FILIPE DAVID DA FONSECA ANÁLISE DE CARACTERÍSTICAS DAS FERRAMENTAS DE USINAGEM E DESEMPENHO

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1 FILIPE DAVID DA FONSECA ANÁLISE DE CARACTERÍSTICAS DAS FERRAMENTAS DE USINAGEM E DESEMPENHO Poços de Caldas - MG 2017

2 FILIPE DAVID DA FONSECA ANÁLISE DE CARACTERÍSTICAS DAS FERRAMENTAS DE USINAGEM E DESEMPENHO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. Orientador: NOME DO(S) AUTOR(ES) EM ORDEM ALFABÉTICA Poços de Caldas 2017

3 ANÁLISE DE CARACTERÍSTICAS DAS FERRAMENTAS DE USINAGEM E DESEMPENHO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade Pitágoras, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. Aprovado em: / / BANCA EXAMINADORA Prof(ª). Prof(ª). Prof(ª).

4 FONSECA, Filipe David da. Análise das Características das Ferramentas de Usinagem e Desempenho f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) Faculdade Pitágoras, Poços de Caldas, RESUMO A usinagem depende diretamente de materiais sofisticados, com características que permitem resistência a condições severas de operação. A correta seleção da ferramenta de usinagem é fundamental para que se evite grades prejuízos e sejam atingidos os elevados requisitos de qualidade, uma vez que a ferramenta de corte pode representar uma parcela significante do custo de produção. Como a usinagem é um procedimento essencial na indústria metal mecânica, é necessário um aprofundamento na teoria de usinagem de metais a fim de levantar os principais métodos e fatores que influenciam o processo. O objetivo deste trabalho é analisar as variáveis que oferecem melhor desempenho no torneamento, sendo utilizada a metodologia de revisão bibliográfica e contempladas apenas as questões relacionadas ao torneamento de metais. Foram estudados os materiais de corte, tipos de ferramentas e suas aplicações, e relacionados parâmetros de usinagem que envolvem avanço, velocidade e a variação do custo da ferramenta em relação ao desgaste para a obtenção do campo de trabalho eficiente. Palavras-chave: Desempenho; Eficiência; Ferramenta; Torno; Usinagem.

5 FONSECA, Filipe David da. Analysis of the Characteristics of Machining Tools and Performance p. Paper of Course Conclusion (Graduation in Mechanical Engineering) Pitágoras University, Poços de Caldas, ABSTRACT The machining depends directly of sophisticated materials, with characteristics that allow resistance to severe operation conditions. The correct selection of the machining tool is fundamental to avoid great losses and to be achieved elevated quality requirements, since the tool may correspond to a significant part of the production cost. As the machining is an essential procedure in metal mechanic industry, it is necessary a deepening on the theory of metals machining in order to raise the main methods and factors that influence the process. The objective of this paper is to analyze the variables that offer the best performance in lathing, utilizing the bibliographic review methodology and considered only questions related to metals lathing. It was studied the cutting materials, types of tools and its applications, and related parameters of lathing that involve feeding, speed and the variation of tools cost in relation to the wear to obtain the efficient work field. Key-words: Performance; Efficiency; Tool; Lathe; Machining.

6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Ângulos de saída e de folga de uma ferramenta de corte genérica Figura 2 Tipos de geometria da cunha de corte Figura 3 - Ângulo de folga da ferramenta Figura 4 - Comparação entre ângulos de posição Figura 5 - O ângulo de corte pode ser também chamado de ângulo de posição, como nesta broca Figura 6 - O acabamento é melhorado com o raio de ponta Figura 7 - Efeito da profundidade de corte e zona de contorno Figura 8 - Plano de trabalho contendo as direções de corte, avanço e profundidade Figura 9 - Dureza a quente de três tipos de aços rápidos em função da temperatura Figura 10 - Dureza a quente do metal duro de composição WC e Co, comparada ao aço rápido Figura 11 - Propriedades mecânicas do metal duro Figura 12 - Efeito dos revestimentos superficiais de TiC e TiN sobre o desgaste do flanco de ferramentas de metal duro Figura 13 - Comparação de desempenho entre cermet e metal duro, em usinagem de acabamento Figura 14 - Vida da ferramenta e cm³ de material removido, entre material cerâmico e metal duro, em função da velocidade de corte Figura 15 - Variação da dureza em função da temperatura, entre os materiais de corte Figura 16 - Ferramenta de torneamento Figura 17 - Ferramenta de corte e canal Figura 18 - Ferramenta de forma Figura 19 - Ferramenta de rosca Figura 20 - Barras sólidas de mandrilas para pequenos furos Figura 21 - Barras de mandrilar universais Figura 22 - Principais formas de pastilhas

7 Figura 23 - Representação da relação tempo de produção e velocidade de corte na eficiência de produção Figura 24 - Representação da relação custo x avanço x velocidade de corte Figura 25 - Campo de trabalho eficiente de um torno mecânico Figura 26 - Variação do custo da ferramenta em relação ao desgaste

8 SUMÁRIO INTRODUÇÃO TERMINOLOGIA E MATERIAIS DAS FERRAMENTAS DE CORTE TIPOS DE FERRAMENTA DE CORTE E APLICAÇÕES CONFIGURAÇÕES ECONÔMICAS DE USINAGEM CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS... 39

9 8 INTRODUÇÃO A usinagem é procedimento essencial na industrial metal mecânica, sendo que a maior parte dos produtos industrializados atualmente sofre processo de usinagem em pelo menos uma de suas etapas de fabricação, como engrenagens, eixos, componentes da indústria aeroespacial e até mesmo fabricação de matrizes para produção de componentes eletrônicos. Na usinagem de metais, é necessária a consideração de diversos fatores envolvidos no processo. Não somente o desempenho final de uma ferramenta de corte precisa ser avaliado, mas é necessário também um balanço com o custo envolvido, seja este operacional ou material. As indústrias de usinagem de materiais metálicos dependem diretamente de materiais sofisticados, capazes de resistir à abrasão, impactos, altas temperaturas e outras condições severas de operação. A correta seleção da ferramenta de usinagem é fundamental para que o procedimento de torneamento seja executado propriamente e para que se evite grandes prejuízos provenientes de falhas do material, uma vez que ferramenta de corte pode representar uma parcela substancial do custo de produção e os requisitos de qualidade são geralmente elevados. A indústria metal mecânica apresenta um alto requisito de qualidade nas peças usinadas, pois a maioria dessas peças efetuam trabalhos de precisão, e são submetidas a grandes esforços mecânicos, como desgaste, impacto e fadiga. A resistência mecânica, especialmente no caso da fadiga, está intimamente relacionada com o grau de acabamento superficial de uma peça. Por outro lado, os custos de produção aumentam exponencialmente com o aumento da qualidade requerida, sendo que para cada tipo de usinagem ou tipo de material a ser trabalhado, há um método ótimo a ser empregado. Portanto, é necessário um aprofundamento na teoria de usinagem de materiais, especificamente metais, para que possa ser encontrado um procedimento otimizado de fabricação, aliando tempo, custo e qualidade. Todo sistema mecânico está sujeito a falhas, o que pode interferir negativamente no processo produtivo de uma empresa, consequentemente na sua lucratividade e confiabilidade. Desse modo, quais os principais métodos e fatores que influenciam a execução de uma usinagem de qualidade que produza custos razoáveis? Neste trabalho, o objetivo geral é analisar as variáveis que oferecem melhor desempenho na modalidade de usinagem de torneamento.

10 9 São estabelecidos, portanto, três objetivos específicos: Conhecer a terminologia e os principais materiais de ferramentas de corte; Listar os tipos de ferramentas e suas aplicações; Levantar configurações econômicas de usinagem. A metodologia adotada neste trabalho foi a de revisão bibliográfica, sendo os métodos de abordagem científica utilizados dedutivos e métodos de procedimento monográficos. Foi possível descrever, analisar e elaborar um processo de usinagem com base na bibliografia com o intuito de alcançar os objetivos definidos inicialmente. Foram contempladas neste trabalho apenas as questões relacionadas ao torneamento de metais, envolvendo as características de materiais e configurações de ferramentas, bem como procedimentos de otimização de usinagem, relacionadas com base na bibliografia inerente.

11 10 1 TERMINOLOGIA E MATERIAIS DAS FERRAMENTAS DE CORTE De modo geral, a usinagem é o processo que confere forma a um material bruto por meio da remoção de material através do cisalhamento controlado, com o auxílio de uma máquina equipada de uma ferramenta de corte. Este material removido é chamado de cavaco, e sua forma e temperatura estão intimamente relacionados à configuração de usinagem. Todas as ferramentas de corte compartilham quatro características: ângulo de saída, ângulo de posição, raio de ponta e ângulo de folga. (FITZPATRICK, 2013, p. 2). De acordo com Fitzpatrick (2013), essas características são a base da geometria de uma ferramenta de corte. Essas características são definidas por: Ângulo de folga: folga atrás da aresta de corte, representado na figura 1; Figura 1 - Ângulos de saída e de folga de uma ferramenta de corte genérica. Fonte: Fitzpatrick (2013). A figura 2 mostra os tipos de geometria da cunha de corte:

12 11 Figura 2 Tipos de geometria da cunha de corte. Fonte: Fitzpatrick (2013). A figura 3 mostra o ângulo de folga da ferramenta e a fricção de atrito quando esta é inexistente: Figura 3 - Ângulo de folga da ferramenta. Fonte: Fitzpatrick (2013). Ângulo de posição ou de corte: distribui a largura do cavaco sobre uma área maior, representado nas figuras 4 e 5;

13 12 Figura 4 - Comparação entre ângulos de posição. Fonte: Fitzpatrick (2013). O ângulo de corte, no caso de uma broca, é representado na figura 5: Figura 5 - O ângulo de corte pode ser também chamado de ângulo de posição, como nesta broca.. Fonte: Fitzpatrick (2013). Ângulo de saída: superfície sobre a qual o cavaco desliza; Raio de ponta: arredondamento da ponta ou junção entre arestas principal e secundária da ponta de corte, representado na figura 6.

14 13 Figura 6 - O acabamento é melhorado com o raio de ponta. Fonte: Fitzpatrick (2013). É importante ressaltar que a profundidade de corte também tem efeito na força de usinagem e na distribuição de calor, pois quanto maior a profundidade maior a força necessária para o corte, e quanto maior o avanço melhor é a distribuição de calor na ferramenta, porém o aumento no avanço tem um limite em que o atrito de deslizamento da ferramenta na peça se torna muito alto. A figura 7 detalha o efeito da profundidade de corte na remoção do cavaco. Figura 7 - Efeito da profundidade de corte e zona de contorno. Fonte: Fitzpatrick (2013).

15 14 Ao se adotar uma geometria negativa da ferramenta, a geração de calor é melhor distribuída para partes mais resistentes da ferramenta e não somente na ponta de corte, o que acarreta em uma sensível melhora em sua durabilidade. Obviamente, esta configuração está sujeita a um esforço maior na ferramenta, e é limitada pela força que o conjunto pode suportar. Segundo Oliveira (2007), a ligação entre a ferramenta e o material aderido a ela é tão alta que é de maior facilidade a remoção de material com a adesão formada do que a retirada da mesma. De acordo com Ferraresi (1970), o plano de trabalho contém as direções de corte e de avanço passando pelo ponto de referência da aresta cortante. Portanto, neste plano se realizam todos os movimentos que tomam parte na formação do cavaco. A figura 8 ilustra o plano de trabalho contendo as direções de torneamento. Figura 8 - Plano de trabalho contendo as direções de corte, avanço e profundidade. Fonte: Ferraresi (1970). A velocidade de corte, em m/s, é dada por: V = ω r = n 2π D = π D n Onde: ω = velocidade angular [rad/s]; r = raio [m]; n = rotação [rpm]; (1)

16 15 D = diâmetro [m]. A velocidade de avanço é a velocidade instantânea da ferramenta segundo a direção e sentido de avanço (FERRARESI, 1970, p. 5). As velocidades em que uma ferramenta pode ser submetida está ligada a seu formato e principalmente à sua composição, além de influenciar também na formação e saída do cavaco, na força de corte, desgaste da ferramenta e na qualidade final do trabalho. (CAPLA, 2006). De acordo com Chiaverini (1986), a força de corte se dá por: P = k s S (2) Onde: S = área de seção do cavaco; Ks = pressão específica de corte (força de corte para uma seção de cavaco correspondente a 1 mm²). Na usinagem de materiais como o aço, forma-se um cavaco longo, resultando um contato direto com a face ou a superfície de ataque da ferramenta, a uma pressão relativamente elevada. Essa pressão e mais o atrito desenvolvem, no ponto de contato, temperaturas que podem ser muito elevadas. Processa-se então, como que uma soldagem numa área limitada, entre o cavaco e a ferramenta. À medida que o cavaco desliza sobre a superfície de ataque, pode ocorrer o arranchamento de parte do material da ferramenta, resultando finalmente na formação de um sulco ou cratera. (CHIAVERINI, 1986, p. 241). Há inúmeros materiais para ferramentas de corte. As ferramentas de aço utilizadas na usinagem são compostas por aços rápidos, que são aços de alto carbono usualmente ligados a elementos como Tungstênio, Cobalto, Molibdênio e Vanádio. Constituem estes aços o grupo mais importante de aços para ferramentas e matrizes, porque são eles que apresentam o melhor comportamento sob o ponto de vista de amolecimento pelo calor. (CHIAVERINI, 1986, p. 224). Os demais materiais utilizados para ferramentas são constituídos de ligas fundidas, metal duro, Cermet e materiais cerâmicos. As ordens resistência à abrasão e de fragilidade são crescentes nos materiais listados, portanto os materiais cerâmicos são os que apresentam melhor resistência ao desgaste e a altas temperaturas, mas apresentam resistência a impactos quase nula, não sendo indicados, portanto, para peças que apresentam descontinuidades no torneamento.

17 16 Há, portanto, diversas designações para a aplicação de aços ferramenta, sendo as mais comuns: Desbaste de ferro fundido e materiais não-ferrosos; Fins gerais para ferro fundido e materiais não-ferrosos; Cortes leves para ferro fundido e materiais não-ferrosos; Furação de precisão em ferro fundido e materiais não-ferrosos; Desbaste em aço; Desbaste e grandes avanços em aço; Fins gerais para aço; Acabamento e pequenos avanços em aços; Furação de precisão em aços. A fim de se obter um alto padrão de usinagem, é necessário otimizar as variáveis de controle geométricas, como como as variáveis de materiais, de modo a conciliar uma alta produção a longa vida útil da ferramenta e do equipamento. Os materiais empregados nas ferramentas de corte devem apresentar fundamentalmente características de dureza e resistência ao desgaste. Em alguns casos, deve-se apresentar também características de tenacidade, pois descontinuidades na peça a ser usinada transferem energia de impacto à ferramenta, podendo ser esta de grande intensidade e em um tempo muito curto, o que depende diretamente da rotação utilizada no equipamento. (MACHADO, 2015). Os principais requisitos para ferramentas de corte, os quais possibilitam o desempenho ideal de suas funções e utilização mais duradoura, de acordo com Chiaverini (1986) são: Dureza à temperatura ambiente: devido às funções de usinagem, corte, conformação ou penetração que esses materiais devem exercer; Resistência ao desgaste: é exigida para que o material apresente a durabilidade necessária para tornar-se econômico, necessário devido ao fato dos materiais empregados serem complexos e de alto custo; Tenacidade: desejável em qualquer ferramenta, porém de difícil conciliação com a dureza elevada. Deve-se procurar um balanço entre essas duas características conforme as condições de serviço;

18 17 Dureza a quente: é o mais importante, sendo traduzida pela capacidade de o material reter a dureza a temperaturas elevadas; Usinabilidade: qualidade dificilmente conciliável com a dureza, sendo, portanto, utilizados métodos mais sofisticados de fabricação de ferramentas, como a metalurgia do pó; Para aços utilizados em ferramentas, exige-se ainda além dos requisitos citados: Elevada temperabilidade: uma profundidade adequada de dureza garante uma uniformidade das propriedades mecânicas no material; Tamanho de grão: deve ser pequeno, afetando um pouco a temperabilidade, porém apresentando propriedades mecânicas muito superiores a materiais de granulação grosseira. Os aços para ferramentas e matrizes ou são simplesmente ao carbono ou, na maioria dos casos, aços-liga altamente ligados, com a presença de elementos tais como tungstênio, cromo, vanádio, molibdênio, cobalto etc., que tornam a sua estrutura cristalina muito complexa e tornam mais delicadas e difíceis as operações de fabricação e de tratamento térmico. (CHIAVERINI, 1986, p. 218). A composição química dos aços tem influência direta no comportamento em serviço da ferramenta. O carbono é o elemento essencial dos aços, pois confere dureza a quente e resistência ao desgaste ao formar carbonetos complexos. A tenacidade também varia com a presença do carbono, sendo inversamente proporcional a quantidade deste. A adição de elementos de liga confere propriedades diversas aos aços ferramenta. Os elementos de liga e suas propriedades são: Silício e Manganês: elementos desoxidantes e que melhoram a temperabilidade e resistência mecânica, sendo o manganês também elemento dessulfurante; Cromo: aumenta a temperabilidade (profundidade em que a têmpera consegue atingir), aumenta também a resistência mecânica, a dureza e a resistência ao desgaste; Vanádio: atua como desoxidante, controla o tamanho de grão, aumenta a temperabilidade e a dureza a quente ao formar carbonetos;

19 18 Tungstênio: melhora sensivelmente a resistência ao desgaste quando em grande quantidade forma carbonetos, conferindo também aumento da dureza a quente e à temperatura ambiente. Possui sua ação amplificada quando em uso concomitante com os elementos cromo e vanádio, formando um carboneto complexo e estável, o (FeWCrV)6C. Cobalto: contribui para a dureza a quente; Molibdênio: utilizado como substituto parcial do tungstênio, pois apresenta os mesmos efeitos basicamente, e pode ser combinado com o tungstênio em quantidades menores, produzindo as mesmas características que elevados teores de tungstênio isoladamente. Além do controle da composição química dos aços, o tratamento térmico é característica básica na finalidade de alcançar as características desejadas das ferramentas. As operações mais comuns são as de têmpera, para a formação de martensita, e revenido para controle da concentração de cementita e alívio de tensões. Figura 9 - Dureza a quente de três tipos de aços rápidos em função da temperatura. Fonte: Chiaverini (2005).

20 19 O material mais importante empregado em ferramentas de usinagem atualmente é o metal duro. O metal duro é um produto da metalurgia do pó, fabricado a partir de pós metálicos compactados e submetidos à operação de sinterização. É formado basicamente por carbonetos de tungstênio, o qual confere os efeitos de resistência ao desgaste, e por um elemento aglomerante, no caso o cobalto, conferindo tenacidade ao material. A figura 10 compara a dureza a quente do metal duro com a do aço rápido, e a figura 11 apresenta propriedades mecânicas de diversas composições de metal duro. A dureza, tanto à temperatura ambiente como a elevadas temperaturas, e a resistência à ruptura transversal, dando este que se utiliza para avaliar a tenacidade, são as propriedades fundamentais que se exigem do metal duro quando aplicado em ferramentas de corte. Outras características que são normalmente controladas, pois afetam a capacidade de corte do material são a porosidade e a microestrutura, esta última tanto no que se refere ao tamanho de grão quanto à compressão, a resistência ao choque, a resistência mecânica à quente. (FERRARESI, 1970, p. 333). Figura 10 - Dureza a quente do metal duro de composição WC e Co, comparada ao aço rápido. Fonte: Ferraresi (1970).

21 20 Figura 11 - Propriedades mecânicas do metal duro. Fonte: Chiaverini (2005). Os metais duros são divididos em campos de aplicação segundo a norma ISO, de acordo com o quadro 1.

22 21 Quadro 1 - Principais campos de aplicação do metal duro. Fonte: Chiaverini (2005). Foram desenvolvidos, a fim de melhorar a resistência ao desgaste das pastilhas de metal duro, processos de tratamento superficial, mediante revestimento de nitreto de titânio ou carboneto de titânio, ou ainda, ambos compostos combinados. Os efeitos no desgaste são mostrados na figura 12:

23 22 Figura 12 - Efeito dos revestimentos superficiais de TiC e TiN sobre o desgaste do flanco de ferramentas de metal duro. Fonte: Chiaverini (2005). Os cermet são materiais metálicos utilizados em pastilhas de corte, compostos basicamente por carboneto de titânio, com adição de carboneto de molibdênio e uso de níquel como aglomerante. São materiais empregados a velocidades superiores a 300 m/min, sendo altamente eficientes em operações de acabamento de aços e furação de precisão. Os cermets são mais frágeis que o metal duro, de modo que sua aplicação na usinagem de acabamento deve ser feita com altas velocidades e avanços de profundidade de corte de médios a baixos. (CHIAVERINI, 1986, p. 245). Segundo Chiaverini (1986), há também materiais com características intermediárias entre o aço rápido e o metal duro, são as ligas fundidas. Essas ligas são compostas por cobalto, cromo, tungstênio e molibdênio. Essas ligas têm, portanto, uma tenacidade superior à do metal duro e resistência à abrasão superior à do aço rápido. A figura 13 compara o desempenho do cermet como metal duro:

24 Figura 13 - Comparação de desempenho entre cermet e metal duro, em usinagem de acabamento. 23 Fonte: Chiaverini (1986). A última classe de materiais de corte, mas não menos importante, é a de materiais cerâmicos, compostos basicamente por óxido de alumínio, obtidos por sinterização. São fixadas mecanicamente no cabo da ferramenta, pois a soldagem como é utilizada no metal duro é impraticável. As figuras 14 e 15 comparam a vida da ferramenta com o volume de material removido e a variação da dureza em função da temperatura, respectivamente, para os materiais cerâmicos e de metal duro. São extremamente duros, inclusive a altas temperaturas, mas frágeis, de modo que, ao possibilitar velocidades de corte excepcionalmente elevadas, seu emprego só é recomendável quando as máquinas operatrizes oferecem condições de rigidez e potência que permitam tais velocidades praticamente sem vibrações. (CHIAVERINI, 1986, p. 247).

25 Figura 14 - Vida da ferramenta e cm³ de material removido, entre material cerâmico e metal duro, em função da velocidade de corte. 24 Fonte: Chiaverini (1986). Figura 15 - Variação da dureza em função da temperatura, entre os materiais de corte. Fonte: Ferraresi (1970).

26 25 A seleção de um material de corte depende de inúmeras variáveis, entre elas o tipo de operação de usinagem, a velocidade de corte, condições da máquinaferramenta, forma e dimensões da ferramenta de corte, custo do material de ferramenta, emprego de refrigeração e lubrificação, entre outros. (GERE, 2003). Dentre as inúmeras opções disponíveis, há grande variação no desempenho de duração da ferramenta e da quantidade de material removido, o que relaciona também com a velocidade de corte, resultando diretamente em maiores ou menores tempos de execução da usinagem.

27 26 2 TIPOS DE FERRAMENTA DE CORTE E APLICAÇÕES Na usinagem, é necessário utilizar ferramentas com características que dependem das formas exigidas para a peça. Sendo assim, geralmente utiliza-se mais de um tipo de ferramenta para a confecção de uma peça. É necessário adequar, portanto, o formato da ferramenta e o material de corte a ser utilizado. Segundo Fitzpatrick (2013), as ferramentas de corte dispõem de padrão de construção que envolve: Ferramentas de inserto de metal duro; Aresta de corte policristalinas; Ponta de pastilha soldada. Utilizando-se de cinco formas de ferramenta de corte, todas as operações fundamentais podem ser realizadas. Nota-se que dentro de um tipo de ferramenta há diversas variantes, tanto em relação ao padrão de construção, materiais utilizados, arestas de corte e fixação. As formas de ferramenta básicas utilizadas no torno mecânico, são agrupadas em ferramentas de torneamento, ferramentas de canais e cortes, ferramentas de forma, ferramentas de rosca e barras de mandrilar. (DINIZ, 2013). As ferramentas de torneamento são utilizadas em operações que a troca de ferramenta apresenta dificuldade, em preparações de desbaste ou para outros tipos de usinagem, por isso, diversos tipos de corte são efetuados por essas ferramentas. Dependendo do objetivo de torneamento, a geometria da ferramenta é modificada para atender um avanço à direita, à esquerda ou mesmo em direção ao centro da peça. Há uma infinidade de combinações possíveis variando-se a composição da ferramenta, raio de ponta, posição e superfície de saída do cavaco. (FITZPATRICK, 2013). A figura 16 ilustra as principais características da ferramenta de torneamento:

28 27 Figura 16 - Ferramenta de torneamento. Fonte: Fitzpatrick (2013). As ferramentas de canais e cortes são ferramentas utilizadas para sangramento e para o destacamento da peça, podendo a mesma ferramenta realizar ambas as funções. Estas ferramentas possuem função e forma similar ao das ferramentas de torneamento, porém apresentam características de capacidade de profundidades avançadas na peça. A geometria básica dessa ferramenta é representada na figura 17: Figura 17 - Ferramenta de corte e canal. Fonte: Fitzpatrick (2013). De acordo com Fitzpatrick (2013), ferramentas de forma são fabricadas em sua maior parte de aço rápido, e para os casos em que são exigidas maiores vidas da ferramenta, insertos postiços de metal duro soldado.

29 28 Ao se utilizar ferramentas de corte no padrão de forma, problemas como lentidão no corte, desprendimento de superfície e vibrações podem ser atenuados. A figura 18 ilustra uma ferramenta de forma típica: Figura 18 - Ferramenta de forma. Fonte: Fitzpatrick (2013). As ferramentas de rosca, são definidas por Fitzpatrick (2013) como ferramentas com ângulo de ponta de rosca de 60, e com o objetivo de duplicar a forma de rosca é aliada a uma pequena seção plana em sua ponta. Este tipo de ferramenta é geralmente adquirido em versões pré-formadas e com o recurso de uso de pastilhas intercambiáveis de metal duro. Em aplicações que não exigem alto desgaste à abrasão, ou que exigem uma maior tenacidade da ferramenta, pode ser utilizado também a ferramenta de aço rápido, conformada a partir do próprio bit por meio de afiação. Esta configuração é adicionalmente mais econômica e é representada na figura 19.

30 29 Figura 19 - Ferramenta de rosca. Fonte: Fitzpatrick (2013). De acordo com Ferraresi (1970), as barras de mandrilar são ferramentas que proporcionam operações de mandrilamento no torno mecânico, ou seja, são utilizadas para usinagem interna do material. Podem ser facilmente fabricadas a partir de uma barra de aço, com o perfil característico de fixação no castelo do torno e ponta para a solda ou aparafusamento do bit ou pastilha. Uma versão popular para pequenos furos é a o tipo Suíço, em que ela é montada em um porta-ferramentas para trabalho no torno. [...] elas produzem excelente resultado quando mandrilando diâmetros abaixo de 1,0 pol. (FITZPATRICK, 2013, p. 170). As barras de mandrilar podem ser divididas em barras pré-formadas ou barras de mandrilar universais, as quais aceitam qualquer formada gerada, ao contrário das barras que aceitam apenas padrões retificados, segundo Fitzpatrick (2013). As figuras 20 e 21 apresentam a configuração de barras para pequenos furos e barras universais, respectivamente.

31 30 Figura 20 - Barras sólidas de mandrilas para pequenos furos. Fonte: Fitzpatrick (2013). Figura 21 - Barras de mandrilar universais. Fonte: Fitzpatrick (2013). De acordo com Fitzpatrick (2013), as pastilhas devem ser escolhidas em vista do tamanho do assento do porta-ferramentas, forma e tamanho da peça, além da quantidade de material a ser removido. É necessário levar em conta também os ângulos de saída e raios de ponta. Todas estas variáveis, se selecionadas

32 31 incorretamente podem induzir vibrações, desgaste precoce da pastilha ou ainda remoção de material com propriedades indesejadas de acabamento superficial. A figura 22 apresenta as principais formas de pastilhas: Figura 22 - Principais formas de pastilhas. Fonte: Fitzpatrick (2013). De acordo com Callister (2002), com a ação da ferramenta de corte pequenos riscos são feitos na superfície da peça de trabalho inevitavelmente. Além dos tipos de ferramentas, adequados para determinados tipos de operações, é importante também relacionar a geometria das pastilhas de corte, com relação ao formato e tamanho da mesma. As pastilhas podem ser soldadas nas ferramentas, mas é preferível utilizar sempre que possível, pastilhas do tipo indexável. Pastilhas deste tipo proporcionam alta produção, devido à agilidade na substituição.

33 32 3 CONFIGURAÇÕES ECONÔMICAS DE USINAGEM Uma configuração econômica de corte deve conciliar alta velocidade de usinagem com um baixo desgaste da ferramenta por volume de cavaco retirado. Ferraresi (1970) define a velocidade econômica de corte como sendo a velocidade na qual o custo de fabricação numa indústria é mínimo, e o ciclo de usinagem de uma peça constituído pelas etapas diretas: Colocação e fixação da peça na máquina; Posicionamento da ferramenta para início de corte; Remoção de material; Afastamento da ferramenta; Inspeção e retirada da peça usinada. Nota-se também que indiretamente há etapas que consomem tempo na usinagem e que são necessárias, como o preparo da máquina, afiação ou troca de ferramenta de corte e ajustagem da ferramenta. (FREIRE, 1975). De acordo com Ferraresi (1970), o tempo total do ciclo de usinagem de uma peça é definido pela equação 3: t t = t c + t s + t a + t p Z + n t Z [t ft + (t fa )] (3) Onde: tt = tempo total de confecção por peça; tc = tempo de corte; ts = tempo secundário de usinagem (etapas diretas); ta = tempo de aproximação e afastamento da ferramenta; tp = tempo de preparo da máquina; nt = número afiações da ferramenta; tft = número de trocas de ferramenta; tfa = tempo de afiação da ferramenta; Z = lote de peças. Aplicando-se a equação 3 para o caso do torneamento cilíndrico e considerando o desgaste da ferramenta, obtém-se a equação 4:

34 t t = l a π d 1000 a v + [t s + t a + t p Z ] + [l a π d v x a K 1 Z ] (t ft + t fa ) (4) 33 Onde: tt = tempo total de confecção por peça; la = percurso de avanço; d = diâmetro da peça; a = avanço; v = velocidade de corte; ts = tempo secundário de usinagem (etapas diretas); ta = tempo de aproximação e afastamento da ferramenta; tp = tempo de preparo da máquina; x = constante de desgaste da superfície de incidência; K = constante de desgaste da profundidade de cratera; tft = número de trocas de ferramenta; tfa = tempo de afiação da ferramenta; Z = lote de peças. A figura 23 relaciona o tempo de produção por peça com a velocidade de corte, mostrando o tempo total de confecção da peça (tt), a qual consiste da soma entre o tempo de corte efetivo (tc), tempo das etapas diretas (t1) e tempo das etapas indiretas (t2), e a relação com a taxa de produção.

35 Figura 23 - Representação da relação tempo de produção e velocidade de corte na eficiência de produção. 34 Fonte: Ferraresi (1970). Ferraresi (1970) diz que o tempo de confecção por peça é função da velocidade de corte, do avanço e da profundidade. Para obter-se o mínimo dessa função, é necessário igualar sua diferencial total. A velocidade para a máxima produção fica então definida pela equação 5, e a velocidade de corte para mínimo custo pela equação 6: x v mxp = K (x 1) (t ft +t fa ) (5) Onde: vmxp = velocidade para máxima produção; x = constante de desgaste da superfície de incidência; K = constante de desgaste da profundidade de cratera; tft = número de trocas de ferramenta; tfa = tempo de afiação da ferramenta. x v 0 = C 2 K (x 1) 60 C 3 (6) Onde:

36 35 v0 = velocidade de corte para o mínimo custo de produção; C2 = soma das despesas totais de mão de obra; C3 = custo da ferramenta por vida, mais custo de afiação; x = constante de desgaste da superfície de incidência; K = constante de desgaste da profundidade de cratera. É possível notar que o custo da peça produzida é função da velocidade de corte, que está relacionada com a velocidade de avanço. A figura 24 representa essa relação, sendo o avanço constate representado pelas linhas contínuas e a velocidade constante pelas linhas tracejadas. Figura 24 - Representação da relação custo x avanço x velocidade de corte. Fonte: Ferraresi (1970). A economia na usinagem não está relacionada somente com os parâmetros de disposição das ferramentas e ajustes de velocidades dos movimentos de torneamento, mas também com o campo de trabalho eficiente da máquina ferramenta, em função destas velocidades, que é representado pela figura 25.

37 36 Figura 25 - Campo de trabalho eficiente de um torno mecânico. Fonte: Ferraresi (1970). A determinação do campo de trabalho eficiente de uma máquina ferramenta é de grande importância na prática. Para a usinagem em série de uma peça de um determinado material, deve-se primeiramente determinar as curvas de vida para diferentes avanços do par ferramenta-peça. (FERRARESI, 1970, p. 676). A determinação do desgaste econômico da ferramenta é outro fator a ser considerado na usinagem para obtenção do menor custo possível. Quanto maior for o desgaste admissível na ferramenta, mais peças será possível usinar com a mesma, porém o tempo de afiação será maior, logo o custo também será. (CAPLA, 2006). Segundo Ferraresi (1970), o desgaste da ferramenta é limitado pelas condições de tolerâncias dimensionais e rugosidade superficial da peça nas operações de acabamento. Quando empregadas pastilhas fixadas mecanicamente e sem afiação e sem quebra da ponta de corte, o desgaste econômico será o desgaste médio máximo permitido. De acordo com Sousa (2013), as ferramentas afiadas de acordo com a norma ISSO 1832 apresentam alto potencial para aplicação no torneamento. À medida que o desgaste da ferramenta aumenta, também aumenta a probabilidade da quebra da aresta de corte, atingindo assim a completa destruição do gume cortante após determinado desgaste. As curvas podem ser determinadas por

38 ensaios de desgaste. A figura 26 apresenta as curvas de desgaste para o material aço cromo níquel, em diferentes velocidades de avanço e de corte. 37 Figura 26 - Variação do custo da ferramenta em relação ao desgaste. Fonte: Ferraresi (1970). Ao se introduzir coeficientes corretivos nas equações da vida da ferramenta, é possível estimar em teoria o desgaste ótimo da ferramenta. Relaciona-se então o tempo de troca das ferramentas, tempo de corte, custo da ferramenta e demais configurações de usinagem para a obtenção do torneamento com baixo custo e alta produção, ou ainda, um ajuste entre esses de acordo com as características exigidas no processo em específico.

39 38 CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste trabalho foram estudados os fatores que influenciam a usinagem com relação à qualidade e custos razoáveis. Para isso, foi cumprido o objetivo inicial de analisar as variáveis que oferecem o melhor desempenho, com equilíbrio entre esses dois fatores, na modalidade de torneamento. Foram levantados os principais materiais das ferramentas de corte e suas terminologias, especificando suas características técnicas, requisitos para operação, efeitos de elementos de liga e classes de materiais recomendadas a aplicações determinadas com seus índices de desempenho. As aplicações das ferramentas de acordo com sua geometria foram estudadas levando em conta o padrão de construção, formas, e combinações de diferentes classes de ferramentas que podem ser utilizadas para adequar à geometria da peça a ser usinada. Foi possível também considerar configurações econômicas de usinagem baseadas nas velocidades admissíveis das ferramentas, no volume de cavaco retirado e tempo de preparo da máquina. Foram relacionados parâmetros de usinagem que envolvem avanço, velocidade e a variação do custo da ferramenta em relação ao desgaste para a obtenção do campo de trabalho eficiente. Como sugestão de trabalho futuro é interessante o estudo do mecanismo de desgaste das ferramentas de usinagem. Tal estudo pode também contemplar o mecanismo de formação do cavaco e o efeito do uso dos fluidos de corte em operações de usinagem de metais.

40 39 REFERÊNCIAS CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5. Ed. Rio de Janeiro: Ltc, CAPLA, Renato Lemes. Estudo da influência do sobremetal excedente de desbaste na operação de acabamento aplicando usinagem com altas velocidades f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos. CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 7. Ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica. 2. Ed. São Paulo: Makron Books, v. 2 e 3. DINIZ, A. E.; MARCONDES, F. C; COPPINI, N. L. Tecnologia da usinagem dos materiais. 9. Ed. São Paulo: Artliber, FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos Metais. 1. Ed. São Paulo: Edgard Blucher, FITZPATRICK, Michael. Introdução aos processos de usinagem. 1. Ed. Porto Alegre: AMGH, FREIRE, J. Tecnologia Mecânica - Torno Mecânico. 1. Ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, GERE, J. M. Mecânica dos Materiais. 1. Ed. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2003 MACHADO, A. R., et al. Teoria da Usinagem dos Materiais. 3. Ed. São Paulo: Blucher, OLIVEIRA, Adilson José de. Análise do desgaste de ferramentas no fresamento com alta velocidade de aços endurecidos f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas.

41 SOUSA, Leopoldo Ferreira de. Desenvolvimento de Ferramentas Cerâmicas de Alumina-ítria para Aplicação em Torneamento do Ferro Fundido Nodular f. Dissertação (Mestrado Profissional em Materiais) Pró-Reitoria de Pósgraduação, pesquisa e extensão, Centro Universitário de Volta Redonda, Volta Redonda. 40