Teoria da Usinagem dos Materiais by Editora Blucher

Teoria da Usinagem dos Materiais Álisson Rocha Machado Alexandre Mendes Abrão Reginaldo Teixeira Coelho Márcio Bacci da Silva

Lançamento 2009 ISBN: 9788521204527 Páginas: 384 Formato: 17x24 cm Peso: 0,630 kg

Conteúdo

1 INTRODUÇÃO À TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS .................................

1.1 Principais operações de usinagem .....................................................

1.2 Grandezas físicas no processo de corte .............................................

1.2.1

Movimentos .............................................................................

1.2.2

Direções dos movimentos .......................................................

1.2.3

Percursos da ferramenta na peça ...........................................

1.2.4

Velocidades ..............................................................................

1.2.5

Conceitos auxiliares ................................................................

1.2.6

Grandezas de corte .................................................................

1.2.7

Grandezas relativas ao cavaco ................................................

Referências bibliográficas ...........................................................................

2 GEOMETRIA DA FERRAMENTA DE CORTE ..............................................................

2.1 Definições ............................................................................................

2.2 Sistemas de referência ........................................................................

2.2.1

Planos do sistema de referência da ferramenta.....................

2.2.2

Ângulos do sistema de referência da ferramenta ..................

2.3 Funções e influência dos principais ângulos da cunha cortante ......

2.4 Outros atributos da cunha cortante ...................................................

Referências bibliográficas ...........................................................................

3 FORMAÇÃO DE CAVACOS ..........................................................................................

3.1 Corte ortogonal. ..................................................................................

3.2 Relações cinemáticas e geométricas no corte ortogonal...................

3.3 Tipos de cavacos..................................................................................

3.3.1

Cavacos contínuos ...................................................................

3.3.2

Cavacos parcialmente contínuos ............................................

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

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3.3.3 Cavacos descontínuos ............................................................. 3.3.4 Cavacos segmentados ............................................................. 3.4 Formas de cavaco ................................................................................ 3.5 Controle do cavaco .............................................................................. 3.5.1 Quebra-cavacos postiço .......................................................... 3.5.2 Quebra-cavacos integral, tipo I: anteparo .............................. 3.5.3 Quebra-cavacos integral, tipo II: cratera ................................ 3.6 Interface ferramenta/cavaco ............................................................... 3.6.1 Atrito no corte de metais ........................................................ 3.6.2 Zona de aderência ................................................................... 3.6.3 Zona de escorregamento......................................................... 3.6.4 Aresta postiça de corte (APC) ............................................... 3.6.5 Influência das diferentes condições da interface nas variáveis do processo........................................................ Referências bibliográficas ...........................................................................

53 53 55 57 59 59 60 63 65 69 71 71

4 FORÇA E POTÊNCIA DE USINAGEM......................................................................... 4.1 Força de usinagem no corte oblíquo (tridimensional) ...................... 4.2 Força de usinagem no corte ortogonal (bidimensional) ................... 4.2.1 Tensões no plano de cisalhamento secundário...................... 4.3 Determinação teórica do ângulo de cisalhamento............................. 4.3.1 Teoria de Ernst e Merchant .................................................... 4.3.2 Teoria de Lee e Shaffer ........................................................... 4.4 Determinação teórica da força de corte............................................. 4.4.1 Determinação teórica da pressão específica de corte no torneamento. ...................................................................... 4.4.2 Determinação teórica da pressão específica de corte no fresamento. ......................................................................... 4.5 Determinação experimental da força de usinagem (métodos de medição) .............................................................................................. 4.5.1 Princípio de medição por extensômetros (strain gauges) .... 4.5.2 Princípio de medição por cristais piezoelétricos ................... 4.6 Fatores que influenciam a força de usinagem ................................... 4.7 Potência de usinagem ......................................................................... 4.8 Medição de potência em usinagem .................................................... Referências bibliográficas ...........................................................................

77 77 79 82 83 83 85 90

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72 75

93 96 98 98 104 105 105 107 111

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Conteúdo

5 TEMPERATURA NO PROCESSO DE USINAGEM. ................................................... 5.1 Temperatura na formação de cavacos: Modelo de Trigger E. Chao.... 5.2 Temperatura na formação de cavacos: Modelo de Loewen e Shaw .... 5.2.1 Temperatura no plano de cisalhamento (TZ) ......................... 5.2.2 Temperatura na interface ferramenta/cavaco (Tf): ............... 5.3 Temperatura na formação de cavacos: FEM (Método dos elementos finitos)................................................................................ 5.4 Temperatura na formação de cavacos: estimativas experimentais .. 5.4.1 Termopares inseridos na ferramenta. .................................... 5.4.2 Termopar ferramenta/peça ..................................................... 5.4.3 Radiação infravermelha. ......................................................... 5.4.4 Vernizes termosensíveis. ......................................................... 5.4.5 Propriedades metalográficas. ................................................. 5.4.6 Sais com diferentes temperaturas de fusão ........................... 5.4.7 Filmes depositados por PVD................................................... Referências bibliográficas ...........................................................................

113 124 128 136 138

6 FLUIDOS DE CORTE ..................................................................................................... 6.1 Funções dos fluidos de corte .............................................................. 6.2 Classificação dos fluidos de corte ....................................................... 6.2.1 Óleos ........................................................................................ 6.2.2 Emulsões.................................................................................. 6.2.3 Soluções ................................................................................... 6.3 Aditivos ................................................................................................ 6.4 Considerações a respeito da utilização de fluidos de corte .............. 6.5 Direções de aplicação do fluido de corte ........................................... 6.6 Métodos de aplicação dos fluidos de corte ........................................ 6.7 Seleção do fluido de corte................................................................... 6.7.1 Recomendações quanto ao material da peça ......................... 6.7.2 Recomendações quanto ao material da ferramenta .............. 6.7.3 Recomendações quanto à operação de usinagem ................. Referências bibliográficas ...........................................................................

157 158 161 162 162 163 164 165 167 168 170 170 172 173 174

143 144 145 148 150 151 152 154 154 155

7 MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE CORTE ........................................................ 176 7.1 Aços-carbono e aços ligados ............................................................... 177 7.2 Aços rápidos ........................................................................................ 179

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

7.2.1 Aço rápido revestido ............................................................... 7.2.2 Aço rápido produzido pela metalurgia do pó ......................... 7.3 Ligas fundidas...................................................................................... 7.4 Metal duro............................................................................................ 7.4.1 Fabricação do metal duro ....................................................... 7.4.2 Metal duro revestido ............................................................... 7.5 Cermets................................................................................................ 7.6 Cerâmicas ............................................................................................ 7.6.1 Cerâmica à base de Al2O3 ........................................................ 7.6.2 Cerâmica à base de Si3N4 ........................................................ 7.7 Materiais ultraduros para ferramentas............................................... 7.8 Seleção de materiais para ferramentas de usinagem ........................ Referências bibliográficas ........................................................................... 8 AVARIAS, DESGASTES E MECANISMOS DE DESGASTE DAS FERRAMENTAS DE CORTE ................................................................................ 8.1 Avarias nas ferramentas de corte ....................................................... 8.1.1 Avaria de origem térmica ........................................................ 8.1.2 Avarias de origem mecânica ................................................... 8.2 Desgaste nas ferramentas de corte .................................................... 8.3 Mecanismos de desgaste ..................................................................... 8.3.1 Deformação plástica superficial por cisalhamento a altas temperaturas (Figura 8.19) .................................................... 8.3.2 Deformação plástica da aresta de corte sob altas tensões de compressão (Figura 8.19).................................................. 8.3.3 Difusão (Figura 8.19) .............................................................. 8.3.4 Aderência e arrastamento: attrition (Figura 8.19) ................ 8.3.5 Abrasão (Figura 8.19) ............................................................. 8.3.6 Desgaste de entalhe (Figura 8.19) ......................................... 8.4 Curva de vida das ferramentas ........................................................... Referências bibliográficas ...........................................................................

187 188 189 192 197 200 206 208 211 214 216 222 227

231 233 234 242 246 251 252 254 256 258 260 262 267 273

9 INTEGRIDADE SUPERFICIAL...................................................................................... 276 9.1 Rugosidade .......................................................................................... 278 9.1.1 Parâmetros para a quantificação da rugosidade .................... 280

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Conteúdo

9.1.2

Cálculo teórico da rugosidade no processo de torneamento ....................................................................... 9.1.3 Cálculo teórico da rugosidade para a operação de fresamento .......................................................................... 9.1.4 Medição da rugosidade ........................................................... 9.1.5 Efeitos de alguns parâmetros de usinagem na rugosidade ... 9.2 Alterações subsuperficiais .................................................................. 9.2.1 Alterações de natureza mecânica ........................................... 9.2.2 Alterações de natureza metalúrgica ....................................... 9.3 Avaliação da integridade superficial ................................................... 9.3.1 Tensão residual ........................................................................ 9.3.2 Fadiga....................................................................................... 9.4 Influência dos parâmetros e da operação de usinagem sobre a integridade superficial...................................................................... Referências bibliográficas ...........................................................................

285 286 288 292 292 293 293 294 298

10 CONDIÇÕES ECONÔMICAS DE CORTE .................................................................... 10.1 Cálculo da velocidade de máxima produção (Vmxp)......................... 10.2 Cálculo da velocidade econômica de corte (Vo) .............................. 10.3 Intervalo de máxima eficiência (Imef)................................................ Referências bibliográficas ...........................................................................

305 306 311 316 317

11 USINAGEM POR ABRASÃO ....................................................................................... 11.1 Grandezas físicas das operações de retificação ............................... 11.2 Rebolo ................................................................................................ 11.3 Mecanismo de corte na retificação ................................................... 11.4 Dressagem ......................................................................................... 11.5 Forças e potência de retificação ....................................................... 11.6 Temperatura de retificação ............................................................... 11.7 Fluidos de corte................................................................................. 11.8 Operações especiais de retificação................................................... 11.8.1 Retificação creep feed.......................................................... 11.8.2 Retificação sem centros (centerless) ................................. Referências bibliográficas ...........................................................................

318 321 324 330 332 335 337 340 341 341 342 344

284

299 302

12 ASPECTOS TECNOLÓGICOS E RECOMENDAÇÕES................................................ 345 12.1 Aços-carbono e ligados ..................................................................... 348 12.2 Aços inoxidáveis ................................................................................ 350

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

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12.3 Ferro fundido (FoFo) ....................................................................... 12.4 Ligas termo-resistentes e superligas (HSTR, do inglês High Strenght Thermal Resistant Superalloys)........................................ 12.5 Compósitos ........................................................................................ 12.6 Materiais endurecidos ....................................................................... 12.7 Efeitos de diversos elementos de liga na usinagem ........................ Referências bibliográficas ...........................................................................

353 356 359 359 361 363

APÊNDICE A1 – Valores dos coeficientes da equação de Kienzle para o Torneamento dos principais materiais metálicos (catálogo Sandvik, 2002.8) .................................................... 364 APÊNDICE A2 – Valores dos coeficientes da equação de Kienzle para o Fresamento dos principais materiais metálicos (catálogo Sandvik 2002.2) ..................................................... 367

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Introdução à Teoria da Usinagem dos Materiais

Até meados do século XVIII, o principal material utilizado para peças, em engenharia, era a madeira, salvo raras exceções, a qual era usinada com ferramentas de aço-carbono. Com a Revolução Industrial, novos e mais resistentes materiais apareceram, impulsionando o desenvolvimento dos aços-liga como ferramentas de corte. Mais tarde, a utilização da água e do vapor como fontes de energia impulsionaram a indústria metal-mecânica, já no final do século XVIII e início do século XIX, propiciando assim o aparecimento de máquinas-ferramentas responsáveis pela fabricação de outras variedades de máquinas e instrumentos em substituição ao trabalho humano em diversas atividades. A primeira contribuição relevante foi apresentada por John Wilkinson, em 1774 (McGEOUGH, 1988), ao construir uma máquina para mandrilar cilindros de máquinas a vapor, os quais antes eram usinados com equipamentos originalmente projetados para mandrilar canhões e que, portanto, não eram capazes de assegurar a exatidão exigida. Os materiais a princípio utilizados na fabricação de máquinas a vapor eram o ferro fundido, o latão e o bronze, facilmente usinados com as ferramentas de aço-carbono temperado disponíveis na época. Ainda assim, eram necessários 27,5 dias de trabalho para mandrilar um dos cilindros de uma máquina de grande porte (TRENT, 1985). Em 1797, Henry Maudslay desenvolveu o primeiro torno com avanço automático, permitindo a produção de roscas com passo definido. Após a mandriladora e o torno surgiu a plainadora e, em 1860, a retificadora. A primeira fresadora universal, desenvolvida por J. R. Brown, surgiu em 1862 e foi utilizada inicialmente para a produção de canais em brocas helicoidais. Outro desenvolvimento importante ocorreu em 1896, quando F. W. Fellows desenvolveu uma máquina capaz de produzir praticamente qualquer tipo de engrenagem. Já no século XX surgiram produtos feitos de materiais mais duráveis e, consequentemente, mais difíceis de serem usinados. O advento das ferramentas de aço rápido, e mais tarde de carboneto de tungstênio, permitiu a usinagem de

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

Furação

Furação com pré-furo

Furação escalonada

Furação de centro

Alargamento cilíndrico

Alargamento cônico

Rebaixamento

Trepanação

Ferramenta para trepanação

Bucha rotativa para injeção de fluido

Bucha guia Fluido de corte injetado

Peça Eixo-árvore Broca canhão

Carro de avanço

Base da máquina Furação profunda com broca canhão

FIGURA 1.3 Principais operações executadas na furadeira.

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Geometria da Ferramenta de Corte

A geometria da ferramenta de corte exerce grande influência no desempenho da usinagem. Por melhor que seja o material da ferramenta, se a sua geometria não for preparada adequadamente, não haverá êxito na operação. Tamanha é a sua importância que se faz necessário normalizar, da maneira mais conveniente possível, os ângulos da cunha cortante para uniformizar a nomenclatura entre os profissionais e a literatura especializada. Como a norma brasileira NBR 6163 – Conceitos da Técnica de Usinagem: Geometria da Cunha Cortante: Terminologia (ABNT, 1980) trata desse assunto, as definições apresentadas a seguir baseiam-se nela.

2.1

DEFINIÇÕES

As seguintes definições adotadas são necessárias para a determinação dos ângulos da cunha cortante de uma ferramenta de usinagem. A superfície de saída (Aγ) é a superfície da cunha de corte sobre a qual o cavaco se move – e por superfície de folga entende-se a superfície que determina a folga entre a ferramenta e a superfície em usinagem. Distinguem-se a superfície principal de folga (Aα) e a superfície secundária de folga (Aα’). Por meio do movimento relativo entre a peça e a ferramenta, formam-se os cavacos pela ação da cunha de corte, composta pelas superfícies de saída e de folga da ferramenta. As arestas de corte são definidas pela interseção das superfícies de saída e de folga. Deve-se distinguir a aresta principal de corte (S) da aresta secundária de corte (S’): a primeira é aquela cuja cunha de corte, observada no plano de trabalho, e para um ângulo da direção de avanço (ϕ) igual a 90o, indica a direção de avanço; a segunda é aquela cuja cunha de corte, observada no plano de trabalho, e para um ângulo da direção de avanço (ϕ) igual a 90o, indica a direção contrária à direção de avanço.

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

Vista sobre o plano de referência da ferramenta

Direção admitida de avanço Z Ponto de corte escolhido Vista sobre o plano de referência da ferramenta Pr (detalhe Z)

Corte P–P (no Pp) Pr –

Vista S (sobre Ps)

λs

γp

βp

–

Pr +

Ps ψr

F χ`r

Pn αp

O Po

Aα

Aγ

χr

–

Aα

Interseção dos planos Ps e Pp Corte O–O (no Po)

Corte N–N (no Po) _

γn

Interseção dos planos Pn e Pr

βo

–_

βn

αo γo

Aγ

Aα

Aγ Aα

αn

+ _

Corte F–F (no Ps) + _–

Interseção dos planos Ps e Pf αf

Vista sobre o plano de referência da ferramenta Pr com o ponto de corte escolhido sobre a ponta de corte P‘s

εr

Aα Pr

+ _

Ponto de corte escolhido

γf Aγ

Direção admitida de corte

FIGURA 2.10 Ângulos em uma fresa frontal.

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Formação de Cavacos

A base para um melhor entendimento de todos os processos de usinagem está no estudo científico da formação de cavacos. Esse estudo tem proporcionado grandes avanços nos processos de usinagem e contribuído para o aperfeiçoamento das arestas de corte, com quebra-cavacos cada vez mais eficientes, além de novos e mais eficazes materiais para ferramentas e a possibilidade de usinar os mais variados tipos de materiais. Sabe-se que o cavaco é formado em altíssimas velocidades de deformação, seguidas de ruptura do material da peça. Para um estudo mais detalhado, divide-se o processo em quatro eventos: Recalque inicial: devido à penetração da cunha cortante no material da peça, uma pequena porção deste (ainda unido à peça) é pressionada contra a superfície de saída da ferramenta. Deformação e ruptura: o material pressionado sofre, de início, uma deformação elástica, e, em seguida, uma deformação plástica, que aumenta progressivamente até o estado de tensões provocar a ruptura. Essa ruptura se dá, na maior parte das vezes, por cisalhamento, embora exista um estado de tensões que combina tensões de compressão/ tração e de cisalhamento e leve o material à ruptura, segundo algum critério próprio de sua natureza frágil ou dúctil. Após a ruptura, há a formação de uma trinca que se propaga seguindo também um critério de propagação de trincas próprio de cada material. Como a formação de cavacos ocorre dinamicamente, há planos instantâneos de ruptura e de propagação de trincas que definirão uma certa região entre a peça e o cavaco, chamada “zona primária de cisalhamento”. Para facilitar o tratamento matemático dado à formação do cavaco, modelos simples assumem essa região como sendo apenas um plano matemático, ou seja, “o plano de cisalhamento”, no qual se concentra, preferencial-

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Prof. de corte

Formação de Cavacos

Avanço

FIGURA 3.11

3.5

Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos (SMITH, 1989).

CONTROLE DO CAVACO

Nas operações de usinagem que utilizam corte contínuo em materiais dúcteis, como o torneamento de aços-baixo carbono, por exemplo, o controle do cavaco pode ser imperativo para a produtividade da empresa. Esse problema se agrava quando novas gerações de ferramentas mais resistentes ao desgaste permitem o uso de altas velocidades de corte em máquinas CN, em sistemas produtivos altamente automatizados, com mínima supervisão humana. A produção de cavacos longos pode causar os seguintes problemas: As baixas densidades efetivas desse tipo de cavaco, devido ao alto volume que ocupam, dificultam o manuseio nos processos subsequentes de manuseio e descarte. Podem aderir à peça, a partes da máquina, ou à ferramenta, criando situações de perigo ao operador por conta das altas velocidades e do fio de corte em cavacos de material endurecido pelo encruamento.

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4 4.1

Força e Potência de Usinagem

FORÇA DE USINAGEM NO CORTE OBLÍQUO (TRIDIMENSIONAL)

O conhecimento da força de usinagem que age sobre a cunha cortante e o estudo de seus componentes são de grande importância, porque possibilitam estimar a potência necessária para o corte, bem como as forças atuantes nos elementos da máquina-ferramenta, além de manter relação com o desgaste das ferramentas de corte, influenciando a viabilidade econômica do processo. A formação dos cavacos nos processos de usinagem ocorre, na maioria das operações reais, tridimensionalmente, como ilustrado na Figura 4.1.

Ângulo de saída

Cavaco Cunha de corte

Cavaco

Cunha de corte

Peça

90°

90° Ângulo de inclinação

FIGURA 4.1 Operação de corte tridimensional.

Por estar no espaço tridimensional, a força de usinagem (FU) possui três componentes básicos que agem diretamente na cunha cortante e, por conseguinte, na estrutura da máquina-ferramenta. A Figura 4.2 mostra a força de usinagem tridimensional e seus componentes para os processos de torneamento e de fresamento.

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Força e Potência de Usinagem

vc = velocidade de corte f = avanço de cavaco k = condutividade térmica do material sendo usinado Outra maneira de determinar o ângulo de cisalhamento de forma teórica é pela simulação em programas de computador, utilizando-se o método de elementos finitos (em inglês, FEM – Finite Element Method). De forma geral, esse princípio consiste em dividir o meio contínuo em elementos simples, cujas propriedades são as mesmas do material. Pela aplicação de esforços nesses elementos e dos cálculos de deformação, que são estendidos a todos os elementos de uma só vez, pode-se prever as tensões e deformações de todo o meio. A escolha de elementos simples facilita as previsões de tensões e deformações. Essa técnica envolve uma manipulação matemática considerável, quando se divide o meio em um número grande de elementos para se obter uma melhor precisão nos resultados. Assim, essa técnica depende de computadores rápidos e com muita memória. A Figura 4.8 mostra um exemplo de simulação da formação de cavacos usando a técnica FEM.

PEEQ (Avg: 75%) +1.995e+00 +1.829e+00 +1.663e+00 +1.496e+00 +1.330e+00 +1.164e+00 +9.976e–01 +8.314e–01 +6.651e–01 +4.988e-–01 +3.325e–01 +1.663e-01 +0.000e+00

FIGURA 4.8 Exemplo de simulação de formação de cavacos por meio da técnica FEM (http://msl.mcmaster.ca/).

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Temperatura no Processo de Usinagem

A maior parte da potência consumida na usinagem dos metais é convertida em calor próximo à aresta cortante da ferramenta e muitos problemas técnicos e econômicos são causados direta ou indiretamente por conta desse aquecimento (TRENT, 1988a). O custo da usinagem depende da quantidade de remoção de metal e pode ser reduzido aumentando-se a velocidade de corte e/ou a velocidade de avanço, porém, há limites para essas velocidades, acima dos quais a vida da ferramenta é drasticamente diminuída (e o custo, elevado). A maior parte da usinagem ocorre com aços e ferros fundidos, e, no corte destes e das ligas à base de níquel, surgem problemas técnicos e econômicos mais sérios. O corte desses metais gera um maior aquecimento da ferramenta, provocando seu colapso em curto tempo de usinagem. Por esses motivos, é importante compreender quais fatores influenciam a geração de calor, bem como de que maneira os fluxos de calor e as temperaturas são distribuídos na ferramenta e na peça, próximo à aresta cortante. Nos últimos oitenta anos, o progresso tem sido muito lento para identificar com precisão a distribuição das temperaturas na aresta cortante. Assim, hoje, são conhecidos os princípios gerais dos fenômenos térmicos que ocorrem nessa região e alguns casos particulares foram pesquisados. Em 1798, foi apresentado pela primeira vez na Academia Real de Londres, pelo conde Rumford (Benjamim Thomson), o registro de experiências em usinagem, realçando o seu aspecto térmico (FERRARESI, 1977). Tais experiências foram feitas utilizando-se o método do calorímetro, no qual se mede a temperatura da água que envolve a peça em usinagem, bem como a ferramenta e o cavaco. Os resultados mostraram que, praticamente, toda a energia mecânica envolvida na usinagem se transforma em energia térmica. Do ponto de vista econômico, a vida de uma ferramenta é um item de grande importância, pois depende mais da temperatura atingida na interface ferramenta/cavaco que da quantidade total de calor liberada durante a operação. O calor liberado na interface ferramenta/cavaco que vai para a ferramenta provoca um aumento da

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

130

a) corte ortogonal real

b) modelo idealizado

vcav

vcav (2)

(2) vC

(1)

FIGURA 5.4 Fontes de calor admitidas no Modelo de Loewen e Shaw para o corte ortogonal (SHAW, 1986).

Da energia produzida na região “a”, parte flui para o cavaco, que se move com uma velocidade de cisalhamento no mesmo plano em relação à peça. A outra parte flui para a peça, que se move com velocidade vc. Da mesma forma, na região “b”, a energia produzida é dividida entre o cavaco e a ferramenta na interface ferramenta/cavaco, sendo que a ferramenta está estacionária e o cavaco se move com velocidade vcav. Para modelar a partição de energia entre superfícies em movimento e, consequentemente, calcular a temperatura média em cada uma delas, Shaw imaginou, a princípio, uma fonte estacionária de calor de forma retangular sobre a superfície de um corpo. A fonte tem as dimensões 2l × 2m, é uniforme, tem valor q, e a superfície é a de um corpo semi-infinito, assumindo estar trocando calor apenas onde a fonte está atuando. A Figura 5.5 ilustra essa situação.

Superfície de saída

Corpo semi-infinito m

m l

P` y` x` P y

a) modelo idealizado

z` Z

z b) modelo de Carslaw e Jaeger

FIGURA 5.5 Modelo de uma fonte de calor retangular sobre um corpo semi-infinito.

Para saber a distribuição de temperatura dentro do corpo semi-infinito, o primeiro passo é integrar a Equação 5.20 onde se tem uma fonte instantânea

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Fluidos de Corte

Em se tratando de sistemas de manufatura, qualquer esforço para aumentar a produtividade e/ou reduzir custos deve ser considerado. Na usinagem, o uso de fluidos de corte, quando escolhidos e aplicados apropriadamente, traz benefícios. A seleção adequada de um fluido de corte deve recair sobre aquele que possuir composição química e propriedades corretas para lidar com as adversidades de um processo de corte específico. Ele deve ser aplicado usando-se um método que permita sua chegada o mais próximo possível da aresta de corte dentro da interface ferramenta/cavaco, a fim de assegurar que suas funções sejam exercidas adequadamente. Em 1894, Frederick Winslow Taylor observou que aplicando grande quantidade de água na região de corte, era possível aumentar a velocidade de corte em 33%, sem prejuízo para a vida da ferramenta (RUFFINO, 1977). Desde então, grandes avanços tecnológicos foram obtidos, tanto no que diz respeito aos materiais quanto no que se refere às máquinas-ferramentas, fazendo que a demanda por fluidos de corte crescer consideravelmente. Alta demanda estimula a competitividade, o que por sua vez provoca uma melhoria na qualidade dos produtos disponíveis no mercado. Outro fator que também contribui para o aumento da qualidade dos fluidos de corte é a pressão exercida por Agências de Proteção Ambiental e de Saúde para que os produtos sejam comercializados com segurança e sejam menos nocivos ao meio ambiente (NELSON & SCHAIBLE, 1988). O atual sucesso dos fluidos de corte também se deve a avanços obtidos durante a sua fabricação, particularmente, no que se refere ao desenvolvimento de novos aditivos. Com isso, os fluidos de corte hoje utilizados apresentam melhores propriedades refrigerantes e lubrificantes, oferecem menos riscos ao operador e duram consideravelmente mais, além de apresentarem menos problemas de armazenagem que os fluidos de corte de gerações passadas.

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161

Fluidos de Corte

Coeficiente de troca de calor por convecção, h (W/m2.k)

350

329

300 250 209

200

173

157

150

153

137 113

100 30

Se co

áv el 5% In te gr al

10 %

on si

si o ul

ná ve l

10 % o

nt ét ic Si

nt ét ic

10 %

a Á gu nt ét ic Si

nt ét ic

Fluido

FIGURA 6.3 Coeficiente convectivo de fluidos de corte (SALES, 1999).

6.2

CLASSIFICAÇÃO DOS FLUIDOS DE CORTE

Existem diversas formas de classificar os fluidos de corte; entretanto, não há uma padronização. Embora a utilização de fluidos de corte gasosos e sólidos seja eventualmente descrita na literatura técnica, os fluidos de corte líquidos representam a grande maioria nas aplicações em operações de usinagem. O fluido de corte gasoso mais comum é o ar comprimido, cuja função restringe-se à expulsão dos cavacos da região de corte, visto que, à temperatura ambiente, o ar possui capacidades refrigerante e lubrificante mínimas. A utilização de fluidos gasosos resfriados a temperaturas negativas e sob pressão (ar, CO2 e N2) é descrita por Shaw (1982), que relata aumentos substanciais de vida da ferramenta. Entretanto, o uso industrial de fluidos de corte gasosos ainda não é viável economicamente. Os lubrificantes sólidos, como a grafita e o bissulfeto de molibdênio, são aplicados sobre a superfície de saída da ferramenta com o único objetivo de reduzir o coeficiente de atrito ferramenta/cavaco. Como é necessária a interrupção da operação para a reaplicação do produto, seu uso tem sido muito restrito. Sendo os fluidos líquidos os mais comuns, eles são agrupados nas seguintes categorias, de acordo com a sua classificação: óleos, emulsões e soluções.

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Materiais para Ferramentas de Corte

O processo de usinagem baseia-se na remoção de material, utilizando como ferramenta um material mais duro e mecanicamente mais resistente que a peça. Partindo-se do princípio da dureza relativa, o surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribuíram para o aparecimento de novos materiais para a confecção de ferramentas mais resistentes para as operações de usinagem. Porém, a usinagem de materiais frágeis ou em operações de cortes interrompidos (como no caso de fresamento, por exemplo) requer materiais que componham ferramentas com suficiente tenacidade para suportar os choques e impactos inerentes ao processo de usinagem. Como, em geral, dureza e tenacidade são duas propriedades distintas (normalmente alta dureza se associa a baixa tenacidade e viceversa), o balanço dessas propriedades nos materiais de ferramenta de corte se tornou um desafio para os fabricantes. A conciliação dessas propriedades foi conseguida com a produção de ferramentas com diferentes composições químicas, refinamento de grãos, controle dos processos de fabricação e do tratamento térmico, o que lhes confere graus compatíveis de pureza e qualidade. As principais propriedades desejáveis em um material para ferramenta de corte podem ser assim listadas: Alta dureza. Tenacidade suficiente para evitar falha por fratura. Alta resistência ao desgaste abrasivo. Alta resistência à compressão. Alta resistência ao cisalhamento. Boas propriedades mecânicas e térmicas em temperaturas elevadas. Alta resistência ao choque térmico. Alta resistência ao impacto. Ser inerte quimicamente.

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88 86 0

0 2 4 6 8 10 12 14

Resistência ao impacto (ft.lb)

Percentual de Co por peso

18 16 14 12 10 8 6 5

10 15 20 25 Percentual de Co por peso

350 300 250 200 150 0 0

3 6 9 12 15 Percentual de Co por peso

2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0

Ruptura transversal, TRS GPa

1 2 3 4 5 Carboneto Tamanho de grão

Módulo de elasticidade x106 psi

Dureza RA

Ruptura transversal, TRSx103 psi

TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

196

100 85 70 55 0

Percentual de Co por peso

FIGURA 7.9 Variações da porcentagem de cobalto e seus efeitos nas propriedades mecânicas (KOMANDURI & DESAI, 1982).

Nota-se que o aumento de Co implica menor dureza, maior resistência à ruptura transversal (TRS), e, portanto, maior resistência ao impacto (ou tenacidade), menor módulo de elasticidade, e, consequentemente, menor rigidez. O metal duro classe THR tem alto teor de Co. Nota-se também que o refino de grão melhora a tenacidade em aproximadamente 50%, aumentando assim a dureza média, embora piorando as propriedades térmicas. A influência do tamanho de grão é ilustrada pela Tabela 7.7.

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Avarias, Desgastes e Mecanismos de Desgaste das Ferramentas de Corte

Por maior que seja a dureza e a resistência ao desgaste das ferramentas de corte, e por menor que seja a resistência mecânica da peça de trabalho, a ferramenta de corte sofrerá um processo de desgaste que mais cedo ou mais tarde exigirá a sua substituição. Estudar e entender o processo pelo qual as ferramentas se desgastam é muito importante, pois pode permitir ações coerentes e efetivas para reduzir a taxa desse processo, prolongando a vida da aresta de corte. Embora os custos com ferramentas de corte representem apenas uma pequena fração do custo de fabricação, desgastes acelerados e/ou avarias frequentes levam a paradas da máquina para troca, e isso significa custos adicionais e perda de produtividade. Além disso, o conhecimento do processo de desgaste da aresta fornecerá subsídios para que haja evolução dos materiais das ferramentas, tornando-as mais resistentes aos fenômenos negativos que ocorrem durante o processo de usinagem. Podem-se distinguir três fenômenos pelos quais uma ferramenta de corte perde sua eficácia na usinagem: avaria, desgaste e deformação plástica, apesar de alguns autores (TRENT & WRIGHT, 2000) considerarem a deformação plástica apenas um mecanismo de desgaste. Esses três fenômenos causam a mudança na geometria da aresta de corte. Os dois primeiros, geralmente, promovem a perda de material, enquanto o último promove somente o seu deslocamento. Para que se possa, desde o início, distinguir esses fenômenos que conduzem à perda e à consequente substituição das arestas, suas definições são apresentadas a seguir. Avaria: fenômeno que ocorre de maneira repentina e inesperada, causado pela quebra, lascamento ou trinca da aresta de corte. A quebra e o lascamento levam à destruição total ou à perda de uma quantidade considerável de material da aresta de forma repentina e imprevisível. A quebra é mais comum em ferramentas com baixa tenacidade, como as cerâmicas e os ultraduros. Já o lascamento depende também da tena-

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237

Avarias, Desgastes e Mecanismos de Desgaste das Ferramentas de Corte

de corte, o avanço e a tenacidade das ferramentas de corte são parâmetros influentes no processo, conforme mostram as Figuras 8.5 a 8.7, respectivamente (LEHEWALD, apud FERRARESI, 1977).

Direção de saída do cavaco

0,5 mm

Após Lf = 1.500 mm VBB =0,13 mm vc =240 m/min fz =0,15 mm/dente ap =2,0 mm

a form s em te o c l Su en de p de Sup. d í a s a

de Sup. a g fol

Trincas térmicas

rsais

sve s tran Sulco rma m fo os e nte c l u S e de p

(a) 0,1 mm

FIGURA 8.4 Trincas de origem térmica observadas em uma ferramenta de metal duro (MELO, 2001).

16 Número de sulcos em forma de pente

Aparecimento dos sulcos transversais

V4 = 190 m/min

12 10

V3 = 148 m/min

V2 = 116 m/min

6 4

V1 = 94 m/min

2 0

100

200

500

1.000

Percurso de corte de um dente lc (cm)

2.000

5.000

10.000

20.000

40.000

FIGURA 8.5 Influência da velocidade de corte sobre a formação de sulcos no fresamento.

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Integridade Superficial

A condição final de uma superfície usinada é resultado de um processo que envolve deformações plásticas, ruptura, recuperação elástica, geração de calor, vibração, tensões residuais e, às vezes, reações químicas. Todos esses fatores podem ter efeitos diferentes na nova superfície, assim, o termo integridade superficial é utilizado para descrever a qualidade de uma superfície e, portanto, engloba um grande número de alterações sofridas por ela. Dessa forma, o conceito de integridade superficial não pode ser definido apenas em uma dimensão e não abrange somente a textura da superfície ou a sua forma geométrica. Esse termo engloba também outras características da superfície em serviço e de camadas abaixo desta. O diagrama da Figura 9.1 mostra alterações que podem ocorrer em superfícies usinadas e uma classificação destas. De forma geral, tais superfícies podem ser classificadas em alterações na superfície (acabamento) e alterações em camadas internas da peça (alterações subsuperficiais).

• Acabamento

• Integridade superficial

• Ondulações • Falhas • Rugosidade

• Fatores mecânicos • Alterações subsuperficiais

• Deformação plástica • Rebarbas • Alteração de microdureza • Micro ou macro trincas • Tensões residuais

• Recristalização • Fatores metalúrgicos • Transformações metalúrgicas

FIGURA 9.1 Classificação da integridade superficial.

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Integridade Superficial

285

9.1.3 Cálculo teórico da rugosidade para a operação de fresamento Para uma operação de fresamento tangencial, a rugosidade pode ser teoricamente calculada por: Rt = Rt =

fz2

(9.6)

18 3. R fz2 8. R

(9.7)

Onde: R = raio da fresa fz = avanço por dente

R Rt

fz Avanço por dente

FIGURA 9.8 Perfil teórico de uma superfície usinada por fresamento tangencial.

Para uma operação de fresamento frontal, as equações são as seguintes: ⎛ f ⎞ rε − rε2 − ⎜ z ⎟ ⎝ 2⎠ Ra = 2 Rt =

fz tan C + cot D

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(9.8) (9.9)

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Condições Econômicas de Corte

A velocidade de corte tem grande influência sobre o desgaste e, consequentemente, sobre a vida da ferramenta de usinagem. Influência essa mais significativa que o avanço e a profundidade de usinagem, uma vez que atua fortemente sobre a economia do processo como um todo. Isso indica que, de maneira geral, para a otimização da produtividade em um processo de usinagem, deve-se, a princípio, aumentar a profundidade de usinagem, em seguida, aumentar o avanço e, por último, elevar a velocidade de corte, mas sempre observando-se a limitação de potência da máquina e a resistência mecânica da peça e das ferramentas. Como o avanço está relacionado ao acabamento superficial, seu aumento também será limitado por esse fator. Quando se aumenta a velocidade de corte, o tempo de usinagem diminui, mas o desgaste da aresta se acelera significativamente, por isso, esta deve ser substituída com mais frequência. Para a usinagem seriada de grandes lotes de peças em altas velocidades de corte, o somatório dos tempos de troca de aresta pode ser muito alto. Pode-se ter uma situação, por exemplo, em que o tempo de cada troca de aresta equivale ao tempo de corte de várias peças. Portanto, altas velocidades de corte induzem a frequentes trocas de aresta, contribuindo assim para aumentar o tempo de fabricação de um lote. Porém, se a velocidade de corte utilizada for significativamente baixa, o desgaste será pequeno e pode não haver necessidade de troca frequente de aresta. Nesse caso, mais uma vez, o tempo de usinagem do lote também tende a ser alto, pois o tempo efetivo de usinagem é alto. Dessa forma, tudo leva a crer que há uma velocidade de corte “ideal” intermediária às velocidades anteriores na qual o tempo de fabricação do lote é mínimo, uma vez que a função tempo de corte como função da velocidade de corte [tc = f(v)] parece aumentar quando v aumenta ou diminui. A situação descrita anteriormente foi observada durante os primeiros estudos econômicos sobre usinagem realizados por Frederick W. Taylor, nos Estados Unidos e por G. Schlesinger, na Alemanha, no início do século XX (FERRARESI,

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

320

Esferas retificadas em desbaste

(a)

Rebolo

Esferas retificadas após acabamento

Guias para as esferas Baixa rotação

(b)

Oscilação

Sapata de brunimento

Mandril Sapata de brunimento Ferramenta de brunimento Peça

Forma dos sulcos

Superfície brunida (c)

(d) Rebolo Fresa de topo

Engrenagem

FIGURA 11.2 Exemplos de operações de usinagem por abrasão: a) lapidação de esferas de rolamento; b) brunimento; c) retificação de engrenagens; d) afiação de ferramentas de corte.

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Usinagem por Abrasão

Diferentemente das operações executadas com ferramentas de geometria definida, na usinagem por abrasão, o material da peça é removido por meio da ação de grãos abrasivos, os quais são partículas não metálicas, extremamente duras, com arestas que apresentam forma e orientação irregular. Exemplos típicos de operações abrasivas são: o lixamento, a retificação, a lapidação e o brunimento, entre outros. Embora haja registros do uso da remoção de material por abrasão no antigo Egito (2000 a.C.) e no Antigo Testamento (Samuel 13:20), a utilização de máquinas retificadoras industriais começou na década de 1860, inicialmente com a produção de peças para máquinas de costura, seguida de componentes para bicicletas (MALKIN, 1989). A retificação merece destaque entre os processos abrasivos pela sua importância para a indústria metal-mecânica, visto que tal operação é capaz de assegurar a produção de componentes com tolerâncias dimensionais e geométricas superiores às obtidas em operações que utilizam ferramentas de corte com geometria definida (como torneamento, fresamento, furação etc). Porém, a retificação é considerada uma operação pouco eficiente, pois nela um elevado consumo de energia é revertido em uma baixa taxa de remoção de material, se comparada às citadas operações com ferramentas de geometria definida. A Figura 11.1 apresenta algumas das principais operações de retificação (KALPAKJIAN, 1995). Nela observa-se que as operações podem ser agrupadas de acordo com a superfície usinada (cilíndrica externa, cilíndrica interna ou plana) e com o movimento relativo entre peça e rebolo (de passagem ou de mergulho). Além das operações descritas na Figura 11.1, outras operações de usinagem por abrasão merecem destaque por sua aplicação em importantes segmentos da indústria metal-mecânica. A Figura 11.2 ilustra algumas dessas operações: lapidação de esferas de mancais de rolamentos, brunimento de cilindros, retificação de engrenagens e afiação de ferramentas de corte.

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329

Usinagem por Abrasão

extremamente finos. O abrasivo é depositado em camadas que atingem uma espessura máxima de 6 mm. O núcleo do rebolo pode ser alumínio, bronze, aço etc. Um rebolo pode ser considerado um sistema ternário composto de abrasivos (Vg), ligante (Vb) e poros (Vp) (Equação 11.3). O diagrama da Figura 11.8 (MALKIN, 1989) representa esse sistema, no qual cada vértice do triângulo corresponde a uma concentração de 100% de cada um dos componentes e frações intermediárias são obtidas proporcionalmente a partir da distância do vértice medida no eixo correspondente. As retas paralelas aos eixos (portanto, perpendiculares às arestas) representam composições específicas dos componentes, isto é, o intervalo c representa 75% < Vp < 86%; o intervalo d, 38% < Vg < 68%; e o intervalo e, 54% < Vb <68%. A área escura na Figura 11.8 indica a faixa de composição de rebolos vitrificados factível tanto do ponto de vista prático quanto do ponto de vista tecnológico. Dessa forma, é possível determinar as proporções máximas e mínimas entre os componentes: Vg + Vb + Vp = 100

(11.3) Vp %

2 60 0

3 40

20 40 40 20

60 80 Vg

60 80

0 %

Vb %

FIGURA 11.8 Diagrama ternário de rebolos.

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Aspectos Tecnológicos e Recomendações

Vários são os parâmetros que podem influenciar o desempenho dos processos de usinagem, tendo em vista as variáveis de saída, como as propriedades do material usinado, o material da ferramenta de corte, a geometria da aresta de corte, as condições de corte etc. Como parâmetros de saída e avaliadores do desempenho do processo, podem-se listar o tempo de vida da aresta de corte, o tipo de cavaco, a textura superficial, a taxa de remoção de material, a força ou a potência de usinagem, e a formação da aresta postiça de corte. Conhecendo-se a influência de cada um dos parâmetros de usinagem no desempenho, o engenheiro de processos pode melhor combiná-los de forma a otimizar o desempenho dos processos. Assim, os temas tratados neste capítulo permitem um melhor desempenho de tal tarefa, bem como uma melhor compreensão das recomendações que seguem. Quando se analisam os materiais usinados mais comuns com o objetivo de otimizar os resultados das operações de usinagem, algumas propriedades chamam mais a atenção, como: dureza, resistência à tração, ductilidade, condutividade térmica, capacidade de endurecimento por deformação, além de outras propriedades relacionadas à microestrutura. Normalmente, baixos valores de dureza permitem usinar com maiores valores de parâmetros cinemáticos (velocidade de corte e de avanço) e de profundidade, bem como obter longos tempos de vida e, consequentemente, altas taxas de remoção a menores custos. Também se esperam baixas forças e potência de corte. Exceções são os materiais de baixa dureza e alta ductilidade, nos quais há formação de APC, que causa um acabamento superficial pobre e esses materiais tendem a produzir rebarbas excessivas. Tais rebarbas necessitam de operações posteriores, aumentando assim os custos e o tempo de entrega. Porém, o aumento de dureza, causado por trabalhos a frio, tende a melhorar o quadro, principalmente por melhorar a forma do cavaco – em geral por produzir cavacos curtos. Materiais com baixa ductilidade e dureza são, geralmente, de fácil usinagem, como é o caso do ferro fundido. Os cavacos tendem a ser altamente segmentados e a energia necessária para a sua remoção é baixa.

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351

Aspectos Tecnológicos e Recomendações

Duplex

Martensítico

Austenítico

50%

Ferrítico

Desempenho comparativo

100%

FIGURA 12.1 Desempenho comparativo em usinagem de diversos tipos de aços inoxidáveis (SANDVIK, 1994).

Vc (m/min)

500 400 300 200 100 50 10

0,05

0,1

0,2

0,3 0,4 0,5

1,0

2,0

f (mm/rev)

FIGURA 12.2 Região mais favorável para a usinagem de aços inoxidáveis austeníticos (SANDVIK,1994).

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TEORIA DA USINAGEM DOS MATERIAIS

358

Valores altos de avanço e de profundidade de corte permitem maior remoção por vida de ferramenta. Arestas desgastadas pioram substancialmente a remoção e a qualidade da superfície. Ferramentas de metal duro com microgrãos, sem cobertura, ou com whiskers ou cerâmicas, produzem os melhores resultados. Uso de fluido de corte é, geralmente, benéfico. Evitar vibrações e usar sistemas de fixação com alta rigidez. Ângulos de folga altos são benéficos. Fresamento em corte discordante é recomendado, bem como suficiente espaço para cavacos, geralmente longos, nos cortadores. Corte interrompido é muito prejudicial para a durabilidade da aresta.

A 400 B

Dureza HV

300 C

200

100 E

50%

Encruamento

FIGURA 12.4 Comparação entre a dureza de diversas superligas e alumínio devido ao encruamento. A: Inconel; B: aço inoxidável austenítico; C: Monel; D: aços-carbono; E: alumínio.

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Apêndice A1

VALORES DOS COEFICIENTES DA EQUAÇÃO DE KIENZLE PARA O TORNEAMENTO DOS PRINCIPAIS MATERIAIS METÁLICOS (CATÁLOGO SANDVIK, 2002.8)

Material

Aços Sem liga

Força de corte específica ks0,4 [N/mm2]

Dureza (HB)

C=0,1–0,25% C=0,25–0,55% C=0,55–0,80%

2.000 2.100 2.200

125 150 170

Baixa liga (elementos de liga < 5%)

Não-endurecidos Aços Ffra rolamentos Endurecidos e Temperados Endurecidos e Temperados

2.150 2.300 2.550 2.850

180 210 275 350

Alta liga (elementos de liga >5%)

Recozidos Aços-ferramenta endurecidos

2.500 3.900

200 325

Fundidos

Sem liga Baixa liga (elementos de liga < 5%) Alta liga (elementos de liga >5%)

2.000 2.100 2.650

180 200 225

Aços inoxidáveis – Ferríticos/martensíticos Não-endurecidos PH-endurecidos Endurecidos

2.300 3.550 2.850

200 330 330

Aços inoxidáveis – Austeníticos Não-endurecidos PH-endurecidos Super austeníticos

2.300 3.555 2.950

180 330 200

Aços inoxidáveis – Austeníticos-ferríticos (Duplex) Não soldáveis > 0,05%C Soldáveis <0,05%C

2.550 3.050

230 260

Aços inoxidáveis-Fundidos Não-endurecidos Ferríticos/martensíticos PH-endurecidos Endurecido

2.100 3.150 2.650

200 330 330

Apendice_Teoria_Usinagem.indd 364

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Apêndice A2

VALORES DOS COEFICIENTES DA EQUAÇÃO DE KIENZLE PARA O FRESAMENTO DOS PRINCIPAIS MATERIAIS METÁLICOS (CATÁLOGO SANDVIK 2002.2) Condições: 100

125

Fresa diâmetro 125 mm cetralizada sobre a peça Largura fresada: 100 mm

Material Aços Sem liga

Força de corte específica ks1 [N/mm2]

Dureza (HB)

C=0,10–0,25% C=0,25–0,55% C=0,55–0,80%

1.500 1.600 1.700 1.800 2.000

125 150 170 210 300

0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Baixa liga (elementos de liga < 5%)

Não-temperados Temperados revenidos

1.700 2.000 2.300

175 275 350

0,25 0,25 0,25

Alta liga (elementos de liga >5%)

Recozidos Aços-ferramenta endurecidos

150 2.150 2.900 3.100

200 200 300 380

0,25 0,25 0,25 0,25

Fundidos

Sem liga Baixa liga (elementos de liga < 5%) Alta liga (elementos de liga > 5%)

1.400 1.600 1.950

150 200 200

0,25 0,25 0,25

1.800 2.800 2.300

200 330 330

0,21 0,21 0,21 0,21

2.000 2.800

200 330

0,21 0,21

Aços inoxidáveis Ferríticos/martensíticos Austeníticos

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Não-endurecidos PH-endurecidos Endurecidos Não-endurecidos PH-endurecidos

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