UNIJUI - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul

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1 UNIJUI - Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul Dceeng Departamento de Ciências Exatas e Engenharias Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi EVERALDO DE SOUZA BRIZOLLA ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE USINAGEM NA RUGOSIDADE EM TORNEAMENTO DE AÇO DE BAIXO CARBONO Panambi- RS 2016

2 EVERALDO DE SOUZA BRIZOLLA ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE USINAGEM NA RUGOSIDADE EM TORNEAMENTO DE AÇO DE BAIXO CARBONO Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Felipe Tusset Panambi/RS 2016

3 EVERALDO DE SOUZA BRIZOLLA ANÁLISE COMPARATIVA DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE USINAGEM NA RUGOSIDADE EM TORNEAMENTO DE AÇO DE BAIXO CARBONO Monografia defendida e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora Banca examinadora Felipe Tusset - Orientador Panambi, dezembro de 2016

4 AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, pela ajuda e força que me tem dado para enfrentar os problemas do cotidiano. À família e amigos pelo apoio, paciência e incentivo em todos os momentos. Ao meu orientador Professor Felipe Tusset, pela importante contribuição no desenvolvimento e andamento do trabalho. Ao Senai-Panambi pela disponibilização de sua estrutura para a realização dos experimentos. MUITO OBRIGADO!

5 RESUMO Este trabalho apresenta resultados de testes com processo de usinagem com diferentes tipos de insertos. Foram realizados ensaios para avaliar a diferença de acabamento superficial em operação de torneamento para um mesmo tipo de ferramenta, com variação na geometria. O material usinado foi aço ao carbono SAE 1020, variando-se também a profundidade de corte, avanço e raio de ponta para cada ensaio. Os testes foram executados em um torno com comando numérico computadorizado (CNC), onde as variáveis do processo foram posteriormente coletadas com um rugosímetro portátil para medida da rugosidade superficial. Com base nos resultados dos experimentos foi possível verificar que a geometria XF tem um rendimento melhor no ponto de vista de acabamento superficial, e se for levado em conta ponto de vista econômico ela leva vantagem sobre a geometria PF, pois teve um rendimento superior quando utilizado parâmetros de corte mais elevados. Palavras chave: Análise de torneamento, Rugosidade, Acabamento.

6 ABSTRACT This paper presents the results of tests with machining process with different types of inserts. Tests were conducted to evaluate the surface quality difference in turning operation for the same type of tool, with variation in the geometry. The machined material was the steel SAE 1020 carbon, varying up the depth of cut, feed rate and nose radius for each test. The tests were performed on a lathe with numerical control (CNC), where the process variables were then collected with a portable profilometer for measurement of surface roughness. Based on the results of the experiments we found that the XF geometry has a better performance in the surface finish point of view, and if it is taken into account an economic point of view it has the advantage over the PF geometry, because it had a higher yield when used higher cutting parameters. Keywords: turning analysis, roughness, finish.

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1-Processo de torneamento Figura 2-Desvio médio aritmético do perfil avaliado Figura 3-Contribuição Geométrica do avanço e raio de ponta na rugosidade Figura 4-Corpo de prova Figura 5-Corpo de prova caracterização de avanço Figura 6-Ferramenta convencional T-Max P para torneamento Figura 7-Inserto TNMG PF Figura 8-Inserto TNMG XFGC Figura 9-Torno CNC Figura 10-Medição dos Resultados Figura 11-Microscópio digital Figura 12-Gráfico comparativo geometria PF ap 0, Figura 13-Gráfico comparativo geometria PF ap 0, Figura 14-Gráfico comparativo geometria XF ap 0, Figura 15-Gráfico comparativo geometria XF ap 0, Figura 16-Gráfico comparativo de rugosidade geometrias PF e XF Figura 17-Inserto PF 4215 Face Figura 18-Inserto PF 4215 Flanco Figura 19-Inserto PF4215 Topo Figura 20-Inserto XFGC15 Face Figura 21-Inserto XFGC15 Flanco Figura 22-Inserto XFGC15 Topo... 38

8 LISTA DE TABELAS Tabela 1-Composição química aço SAE Tabela 2-Características Técnicas do Torno CNC (Centur 30S ROMI) Tabela 3-Delineamento experimental Tabela 4-Dados Coletados Para Cada Combinação Tabela 5-Analise de Variância Tabela 6-Teste de Tukey em relação ao tipo de Geometria Tabela 7-Teste de Tukey em relação ao Avanço Tabela 8-Teste de Tukey em relação à Profundidade... 35

9 LISTA DE SÍMBOLOS V Velocidade de corte [m/min] c RPM Rotações por minuto [rpm] R Rugosidade [µm] a r Raio de Ponta [mm] e Si Mn P C S Silício Manganês Fósforo Carbono Enxofre

10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CNC ISO NBR SAE UNIJUI Computer Numeric Control (Comando Numérico Computadorizado) International Organization for Standardization Norma Brasileira Society of Automotive Engineers Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul

11 Sumário 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS JUSTIFICATIVA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA PROCESSO DE TORNEAMENTO Parâmetros de corte Ferramentas de corte Formação do cavaco Fluido de corte Desgastes e vida dos insertos ACABAMENTO SUPERFICIAL Rugosidade média MATERIAIS E MÉDOTOS CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL DOS CORPOS DE PROVA CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA CARACTERIZAÇÃO DA FERRAMENTA DE CORTE MÁQUINA CNC DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE Variáveis de entrada Variável de saída PROCEDIMENTOS DE MEDIÇÃO RESULTADOS RESULTADOS DOS ENSAIOS ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS CARACTERIZAÇÃO DE DESGASTE DOS INSERTOS... 36

12 5 CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 40

13 12 1 INTRODUÇÃO A usinagem é o processo de fabricação mecânica que consiste em alterar as dimensões de uma peça pela retirada ou produção de cavacos. De todos os processos de usinagem, o torneamento talvez seja o mais utilizado em pesquisa na área. Isto porque a ferramenta é mais simples e é um processo mais fácil de monitorar na maioria dos casos. Através de uma análise rápida dos custos característicos ao processo de usinagem, juntamente com a representatividade destes na indústria mundial, constata-se que qualquer aprimoramento, seja de máquina, ferramenta, material ou processo, converte-se em redução de custos de fabricação. Considerando o parque industrial metal mecânico em constante evolução em termos de usinagem, pode-se destacar a necessidade da rápida modernização das ferramentas de corte. As empresas fabricantes de ferramentas estão em constantes pesquisas e desenvolvimentos, inclusive com geometrias específicas para determinados tipos de trabalho. Informações como esforços de corte e potências de usinagem são de fundamental importância para os fabricantes de máquinas operatrizes, proporcionando assim, condições de executar seus projetos de produtos mais próximos da realidade e com custo final apropriado a demanda de mercado. Diversos trabalhos experimentais em usinagem, seja na área acadêmica ou industrial, indicam uma tendência dos autores no enfoque nas ferramentas utilizadas, em especial sua durabilidade e/ou características específicas de materiais usinados, como maior ou menor usinabilidade dos mesmos. Certamente tudo está relacionado com uma maior ou menor economia no processo produtivo. Mas, também, devem-se considerar importantes os dados relacionados à máquina-ferramenta, seja nos aspectos de qualidade ou custo dos processos obtidos. Máquinas bem selecionadas podem significar redução de consumo de energia elétrica, custo de manutenção e demais características inerentes à fabricação. 1.1 OBJETIVO GERAL

14 13 O trabalho propõe-se a realizar ensaios experimentais para avaliar os parâmetros tecnológicos relativos ao torneamento, investigar o comportamento dos principais parâmetros de usinagem utilizados para expressar a rugosidade, de um aço de baixo carbono (SAE 1020), obtidos por torneamento cilíndrico externo e verificar os resultados através dos diferentes parâmetros de usinagem: velocidade de corte, avanço e profundidade de corte. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS etapas: Para alcançar os nossos objetivos foi necessário cumprir as seguintes Realizar ensaios experimentais em aço SAE 1020; Analisar a rugosidade superficial encontrada nos ensaios; Verificar quais parâmetros obtiveram melhores resultados; 1.3 JUSTIFICATIVA O acabamento superficial de uma superfície usinada é a combinação de vários fatores que podem ser divididos em: rugosidade, ondulações e falhas. Normalmente, as ondulações e falhas devem ser evitadas na fabricação de uma superfície, pois representam erros de fabricação. A rugosidade torna-se então um fator mais refinado a ser monitorado. Em muitos casos a rugosidade é utilizada para controlar o processo de fabricação. A rugosidade de uma superfície é controlada por vários parâmetros: máquina ferramenta, propriedades do material da peça, geometria e material da ferramenta, técnicas de aplicação do fluído, atmosfera e processo de usinagem. Métodos estatísticos aplicados ao resultado da medição da rugosidade de uma superfície podem identificar as contribuições relativas de cada um destes parâmetros. Apesar de toda automatização envolvida nas linhas de produção, ha necessidade de levar-se em conta se o acabamento superficial está dentro dos limites esperados e se a ferramenta de corte atingiu sua vida estimada. O fim de

15 14 vida da ferramenta é determinado quando o desgaste da mesma atinge valores previamente estabelecidos, os quais normalmente baseiam-se no limite de capacidade de produzir peças dentro dos padrões de qualidade (acabamento superficial e tolerância dimensional).

16 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 PROCESSO DE TORNEAMENTO Conforme Machado et al. (2009) o torneamento, conforme Figura 1, é a operação de usinagem mais comum entre os processos de corte de metal. O material a ser cortado é fixado a uma placa de um torno que é rotacionado, enquanto o inserto, preso firmemente em um porta ferramenta, move-se em plano que, idealmente, contém o eixo de rotação da peça. Figura 1-Processo de torneamento Fonte: Sandvik, Podem-se destacar três características do torneamento que não ocorrem em muitos outros processos de usinagem: O corte é normalmente contínuo; O corte pode ser descrito em coordenadas cilíndricas (coordenadas polares para a seção reta da peça em rotação e mais uma coordenada de profundidade para designar o movimento da pastilha); Ocorrem, simultaneamente, movimentos da peça e da pastilha (rotação da peça e translação da pastilha) Parâmetros de corte Parâmetros de corte são grandezas numéricas que representam valores de deslocamento da ferramenta ou da peça, adequados ao tipo de trabalho ser executado, ao material a ser usinado e ao material da ferramenta.

17 16 Velocidade de corte ( V c ) é a velocidade tangencial instantânea resultante da rotação da peça em torno da ferramenta, já a velocidade de avanço é definida como o espaço que a ferramenta percorre, cortando um material, dentro de um determinado tempo geralmente expressa, em metros por minutos (CHIAVERINI, 1986). Para a definição da velocidade de corte é necessário a verificação de uma série de fatores, como: Tipo de material da ferramenta; Tipo do material a ser usado; Tipo de operação a ser realizada; Condições da refrigeração; O avanço ( f n ) é o percurso de avanço em cada volta ou curso da ferramenta (Machado et al. 2009) e afeta diretamente a formação do cavaco obtido, além da potência de corte necessária. O avanço, juntamente com o raio de ponta, define a rugosidade da superfície obtida na usinagem (DINIZ, MARCONDES e COPPINI 2001). A profundidade de corte ( ap ) é definido no torneamento longitudinal externo como a grandeza de penetração com que a aresta de corte penetra transversalmente no material. A utilização de grande ap aumenta a quantidade de metal removido por unidade de tempo, mas em compensação, provoca significativos acréscimos na força e na potência de corte. Segundo DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001) para que uma ferramenta corte um material, é necessário que um se movimente em relação ao outro a uma velocidade adequada Ferramentas de corte A evolução dos materiais para ferramentas de corte é um fator a considerar em qualquer pesquisa relacionada à usinagem. O longo tempo decorrido entre o surgimento do chamado aço-ferramenta e sua evolução ao aço-rápido, contrapõe-

18 17 se ao grande salto de qualidade e produtividade após a descoberta do metal duro e novos lançamentos no mercado. Atualmente, as ferramentas de corte mais utilizadas no torneamento de metais em geral, em especial dos aços, são os suportes com insertos intercambiáveis de metal duro, também conhecido como pastilhas, existentes em uma grande variedade de forma, tamanho e composição, para as mais diversas utilizações. A geometria da ferramenta é o conjunto de propriedades geométricas que a define, composta por arestas, ângulos, raio de ponta ( r e ) etc. As definições destas características estão presentes na norma NBR 6163 [ABNT, 1980]. Machado et al. (2009), explica que as características de formação de cavaco, a durabilidade da ferramenta, a potência exigida e o acabamento superficial são afetadas pela escolha da geometria da ferramenta Formação do cavaco De acordo com DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), a formação do cavaco é influenciada por diversos fatores ligados à usinagem, tais como desgaste da pastilha, os esforços de corte, o calor gerado na usinagem, a penetração do fluido de corte, etc.. Assim, estão envolvidos com o processo de formação do cavaco aspectos econômicos e de qualidade da peça, a segurança do operador, a utilização da máquina ferramenta, etc. Nos processos de remoção de material por usinagem, o excesso de material é separado da superfície através do auxílio de uma pastilha que tem, principalmente no início do corte, a geometria da aresta de corte definida. Assim, a ferramenta avança sobre a peça promovendo deformações elásticas e plásticas até a ruptura do material. O corte dos metais envolve o cisalhamento concentrado ao longo de um plano de cisalhamento (zona primária de cisalhamento). O ângulo entre o plano de cisalhamento e a direção de corte é chamado ângulo de cisalhamento. Quanto maior a deformação do cavaco sendo formado, menor o ângulo de cisalhamento e maiores os esforços de corte. Esta influência é marcante na usinagem de materiais dúcteis, muito suscetíveis à deformação.

19 Fluido de corte A busca por maiores valores de velocidades de corte V c, sempre foi almejado em virtude de uma maior produção de peças, e isso foi possível devido ao surgimento de novos materiais de corte capazes de usinar os materiais com altíssimas velocidades de corte V c, em contrapartida grandes valores de temperaturas foram geradas na região de corte devido a um grande atrito entre a peça e a ferramenta. Diminuindo a vida útil da ferramenta; Aumentando a oxidação da superfície da peça e da ferramenta; Aumentando a temperatura da peça, provocando dilatação, erros de medidas e deformações. F. W. Taylor em 1890 começou com a água, mas logo deve ter percebido seus inconvenientes: corrosão na usinagem de materiais ferrosos, baixo poder lubrificante, e emprego em pequena faixa de temperatura. Todavia, ela abriu caminhos para a pesquisa e o uso de materiais que permitiram a usinagem mais eficiente, mais rápida e com melhor acabamento. Esses materiais são os agentes de melhoria da usinagem e que receberam o nome genérico de fluidos de corte Conforme DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001) Um fluido de corte é um material composto, na maioria das vezes, líquido, que deve ser capaz de: refrigerar, lubrificar, proteger contra a oxidação e limpar a região da usinagem. Segundo Diniz et al., 2010, durante o corte se desenvolve grande quantidade de calor devido à energia necessária para a deformação do cavaco e à energia decorrente do atrito nas interfaces ferramenta/peça e cavaco/ferramenta. Este calor precisa ser reduzido por lubrificação e/ou extraído por refrigeração da ferramenta e da peça, principalmente para minimizar o desgaste da ferramenta, a dilatação térmica da peça e o dano térmico à estrutura superficial da peça. Se isso acontecer, não somente a geração de calor é diminuída, mas também a força e a potência de corte. Para tanto, se tem desenvolvido novos materiais para ferramentas (ou de revestimento de ferramentas), materiais com usinabilidade melhorada, e utilização de fluidos de corte com capacidade lubrificante Desgastes e vida dos insertos

20 19 DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), explicam que a vida da ferramenta é uma das mais importantes considerações econômicas da usinagem. Nas operações de desbaste, os vários ângulos de corte, velocidades de corte e avanços são escolhidos para proporcionar uma vida econômica da pastilha. Condições de corte que proporcionam um tempo de vida da pastilha muito baixo não serão econômicas, pois serão necessárias várias pastilhas e altos tempos de troca. Por outro lado, o uso de baixas velocidades de corte e avanço, o que proporcionará alto tempo de vida da pastilha, também não será econômico devido à baixa produtividade. É evidente que qualquer melhoria nas pastilhas ou nos materiais são benéficos para a vida da pastilha. Com o objetivo de formar bases para estas melhorias, muitos esforços estão sendo tomados no sentido de entender a natureza dos desgastes das pastilhas e outras formas de falhas durante a usinagem. A vida da ferramenta pode ser levada ao seu final de várias maneiras, mas estas podem ser separadas em dois fatores principais: O desgaste gradual ou progressivo de determinadas regiões da pastilha. Quebras, que levam a vida da pastilha a um final prematuro. Conforme Machado et al. (2009), os desgastes ocorrem nos insertos como resultado da ação de vários fatores de carga sobre a aresta de corte durante a usinagem. Estas cargas são, principalmente, de natureza mecânica, térmica, química e abrasiva. Mecânicas - além das componentes estáticas de cargas mecânicas que agem sobre a aresta de corte, existem outras componentes dinâmicas resultantes do processo de formação do cavaco, que além de possuírem uma variação cíclica inerente ao próprio processo, também variam ciclicamente devido às variações de profundidade de usinagem, cortes interrompidos e outros. Térmicas - aparecem principalmente na superfície de saída e na superfície de folga da pastilha, devido à alta geração de calor inerente ao processo de corte dos metais. Este tipo de carga pode também ser dinâmico, como em operações de corte interrompido como, por exemplo, durante o fresamento, onde a aresta

21 20 passa por um aquecimento durante o corte e resfriamento durante o período que passa fora da peça. Químicas - o processo de formação do cavaco permite que uma nova interface de metal seja produzida continuamente e forçada em altas pressões, e temperaturas, contra as superfícies das pastilhas. Estas novas superfícies produzidas tornam-se um ambiente propício para a difusão e reações químicas dos metais. Abrasivas - na maioria dos materiais das peças existem vários tipos de partículas duras, cuja dureza pode ser comparada à dureza do material da pastilha. Estes então atuam como abrasivos sobre a pastilha. Ainda que estas inclusões existam em pequenas quantidades no material da peça, considerando a quantidade de material que passa sobre a aresta de corte durante a usinagem, sempre existirá uma quantidade variável de abrasão na aresta. Os parâmetros de maior influência na progressão do desgaste são a velocidade de corte, o avanço e a profundidade de corte, respectivamente nessa ordem. Assim, conforme DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), o impacto na vida da ferramenta causado por um acréscimo de 10% na velocidade de corte é muito maior do que ocorreria, se o avanço fosse alterado na mesma proporção. Isso ocorre, pois quanto maior a velocidade de corte, maior o calor entregado ao processo, sem acrescer área. Já quando aumentado o avanço, aumenta-se a quantidade de calor, porém aumentando a área da ferramenta que o recebe. Segundo DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), nas operações de acabamento, o desgaste frontal é maior que o de cratera, aumentando progressivamente até a quebra da cunha cortante. Para Ferraresi (1970), em acabamento, a ferramenta deve ser substituída antes de atingir valores que possam originar quebra da aresta de corte, pois esta, não terá condições de satisfazer as exigências impostas de tolerâncias dimensionais e de acabamento de superfície da peça. 2.2 ACABAMENTO SUPERFICIAL Rugosidade de uma superfície exerce em alguns casos um papel vital no desempenho do produto, ou seja, o acabamento superficial de componentes

22 21 mecânicos deve ser adequado ao tipo de função que exerce. Devido a isto, a importância no estudo da qualidade do acabamento superficial aumenta à medida que crescem as exigências de projeto, como a precisão de ajuste entre peças a serem acopladas, onde a precisão dimensional e de forma não são suficientes para garantir a funcionalidade do par acoplado. A superfície dos componentes que deslizam durante o seu trabalho, devem ser menos rugosas para que o atrito seja menor possível. De acordo com AGOSTINHO (2001), a rugosidade é o conjunto de irregularidades, isto é, pequenas saliências e reentrâncias que caracterizam uma superfície, ela influi na qualidade de deslizamento, na resistência ao desgaste, na resistência a corrosão e a fadiga, além de vedação e aparência Rugosidade média Contempla um valor médio de todos os desvios de uma linha reta no comprimento de avaliação, independe da orientação vertical. Essa característica impede a utilização do valor da rugosidade R a para determinar se os desvios são picos ou vales, mas também indica que desvios individuais como riscos ou picos muito grandes afetam significativamente o valor de R a (Figura 2). Figura 2-Desvio médio aritmético do perfil avaliado Fonte: Castillo, 2005 A rugosidade gerada na usinagem é mais influenciada pelo processo que pela máquina. Conforme Machado et al. (2009), os fatores que podem contribuir com a rugosidade gerada são: marcas da quina da ferramenta ou de fragmentos da mesma, as quais podem apresentar natureza periódica para alguns processos

23 22 e aleatória para outros; geração de rebarba do material durante a operação de corte; restos de aresta postiça de corte de uma ferramenta na superfície usinada; forma geométrica do quebra-cavaco na quina da ferramenta. Em relação aos parâmetros de corte, DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001), citam o mais importante como sendo o avanço, este é utilizado na determinação teórica da rugosidade média, juntamente com o raio da ponta do inserto. Em relação à profundidade de corte, esta não apresenta grande influência na rugosidade, exceto que, para profundidades de corte superiores a 1 mm, ocorre um pequeno acréscimo na rugosidade. O aumento do raio de ponta torna a ponta da ferramenta mais resistente, mas também aumenta a vibração da ferramenta devido ao aumento do atrito, causado pela maior área de contato entre ferramenta e peça afetando de forma negativa a rugosidade. A velocidade de corte mostra, para valores baixos, forte relação com a rugosidade média, devido à formação da aresta postiça de corte. Para velocidades de corte superiores a 100 m/min a rugosidade média torna-se praticamente estável em relação à velocidade de corte. Uma aproximação do valor da rugosidade máxima pode ser dada pela equação 1, segundo DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001). Onde: R max teor = Rugosidade Máxima Teórica [µm] f n = Avanço [mm/rot] r e = Raio de Ponta [mm] 2 f Rmax *1000 (µm) (1) teor 8r e Figura 3-Contribuição Geométrica do avanço e raio de ponta na rugosidade Fonte: DINIZ, MARCONDES e COPPINI (2001)

24 23 A literatura recomenda que a rugosidade média ( R ) seja calculada utilizando a equação 2. Nota-se que são levados em consideração para o cálculo apenas o avanço e o raio de ponta da pastilha, e não se considera o efeito da velocidade de corte e da profundidade. a Onde: R a 2 31,2 * f (µm) (2) r e R a = Rugosidade Média [µm] f n = Avanço [mm/rot] r e = Raio de ponta [mm]

25 24 3 MATERIAIS E MÉDOTOS A metodologia adotada neste trabalho envolve os materiais, equipamentos e procedimento de medição da rugosidade média e considerações utilizadas para realização da análise do processo de torneamento. 3.1 CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL DOS CORPOS DE PROVA Para a realização dos ensaios, foram utilizadas barras de aço de baixo carbono SAE Sua composição química está especificada na Tabela 1. A dureza média do material antes da usinagem foi de 110 HB. Este material foi fornecido pela empresa Aços Favorit Distribuidora Ltda. Tabela 1-Composição química aço SAE 1020 C Si Mn S máx. P máx. SAE ,18-0,23 0,15-0,35 0,30-0,60 0,04 0,05 Fonte: Aços Favorit 3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA Os corpos de prova para o experimento do processo de torneamento foram confeccionados a partir de um eixo cilíndrico com diâmetro de 50 mm e comprimento de 74 mm. O formato e dimensões do corpo de prova foram definidos assim, pois buscaram atender a característica da bancada de ensaios, onde era preciso acesso do rugosímetro em todas as áreas do corpo de prova para efetuar as medições. Após usinados os corpos de prova ganharam a forma apresentada na Figura 4, onde cada um dos escalões foi usinado com uma condição de corte diferente conforme Figura 5.

26 25 Figura 4-Corpo de prova Figura 5-Corpo de prova caracterização de avanço 3.3 CARACTERIZAÇÃO DA FERRAMENTA DE CORTE Para os ensaios de torneamento foi utilizado um porta-ferramenta de torneamento externo, com a denominação MTJNR 2020K-16, esse suporte possui um ângulo de posição (KAPR) 93, ângulo de ataque da ferramenta (PSIR) -3, ângulo máximo de usinagem em rampa (RMPX) 22, altura funcional (HF) 20 mm, largura funcional (WF) 25 mm e balanço máximo (OHX) 30,8 mm. Foram testados dois tipos de insertos com o mesmo suporte de ferramenta MTJNR-2020-K16, conforme apresentado na Figura 6.

27 26 Figura 6-Ferramenta convencional T-Max P para torneamento Fonte: Sandvik Coromant, 2010 Os insertos utilizados nos ensaios são da marca Sandvik Coromant, são do formato triangular, com aresta útil de corte de 16 mm, e espessura de 4,763 mm, mas possuem características particulares, as quais são apresentadas a seguir: Inserto TNMG PF4215, possui uma geometria dedicada ao acabamento fino de aços, um raio de ponta ( r e ) de 0,4 mm, cobertura de MTCVD, diâmetro do circulo inscrito (IC) 9,525 mm, comprimento efetivo da aresta de corte (LE) 16,098 mm, conforme apresentado na Figura 7. Figura 7-Inserto TNMG PF4215 Fonte: Sandvik Coromant, 2010 Inserto TNMG XFGC15, possui uma geometria dedicada ao acabamento de materiais de cavaco contínuo como aços carbono, aços inoxidáveis, ligas de não ferrosos e outros, um raio de ponta ( r e ) de 0,8 mm,

28 27 cobertura de PVD, diâmetro do circulo inscrito (IC) 9,525 mm, comprimento efetivo da aresta de corte (LE) 15,698 mm, conforme apresentado na Figura 8. Figura 8-Inserto TNMG XFGC15 Fonte: Sandvik Coromant, MÁQUINA CNC A máquina ferramenta utilizada foi um torno CNC ROMI modelo CENTUR 30S Figura 9, cujas principais características estão mostradas na Tabela 2; Figura 9-Torno CNC

29 28 Tabela 2-Características Técnicas do Torno CNC (Centur 30S ROMI) Fonte: Indústrias ROMI 3.5 DEFINIÇÃO DOS PARÂMETROS DE CORTE Os ensaios de torneamento cilíndrico externo foram realizados considerando os parâmetros de usinagem para operação de acabamento. Inicialmente, esses parâmetros foram escolhidos de acordo com os valores normalmente utilizados pela indústria em processos de acabamento de componentes, fabricados a partir deste material Variáveis de entrada corte: Para a realização dos ensaios foram variados os seguintes parâmetros de Tipo de geometria Raio de ponta ( r e ) Profundidade de corte ( ap ) Avanço ( f n ) Os parâmetros de corte utilizados nos ensaios estão apresentados na Tabela 3. A velocidade de corte foi definida respeitando-se o limite da máquina utilizada, para uma rotação máxima de 3500 RPM. Por este fato, optou-se pela

30 29 velocidade de corte de 350 m/min. Quanto aos avanços e profundidades de corte, foram utilizados valores recomendados. Tabela 3-Delineamento experimental Ferramenta TNMG PF 4215 TNMG XF GC15 f (mm/rot) ap (mm) n 0,12 0,15 0,22 0,12 0,15 0,22 0,12 0,15 0,22 0,12 0,15 0,22 0,25 0,5 0,25 0, Variável de saída Como o objetivo deste trabalho é comparar os efeitos das geometrias e parâmetros de corte dos insertos com sua capacidade de realizar um acabamento superficial de qualidade, foi definida como variável de saída quantitativa o padrão de rugosidade abaixo descrito: Rugosidade Média R a (µm). 3.6 PROCEDIMENTOS DE MEDIÇÃO A medição de rugosidade da superfície do corpo de prova foi feita através do rugosímetro portátil Mitutoyo modelo SJ-210 com resolução de 0,001 µm (Figura 10). Para a realização da medição, o corpo de prova foi removido do torno CNC e fixado em uma base magnética para a realização da leitura dos valores de rugosidade. As leituras foram retiradas em três planos defasados entre si de 120º,

31 30 para as medições foi utilizado um cut-off de 2,5 mm e um comprimento de amostra de 8 mm. Figura 10-Medição dos Resultados Para examinar a falha da ferramenta por desgastes, foi utilizado o microscópio digital USB Dino-Lite modelo AM- 4113T Pro, com resolução de 1024 x 768 e ampliação de até 200x (Figura. 11). Para a realização da medição de desgastes na ferramenta, o inserto foi retirado da porta-ferramenta e utilizado uma ampliação de 50x. Figura 11-Microscópio digital

32 31 4 RESULTADOS Neste capítulo são apresentadas e discutidas as influências dos parâmetros de corte na rugosidade superficial. Para analise da influência dos parâmetros de corte na rugosidade selecionou-se o parâmetro R a pois é o mais utilizado na indústria. 4.1 RESULTADOS DOS ENSAIOS As análises comparativas entre os dois insertos testados, considerando as situações para uma mesma velocidade de corte ( V c ) de 350 (m/min), com avanços( f n ) de 0,12; 0,15 e 0,22 (mm/rot) e profundidades de corte ( ap ) de 0,25 e 0,5 (mm). A Tabela 4 apresenta os valores de rugosidade média obtidos para cada combinação de parâmetros de corte. R a (µm) Ferramenta TNMG PF 4215 TNMG XF GC15 Tabela 4-Dados Coletados Para Cada Combinação f (mm/rot) ap (mm) Ra 1 (µm) n R 2 (µm) a Ra 3 (µm) 0,12 1,029 0,978 1,073 0,15 0,25 1,703 1,748 1,772 0,22 3,679 3,64 3,582 0,12 1,348 1,571 1,387 0,15 0,5 2,129 2,146 2,156 0,22 4,303 4,26 4,335 0,12 0,837 0,685 0,814 0,15 0,25 1,315 1,208 1,287 0,22 1,773 1,812 1,736 0,12 0,827 0,883 0,724 0,15 0,5 1,144 1,151 1,173 0,22 2,089 2,06 2,088 Com base na tabela 4 foram gerados gráficos utilizando a média das três coletas para verificar a confiabilidade dos resultados. Na Figura 12 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades R a encontradas para o inserto PF com

33 Rugosidade Rugosidade 32 ap de 0,25 mm e avanços de 0,12; 0,15 e 0.22 (mm/rot). Através da equação 2 R gerada a partir da linha de tendência podemos verificar que os dados estatísticos são de boa confiabilidade (93% precisos) e é possível através da equação y calcular a rugosidade para os avanços intermediários entre as faixas testadas. 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Figura 12-Gráfico comparativo geometria PF ap 0,25 Geometria PF ap 0,25 0,12 0,15 0,22 Avanço (mm/rot) y = 1,3035x - 0,4732 R² = 0,9362 A Figura 13 é apresentado um gráfico comparativo entre as rugosidades encontradas para a geometria PF com ap de 0,5 mm podemos verificar que os dados estatísticos são de boa confiabilidade (92% precisos). R a 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Figura 13-Gráfico comparativo geometria PF ap 0,5 Geometria PF ap 0,5 0,12 0,15 0,22 Avanço (mm/rot) y = 1,432x - 0,2379 R² = 0,9216

34 Rugosidade Rugosidade 33 A Figura 14 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades encontradas para o inserto XF com ap de 0,25 mm podemos verificar que os dados estatísticos são de ótima confiabilidade (99% precisos). R a Figura 14-Gráfico comparativo geometria XF ap 0,25 Geometria XF ap 0,25 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,12 0,15 0,22 Avanço (mm/rot) y = 0,4975x + 0,2791 R² = 0,9999 A Figura 15 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades R a encontradas para o inserto XF com ap de 0,5 mm podemos verificar que os dados estatísticos são de boa confiabilidade (93% precisos). 2,5 Figura 15-Gráfico comparativo geometria XF ap 0,5 Geometria XF ap 0,5 2 1,5 1 0,5 y = 0,6338x + 0,0811 R² = 0, ,12 0,15 0,22 Avanço (mm/rot)

35 Rugosidade Média (µm) 34 A Figura 16 apresenta um gráfico comparativo entre as rugosidades R a encontradas para o inserto PF4215 e XFGC15, nota se a superioridade do inserto XFGC15 em gerar uma rugosidade bem inferior ao outro inserto, usando as mesmas condições de usinagem. 5 Figura 16-Gráfico comparativo de rugosidade geometrias PF e XF Comparativo Geometrias PF e XF ,12 0,15 0,22 Avanço (mm/rot) PF ap 0,25 PF ap 0,5 XF ap 0,25 XF ap 0,5 4.2 ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS RESULTADOS Para a realização de experimentos significativos e confiáveis, um tratamento dos dados experimentais e análise de resultados é imprescindível o uso de método estatísticos (ANOVA). Para a análise dos resultados deste estudo foi utilizado o programa SISVAR 4.0. Tabela 5-Analise de Variância

36 35 É possível observar pelo teste de Tukey para os insertos, que independente de quais quer parâmetro de corte, o inserto XFGC15 gerou uma média inferior ao inserto PF4215. Tabela 6-Teste de Tukey em relação ao tipo de Geometria R a No teste de Tukey para os avanços nota-se que há um nível de significância e também podemos perceber a relação proporcional da avanço. Tabela 7-Teste de Tukey em relação ao Avanço R a com o No teste de Tukey em relação à profundidade nota-se que há um nível de significância, mas entre os parâmetros de corte analisados é a que menos influencia na rugosidade. Tabela 8-Teste de Tukey em relação à Profundidade

37 CARACTERIZAÇÃO DE DESGASTE DOS INSERTOS A Figura 17 mostra imagens de face do inserto PF, Figura 17a imagem antes do ensaio, figura 17b após o ensaio com um pequeno desgaste de flanco de 0,22 mm. Figura 17-Inserto PF 4215 Face A Figura 18 mostra imagens de flanco do inserto PF, Figura 18a imagem antes do ensaio, figura 18b após o ensaio com um pequeno desgaste de flanco de 0,14 mm. Figura 18-Inserto PF 4215 Flanco

38 37 A Figura 19 mostra imagens de topo do inserto PF, Figura 19a imagem antes do ensaio, figura 19b após o ensaio com um pequeno desgaste de flanco de 0,12 mm. Figura 19-Inserto PF4215 Topo A Figura 20 mostra imagens de face do inserto XF, Figura 20a imagem antes do ensaio, figura 20b após o ensaio, nota-se que não houve marcas passíveis de caracterização de desgaste. Figura 20-Inserto XFGC15 Face A Figura 21 mostra imagens de flanco do inserto XF, Figura 21a imagem antes do ensaio, figura 21b imagem após o ensaio, nota-se que não houve

39 38 marcas passíveis de caracterização de desgaste, apenas marcas de aquecimento na região onde o inserto esteve em contato com o material do corpo de prova. Figura 21-Inserto XFGC15 Flanco A Figura 22 mostra imagens de topo do inserto PF, Figura 22a imagem antes do ensaio, figura 22b após o ensaio com um pequeno desgaste de 0,06 mm. Figura 22-Inserto XFGC15 Topo Comparando as medições de rugosidade média com os desgastes dos insertos, nota-se que os maiores valores de rugosidade coincidem com os maiores desgastes, comprovando que os mesmos influenciam diretamente no acabamento de peças usinadas.

40 39 5 CONCLUSÃO Com base nos objetivos deste trabalho é possível concluir que a geometria XF obteve-se um rendimento melhor no ponto de vista de acabamento superficial, e se for levado em conta ponto de vista econômico ela leva vantagem sobre a geometria PF, pois teve um rendimento superior quando utilizado parâmetros de corte mais elevados. Constatou-se quando comparado com o a rugosidade teórica, calculado pela equação que leva-se em conta somente o raio de ponta e o avanço como variáveis, a geometria PF possui um perfil semelhante, já a geometria XF obteve um perfil distinto por de tratar de um inserto com geometria especifica para acabamento. Com base no resultados dos ensaios é possível concluir que o melhor parâmetro utilizado foi utilizando o inserto com geometria XF GC15 com avanço de 0,15 mm/rotação e uma profundidade de corte de 0,5mm, com esses dados gerou-se uma rugosidade de 1,156 mícrons.

41 40 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGOSTINHO, O. L. Tolerâncias, Ajustes, Desvio e Análise de Dimensões. Edgard Blücher, São Paulo: SP CASTILLO, W. J. G. Furação profunda do ferro fundido cinzento GG25 com brocas de metal duro com canais retos. UFSC, tese de Mestrado, Florianópolis, SC, 2005 Chiaverini, V. (1986). Tecnologia Mecânica (2ª ed.). são Paulo, São Paulo, Brasil: McGraw-hill. Diniz, A. E., Marcondes, F. C., & Coppini, N. (2001). Tecnologia da Usinagem dos Materiais (3ª ed.). Sâo Paulo, Brasil: Artliber. Ferraresi, D. (1970). Fundamentos da Usinagem dos Metais. Sao Paulo, Brasil: Edgard Blücher. Machado, A. R., Abrão, A. M., Coelho, R. T., & Silva, M. B. (2009). Teoria da Usinagem dos Materiais. Sâo paulo, Brasil: Edgard Blücher. SANDVIK-COROMANT. Tecnologia da usinagem dos metais Manual técnico Sandviken, Suécia, 2010.