UTILIZAÇÃO DE DINAMÔMETRO ROTATIVO COMO FERRAMENTA DIDÁTICA APLICADA AO ENSINO DA TECNOLOGIA DE USINAGEM

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1 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 20 a 24 de maio de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil May 20 th to 24 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil UTILIZAÇÃO DE DINAMÔMETRO ROTATIVO COMO FERRAMENTA DIDÁTICA APLICADA AO ENSINO DA TECNOLOGIA DE USINAGEM Valter Martins Marfil Dias, valter_marfil@hotmail.com 1 Jorge Antonio Giles Ferrer, jorgilfer@hotmail.com 2 1 Faculdade SENAI de Tecnologia Mecatrônica, Rua Niterói, São Caetano do Sul - SP 2 Faculdade SENAI de Tecnologia Mecatrônica, Rua Niterói, São Caetano do Sul - SP Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal, servir de instrumento técnico pedagógico para o estudo da tecnologia de usinagem, especificamente na avaliação do torque de usinagem no fresamento frontal. Os ensaios foram realizados num centro de usinagem vertical, foram ensaiados dois tipos de materiais, o aço ABNT 1045 e Alumínio 6351-T6. Para a avaliação do torque de usinagem foram utilizados: dinamômetro rotativo, placa de aquisição de sinais e software de tratamento de sinais. Na usinagem do aço foi utilizada uma fresa de metal duro, sendo adotados o corte simétrico e o assimétrico. Na usinagem do alumínio foi utilizada uma fresa de aço rápido cortando em cheio (canal). Em todos os ensaios foi confirmada a validade da fórmula de Kienzle na avaliação da pressão específica de corte Ks, esta compatibilidade é de significativo valor didático. Na avaliação do torque de usinagem, os erros encontrados nos resultados teóricos em relação aos experimentais são inferiores a 6,5% e considerando a faixa de torques medidos (inferiores a 1,5 Nm) podemos considerá-los aceitáveis para uma finalidade didática e mostram a compatibilidade entre os fundamentos teóricos adotados e os procedimentos de medição. Dessa maneira, a aplicação desta técnica constitui uma ferramenta didática importante no ensino da tecnologia de usinagem, uma vez que possibilita relacionar a teoria com a prática, nem sempre possível devido a falta de disponibilidade de equipamentos específicos. Palavras-chave: fresamento frontal, torque de usinagem, dinamômetro rotativo, força de corte. 1. INTRODUÇÃO Uma das grandes dificuldades durante o estudo dos esforços de corte dos materiais é comprovar que os resultados obtidos através das formulações teóricas são válidos e coincidem com os resultados obtidos através de ensaios de usinagem, devido a falta de equipamentos dedicados no cenário nacional. Hoje em dia existem dinamômetros que podem ser usados para a medição de forças e torque de usinagem, aplicáveis a diversos processos como: o torneamento, fresamento e furação. No torneamento a avaliação dos esforços de usinagem é facilitada pelo fato da ferramenta monocortante estar em contato permanente com a peça usinada. Já no fresamento a avaliação dos esforços é dificultada pela própria natureza do processo, onde uma ferramenta multicortante realiza o corte interrompido. No fresamento frontal existem varias alternativas, dependendo do posicionamento da ferramenta em relação a peça, conforme mostrado na Fig (1). No fresamento frontal simétrico como na Fig. (1a) e (1b), o deslocamento do eixo da fresa se faz sobre o eixo de simetria da peça fresada. Este tipo de fresamento favorece uma maior vida da ferramenta. No fresamento frontal assimétrico, o corte não se dá sobre o eixo de simetria da peça em usinagem, como mostrado na Fig (1c). Este tipo de fresamento é vantajoso quando o diâmetro da fresa é grande em relação à largura da peça, pelo fato de que, neste caso, pode se ter um maior número de dentes simultaneamente no corte e, consequentemente menores esforços de corte por dente, gerando um corte mais suave quando comparado com o fresamento simétrico. (Diniz et al, 2008).

2 Fresa Fresa Peça Peça a) Simétrico de rasgo b) Simétrico comum Fresa Peça c) Assimétrico, com toda a superfície sendo fresada Figura 1. Tipos de Fresamento frontal Os esquemas mostrados nas Fig. (1) a) b) e c) serão objeto do presente trabalho. Nos três casos, a espessura do cavaco vai variando em função do ângulo φ de posicionamento da aresta de corte em relação a direção perpendicular a velocidade de avanço v f, podendo calcular a espessura máxima do cavaco h Max segundo: h Max = f z. sen χ (1) Onde: f z : avanço por dente χ : ângulo de posição da ferramenta Um fato importante de se ressaltar é que no fresamento frontal simétrico como na Fig (1) a) b) o h Max acontece na metade do percurso do dente da fresa no corte. No fresamento assimétrico Fig (1) c) o h Max acontece próximo da saída do dente no corte e seu valor depende do posicionamento da ferramenta e da largura de corte a e. Com a espessura máxima do cavaco h Max, podemos avaliar a pressão específica de corte para h Max que chamaremos Ks h, usando a fórmula de Kienzle: Ks h = Ks 1. h Max z (2) Onde: Ks 1 e z são constantes relativas ao material da peça. No caso do aço ABNT 1045 adotamos (Diniz et al, 2008): Ks 1 = 1600 N/mm 2 z = 0,25 No caso do alumínio 6351-T6 (0,93%Si) temos: Ks 1 = 410 N/mm 2 z = 0,25 (Sandvik, 2010) A Fig.(2) mostra a relação entre a pressão específica de corte Ks e a espessura de cavaco h, esta tendência será conferida nos resultados experimentais do presente trabalho. Esta figura, segundo o autor, não corresponde a um material específico e tem por objetivo mostrar a relação entre ambos parâmetros.

3 Figura 2. Curva pressão específica de corte versus espessura do cavaco (Diniz et al, 2008) Da figura 2 podemos observar que quando a espessura de corte h aumenta, a pressão específica de corte Ks diminui, portanto quando h = h Max, Ks será o mínimo, este aumento do h ocasiona também um aumento na força de corte, (porém não na mesma proporção devido à diminuição do Ks), e consequentemente um aumento na potência de corte também. Podemos calcular a potência de corte instantânea segundo: Pc h = Ks h. a e.a p.v f / ( ) (kw) (3) Finalmente, podemos calcular o torque de usinagem instantâneo T h segundo: T h = Pc h / ω (Nm) (4) Onde: Pc h : potência de corte instantânea, para h Max (W) ω : velocidade angular da fresa (rad/s) Podemos calcular uma potência de corte média utilizando a espessura média do cavaco h m usando a Eq.(4) : h m = [1/( φ 2 -φ 1 )]. f z. sen χ. (cos φ 1 - cosφ 2 ) (5) Onde: φ 1 : ângulo entre o ponto de entrada do dente e a direção perpendicular ao avanço φ 2 : ângulo entre o ponto de saída do dente e a direção perpendicular ao avanço O h m nos permitiria calcular uma pressão específica de corte média Ks m (usando a Eq.(2)) e consequentemente uma potência de corte média Pcm, porém nos ensaios com o dinamômetro a identificação no sinal de torque para o valor do hm seria inviável, o que limitaria a sua aplicação como ferramenta didática. A localização do h Max no sinal gerado pelo dinamômetro fica facilitada especialmente no ensaios simétricos, por acontecer na metade do percurso do dente dentro da peça, por esse motivo não foi adotado o hm e sim o h Max na avaliação teórico/prática da potência de corte. Finalmente, uma vez obtido o torque teórico de usinagem instantâneo podemos compará-lo com o torque experimental obtido pela medição com o dinamômetro, e verificar a validade das considerações teóricas de grande importância didática. A sensibilidade utilizada no dinamômetro foi : 0,5 volts/ Nm (Range 2) 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem Mazak modelo AJV-25/404N com 25CV de potência e rotação máxima de 4000 rpm, cujo desenho esquemático é mostrado na Fig. (3). Figura 3. Desenho do Centro de usinagem vertical Mazak

4 No eixo-árvore (vertical) foi instalado um dinamômetro rotativo modelo 9123C fabricado pela Kistler que possui capacidade de medição de três forças de usinagem e torque. O sinal é transmitido a um condicionador de sinal modelo 5223, como mostrado na Fig. (4). 1 Rotor do dinamômetro 2 - Estator 3 Cabo de transmissão 4 Condicionador de sinais 5223 Figura 4. Dinamômetro rotativo e condicionador de sinais da Kistler (Kistler, 2005) Para a análise dos dados no computador foi utilizada uma placa de aquisição de sinais, modelo PCI 4472 da National Instruments e o software LabView Express. A placa de 24 bits de resolução, tem capacidade de amostragem de 8 canais simultaneamente, o que permitirá futuramente monitorar outras variáveis do processo. A taxa de aquisição de sinais de torque adotada foi de 100k. No ensaio do aço ABNT 1045, foi utilizada uma fresa de metal duro de diâmetro 10 mm e 6 cortes. Para garantir que o sinal coletado corresponda a uma única aresta em contato com o material, foi pré-usinado um ressalto de largura 4 mm ao longo da peça. Foram realizados dois ensaios neste material, o ensaio 1 foi realizado no corte simétrico, conforme esquema mostrado na Fig. (1b). O ensaio 2 foi realizado no corte assimétrico, conforme Fig. (1c), para este fim foi deslocado o centro da fresa em relação ao centro do ressalto uma distância de 1,5 mm. No ensaio do alumínio 6351-T6 (0,93%Si), foi utilizada uma fresa de aço rápido de diâmetro 10 mm e 2 cortes, dessa maneira não foi necessário pré-usinar um rebaixo e usinou-se diretamente em cheio um canal de 10 mm de largura, uma vez que mesmo nessa condição podemos garantir que só uma aresta de corte está em contato com o material. Foram realizados três ensaios. O esquema adotado corresponde ao mostrado na Fig.(1a), os dois primeiros com profundidade de corte a p = 2 mm, um ensaio movimentando a mesa da esquerda para direita (sentido de programação X-), e o outro movimentando a mesa da direita para esquerda (sentido de programação X+) em ambos a entrada no dente o movimento é discordante e na saída do corte é no sentido concordante, porém foram feitos os ensaios em ambos sentidos do movimento para detectar alguma folga nas guias lineares, uma vez que no ensaio X+ a força de usinagem afasta o cabeçote das guias verticais (ver Fig.(5)) e no sentido X- a força de usinagem pressiona o cabeçote contra as guias verticais. Não foi observada diferença significativa entre ambos os ensaios. O ensaio 3 foi feito com profundidade de corte a p = 3 mm. Guias lineares Figura 5. Desenho das guias verticais no cabeçote do centro de usinagem Mazak

5 7 º C O N G RE S S O B R A S I L E I R O DE E N G E N H A RI A D E F A B R I C A Ç Ã O 1 5 a 1 9 d e A b r i l d e P e ne d o, I t a t i a i a - R J Os ensaios foram realizados com refrigeração líquida como mostrado na Fig. (6a). Foi utilizado o fluido de corte Rocol Ultracut 370 que é um fluido semi-sintético (25% de óleo mineral) adequado para a usinagem de materiais ferrosos e não ferrosos, na concentração de 2%, a bomba da máquina é de baixa pressão. A Fig (6b) mostra somente a montagem do equipamento na máquina. (a) (b) Figura 6. (a) Ensaios de usinagem com refrigeração líquida (b) Pré-usinagem 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A seguir são mostrados os resultados dos ensaios 1 (corte simétrico) e ensaio 2 (corte assimétrico) realizados no aço ABNT Tabela 1 Resultados dos ensaios de usinagem no aço ABNT RESULTADOS TEÓRICOS NOMENCLATURA ENSAIO 1 ENSAIO 2 Rotação da fresa N (rpm) Número de dentes zd 6 6 Avanço por dente fz (mm/dente) 0,1 0,1 Velocidade de avanço vf (mm/min) Ângulo de posição da ferramenta χ (graus) Largura de corte ae (mm) 4 4 Profundidade de corte ap (mm) 1 1 Pressão específica de corte Ks (N/mm2) Constante do material z 0,25 0,25 Espessura máxima do cavaco h Max (mm) 0,1 0,1 2 Pressão específica de corte para hmax Ksh (N/mm ) 2845, ,24 Potência de corte para h max Pc (W) 379,36 379,36 Torque de usinagem teórico Tt (Nm) 1,065 1,065 RESULTADOS EXPERIMENTAIS NOMENCLATURA ENSAIO 1 ENSAIO 2 Tensão medida (pico a pico) Vpp 0,57 0,50 Sensibilidade ajuste fino a (volts/nm) 0,5 0,5 Torque experimental (Nm) % Erro (torque teórico em relação ao experimental) Te (Nm) 1,14 1,0-6,5 6,5 A Fig.(7) mostra as curvas de tensão versus tempo do ensaio 1(corte simétrico). Como dito anteriormente, a taxa de aquisição de sinais de torque adotada foi de 100k., o que corresponde a uma leitura de 290 amostras de torque por cada dente em contato com a peça. A medida que o dente vai entrando na peça, a espessura de cavaco vai aumentando, o torque (no gráfico a tensão V) vai aumentando até chegar a um valor máximo, que corresponde ao Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2013

6 torque para h Max e que acontece na metade do percurso do dente na peça, conforme mostrado na Fig.(1b). Portanto a tensão Vpp = 570 mv corresponde ao valor do torque para h Max, por algum motivo nas proximidades desse ponto acontece uma oscilação no sinal provavelmente devido a que nesse ponto existe inversão no sentido da componente da força radial no eixo X este fato pode ser potencializado se existir alguma folga no fuso que movimenta esse eixo. A partir desse ponto, a espessura de cavaco começa a diminuir e portanto a curva de torque começa a diminuir novamente até a saída do dente do corte. Vpp = 570 mv Figura 7. Curva tensão (proporcional ao torque) versus tempo do ensaio 1. A Fig.(8) corresponde ao ensaio 2 (assimétrico), nele podemos apreciar que h Max acontece mais próximo da saída do dente do corte, conforme diagrama da Fig.(1c), após atingir h Max, a espessura de cavaco começa a diminuir novamente porém por pouco tempo porque o dente sai do corte. Mas comparando ambos valores Vpp de ambas as curvas percebemos que o valor do torque no ensaio assimétrico é inferior ao obtido no ensaio simétrico, mesmo tendo ambos a mesma espessura h Max, isso pode ser devido a que no ensaio simétrico a variação da direção das forças radiais na direção do eixo X é mais significativa por acontecer em maior parte do tempo de corte o que leva a um aumento de vibrações, este efeito é particularmente sensível porque somente temos uma aresta cortando, quando se tem varias arestas no corte este problema é minimizado. Já no corte assimétrico a variação da direção radial da força de usinagem acontece em um período muito curto e consequentemente, menor a tendência à vibração, este fato pode estar provocando uma diminuição do torque de usinagem em relação ao obtido no ensaio simétrico. Vpp = 500 mv Figura 8. Curva tensão (proporcional ao torque) versus tempo do ensaio 2

7 A Tabela (2) mostra os resultados dos ensaios 3, 4 e 5 realizados no alumínio com % Si < 1%. Tabela 2 Resultados dos ensaios de usinagem no alumínio com % Si < 1%. RESULTADOS TEÓRICOS Nomenclatura ENSAIO 3 ENSAIO 4 ENSAIO 5 Rotação da fresa N (rpm) Número de dentes z d Avanço por dente f z (mm/dente) 0,15 0,15 0,15 Velocidade de avanço v f (mm/min) Ângulo de posição da ferramenta χ (graus) Largura de corte a e (mm) Profundidade de corte a p (mm) Pressão específica de corte Ks (N/mm 2 ) Constante do material z 0,25 0,25 0,25 Espessura máxima do cavaco h Max (mm) 0,15 0,15 0,15 Pressão específica de corte para h max Ks m (N/mm 2 ) 658,81 658,81 658,81 Potência de corte para h max Pc (W) 263,52 263,52 395,28 Torque de usinagem teórico Tt (Nm) 0,63 0,63 0,94 RESULTADOS EXPERIMENTAIS Nomenclatura ENSAIO 3 ENSAIO 4 ENSAIO 5 Tensão medida (pico a pico) Vpp 0,32 0,3 0,45 Sensibilidade ajuste fino a (volts/nm) 0,5 0,5 0,5 Torque experimental (Nm) Te (Nm) 0,64 0,6 0,9 % Erro (torque teórico em relação ao experimental) -1,5 5 4,4 Nos ensaios com o alumínio, foi adotado o fresamento simétrico de rasgo, conforme Fig.(1a). Foram realizados três ensaios como explicado anteriormente. As Fig.(9), Fig(10) e Fig.(11) mostram as curvas de tensão versus tempo dos ensaios 3,4 e 5 respectivamente. Considerando uma taxa de aquisição de sinais de torque de 100k, obtivemos uma leitura de 750 amostras de torque por cada dente em contato. Na entrada do dente no corte temos h=0, portanto o Ks aumenta muito nesse instante por causa do atrito (matematicamente tende a infinito), gerando um grande aumento instantâneo do torque, o qual explica os picos fora da escala do gráfico mostrados nas Fig.(9), Fig(10) e Fig.(11). Este fato é de importância didática porque confirma a tendência da curva teórica da Eq.(2), O h Max é fácil de ser identificado, vai acontecer a metade do percurso entre dois picos fora da escala consecutivos. Continuando o corte, após atingir h Max, a espessura diminui e o torque também até atingir novamente h=0 na saída do dente 1 que coincide com a entrada do dente 2, representado pelo pico fora da escala. No ensaio 5 mostrado na Fig.(11), foi aumentada a profundidade de corte em 50% em relação aos ensaios 3 e 4, os resultados experimentais confirmam a tendência teórica, um aumento na profundidade de corte gera um aumento do torque na mesma proporção.

8 Ponto do h Max Vpp = 320 mv Figura 9. Curva tensão (proporcional ao torque) versus tempo do ensaio 3 (sentido de programação X-) Vpp = 300 mv Figura 10. Curva tensão (proporcional ao torque) versus tempo do ensaio 4 (sentido de programação X+)

9 Vpp = 450 mv Figura 11. Curva tensão (proporcional ao torque) versus tempo do ensaio 5 4. CONCLUSÕES Os resultados obtidos na usinagem do aço ABNT 1045 apresentam um erro máximo da ordem de 6,5% entre o torque teórico e o torque medido experimentalmente. Nestes ensaios foi confirmada a validade da fórmula de Kienzle, tanto no corte simétrico quanto no assimétrico, esta compatibilidade é de significativo valor didático, foi conferido também a importância do posicionamento correto da ferramenta para minimizar o impacto na entrada do dente no corte. É possível que uma fonte de erros entre os resultados teóricos e os experimentais possa vir dos fatores Ks e z que foram adotados para o aço ABNT 1045, podendo haver variações em função da estrutura e composição química do aço. Nos ensaios de usinagem do Alumínio, além de confirmarmos a validade da fórmula de Kienzle, foi verificado o grande aumento da pressão específica de corte na entrada do dente no corte, porque acontece com espessura de cavaco zero, gerando um aumento instantâneo do torque de usinagem. Os resultados experimentais confirmam outra previsão teórica importante: o aumento na profundidade de corte gera um aumento do torque de usinagem na mesma proporção. O uso do dinamômetro mostrou-se uma ferramenta didática importante, que permitirá a validação dos resultados teóricos e futuramente a sua aplicação na caracterização do comportamento na usinagem de outros materiais assim como o uso de outras ferramentas diferentes as utilizadas no presente trabalho. O erros encontrados entre os resultados teóricos em relação ao experimentais são inferiores a 6,5%, considerando a faixa de torques medidos sendo inferiores a 1,5 Nm são bastante aceitáveis para uma finalidade didática e refletem a coerência entre os fundamentos teóricos adotados e os procedimentos de medição. 5. REFERÊNCIAS Diniz, A.E., Marcondes, F. C. and Coppini, N. L., 2008, Tecnologia da usinagem dos materiais, 6 ed. São Paulo: Artliber Editora. Ferraresi, D., 1970, Fundamentos da Usinagem dos Metais, Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 751 p. Stemmer, G. E., 2007, Ferramentas de Corte I, Florianópolis, Ed. da UFSC, 7 ed., 249 p. Sandvik, 2010, Manual Técnico: Torneamento, Fresamento-Furação-Mandrilamento-Sistemas de Fixação,Sweden. Kistler, 2005, Operating Instructions, Rotating Cutting Force Dynamometer Type 9123C, Winterthur, Switzerland, 60p. 6. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

10 7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 7 th BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING 20 a 24 de maio de 2013 Penedo, Itatiaia RJ - Brasil May 20 th to 24 th, 2013 Penedo, Itatiaia RJ Brazil USE OF THE ROTATING DYNAMOMETER AS TEACHING TOOL APPLIED TO TEACHING OF MACHINING TECHNOLOGY Valter Martins Marfil Dias, valter_marfil@hotmail.com 1 Jorge Antonio Giles Ferrer, jorgilfer@hotmail.com 2 1 Faculdade SENAI de Tecnologia Mecatrônica, Rua Niterói, São Caetano do Sul - SP 2 Faculdade SENAI de Tecnologia Mecatrônica, Rua Niterói, São Caetano do Sul SP Abstract: This paper has the main objective to serve as a technical pedagogic instrument for the study of machining technology specifically in the evaluation of the machining torque in the face milling. Tests were performed in a vertical machining center. Two types of material were tested: ABNT 1045 Steel and 6351-T6 aluminum. For the evaluation of the torque machining were used the rotating dynamometer, acquisition signals board and the processing signals software. A carbide mill was used for the machining steel, using the asymmetric and symmetric cutting. A high speed steel mill was used for the machining of aluminum for machining groove. It was confirmed in all tests performed the validity of the Kienzle equation in the evaluation of the specific cutting pressure Ks, this compatibility is of significant didactic value. In the evaluation of the milling torque, the errors found in the theoretical results in relation to the experimental results were less than 6,5% and considering the measured torques range (less than 1,5 Nm) it is possible to consider them didactically acceptable and to show the compatibility of theoretical results with practical results. Thus, the application of this technique is an important teaching tool in teaching machining technology, since it allows to relate theory to practice, not always possible due to lack of specific equipment availability. Keywords: face milling, momentum machining, rotating dynamometer,cutting force.