase in the number of stops decreases the number of holes produced. Keywords: Drilling cycles, number of stops, MQL technique, HSS drill, gray cast iron. 8