ANÁLISE DA FORÇA RESIDUAL NA USINAGEM DO AÇO ABNT 1045.

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1 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 211 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 211 Caxias do Sul RS Brazil ANÁLISE DA FORÇA RESIDUAL NA USINAGEM DO AÇO ABNT 145. Márcio Aurélio da Silva, marcioaureliosilva1@gmail.com Marcelo do Nascimento Sousa, mnascimento28@yahoo.com.br Márcio Bacci da Silva, mbacci@mecanica.ufu.br 1 Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica Bloco 1M térreo, Avenida João Naves de Ávila, 2121 Bairro Santa Mônica Uberlândia MG CEP: Resumo: A maioria dos trabalhos em corte de metais admite o contato entre a peça e a superfície de folga da ferramenta somente se houver o desgaste de flanco e a ferramenta não for afiada. Portanto, em uma operação de torneamento com uma ferramenta de corte simples três forças são consideradas: força de corte na direção de corte, força de avanço na direção de avanço e a força passiva na direção perpendicular ao avanço. Estas forças são conseqüência da força necessária para cisalhar o material no plano de cisalhamento primário, formar o cavaco, a nova superfície usinada e a força necessária para superar a resistência do movimento do cavaco na superfície de saída da ferramenta na zona de corte secundária. O contato na superfície de folga não é levado em conta em relação à distribuição de força. Alguns autores nomearam esta força devido ao contato entre a superfície da peça usinada e a face lateral da ferramenta como força residual e acreditam que elas são independentes da velocidade de avanço, podendo ser calculada por meio de extrapolação de uma curva de força de corte para uma velocidade de avanço zero. Este trabalho investiga esta força residual na usinagem de aço ABNT 145 com ferramentas de aço rápido, sendo que as condições de corte foram: v = 15 mm/min, ap = 3 mm, h = 1µ m a h = 3 µ m, α = 5 e γ =. Os ensaios c foram feitos num centro de usinagem discovery 76 e mostraram que a força de corte residual para o aço ABNT 145 variou entre 45 N e 52N. Palavras-chave: Força Residual, Usinagem, Forças de Usinagem. 1. INTRODUÇÃO O corte dos metais é um processo extremamente complexo que não pode ser descrito simplesmente por um único mecanismo. Embora um único mecanismo pode ser predominante sobre uma gama limitada de condições de usinagem, a experiência nos ensina que nenhum mecanismo de forma individual predominará no geral. O corte dos metais envolve o cisalhamento concentrado ao longo de uma zona de cisalhamento. Esta zona de cisalhamento é normalmente conhecida como zona de cisalhamento primária. Para simplificar o estudo do processo de usinagem esta zona de cisalhamento é assumida como um plano de cisalhamento. Tem-se então, que o cavaco é formado no plano de cisalhamento primário. Assim, de uma maneira simplificada pode-se estudar a formação do cavaco geometricamente e considerar, por exemplo, um ângulo entre o plano de cisalhamento e a direção da velocidade de corte. Este ângulo é denominado ângulo de cisalhamento primário e pode ser uma indicação da quantidade de deformação sofrida pelo cavaco (Machado et al,29). Após passar pela região de cisalhamento primária, o cavaco sofre ainda altíssimas deformações plásticas cisalhantes, numa pequena região junto à interface com a ferramenta definida como zona de cisalhamento secundária. Na interface cavaco-ferramenta, existe uma zona de aderência e, logo após esta, uma zona de escorregamento entre o cavaco e a ferramenta. Nestas condições, o movimento do cavaco na zona de aderência ocorre por cisalhamento do material do cavaco, e bem próximo da interface é formada uma zona de cisalhamento intenso (zona de fluxo). Esta zona de fluxo tem uma espessura da ordem de,1 a,8 mm, depois disso a velocidade de saída do cavaco se estabiliza. Na zona de aderência, a área de contato entre cavaco e ferramenta é total, ao lado da zona de aderência acontece uma zona de escorregamento, onde o contato se dá apenas nos picos das irregularidades das duas superfícies em contato (Trent, 1963). Quando o desgaste de flanco atinge determinadas proporções, eliminando o ângulo efetivo de folga fica evidente que as condições de aderência podem também ocorrer na superfície de folga (Trent e Wright, 2). Este contato, normalmente não é considerado no estudo da formação do cavaco. No entanto, a energia envolvida não pode ser negligenciada para pequenos valores de h (espessura de corte indeformada) (Ng et al, 26). Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 211

2 6 º C ON G RE S S O BR AS I L E I RO DE E NG EN H A RI A D E FA BRI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de Ca x i a s d o S ul - RS O problema do contato mecânico entre dois corpos elásticos tem sido de grande interesse para a comunidade científica. Por duas superfícies não-conformes as propriedades da interface depende do contato aleatório das superfícies. Entre superfícies rugosas, o contato é muito pequeno, portanto, os picos característicos destas regiões possuem elevadas tensões causando deformações plásticas imediatas e formação de junções nas superfícies metálicas (Gonzalez-Valadeza, M. et al 29). Além disso, com a aplicação de carga-descarga os ciclos de histerese são normais devido à deformação elástica e plástica (Kim,J.Y 24). Este trabalho fez uma simulação de um corte ortogonal para verificar a variação da força de corte com a espessura indeformada de corte (h). Esta simulação teve o objetivo de obter uma estimativa da força de corte residual (Da silva, 1998), considerando que pode existir uma espessura mínima de corte abaixo da qual não existe usinagem (Wallbank, 1978). 2. CORTE ORTOGONAL No corte ortogonal a aresta cortante é reta, normal à direção de corte e normal também à direção de avanço, de maneira que a formação do cavaco pode ser considerada como um fenômeno bidimensional, o qual se realiza num plano normal à aresta cortante, ou seja, no plano de trabalho [Norma ABNT NBR 6162/1989]. A figura (1) representa o corte ortogonal. Figura 1. O corte ortogonal. 3. FORÇAS NA CUNHA CORTANTE Isolando o cavaco num corte ortogonal, pode-se considerar apenas duas forças - a força de ação entre a face da ferramenta e o cavaco (R) e a força de reação entre a peça e o cavaco (R ) ao longo do plano de cisalhamento. As forças R e R podem ser decompostas segundo algumas direções específicas. Assim, a força R pode ser decomposta segundo as direções de corte e de avanço: (Fc) e (Ff) ou no plano de cisalhamento primário: (Fs) e (Ns). A força R pode ser decomposta no plano de cisalhamento secundário: (Fn) e (Fr), conforme indicado na figura (2). Figura (2). Diagrama de um cavaco isolado (Shaw, M. C, 1984). A força R (ou R ) é influenciada por muitos fatores. A geometria da ferramenta, por exemplo, pode alterar o módulo e a direção da força resultante, como ilustra a figura (3). A figura (3) ilustra a variação da intensidade e da direção da força resultante de corte com o ângulo de saída para o mesmo material. Observa-se no modelo que o ângulo é menor para ferramenta com ângulo de saída negativo.

3 6 º C ON G RE S S O BR AS I L E I RO DE E NG EN H A RI A D E FA BRI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de Ca x i a s d o S ul - RS Fat tgβ = Fn Fat = tgβ.fn tgβ = μ β = arctgμ Figura (3). Variação da intensidade e direção da força resultante de corte com ângulo de saída do cavaco (Shaw, M. C, 1984). Nos modelos mostrados nas figuras (2) e (3) a ferramenta é considerada perfeitamente afiada, ou seja, sem raio de arredondamento da aresta de corte. No entanto, qualquer ferramenta tem um raio de arredondamento, por mais afiada que seja (Masuko, 1953). 4. FORÇA RESIDUAL A maioria dos trabalhos em corte de metais admite o contato entre a face lateral da ferramenta somente se houver o desgaste de flanco e a ferramenta não for afiada. Portanto em uma operação de torneamento com uma ferramenta de corte simples três forças são consideradas: força de corte na direção de corte, força de avanço na direção de avanço e a força passiva na direção perpendicular ao avanço. Estas forças são conseqüência da força necessária para cisalhar o material no plano de cisalhamento primário, formar o cavaco, a nova superfície usinada e a força necessária para superar a resistência do movimento do cavaco na superfície de saída da ferramenta na zona de corte secundária. O contato na superfície de folga não é levado em conta em relação à distribuição de força. Considerando que o material usinado é um material plástico perfeito, poderia haver alguma deformação elástica envolvida no processo. Na verdade a temperatura obtida na zona de fluxo e a alta taxa de tensão pode afetar o comportamento do material durante o corte. Devido aos elevados valores das taxas de tensão durante a usinagem, não existe nenhum modo de testar um material sob tais condições, pois o comportamento fundamental do material é desconhecido. Entretanto para a maioria dos materiais maleáveis durante o corte pode se considerar uma deformação elástica, que sugere um contato da superfície usinada com a face lateral da ferramenta, isto significa que a ferramenta precisa penetrar em uma profundidade específica dentro do material antes de começar a cortá-lo, ou seja existe uma profundidade mínima que dependerá de muitos fatores, mas principalmente das propriedades do material. Para valores menores do que este mínimo o material não cortará, será apenas deformado elasticamente. Alguns autores nomearam esta força devido ao contato entre a súperfície da peça usinada e a face lateral da ferramenta como força residual (Albrecht,196), e acreditam que elas são independentes da velocidade de avanço, podendo ser calculada por meio de extrapolação de uma curva de força de corte para uma velocidade de avanço zero. No corte ortogonal quando a ferramenta toca a peça, antes de começar a cortar, algumas deformações elásticas acontecem, assim que a ferramenta avança em direção à peça; o limite elástico do material é alcançado e começa a fluir plasticamente. Neste ponto não há nenhuma deformação plástica do material e sim um afastamento elástico, consequentemente sem nenhum corte. Eventualmente o ponto de deformação plástica é alcançado acima da aresta de corte quando o material é forçado a cortar na mesma direção do plano de cisalhamento primário e, então começa a formação do cavaco. Este contato com a face lateral da ferramenta tem um grande efeito na usinagem, principalmente na zona de cisalhamento secundário conforme figura (4) (Da silva, 1998). Figura 4. Início do corte: a) ferramenta toca a peça; b) deformação elástica; c) deformação plástica; d) próximo de começar o corte (Da silva, 1998).

4 6 º C ON G RE S S O BR AS I L E I RO DE E NG EN H A RI A D E FA BRI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de Ca x i a s d o S ul - RS Após o início do corte, o contato da face lateral da ferramenta com a peça pode ou não continuar, independente do que acontece acima da aresta de corte. Wallbank (1978), encontrou evidência deste contato abaixo da aresta de corte, na usinagem de materiais diferentes, sugerindo que o contato ainda pode existir durante o corte. 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Foi usinado a seco, uma peça de aço ABNT 145, projetada e fabricada de forma adequada para fixação no dinamômetro. Os ensaios realizados simularam o processo de torneamento cilíndrico externo com ferramenta de HSS. Utilizou-se durante os testes um dinamômetro Kistler tipo 9265B B B e um amplificador de sinais Kistler tipo 519A para monitorar a força de corte. Este procedimento experimental foi desenvolvido e realizado no Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem LEPU Ensaios de Usinagem no Corte Ortogonal Os experimentos foram realizados no centro de usinagem discovery 76. Foram realizados ensaios para simulação do corte ortogonal em baixas velocidades de corte, para isto, foi projetada e fabricada uma peça para ser fixada no dinamômetro piezoelétrico. A figura (5) ilustra a peça fixada no dinamômetro. Figura 5. Dispositivo desenvolvido e fixado no dinamômetro. Nestes testes foram utilizadas apenas peças de aço ABNT 145 e ferramentas de aço rápido. Neste caso a velocidade de corte era a velocidade de avanço da mesa da fresadora e foram utilizadas as seguintes condições de corte: v c = 15 mm/min, ap = 3 mm, h = 1µ m a h = 3µ m, α = 5 e γ = Material Usinado O material selecionado para estudo foi o aço ABNT 145, que possui dureza média de 26 HV e sua composição química é apresentada na Tabela (1), fornecida pelo fabricante Aços Vilares S.A. A figura (6) nos mostra uma fotografia da sua microestrutura. Tabela 1. Composição química (% em massa) do material utilizado nos ensaios (Reis,2) Figura 6. Fotografia ilustrativa da microestrutura do aço ABNT 145 utilizado nos testes (ampliação 5 vezes).

5 6 º C ON G RE S S O BR AS I L E I RO DE E NG EN H A RI A D E FA BRI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de Ca x i a s d o S ul - RS 5.3. Máquina Ferramenta Utilizada Nos ensaios foi utilizado um centro de usinagem vertical CNC da linha Discovery modelo 76 com comando numérico Siemens 81. A potência do motor principal e a potência total instalada são de 9 KW e 15 KVA, respectivamente Medição da Força Residual A força residual foi medida nos ensaios de usinagem no corte ortogonal com o auxílio de um dinamômetro Kistler tipo 9265B e um amplificador de sinais Kistler tipo 519A. Foram utilizados um microcomputador e uma placa de aquisição de sinais para obtenção e armazenamento dos dados, utilizando softwere labview Controle de paralelismo e incremento de (h) Durante a montagem da peça foi feito um controle de paralelismo entre a peça e a ferramenta, utilizando um relógio comparador de,1 mm, conforme figura (7). A espessura indeformada de cavaco (h) utilizada, foi o incremento da máquina ou seja de valor nominal. 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES Figura 7. Relógio comparador fixado no sistema. A seguir serão apresentados os resultados obtidos durante o procedimento experimental. Foi feito o estudo relativo às forças de avanço residuais propostas para o aço ABNT Forças de Avanço Residuais Na Figura (8) é apresentado o gráfico que relaciona a força de corte, com a espessura do material, obtido na usinagem a seco do aço ABNT 145 com a velocidade de corte v = 15 mm/min, ap = 3 mm, h = 1 µm à h = 3 µm, c α = 5, γ = e ferramenta de aço rápido. Neste ensaio a espessura do material foi variada de maneira crescente e observa-se uma linearidade no comportamento da curva encontrada para espessuras de material na faixa de 1µm à 2µm, para espessuras superiores a 2µm a curva começa a variar entre 237N e 614N. Força de corte Figura 8. Força de corte em função da espessura do material (crescente).

6 6 º C ON G RE S S O BR AS I L E I RO DE E NG EN H A RI A D E FA BRI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de Ca x i a s d o S ul - RS A Figura (9) mostra o gráfico que relaciona a força de corte com a espessura do material, obtido na usinagem do aço ABNT 145 nas mesmas condições apresentadas na figura (8). Neste ensaio a espessura do material foi variada de maneira decrescente, e o comportamento linear da curva se manteve para espessuras menores, visto que para espessuras acima de 12µm as curva começou a variar entre 122N e 547N. Força de corte Figura 9. Força de corte em função da espessura do material (decrescente). De acordo com o item 1, pode-se considerar uma deformação elástica durante o corte e isto significa que a ferramenta precisa penetrar em uma profundidade mínima dentro do material antes de começar a cortá-lo e a força envolvida neste intervalo é chamada força residual, calculada por meio de extrapolação de uma curva de força de corte para uma velocidade zero. As Figuras (1) e 11) mostram as curvas extrapoladas e as respectivas forças residuais para ensaios com espessura crescente e decrescente. Observa-se que no primeiro teste a força residual atingiu um valor próximo de 52N. No segundo teste ela obteve uma leve queda atingindo um valor próximo de 46N. (Da Silva e Wallbank), encontraram valores de forças residuais próximos de 32N, na usinagem do aço AISI 14 de dureza 199 HV e velocidades superiores a 22 m/min. 35 y =.736x x R 2 = Figura 1. Força residual em função da espessura do material (crescente). 35 y =.39x x R 2 = Figura 11. Força residual em função da espessura do material (decrescente).

7 6 º C ON G RE S S O BR AS I L E I RO DE E NG EN H A RI A D E FA BRI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de Ca x i a s d o S ul - RS As figuras (12) e (13), mostram o término da linearidade das curvas e suas diferenças com relação à espessura do material. Nota-se que este fenômeno não é constante para ambos os testes, mesmo se tratando do mesmo material. Como já foi dito no item 1 a temperatura obtida na zona de fluxo e a alta taxa de tensão pode ter afetado o comportamento do material durante o corte, e não existe meios de testar o material sob tais condições, pois seu comportamento fundamental é desconhecido. Então a variação de forças após o fim da linearidade da curva pode ter ocorrido devido a propriedades estruturais do material como por exemplo tamanho dos grãos ou mesmo influenciadas pelo sistema máquina ferramenta. No entanto para afirmações mais precisas haveria a necessidade de se fazer uma micrografia tanto da superfície gerada após a usinagem, quanto do material arrancado, se fosse o caso. E não podemos descartar a hipótese de uma influência do raio de ponta, que pode ter sido alterado durante o processo de usinagem com o desgaste da ferramenta, visto que foi utilizada a mesma ferramenta para todos os testes e com estas medidas poderíamos analisar uma possível influência nesta variação de forças. Força de corte Figura 12. Força de corte em função da espessura do material (crescente). Força de corte Figura 13. Força de corte em função da espessura do material (decrescente). 7. CONCLUSÃO Em função dos resultados experimentais obtidos, para investigar a força residual do aço ABNT 145, pode-se concluir que a força de corte residual com a espessura indeformada (h) extrapolada a zero, foi estimada entre 46N e 52N, isto é, existe uma espessura mínima necessária para se iniciar o corte em usinagem. A temperatura obtida na zona de fluxo e a alta taxa de tensão pode ter afetado o comportamento do material durante o corte, e não existe meios de testar o material sob tais condições, pois seu comportamento fundamental é desconhecido. A variação de forças após o fim da linearidade da curva pode ter ocorrido devido a propriedades estruturais do material como por exemplo tamanho dos grãos ou mesmo influenciadas pelo sistema máquina ferramenta.

8 6 º C ON G RE S S O BR AS I L E I RO DE E NG EN H A RI A D E FA BRI CA ÇÃ O 1 1 a 1 5 de Abr i l de Ca x i a s d o S ul - RS 8. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos órgãos governamentais CNPQ, CAPES e Fapemig pelo apoio financeiro através de bolsas e recursos para diversas pesquisas. 9. REFERÊNCIAS Albrecht, P. New Developments in the Theory of the Metal-Cutting Process Part 1. november 196. Da Silva, M. B., Tese de doutorado em Mechanical Engineering. University of Warwick, WARWICK, Inglaterra. Lubrication in Metal Cutting under Built-up Edge Conditions, Gonzalez-Valadeza, M., A. Baltazar, R.S. Dwyer-Joyce Study of interfacial stiffness ratio of a rough surface in contact using a spring model journal Wear accepted 13 august 29. Kim,J.Y., A. Baltazar, S.I. Rokhlin, Ultrasonic assessment of rough surface contact between solids from elastoplastic loading unloading hysteresis cycle, J. Mech. Phys. Solids 52 (24) Machado, Á. R. ; Abrão, A. M. ; Coelho, R. T. ; Da Silva, M. B.. Teoria da Paulo - SP: Edgard Blucher, 29. v p. Usinagem dos Materiais. 1. ed. São Masuko, M. Trans. Jap. Soc. mech. Engrs 19, Ng, Chee Keong; Melkote, S. N., Rahman, M.; Kumar, A. S. Experimental Study of micro- and nano-scale cutting of aluminum 775-T6 Intenational Journal of Machine Tools & Manufacture 46 (26) Reis, A. M. influência do ângulo de Posição secundário da ferramenta, Raio de Ponta e Lubrificação na Usinagem em Presença de Aresta Postiça de Corte Dissertação de mestrado em engenharia mecânica UFU 2. Shaw, M.C.: Metal Cutting Principles. 1ª ed. New York: Oxford University Press, Trent, E. M., 1963 Cutting Steel and Iron with Cemented Carbide Tools Part II: Conditions of Seizure at the Tool/Work Interface Journal of the Iron and Steel Institute, Nov. 1963, pp Trent, E. M. and Wright, 2 Metal Cutting, 4th edition, Butterworth Heinemann, ISBN X, 446 pags. Wallbank, J. Flow at the Cuting Edge and the Generation of New Surfaces During Metal Cutting PhD Thesis, University of Birmingham, DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído neste trabalho.

9 6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 211 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 211 Caxias do Sul RS Brazil ANALYSIS OF THE RESIDUAL CUTTING FORCE WHEN MACHINING ABNT 145 CARBON STEEL Márcio Aurélio da Silva, marcioaureliosilva1@gmail.com Marcelo do Nascimento Sousa, mnascimento28@yahoo.com.br Márcio Bacci da Silva, mbacci@mecanica.ufu.br 1 Federal University of Uberlandia, Campus Santa Mônica, Av. Joao Naves de Avila, 2121 Bairro Santa Mônica Uberlândia MG CEP: Abstract. Most of the research on metal cutting admits contact between the workpiece and cutting tool flank face only if there is flank wear and also if the tool is not sharp. Besides, in a turning operation with a single cutting tool three forces are considered: cutting force in the cut direction; feed force in the feed direction, and passive force in the direction perpendicular to the feed. These forces are a consequence of the force which is necessary to shear the material on the primary shear plane, to form the chip and the new machined surface and the force required to surpass the resistance of the chip movement on the tool rake face at the secondary shear plane. The contact at the flank face is not taken into account in relation to the force distribution. Some authors named this force as residual cutting force and they believe that such forces do not depend on speed feed, and can be calculated by extrapolation of a curve of cutting force to a zero feed rate. This work investigates this residual force when machining ABNT 145 carbon steel with highspeed steel tool. The cutting conditions are, cutting speed of 15 mm/min, depth of cut of 3 mm and feed rate changing from 1µm to 3 µm. The cutting tool has a rake angle of º and relieve angle of 5º. It was used the orthogonal cutting in a CNC machine centre. The results shown that the residual cutting force for the ABNT 145 steel ranged between 45 N and 52 N. Keywords: Cutting force, Machining, Residual cutting force Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 211