FRESAMENTO DE ACABAMENTO DO AÇO ABNT 1045 COM PASTILHA ALISADORA

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1 8 th Brazilian Congress of Manufacturing Engineering May, 18th to 22th 215, Salvador, Bahia, Brazil FRESAMENTO DE ACABAMENTO DO AÇO ABNT 145 COM PASTILHA ALISADORA José Veríssimo Ribeiro de Toledo, João Roberto Ferreira, 1 Sebastião Simões Cunha Júnior, 1 Anselmo Eduardo Diniz, 2 ¹Universidade Federal de Itajubá, Av. BPS 1.33, Itajubá, Minas Gerais, Brasil ²Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engª. Mecânica, C. Postal 6122, Campinas-SP, Brasil Resumo. Nos últimos anos o crescente avanço tecnológico na indústria metal mecânica possibilitou o desenvolvimento de novas ferramentas e processos de usinagem, que garantem uma elevada qualidade e vida útil em seus componentes. Dentre os processos de usinagem existentes o fresamento tem sido muito utilizado principalmente no acabamento de peças e componentes do setor automotivo. Sabe-se, portanto que, a superfície das peças usinadas por fresamento em acabamento quando observadas em detalhes apresentam irregularidades provocadas por sulcos ou marcas deixadas pela ferramenta durante o processo. Neste contexto, insertos de geometria alisadora são muito úteis no fresamento para diminuir a rugosidade da peça e aumentar a qualidade do processo. Este trabalho analizou a influência da relação fase plana/avanço por dente (bs/fz) no acabamento superficial da operação de fresamento de faceamento do aço ABNT 145. Durante os ensaios utilizou-se de pastilhas de fase plana normais em conjunto com uma e duas pastilhas alisadoras em uma fresa de 45 graus. Em conjunto, realizou-se o monitoramento da amplitude do sinal de vibração, verificando-se que a mesma aumentou com o decréscimo da relação bs/fz para cada configuração de montagem. Com a aplicação de apenas pastilhas normais na fresa, obteve-se uma rugosidade Ra mínima de,345 µm. Para a fresa com 5 pastilhas normais e uma pastilha alisadora obteve-se uma rugosidade Ra mínima de,473 µm e para a fresa com 4 pastilhas normais e duas pastilhas alisadoras obteve-se uma rugosidade Ra mínima de,539 µm. Portanto, neste trabalho conclui-se que com a utilização de uma pastilha alisadora na fresa consegue-se uma baixa rugosidade (Ra) e um maior volume de cavaco removido dentre as condições de ensaiadas. Palavra Chave: Fresamento de faceamento, aço ABNT 145, acabamento superficial, vibração e geometria alisadora. 1. INTRODUÇÃO As investigações científicas ligadas aos processos de usinagem são de extrema importância para o avanço tecnológico na área de fabricação mecânica. Por se tratar de um processo industrial de produção, grandes investimentos são necessários, e a redução de custos assume um papel importante. Neste sentido, dentro os processos de usinagem existentes, o processo de fresamento se destaca como um dos mais utilizados na indústria metal mecânica. Os aspectos como alta taxa de remoção de cavaco, variedade nas geometrias das ferramentas, alta precisão, rapidez de execução associado a um baixo custo, possibilita que o processo de fresamento seja utilizado na fabricação de peças com geometrias complexas, onde se faz necessária uma boa resistência mecânica, abrindo possibilidades para a obtenção de produtos de alta qualidade (Souto, 27). Dentro deste cenário a operação de fresamento de acabamento cresce em importância, pois uma das maneiras de se conseguir menores rugosidades de peça é utilizando pastilha com geometria alisadora em conjunto com pastilhas de geometrias normais, montadas simultaneamente na fresa. A pastilha alisadora, como possui maior fase plana (b s ), retira a porção de material deixado pelas demais pastilhas e alisa os picos de rugosidade (Altintas, 2). Do ponto de vista da qualidade, a rugosidade da peça torna-se um fator de elevada relevância. Isto é devido ao fato de que a rugosidade é uma propriedade importante para a avaliação da qualidade da peça no processo de usinagem por fresamento. Sabe-se, todavia que, o desgaste das ferramentas possui uma relação direta com a rugosidade (Diniz et al., 214) e se caracteriza como uma variável de difícil controle. Assim, a busca por condições de fresamento que propiciem um melhor acabamento superficial e uma melhor integridade da superfície usinada tem sido o alvo dos trabalhos de vários pesquisadores. Como o desgaste da ferramenta é um fenômeno natural do processo, fica difícil à modelagem e previsão da rugosidade dessas superfícies na operação de fresamento (Diniz et al., 214). Neste contexto, a utilização de fresas usando pastilhas com geometria alisadora, é uma das formas existentes de se obter um acabamento superficial satisfatório. Por outro lado, devido ao fato de apresentar elevada fase plana e trabalhar num plano abaixo das pastilhas normais, faz com que a pastilha alisadora esteja sujeita a maiores cargas, havendo maior tendência à vibração, que pode contribuir para uma aceleração no desgaste (Sandvik Coromant, 21). A vibração durante os processos de usinagem é um dos principais problemas responsáveis pela limitação na produtividade da indústria (Altintas, 2). Os sinais de vibração têm sido amplamente usados para monitorar as condições de usinagem, principalmente em relação ao nível de desgaste das ferramentas de corte, o aumento das forças de usinagem, a rugosidade da peça, apresentando resultados satisfatórios aliados a uma instrumentação de custo relativamente baixo (Silva, 21). Vibrações com amplitudes excessivas podem causar vários distúrbios no processo de

2 usinagem, como a redução da vida, ou em alguns casos, a quebra da ferramenta, a redução da qualidade superficial e ainda, em casos extremos, danificar o eixo-árvore da máquina (Altintas, 2). Na usinagem de aços e materiais de cavacos longos, a utilização de fresas com pastilhas alisadoras nem sempre surte os efeitos desejados, devido à vibração e ao alteração no fluxo de cavaco (Sandvik Coromant, 21). Sendo que, a variação da relação bs/fz é de extrema importância, devido ao aparecimento de vibrações que poderão influenciar negativamente na qualidade da peça produzida. Portanto, o objetivo do presente trabalho é analizar a influência da relação bs/fz no acabamento superficial no fresamento de faceamento do aço ABNT 145 usando pastilhas normais e alisadoras, e simultaneamente, monitorando a amplitude dos sinais de vibração. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os experimentos foram realizados utilizando um Centro de Usinagem ROMI modelo D 6 com três eixos de programação, sendo o eixo-árvore vertical com potência máxima de 15kW, rotação máxima de 1. rpm, sistema de fixação da ferramenta por cone ISO 4 e comando numérico computadorizado GE FANUC Oi-MD. A ferramenta de corte utilizada foi a fresa de facear R245-63Q22-12H (Sandvik-Coromant) duplo-positiva, ângulo de posição 45 graus, passo extra fino, diâmetro de corte 63 mm e 6 dentes. Foram utilizadas pastilhas com geometria normal código R245-12T3E-PL GC 13 com fase plana b s = 2,1 mm e pastilhas alisadoras código R245-12T3E-W GC 13 com fase plana b s = 8,2 mm. As pastilhas utilizadas foram de metal duro ISO P3 revestidas com TiN/AlTiN pelo processo PVD, mostradas na Figura 1. Pastilha alisadora Pastilha normal Figura 1. Fresa de facear e pastilhas utilizadas (Sandvik-Coromant, 21). Para a realização destes ensaios, utilizou-se um bloco de aço ABNT 145 de dureza de 18 HB usinado com dimensões 9 x 1 x 16 mm sendo fixado em uma morsa hidraúlica Industécnica modelo MH-1 com força máxima de aperto 4. kg e sua fixação sobre a mesa da máquina por meio de quatro parafusos com cabeça allen de 16mm de diâmetro e porcas T. Todos os ensaios para cada montagem (1ª, 2ª e 3ª fase) foram realizados com avanço por dente f z acima dos valores da fase plana (normal e alisadora) com o objetivo de determinar o ponto de saturação da relação b s /f z sobre as rugosidades R a e R t. Os parâmetros utilizados para a realização dos ensaios encontram-se na Tab 1. Tabela 1. Parâmetros utilizados para os testes fz fn 1ª fase (6 pastilhas normais) 2ª fase (1 pastilha alisadora) 3ª fase (2 pastilhas alisadoras) mm/dente mm/rot. Vf Vf bs/fz bs/fz Ensaio mm/min mm/min 1,5,3 42, , 448 2,8,48 26, , ,11,66 19, , ,14,84 15, , ,17 1,2 12, , ,2 1,2 1, , ,23 1,38 9, , ,26 1,56 8, , ,28 1,68 7, , ,3 1,8 7, , ,33 1,98 6, , ,36 2,16 5, , ,39 2,34 5, , ,42 2,52 5, , ,45 2,7 18, ,48 2,88 17,

3 17,51 3,6 16, ,54 3,24 15, ,56 3,36 14, ,59 3,54 13, ,62 3,72 13, ,65 3,9 12, ,68 4,8 12, ,71 4,26 11, ,74 4,44 11, ,77 4,62 1, ,8 4,8 1, ,83 4, ,86 5,16 9, ,89 5,34 9, ,92 5,52 8, Para o monitoramento da amplitude dos sinais de vibração, foi utilizado um vibrômetro à laser modelo (VQ-5-D) marca Ometron, atuando como sensor. Para a aquisição e armazenamento dos sinais de vibração foram utilizados equipamentos da National Instruments: Rack modelo CADQ 9174 juntamente com módulo NI 9234 e software LabVIEW com NI Sound and Vibration Assistant com faixa de frequência até 1kHz, sendo que a análise do sinal foi realizada pelo software Matlab. O esquema de todo o sistema é representado na Figura 2. Figura 2. Sistema de monitoramento da amplitude do sinal de vibração Antes de iniciar todos os ensaios, foram realizadas a avaliação do batimento axial e radial para cada montagem, utilizando um relógio comparador, conforme Figura 3. (a) (b) Figura 3. Avaliação do batimento (a) radial, (b) axial Todos os ensaios foram realizados com velocidade de corte V c de 3 m/min, rotação no eixo-árvore de rpm, profundidade axial de corte ap =,5 mm, profundidade radial de corte ae= 45 mm, corte concordante, entrada direta sem redução da velocidade de avanço tanto na entrada como na saída da ferramenta e à seco, sem fluido de corte. Os ensaios foram realizados em 3 fases: (i) fresa montada com 6 pastilhas normais; (ii) fresa montada com 5 pastilhas normais e 1 alisadora; e (iii) fresa montada com 4 pastilhas normais e 2 alisadoras. Após a realização de cada ensaio, utilizando-se o rugosímetro Mitutoyo SJ-21 mediu-se os valores das rugosidades média Ra e total Rt, ajustando-se o parâmetro de cut-off em,8 mm para todas as medidas. Foram realizadas 12 medições no centro de cada trecho usinado, para que a rugosidade medida não sofresse interferência da vibração das regiões de entrada e de saída do dente da fresa no corpo de prova.

4 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES As Figuras 4 e 5 apresentam a evolução dos valores das rugosidades R a e R t, para as três configurações de montagem da fresa: (i) 6 pastilhas normais; (ii) 5 pastilhas normais e 1 alisadora, e (iii) 4 pastilhas normais e 2 alisadoras. Observa-se que os valores de rugosidades Ra e Rt são maiores para as configurações com 1 e 2 pastilhas alisadoras em relação ao uso de apenas pastilhas normais, em função da maior área de contato da fase plana com a peça. No entanto, as pastilhas alisadoras apresentam melhor desempenho em termos de acabamento para maiores valores de avanço por dente. Observa-se que ocorreu a redução dos valores de rugosidade com a diminuição da relação bs/fz, ou seja com o aumento do avanço por dente para todas as configurações de montagem. O efeito de alisamento da fase plana das pastilhas torna-se efetivo a partir de determinados valores da relação bs/fz, aqui denominados de pontos de saturação e destacados na Tabela 1. Na montagem com apenas pastilhas normais, para a relação bs/fz igual a 7 (fz=,3 mm/dente) conseguiu-se o melhor valor de rugosidade (Ra=,345 µm), utilizando 85% da fase plana (bs). Observou-se também que para valores de avanço por dente acima de,36 mm/dente houve um crescimento da rugosidade Ra em função da saturação do efeito de alisamento da fase plana da pastilha (bs). No caso das configurações com 1 e 2 pastilhas alisadoras na fresa, obtevese as rugosidades Ra=,473 µm e Ra=,539 µm, respectivamente, para uma relação bs/fz de 1, utilizando 6% da fase plana da pastilha alisadora. A partir desta relação houve também um crescimento da rugosidade Ra em função de uma possível sobrecarga na pastilha alisadora, pois nesta condição tinha-se um avanço por dente de,83 mm/dente e uma velocidade avanço de 7.43 mm/min. Figura 4. Rugosidade média R a para as 3 configurações de montagem Com relação ao parâmetro de rugosidade Rt observa-se que o seu comportamento com a variação do avanço por dente foi análogo ao da rugosidade Ra. A rugosidade Rt decresceu com o aumento de fz até o ponto de saturação e depois apresentou uma tendência de elevação principalmente na configuração com 1 pastilha alisadora. A rugosidade Rt com a aplicação de 2 pastilhas alisadoras apresentou um comportamento instável para avanços por dente acima de,4 mm/dente. Este fato pode ser explicado em função da maior área de contato de alisamento das 2 pastilhas com a superfície da peça. Levando-se em consideração o comportamento das rugosidades Ra e Rt em função do avanço por dente com o uso de pastilhas alisadoras, pode-se constatar que para a fresa de 6 dentes, a utilização de apenas 1 pastilha alisadora é mais adequada para um bom desempenho do processo em termos de rugosidade.

5 Figura 5. Rugosidade total R t para as 3 configurações de montagem Verificou-se durante os ensaios um comportamento atípico das rugosidades em relação ao avanço por dente, ou seja, a rugosidade teve uma tendência de queda com o aumento do avanço. Este fato pode ser explicado pelo excesso de alisamento da fase plana tanto na pastilha normal como nas pastilhas alisadoras, que aconteceram em condições de alta relação bs/fz, ou seja abaixo dos pontos de saturação. Este excesso de alisamento das fases planas em baixos avanços por dente provocou uma sequência de riscamentos na superfície fresada. A Figuras 6 apresenta os perfís de rugosidade para as diversas montagens com os respectivos avanços por dente, antes, no ponto e depois da saturação (bs/fz). Na Figura 6a observa-se diversos pontos de riscamento na superfície fresada para a condição de baixo avanço (fz=,8 mm/dente), poucos pontos de riscamento no ponto de saturação (fz=,3 mm/dente) e acima dele (fz=,42 mm/dente), para a montagem de 6 pastilhas normais. Nas Figuras 6a e 6b observam-se vários pontos de riscamento para o avanço de,8 mm/dente, poucos pontos de riscamento para a condição de saturação (fz=,83 mm/dente) e um maior número de pontos para o avanço de,92 mm/dente, para as montagens com 1 e 2 pastilhas alisadoras. Portanto, verificou-se que estes pontos de riscamento influenciaram no comportamento atípico das rugosidades Ra e Rt em relação ao avanço por dente da fresa. Pontos de riscamento (a) f z =,8 mm/dente f z =,3 mm/dente (Saturação)

6 f z =,42 mm/dente (b) f z =,8 mm/dente f z =,83 mm/dente (Saturação) f z =,92 mm/dente (c) f z =,8 mm/dente f z =,83 mm/dente (Saturação) f z =,92 mm/dente Figura 6. Perfis de rugosidade para diversas montagens. a) 6 pastilhas normais; b) 1 pastilha alisadora; c) 2 pastilhas alisadoras Através do monitoramento da amplitude do sinal de vibração em cada montagem, verificou-se que esta grandeza aumenta com o avanço por dente para todas as montagens, conforme apresentado na Figura 7. Através da utilização do software Minitab16, analizou-se as correlações da amplitude do sinal de vibração com o avanço por dente e com a rugosidade Ra, sendo estas mostradas na Tab. 2. Observou-se que todos os parâmetros são linearmente correlacionados (valor P<,5) e também todos eles apresentam forte grau de correlação, ou seja o coeficiente de correlação de Pearson foi superior a 78%. A correlação entre amplitude de sinal e avanço por dente fz foram linearmente positivas para todas as montagens, pois a medida que se aumenta o fz aumenta também a amplitude do sinal de vibração, em função de uma possível elevação das componentes de forças radiais na fresa. A correlação entre a amplitude de sinal e rugosidade Ra foram

7 linearmente negativas, em função do aumento da amplitude com a diminuição da rugosidade (Figura 7). Este fato pode ser explicado em função da redução da rugosidade com o aumento do avanço por dente. (a) (b) (c) Figura 7. Comportamento da amplitude dos sinais de vibração em relação f z e Ra. a) montagem com 6 pastilhas normais; b) montagem com 1 pastilha alisadora; c) montagem com 2 pastilhas alisadoras. Tabela 2. Resultado da análise de correlação para cada montagem 6 pastilhas normais 5 past. normais + 1 past. alisadora 4 past. normais + 2 past. alisadoras Correlação Valor P Correlação Pearson Valor P Correlação Valor P Pearson Pearson Amplitude x fz,986,,959,,984, Amplitude x Ra -,776,1 -,86, -,868, Na Figura 8 são apresentadas as amplitudes do sinal de vibração para as 3 montagens de pastilhas na fresa. Observa-se que para a mesma condição de corte fz=,5 mm/dente para todas as montagens, as amplitudes do sinal se mantiveram em,2g, ou seja a amplitude do sinal de vibração independe do tipo de montagem (, 1 ou 2 pastilhas alisadoras). Observou-se também que nas montagens com 1 e 2 alisadoras (fz=,92 mm/dente) a amplitude de vibração

8 8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação manteve-se em 1g, ou seja, não houve alteração deste sinal entre as 2 montagens, conforme mostrado nas Figuras 8b e 8c..3 fz=,5mm/dente 1 fz=,42 mm/dente (a) fz=,5 mm/dente 1.5 fz=,92 mm/dente.2 1 (b) fz=,5mm/dente 1.5 fz =,92 mm/dente.2 1 (c) CONCLUSÕES Figura 8. Amplitude dos sinais de vibração para diferentes montagens. a) 6 pastilhas normais; b) 1 pastilha alisadora; c) 2 pastilhas alisadoras. Em função dos resultados obtidos e discutidos neste trabalho pode-se concluir que: A existência de um ponto de saturação entre a fase plana da aresta da pastilha e o avanço por dente (bs/fz=7) com uma rugosidade Ra mínima de,345 µm, na configuração de montagem de apenas pastilhas normais; Na montagem com 1 e 2 pastilhas alisadoras, obteve-se um ponto de saturação (bs/fz=1) com valores de rugosidades Ra mínimas de,473 µm e,539 µm, respectivamente. Comparando os valores bastante próximos de rugosidade (Ra~,5 µm) para a montagem com 1 e 2 pastilhas alisadoras, constata-se pela viabilidade técnica e econômica do uso de apenas 1 alisadora, onde esta alcançou velocidade de avanço da ordem de 7.43 mm/min; O comportamento atípico das rugosidades em relação ao avanço por dente ocorreu em função dos diversos pontos de riscamentos observados na textura superficial da peça, principalmente em condições de alta relação bs/fz e abaixo dos pontos de saturação; A medida da amplitude do sinal de vibração independe da configuração de montagem das pastilhas, zero, uma ou duas pastilhas alisadoras; Existe forte correlação positiva da amplitude do sinal de vibração com o avanço por dente fz e correlação negativa com a rugosidade Ra.

9 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à CAPES, FAPEMIG e CNPQ pelo auxílio financeiro para a realização dos ensaios. 6. REFERÊNCIAS Altintas, Y. 2, Manufacturing automation: Metal cutting mechanics, Machine tool vibrations, and CNC design, Nova York : Cambridge University Press. Callegari, J.; Sidia, M., 23, Bioestatística: princípios e aplicações. Porto Alegre:Artemed, 255p. Diniz, A. E., Marcondes, F. C., Coppini, N. L., 214, Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 4. Ed., São Paulo: Artliber. Sandvik Coromant, 21, Manual técnico de usinagem,torneamento, fresamento, furação, mandrilamento e sistemas de fixação, 2.ed., São Paulo: Elanders. Silva, L.C., Pena, J.L.O., Machado, A.R., Duarte, M.A.V., 21, Estimativa da altura da rebarba formada no fresamento pelo monitoramento de sinais de vibração, 6º Congresso Nacional de Engenharia Mecânica (CONEM), 9p. Souto, U. B., 27, Monitoramento do Desgaste de Ferramenta no Processo de Fresamento via Emissão Acústica, 198p., Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) UFU, Uberlândia. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho. FINISH MILLING OF AISI 145 STEEL WITH WIPER GEOMETRY INSERT José Veríssimo Ribeiro de Toledo, veríssimo@unifei.edu.br¹ João Roberto Ferreira, jorofe@unifei.edu.br 1 Sebastião Simões Cunha Júnior, sebas@unifei.edu.br 1 Anselmo Eduardo Diniz, anselmo@fem.unicamp.br 2 ¹Federal University of Itajubá, Av. BPS 1.33, Itajubá, Minas Gerais, Brazil ² State University of Campinas, Faculty of Mechanical Engineering, PO Box 6122, Campinas-SP, Brazil Abstrat. In recent years the increasing technological advances in the metalworking industry enabled the development of new tools and machining processes, which guarantee high quality and life into its components. Among the existing machining milling processes has long been used mainly in the finishing of parts and components in the automotive industry. It is known, so that the surface of the machined parts for milling finish when viewed in detail present irregularities caused by grooves or marks left by the cutting tool. In this context, wiper geometry inserts are very useful to reduce the workpiece surface roughness and increase the quality of the milling process. This work analyzed the influence of the relationship plane phase/feed per tooth (bs/fz) in the surface finish of the AISI 145 steel face milling operation. During the tests we used standard geometry inserts together with wiper geometry inserts in a mill with position angle 45 degrees. The monitoring of the vibration signal amplitude were carried out to verify that it increased with decreasing ratio bs/fz for each mill mounting configuration. With the application just of standard geometry inserts in the mill was obtained a minimum surface roughness of Ra of.345 µm. For milling with 5 standard inserts and a wiper geometry insert was obtained a minimum roughness Ra of.473 µm and the cutter with 4 standard inserts and 2 wiper geometry inserts reached a minimum roughness Ra of.539 µm. Therefore, in this work it is concluded that only 1 wiper geometry insert in the mill achieves a low roughness (Ra) and a larger amount volume of chip removed from the conditions tested. Keywords: Face milling, AISI 145 steel, Surface finish, Vibration and Wiper geometry.