POTÊNCIA CONSUMIDA E GERAÇÃO DE CALOR NO PROCESSO DE TORNEAMENTO

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1 POTÊNCIA CONSUMIDA E GERAÇÃO DE CALOR NO PROCESSO DE TORNEAMENTO Anderson Clayton A. de Melo Edvon A.Cordeiro Álisson R. Mahado Gilmar Guimarães Universidade Federal de Uberlândia, Departamento de Engenharia Meânia Cep: Uberlândia, MG, Brasil Resumo. São apresentados os resultados obtidos através do estudo das transformações energétias durante o proesso de torneamento. Forças de usinagem e temperaturas de orte foram medidas simultaneamente e usadas para estimar a quantidade de alor gerado. O alor total e o alor gerado na zona de isalhamento seundária, foram obtidos a partir da força de orte e da força de avanço, respetivamente. A quantidade de alor que flui para a ferramenta de orte, a partir da interfae avao-ferramenta, foi estimada om o uso de um paote omputaional baseado em problemas inversos em ondução de alor e nas temperaturas medidas na aresta inferior oposta à aresta de orte. O alor gerado na zona de isalhamento seundária é omparado om aquele que flui para a ferramenta. Foi observado que a maior parte do alor gerado na zona de isalhamento seundária flui para a ferramenta de orte. A quantidade de alor gerado na zona de isalhamento primária foi alulada pela diferença entre o alor total e o alor gerado na zona de isalhamento seundária. Palavras-have: Torneamento, Potênia onsumida, Calor gerado. 1. INTRODUÇÃO Durante o proesso de orte, a maior parte da potênia onsumida é utilizada para o isalhamento do material que leva à formação do avao e da nova superfíie usinada. Taylor e Quinney (1934, 1937), estimaram que era de 97 a 99 % dessa potênia é onvertida em alor que flui diretamente para o avao, para a peça, para a ferramenta e para o meio irunvizinho. As duas prinipais zonas de geração de alor no proesso de usinagem são as zonas de isalhamento primária e seundária. A zona de isalhamento primária é uma região que surge durante todo o proesso de orte na interfae entre o material que está sendo realado e o avao que está sendo formado. Nesta região as deformações isalhantes geralmente são da ordem de 2 a 4 (Trent, 1984). O trabalho neessário para provoar estas deformações é pratiamente todo transformado em alor, o que faz elevar a temperatura naquela região de

2 orte. A maior parte deste alor é dissipado pelo avao, mas uma pequena fração flui em direção à peça. A zona de isalhamento seundária foi estudada por Trent (1963), que através da análise de mirografias da raiz do avao de vários materiais usinados om aço rápido e metal duro, utilizando ténias de quik-stop, obteve evidênias laras de um ontato íntimo entre o avao e a ferramenta numa grande porção da interfae. Esta região foi denominada zona de aderênia. A região logo aima da interfae, dentro da zona de aderênia, foi denominada de zona de fluxo. Nela existe um gradiente de veloidade que provoa a oorrênia de grandes deformações, as quais são bem maiores do que as existentes no plano de isalhamento primário, podendo atingir valores iguais a 100 ou mais (Trent, 1984). Para que sejam alançados tais níveis, é neessário uma grande quantidade de trabalho isalhante, que é pratiamente todo transformado em alor. Esta fonte térmia é a prinipal responsável pelo aumento da temperatura da ferramenta de orte. A zona de interfae entre a peça e a superfíie de folga da ferramenta, também pode representar uma importante fonte de geração de alor no proesso de usinagem. Quanto menor o ângulo de folga, maior será a área de ontato da superfíie do flano om a nova superfíie usinada. Esse fato pode produzir uma zona de aderênia e, onsequentemente, gerar uma zona de fluxo semelhante à existente na região de interfae avao-ferramenta. Um fator que pode ausar a redução do ângulo de folga e, onsequentemente, intensifiar a geração de alor nesta região, é o desgaste de flano ou deformação plástia da aresta de orte. É de grande importânia o onheimento quantitativo da fração de alor gerada em ada zona desrita anteriormente. Através destas informações é possível se fazer um estudo mais detalhado da energia onsumida durante o proesso que leva à geração de alor e, onsequentemente, à elevação da temperatura na região de orte. Isto se torna mais importante ainda quando se tem onheimento de que a temperatura desenvolvida durante o proesso de usinagem influenia forte e diretamente a vida da ferramenta de orte. Tal omportamento já foi evideniado om bastante ênfase por Taylor (1907) em seu trabalho On the art of utting metals. Este artigo apresenta os resultados obtidos a partir de um estudo realizado sobre a relação entre a potênia onsumida durante o orte e a quantidade de alor gerado. Ensaios de torneamento do ferro fundido inzento DIN GG 20 usinado om uma ferramenta de metal duro ISO K10 à seo foram realizados, onde foram monitoradas de forma simultânea e em tempo real, as forças de usinagem (força de orte, força de avanço e força passiva) e as temperaturas desenvolvidas na aresta inferior oposta à aresta de orte. As forças de orte e de avanço, foram usadas para alular o alor total e o alor gerado na zona de isalhamento seundária, respetivamente. As temperaturas obtidas experimentalmente foram armazenadas em forma de arquivo e utilizadas em um paote omputaional baseado em problemas inversos em ondução de alor que fornee a quantidade de alor que flui para dentro da ferramenta de orte durante o proesso de usinagem. O alor gerado na zona de isalhamento seundária foi omparado om aquele que entra na ferramenta de orte. A quantidade de alor gerada no plano de isalhamento primário, foi obtida pela diferença entre o alor total e o alor gerado na região de interfae avao-ferramenta. 2. CALOR DESENVOLVIDO NAS ZONAS DE CISALHAMENTO PRIMÁRIA E SECUNDÁRIA Como foi dito anteriormente, o trabalho realizado para a formação do avao durante o proesso de usinagem é pratiamente todo transformado em alor. Boothroyd (1975) propôs um método que permite quantifiar as energias térmias produzidas durante o orte a partir dos parâmetros de usinagem e das forças desenvolvidas. Segundo ele, o alor total gerado, Q,

3 numa operação de orte é igual ao produto da força de orte, F, pela veloidade de orte, V, dividido pelo equivalente meânio do alor, J, ou seja: FV Q = (1) J A Eq. (1), onsidera que a potênia onsumida para a formação do avao (F V ), é totalmente onvertida em alor. O onsumo de potênia devido à força de avanço não é onsiderado neste aso, pois este representa uma quantidade desprezível quando omparada om a potênia de orte. Q, representa a soma do alor gerado no plano de isalhamento primário (ou zona de isalhamento primária), Q s, e o alor gerado na interfae avaoferramenta (ou zona de isalhamento seundária), Q t. Considerando-se o aso de uma zona de fluxo perfeitamente estabeleida e na ausênia de aresta postiça de orte (APC), tem-se que o alor gerado na zona de isalhamento seundária, Q t, é dado pelo produto da força tangenial, F t, pela veloidade de saída do avao, V av, dividido pelo equivalente meânio do alor, J, ou seja: FV t av Qt = (2) J No aso do orte ortogonal utilizando-se uma ferramenta de orte om um ângulo de saída igual a zero, a Eq. (2) fia omo segue: Q t F fvtgφ = (3) J onde F f é a força de avanço e φ é o ângulo do plano de isalhamento primário. No torneamento tridimensional, porém, deve-se onsiderar que os vetores força tangenial e veloidade de saída do avao, estão em planos e direções diferentes. Desta forma, o alor desenvolvido na zona de isalhamento seundária neste proesso de torneamento pode ser aproximado pela seguinte equação: Q t = o [ F senγ + F os( 90 χ )] o f JR r V (4) onde γ o e χ r, são os ângulos de saída e de posição da ferramenta de orte, respetivamente e R é o grau de realque, dado pela equação que segue: h R = V = (5) h Vav onde h é a espessura do avao e h é a espessura de orte. Finalmente, o alor produzido durante o orte na zona de isalhamento primária, Q s, onsiderando-se uma ferramenta prefeitamente afiada, é dado pela diferença entre o alor total, Q, e o alor gerado na zona de isalhamento seundária, Q t, ou seja: Q = Q (6) s Q t

4 3. FLUXO DE CALOR EM DIREÇÃO À FERRAMENTA DE CORTE É sabido que o prinipal responsável pelo aumento de temperatura da ferramenta de orte durante o proesso de usinagem é o alor gerado na zona de isalhamento seundária. Grande parela dessa energia térmia é onduzida para a ferramenta de orte, porém, uma pequena fração flui para o avao. A determinação da quantidade de alor que entra na ferramenta de orte é uma tarefa bastante omplexa e determinante na obtenção da distribuição de temperatura no orpo da ferramenta e na região de interfae om o avao. Tarefa esta, que na maioria das vezes é realizada por intermédio de métodos numérios de estimação. Uma ténia frequentemente usada pelos pesquisadores (Yen & Wright, 1986; Lin et al., 1992) é aquela desenvolvida por Bek (1985) denotada Problemas Inversos em Condução de Calor. Yen & Wright (1986), sugeriram que as isotérmias geradas em um inserto durante o proesso de torneamento, fossem representadas por uma família de elipsóides onfoais, omo mostra a Fig. 1. b ξ = 0 ξ a ξ = 0 a ξ P T x, t a ( ) x (a) (b) Figura 1. (a) Modelo de mapeamento elipsoidal de distribuição de temperatura em um inserto quadrado, Yen e Wright (1986); (b) Modelo elipsoidal unidimensional usado na estimação inversa da temperatura de interfae avao-ferramenta, Lin et al. (1992). Esta onsideração permitiu que o modelo matemátio de transferênia de alor no orpo da ferramenta de orte fosse tratado em termos de oordenadas elipsoidais, tendo um únio parâmetro espaial (ξ) que representa uma família de elipsóides onfoais. Desta forma, o problema físio de difusão tridimensional foi tratado matematiamente omo um problema unidimensional. Lin et al. (1992) desenvolveram um método similar baseado em problemas inversos em ondução de alor e em medições de temperaturas sobre a superfíie de saída da ferramenta de orte para estimar a temperatura de interfae avao-ferramenta durante o torneamento de um aço om insertos de erâmia e de metal duro a altas veloidades de orte, Fig. 1(b). Neste aso, a história de temperatura em um ponto loalizado na superfíie de saída, ponto P na Fig. 1(b), foi medida usando um sensor de infra-vermelho. Os valores medidos foram usados em um algorítmo sequenial de problemas inversos para estimar o fluxo de alor sobre a superfíie orrespondente a ξ=0. Para resolver a equação diferenial do problema físio (oefiientes de sensibilidade e temperaturas estimadas) foi usado o método dos elementos finitos. Melo (1998), desenvolveu um método similar, mas as temperaturas foram medidas usando um termopar montado na aresta inferior oposta à aresta de orte da ferramenta, entre o inserto e o porta-ferramentas, Fig. 2. Um algorítmo numério foi desenvolvido para determinar a evolução do fluxo de alor e da temperatura em função do tempo, na interfae avao-ferramenta. A ténia onsiste no uso de um termopar do tipo T montado na aresta inferior oposta à aresta de orte, para medir a temperatura em tempo real durante o proesso de torneamento. Após armazenar as temperaturas em um arquivo, o próximo passo onsiste em entrar om estes valores num programa omputaional denomindo ESTIMA para estimar a temperatura média na interfae avao-ferramenta e o fluxo de alor que dese para o orpo da ferramenta durante o orte,

5 supondo a área de ontato igual a ¼ de írulo. A Fig. 3 mostra um diagrama esquemátio do programa. superfíies elipsoidais (isotérmias) ξ = 0 b superfíie de saída y x ( ) T x, y a superfíie de folga z ponto de aquisição de temperatura Figura 2. Ténia usado por Melo (1998). Loalização do sensor de temperatura na aresta inferior oposta à aresta de orte, entre o inserto e o pota-ferramenta. Inío Carrega arquivo de temperaturas medidas Estima o fluxo de alor na interfae avao-ferramenta - Estima as temperaturas na interfae avao-ferramenta Fim Figura 3. Diagrama esquemátio do programa ESTIMA. O método desenvolvido por Melo (1998) foi usado neste trabalho para estimar a quantidade de alor desenvolvida durante o orte. 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Foram realizados testes de torneamento onde foram monitorados, de forma simultânea, a temperatura na aresta inferior oposta à aresta de orte e as forças de usinagem. O material usinado foi o ferro fundido inzento DIN GG 20. Utilizou-se inserto de metal duro lasse ISO K10 SNGN montado num porta-ferramentas ISO CSBNR 2020 K12. O onjunto apresentou a seguinte geometria: γ o =-6 o ; α o =6 o ; χ r =75 o ; λ s =-6 o. A Figura 4 mostra o sistema que foi montado para adquirir força e temperatura durante o orte.

6 torno meânio dinamômetro sistema de aquisição de força termopar plaa de aquisição amplifiador sistema de aquisição de temperatura Figura 4. Sistema montado para adquirir forças de usinagem e temperaturas na aresta inferior oposta à aresta de orte. Para adquirir as temperaturas na aresta inferior oposta à aresta de orte, utilizou-se uma plaa de aquisição PCL-810 onetada a um miroomputador pentium 100 MHz, onde foi usado um programa de aquisição de dados denominado Genie. O tempo de amostragem seleionado foi de 1 segundo. As forças de usinagem foram obtidas om o uso de um dinamômetro Kistler 9265 B onetado a um miroomputador AT 486. Os ensaios realizados estão mostrados na Tabela RESULTADOS miroomputadores Tabela 1. Valores de veloidade de orte usados nos ensaios. Ensaio V (m/min) a p =1.5 mm f=0.176 mm/rot Os valores de forças de usinagem medidas estão mostradas na Tabela 2. Tabela 2. Valores de forças medidos (em N). Ensaio F F f F p O gráfio da Fig. 7(a) mostra os valores de temperaturas medidas na aresta inferior oposta à aresta de orte para as três ondições testadas.

7 Tem peraturas m edidas X Tem peraturas estim adas - Ensaio 1 Tem peraturas m edidas na aresta inferior oposta à aresta de orte 180 (a) (b) Temperatura ( C) Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Temperatura ( C) Tem peraturas m edidas Tem peraturas estim adas Tempo (s) Tempo (s) Figura 7. (a) Valores de temperaturas medidas na aresta inferior oposta à aresta de orte; (b) Comparação entre as temperaturas medidas e estimadas no ponto de medição para o ensaio 1. Após os ensaios terem sidos realizados, utilizou-se o programa omputaional ESTIMA para que os fluxos de alor que entram na ferramenta durante o proesso de usinagem e das temperaturas na região de interfae avao-ferramenta fossem obtidos. A Fig. 7(b) mostra a boa orrelação numéria do paote omputaional usado. Neste aso, as temperaturas medidas na aresta inferior oposta à aresta de orte são onfrontadas om aquelas estimadas utilizandose os fluxos de alor obtidos pelo paote neste mesmo ponto de medição. A Fig. 8(a) mostra os valores de fluxo de alor estimados na interfae avao-ferramenta para os três ensaios realizados e a Fig. 8(b) mostra as temperaturas estimadas na interfae avao-ferramenta usando o programa ESTIMA. Fluxos de alor estimados na á rea da interfae avao-ferram enta 140 (a) (b) Tem peraturas estim adas na interfae avao-ferram enta Fluxo de alor (W) Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Temperatura ( C) Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio Tempo (s) Tempo (s) Figura 8. (a) Fluxos de alor estimados fluindo para a ferramenta de orte durante o proesso de usinagem; (b) Temperaturas estimadas na interfae avao-ferramenta. Realizou-se uma análise no mirosópio eletrônio de varredura para verifiar se a onsideração sobre a inexistênia da zona de isalhamento teriária (entre a peça e a superfíie de folga da ferramenta) poderia ser onsiderada. As Figs. 9 (a), (b) e () revelam que pratiamente não houve desgaste do flano das ferramentas durante os ensaios.

8 (a) (b) () Figura 9. Superfíie de flano da ferramenta ensaiada. (a) ensaio 1; (b) ensaio 2; () ensaio 3. A Tabela 3 mostra os resultados das quantidades de alor total, Q, alor gerado na zona de isalhamento seundária, Q t, e alor gerado na zona de isalhamento primária, Q s, aluladas pelas equações (1), (4) e (6), respetivamente. Tabela 3. Valores de fluxo de alor alulados para os ensaios realizados (em W). Ensaio 1 % 2 % 3 % Q Q t , , ,26 Q s , , ,74 6. DISCUSSÕES Observando-se primeiramente as Figs. 7 (a) e 8(b), nota-se laramente que os valores de temperatura no ponto de medição (aresta inferior oposta à aresta de orte) e na interfae avao-ferramenta, resem de aordo om o aumento da veloidade de orte. Isto pode ser expliado pelo fato de que quando a veloidade de orte é aumentada, aumenta-se proporionalmente a taxa de deformação nas zonas de isalhamento primária e seundária e, onsequentemente, aumenta-se também o alor gerado nestas zonas, omo pode ser observado pelos resultados obtidos om o álulo das quantidades de alor nestas regiões mostrados na Tabela 3. Observa-se que do total de alor gerado durante a usinagem, a maior parte é produzido na zona de isalhamento primária, ainda que as quantidades de deformações nesta região sejam bem inferiores àquelas observadas na zona de isalhamento seundária. Entretanto, devido a menor quantidade de massa de material envolvida no isalhamento da zona seundária, as temperaturas desenvolvidas nesta são bem superiores àquelas enontradas na zona primária (Ferraresi, 1977). Comparando-se agora os valores de alor gerado na zona de isalhamento seundária om aquele que flui para a ferramenta de orte (estimado e no regime permanente), pôde-se plotar o gráfio mostrado na Fig. 10. Observa-se que, da quantidade total do alor que é gerado na zona de isalhamento seundária, a maior parte flui em direção à ferramenta de orte, o restante é onduzida para o avao. A elevada temperatura do avao, observada normalmente nos proessos de usinagem, se deve a grande quantidade de alor que é gerada na zona de isalhamento primária.

9 200 Calor gerado na zona de isalhamento seundária. Calor fluindo para a ferramenta de orte. 170 W 150 Fluxo de alor (W) W 94 W 118 W 105 W 114 W 50 0 Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Figura 10. Comparação entre o alor gerado na zona de isalhamento seundária e o alor que flui para a ferramenta de orte durante o proesso de usinagem. 7. CONCLUSÕES ƒ Aumentando-se a veloidade de orte, aumenta-se a taxa de deformação nas zonas de isalhamento primária e seundária, o que faz elevar a taxa de geração de alor nestas regiões, elevando a temperatura de orte. ƒ Apesar das deformações serem maiores na zona de isalhamento seundária (Trent, 1984), a quantidade de alor gerada nesta região é inferior a gerada na zona de isalhamento primária. Entretanto, devido à menor massa de material as temperaturas na zona seundária são superiores. ƒ Do alor total que é produzido na zona de isalhamento seundária, a maior parte flui em direção à ferramenta de orte, elevando sua temperatura, o restante flui em direção ao avao. REFERÊNCIAS Bek, J. V., Blakwell, B. and St. Clair, C. R., 1985, Inverse Heat Condution: Ill Posed Problems, Wiley. Boothroyd, G., 1975, Fundamentals of Metal Mahining and Mahine Tools, MGraw-Hill. Ferraresi, D., 1977, Fundamentos da Usinagem dos Metais, Editora Edgard Blüher Ltda, vol. 1, SP, 751 pgs. Lin, J., Lee, S. and Weng, C., 1992, Estimation of Cutting Temperature in High Speed Mahining, Journal of Engineering Materials and Tehnology, vol. 114, pp Melo, A. C. A., 1998, Estimação da Temperatura de Corte Utilizando Problemas Inversos em Condução de Calor, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia. Taylor, F. W., 1907, Trans. ASME, 28, 31. Taylor, G. I. and Quinney, H., 1934, Pro. R. So. A143, 307. Taylor, G. I. and Quinney, H., 1937, Pro. R. So. A163, 157. Trent, E. M., 1963, Cutting Steel and Iron with Cemented Carbide Tools Part II: Conditions and Seizure at the Tool Work Interfae, Journal of the Iron and Steel Institute. Trent, E. M., 1984, Metal Cutting, 2 nd Edition, Butterworths, London, ISBN , 254 pgs. Yen, D. W. and Wright, P. K., 1986, A Remote Temperature Sensing Tehnique for Estimating the Cutting Interfae Temperature Distribution, Transations of the ASME, vol. 108, pp

10 POWER CONSUMPTION AND HEAT GENERATION IN THE TURNING PROCESS Abstrat: A study of the energeti transformations during the turning proess is presented. Cutting fores and utting temperatures were measured simultaneously and were used for estimating the heat generated. The total heat and the heat generated at seondary shear zone, were obtained using the utting fore and the feed fore, respetively. The heat flowing to utting tool, was estimated using a omputational program based on inverse heat ondution problems and on the temperatures measured at the opposite bottom edge, between the insert fae and the tool holder. The heat generated at the seondary shear zone is ompared with that flowing into the utting tool. The major part of this heat generated flows into the utting tool. The heat generated at the primary shear zone was alulated subtrating the heat generated at the shear zone from the total heat. Keywords: Turning, Power onsumption, Heat generated.