Baixe ALARGAMENTO CÔNICO DO FERRO FUNDIDO NODULAR e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! ALARGAMENTO CÔNICO DO FERRO FUNDIDO NODULAR GGG 40 Eng. Rosemar Batista da Silva ii ALARGAMENTO CÔNICO DO FERRO FUNDIDO NODULAR GGG 40 Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de concentração: Processos de Fabricação Orientador: Prof. Alexandre Mendes Abrão, PhD. Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 27 de março de 2001 v “Sonhar, acreditar, esforçar, alcançar. E continuar sonhando...” vi Aos meus pais: Antônio Caetano e Rosalina Batista e às minhas irmãs Rejaine, Jeane e Joseane vii AGRADECIMENTOS A Deus, pela Sua fiel bondade, por ter me dado força, e sobretudo por estar sempre ao meu lado e ter me indicado o melhor caminho na conclusão desse trabalho. À minha mãe, em especial, ao meu pai e irmãs Rejaine, Jeane e Josiane pela constante ajuda e ao grande amigo José Wilson pelo constante incentivo. Ao professor Alexandre Mendes Abrão pela orientação, dedicação e ensinamentos transmitidos, e sobretudo pela paciência e bondade dispensadas. A todos os membros do Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem (LEPU-UFU), em especial aos professores Alísson R. Machado e Márcio B. da Silva pelo apoio técnico e acompanhamento nos ensaios, ao técnico Reginaldo F. de Souza e ao doutorando Sandro C. dos Santos pela colaboração. À empresa PROEMA Minas na pessoa do Eng. Fábio Pires Morais pelo apoio técnico e empenho na realização deste trabalho, além da doação das ferramentas de corte. Ao técnico Fabiano Reguete pelas medições efetuadas no Laborátorio de Metrologia. À empresa TEKSID do Brasil Ltda na pessoa do Sr. Antônio Alexandrino Dias, pelo fornecimento do material de trabalho. Aos professores do curso de Pós-graduação pelos conhecimentos transmitidos, e ao Departamento de Engenharia Mecânica e Coordenação do curso de pós graduação pela oportunidade de realização deste trabalho. A todos colegas do curso de Mestrado, em especial a Antônio Maia, Cláudio Henrique, Denis Clei, Ederson Fernandes, Jeferson de Almeida e Onídio Teixeira pela amizade e colaboração. Ao doutorando Alexandre Araújo Bezerra (EESC - USP) pela colaboração e atenção. À empresa JR Júnior (Sr. José Rodrigues Jr.) pela doação do fluido de corte e a BMD Ferramentas Ltda (Sr. Arnaldo Deantoni) pela preparação das ferramentas de alargamento. Bibliografia Consultada 85 HANDBOOK, 1991, “Heat treating”, ASM International – The Materials Information Society, pp. 682-692. HYATT, G., September 1997, “High & Dry – High speed, dry machining can cut cycle times and cost”, Manufacturing Engineering, vol. 119, n. 3, pp. 82-87. INMETRO, Agosto 1998, “Guia para a expressão da incerteza de medição”, 2a. edição brasileira revisada, Rio de Janeiro-RJ, 120 pags. KALISH, H.S., January 1974, “Where solid titanium carbide stands”, American Machinist, vol. 118, n.1, pp. 50-52. KOSENKO, A.J. & AGEEV, L.D., 1973, “Rapid method for evaluating reaming fluids”, Machines and Tooling”, vol. 44, n. 7, pp. 45-46. LIU, T.I. & ANANTHARAMAN, K.S., August 1994, “Intelligent classification and measurement of drill wear” , Transactions of the ASME, vol. 116, pp. 392-397. MORRISON, J., Julho 2000, “Os 50 anos do ferro fundido nodular e do níquel”, Fundição e Serviços, Aranda Editora, Ano 11, n. 91, pp. 42-51. PHILLIPS, D., December 1999, “The daily regrind”, Cutting Tool Engineering”, vol. 51, n. 9, pp. 40-44. REPASS, J.E., February 1971, “How coolants affect drill wear”, American Machinist, vol. 115, n. 4, pp. 84-85. ROTBERG, J.; LENZ, E. & LEVIN, M., 1998, “Drill and clamping interface in high performance drilling”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 14, pp. 229-238. SHAW, M.C., 1986, “Metal cutting principles”, Oxford Science Publications, USA, ISBN 0-19-859002-4, 594 pags. Bibliografia Consultada 86 TURLEY, D.M., 1975, “Cutting behaviour of tungsten carbide taper pin reamers”, Int. J. Mach Tool Des. Res., vol. 15, pp. 69-76. YANG, K. & JEANG, A., 1994, “Statistical surface roughness checking procedure based on a cutting tool wear mode”, Journal of Manufacturing Systems, vol. 13, n. 1, pp. 01-08. ZLATIN, N., December 1969, “Machining of malleable and ductile irons - 1”, American Machinist, vol. 113, n. 25, pp. 97-98. 87 ANEXO A BROCA ESCALONADA 90 91 ANEXO C ALARGADOR CÔNICO DE ACABAMENTO 92 95 ANEXO E VALORES DE DESVIO DE BATIMENTO RADIAL DAS FERRAMENTAS 96 Tabela E.1 - Valores de desvio de batimento radial das ferramentas utilizadas nos ensaios de furação e alargamento Aresta n.º 1 2 3 4 5 6 Ferramentas Batimento (mm) 1 0,030 Broca n.º 2 0,035 1 0 0,010 0,015 0,015 0,010 0,005 2 0 0,005 0,015 0,020 0,020 0,015 3 0 0,005 0,015 0,020 0,015 0,010 Alargador desbaste n.º 4 0 0 0,010 0,020 0,015 0,010 1 0 0 0,035 0,070 0,070 0,035 2 0 0,020 0,075 0,085 0,075 0,030 3 0 0,005 0,040 0,070 0,065 0,020 4 0 0,015 0,020 0,050 0,075 0,045 5 0 0,020 0,060 0,090 0,070 0,025 6 0 0,010 0,060 0,085 0,075 0,030 7 0 0,010 0,030 0,070 0,060 0,025 8 0 0 0,045 0,075 0,075 0,035 9 0 0,020 0,050 0,060 0,045 0,015 10 0 0,030 0,075 0,060 0,055 0,015 11 0 0,010 0,040 0,075 0,055 0,020 12 0 0,015 0,055 0,085 0,075 0,035 13 0 0,030 0,075 0,090 0,070 0,030 Alargador acabamento (teste n.º) 14 0 0 0,040 0,060 0,075 0,045 97 ANEXO F VALORES DE RUGOSIDADE E DESVIO PADRÃO EM FUNÇÃO DO NÚMERO DO FURO PARA A VELOCIDADE DE CORTE E O AVANÇO 100 0,09 0,40 0,170,23 0,08 0,36 0,090,040,370,16 0,25 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Número do furo Ra (µ m ) Figura F.5 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 30 m/min, f = 0,25 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 4º e bf = 0,05 mm 0,24 0,66 0,18 0,29 0,02 0,060,17 0,34 0,01 0,05 0,07 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Número do furo Ra (µ m ) Figura F.6 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 36 m/min, f = 0,20 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 4º e bf = 0,05 mm 101 0,25 0,310,190,09 0,12 0,230,11 0,29 0,260,29 0,20 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Número do furo Ra (µ m ) Figura F.7 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 36 m/min, f = 0,25 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 4º e bf = 0,05 mm 0,11 0,03 0,27 0,12 0,07 0,170,13 0,04 0,25 0,70 0,27 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Número do furo Ra (µ m ) Figura F.8 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 46 m/min, f = 0,25 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 4º e bf = 0,05 mm 102 0,06 0,13 0,24 0,110,15 0,42 0,67 1,04 0,54 0,11 0,44 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Número do furo Ra (µ m ) Figura F.9 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 16 m/min, f = 0,20 mm/rot, ap = 0,3 mm, γ0 = 4º e bf = 0,05 mm 0,06 0,89 0,340,32 0,260,21 0,030,06 0,72 0,25 0,36 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Número do furo Ra (µ m ) Figura F.10 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 16 m/min, f = 0,20 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 7º e bf = 0,05 mm 105 ALARGAMENTO CÔNICO DO FERRO FUNDIDO NODULAR GGG 40 1° Congresso Braslieiro de Fabricação (COBEF’ 2001) – UFPR (trabalho final revisado aceito para publicação) INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES DE CORTE E GEOMETRIA DA FERRAMENTA SOBRE A QUALIDADE GEOMÉTRICA NO ALARGAMENTO CÔNICO DO FERRO FUNDIDO NODULAR - XVII Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (COBEM’ 2001) – UFU (trabalho submetido) ix SUMÁRIO Página CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO................................................................................ 1 1.1 - Objetivo............................................................................................................... 2 CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................... 4 2.1 - Ferro fundido ................................................................................................... 4 2.1 1 - Ferro fundido nodular................................................................................ 9 2.2 - Furação e alargamento de ferro fundido......................................................... 12 2.2.1 - Furação...................................................................................................... 12 2.2.2 - Alargamento.............................................................................................. 19 2.2.2.1 - Terminologia............................................................................... 20 2.2.2.2 - Principais tipos e aplicações de alargadores............................... 21 2.2.3 - Geometria de alargadores.......................................................................... 28 2.2.4 - Materiais para alargadores........................................................................ 30 2.2.5 - Parâmetros de corte................................................................................... 31 2.2.6 - Fluidos de corte......................................................................................... 34 2.3 - Mecanismos de desgaste..................................................................................... 37 2.4 - Qualidade de superfícies usinadas.................................................................... 39 2.4.1 - Desvio de circularidade............................................................................ 41 2.4.2 - Desvio de conicidade............................................................................... 41 2.4.3 - Desvio microgeométrico.......................................................................... 42 2.4.4 - Desvio de batimento................................................................................. 44 CAPÍTULO 3 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL........................................ 46 3.1 - Materiais............................................................................................................. 46 3.1.1 - Peça.......................................................................................................... 46 3.1.2 - Ferramentas.............................................................................................. 48 3.1.3 - Fluido de corte.......................................................................................... 50 3.2 - Equipamentos..................................................................................................... 51 3.3 - Metodologia......................................................................................................... 52 3.3.1 - Preparação dos corpos de prova............................................................... 53 3.3.2 - Testes de alargamento de acabamento..................................................... 54 x 3.3.3 - Medição do desvio microgeométrico....................................................... 55 3.3.4 - Medição dos desvios macrogeométricos.................................................. 56 3.3.5 - Medição por atributos............................................................................... 57 3.3.6 - Avaliação de ferramentas desgastadas..................................................... 57 CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................... 58 4.1 - Primeira etapa.................................................................................................... 60 4.2 - Segunda etapa.................................................................................................... 68 CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES............................................................................... 76 CAPÍTULO 6 - SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS......................... 78 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................... 79 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA........................................................................... 84 ANEXO A - Broca escalonada.................................................................................... 87 ANEXO B - Alargador cônico de desbaste.................................................................. 89 ANEXO C - Alargador cônico de acabamento............................................................ 91 ANEXO D - Propriedades físicas e químicas do fluido de corte................................. 93 ANEXO E - Valores de desvio de batimento radial das ferramentas......................... 95 ANEXO F - Valores de rugosidade e desvio padrão em função do número do furo para velocidade de corte e avanço................................................................................ 97 ANEXO G - Lista de publicações................................................................................ 104 xiii Figura F.9 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 16 m/min, f = 0,20 mm/rot, ap = 0,3 mm, γ0 = 4º e bf = 0,05 mm................................................. 102 Figura F.10 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 16 m/min, f = 0,20 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 7º e bf = 0,05 mm................................................. 102 Figura F.11 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 16 m/min, f = 0,20 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 4º e bf = 0,10 mm................................................. 103 Figura F.12 - Valores de rugosidade e desvio padrão para vc = 16 m/min, f = 0,20 mm/rot, ap = 0,2 mm, γ0 = 7º e bf = 0,10 mm................................................. 103 xiv LISTAS DE TABELAS Página Tabela 2.1 - Classificação dos ferros fundidos nodulares segundo a ABNT PEB 585 10 Tabela 2.2 - Classificação dos ferros fundidos nodulares segundo a DIN 1693 (apud Chiaverini, 1998).......................................................................................................... 11 Tabela 2.3 - Características dos ferros fundidos nodulares segundo a DIN 1693 (apud Weingaertner et al., 1997).................................................................................. 12 Tabela 2.4 - Valores de sobremetal recomendados em função do diâmetro do alargador....................................................................................................................... 27 Tabela 2.5 - Valores de velocidade de corte e avanço recomendados para alargamento do ferro fundido cinzento......................................................................... 33 Tabela 2.6 - Parâmetros de corte para operação de alargamento de desbaste e de acabamento de ferros fundidos com ferramentas de aço rápido e metal duro.............. 34 Tabela 2.7 - Fluidos de corte utilizados no alargamento de vários metais................... 36 Tabela 2.8 - Valores de desvio de batimento admissíveis em função do diâmetro do alargador....................................................................................................................... 45 Tabela 3.1 - Composição química do ferro fundido nodular GGG 40 (% em peso).... 47 Tabela 3.2 - Parâmetros de corte para a operação de alargamento de desbaste........... 54 Tabela 3.3 - Condições de corte e geometria dos alargadores de acabamento............. 55 Tabela 4.1 - Furos reprovados na medição por atributos............................................ 75 Tabela D.1 - Propriedades físicas e químicas do fluido de corte SYNTILO 910........ 94 Tabela E.1 - Valores de desvio de batimento radial das ferramentas utilizadas nos ensaios de furação e alargamento................................................................................. 96 xv LISTAS DE SÍMBOLOS α0 - Ângulo de folga [graus] αf - Ângulo de incidência [graus] σ - Ângulo de ponta [graus] γ0 - Ângulo de saída [graus] δ - Ângulo de hélice [graus] ψ - Ângulo da aresta transversal [graus] Al2O3 - Óxido de alumínio APC - Aresta postiça de corte ap - Profundidade de corte [mm] bf - Largura do guia cilíndrico [mm] Co - Desvio de conicidade [µm] Cr - Desvio de circularidade [µm] CVD - Deposição química de vapor f - Avanço [mm/rot] Fe3C - Carboneto de ferro HB - Dureza Brinell HRC - Dureza Rockwell “C” HV - Dureza Vickers IT - Intervalo de tolerância le - Comprimento de medição unitário [mm] lm - Comprimento de medição total [mm] PCBN - Nitreto cúbico de boro policristalino PCD - Diamante Policristalino PVD - Deposição física de vapor Ra - Rugosidade média aritmética [µm] Rq - Rugosidade média quadrática [µm] Ry - Rugosidade máxima [µm] Rz - Valor médio de rugosidade máxima em cinco pontos [µm] SiC - Carbeto de silício TiNAl - Nitreto de titânio e alumínio Capítulo 1 - Introdução 2 superior ao do ferro fundido cinzento. Também suporta dobramentos, vibrações e carregamentos de impacto. Materiais para fabricação de ferramentas, como o metal duro (WC + Co) por exemplo, garantem elevadas taxas de remoção de material, ao mesmo tempo em que exigem maior rigidez do sistema peça/ferramenta. Para a usinagem do furo por alargamento primeiramente é realizado um pré-furo com uma broca escalonada. Posteriormente é realizada a operação de alargamento de desbaste seguida do alargamento de acabamento. Isto se deve ao fato de que na obtenção de furos cônicos em que a qualidade de acabamento, exatidão e tolerâncias de formas são exigidos, as brocas não são adequadas, sendo necessário o emprego de alargadores. A operação de alargamento de acabamento na produção de furos cônicos em ferros fundidos é capaz de produzir furos com superfícies de melhor qualidade e tolerâncias mais estreitas do que o processo de furação tradicional. Elementos como a rugosidade da superfície usinada, desvios de circularidade e de conicidade, neste caso particular, possibilitam quantificar e avaliar a qualidade dos furos resultantes da variação dos parâmetros de corte e da geometria da ferramenta. 1.1 - OBJETIVO Este trabalho visa investigar e analisar a influência da variação dos parâmetros de corte (velocidade de corte, avanço e profundidade de corte) e da geometria do alargador de acabamento (ângulo de saída e largura do guia cilíndrico) sobre a rugosidade da superfície e sobre os desvios de conicidade e de circularidade de furos produzidos em ferro fundido nodular GGG 40. Pretende-se com isso identificar as condições de trabalho que garantam a melhor qualidade possível dos furos produzidos e, conseqüentemente, reduzir o índice de refugos vigente no chão de fábrica. Para tanto o trabalho encontra-se estruturado da seguinte forma: o capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica que aborda os ferros fundidos, as operações de furação e alargamento desses materiais, incluindo parâmetros de corte e geometria de alargadores, o uso de fluidos de corte, mecanismos de desgaste e qualidade de superfícies usinadas. O capítulo 3 apresenta o procedimento experimental. O capítulo 4 apresenta os resultados e discussão divididos em duas etapas de modo a facilitar a sua análise: na primeira etapa são apresentados os resultados da influência da velocidade de corte e avanço sobre a rugosidade da superfície e Capítulo 1 - Introdução 3 desvios de conicidade e de circularidade; na segunda etapa são apresentados os resultados da influência da profundidade de corte, ângulo de saída e largura do guia cilíndrico sobre a rugosidade da superfície e desvios de conicidade e de circularidade para os parâmetros de corte (velocidade de corte e avanço) que ofereceram valores de rugosidade da superfície mais baixos na primeira etapa. O capítulo 5 apresenta as conclusões retiradas deste trabalho e o capítulo 6, as sugestões para trabalhos futuros. Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 4 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo será apresentada a revisão bibliográfica que abordará os ferros fundidos (mais especificamente o nodular), as operações de furação e alargamento, os mecanismos de desgaste mais comumente observados nestas operações e a qualidade de superfícies usinadas geradas por tais operações. 2.1 - FERRO FUNDIDO Os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importância fundamental para a indústria, não só devido às características inerentes ao próprio material como também pelo fato de, mediante a introdução de elementos de liga e aplicação de tratamentos térmicos adequados, tornar seu emprego viável em certas aplicações que, de outro modo, eram exclusivas dos aços médio teor de carbono. Os ferros fundidos são ligas ferro-carbono com teor de carbono entre 1,8 e 4,5% e que possuem ponto de fusão relativamente baixo (1200ºC), assim, requerem menos combustível e possibilitam fácil moldação, uma vez que o metal fundido preencherá os vazios dos moldes com certa facilidade. Além disso, apresentam menor custo e permitem que uma posterior operação de usinagem seja a mínima possível, quando comparado com os aços [Van Vlack, 1984]. Os constituintes normais presentes nos ferros fundidos são a grafita (ou carbono na forma livre), ferrita, cementita, perlita e austenita [Paulino, 1999]: • Ferrita: é o ferro no estado alotrópico alfa, ou seja é uma solução sólida de carbono no ferro α, de estrutura cúbica de face centrada. Possui baixa dureza e baixa resistência à tração (28 MPa) e assim é considerada uma fase muito macia, com baixa capacidade de dissolução de carbono, mas apresenta apreciável resistência ao choque e elevado alongamento. A 723ºC a concentração de carbono na ferrita atinge seu valor máximo, igual a 0,02% em peso. Além disso, a ferrita só é estável a temperaturas inferiores a 910ºC; • Cementita: é o carboneto de ferro (Fe3C), de estrutura cristalina ortorrômbica, muito dura, frágil e com limite de resistência superior a 200 MPa; Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 7 carbono quase inteiramente na forma combinada (Fe3C), devido às condições de fabricação e menor teor de silício; • Ferro fundido mesclado: cuja fratura mostra uma coloração mista entre branca e escura, caracterizado igualmente por uma mescla de proporções variáveis de ferro fundido branco e ferro fundido cinzento; • Ferro fundido maleável: caracterizado por ser obtido a partir do ferro fundido branco, mediante um tratamento térmico especial chamado de maleabilização, resultando numa transformação de praticamente todo o ferro combinado em grafita na forma de nódulos (em vez de veios ou lamelas). O processo de maleabilização consiste no aquecimento prolongado, em condições previamente estabelecidas de temperatura, tempo e meio, de modo a provocar transformação de parte ou da totalidade do carbono combinado em grafita ou, em certos casos, eliminar completamente uma parte do carbono; • Ferro fundido nodular: caracterizado por apresentar carbono livre na forma de grafita esferoidal, devido a um tratamento térmico realizado ainda no estado líquido, o que lhe confere característica de boa ductilidade (daí a denominação de ferro fundido dúctil também); • Ferro fundido de grafita compactada: caracterizado pelo fato da grafita apresentar-se em forma de escamas (plaquetas ou estrias). Outras denominações são: escama agregada, semi- ondular e vermicular. É um produto que, como o ferro fundido nodular, exige adição de elementos especiais como terras raras, com um elemento adicional (como o titânio, por exemplo) que reduz a formação de grafita esferoidal. O ferro fundido de grafita compactada pode ser considerado um material com algumas propriedades intermediárias entre o ferro fundido cinzento e o ferro nodular. Possui a fundibilidade do ferro fundido cinzento com superior resistência mecânica e baixa ductilidade [Chiaverini, 1988]. A Figura 2.1 apresenta a microestrutura de alguns dos principais tipos de ferros fundidos. Pode-se afirmar que o tipo de material ligante utilizado determina a aplicabilidade dos ferros fundidos. Os materiais ligantes podem ser divididos em dois grupos [de Benedictis, 1997]: • Formadores de carbonetos: cromo, cobalto, manganês, molibdênio e vanádio; • Grafitizantes: silício, níquel, alumínio, cobre e titânio. Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 8 Figura 2.1 - Microestrutura dos principais tipos de ferros fundidos (Callester Jr, 2000): a) ferro fundido cinzento (x 500); b) ferro fundido nodular (x 200); c) ferro fundido branco (x 400); d) ferro fundido maleável (x 150); Recentemente, a rigidez e ductilidade do ferro fundido têm sido melhoradas com a adição de silício, magnésio, cromo, molibdênio e cobre. Como resultado, as classes de ferros fundidos com dureza na faixa entre 150 e 300 HB (aproximadamente 176 e 318 HV) são competitivas nas operações de usinagem. Por exemplo, o ferro fundido ferrítico com dureza 150 HB (altamente dúctil e tenaz) apresenta boa usinabilidade, mas está propenso à formação da aresta postiça de corte (APC) quando usinado a baixas velocidades de corte. Por outro lado, os ferros fundidos ferrítico-perlítico com durezas entre 280 HB e 300 HB geram calor excessivo, altas tensões e vibrações, causando o desgaste da ferramenta por abrasão e difusão de forma prematura; Quanto à usinabilidade do ferro fundido, ela está diretamente relacionada com sua estrutura: • A redução do teor de carbono resulta em carbono livre com aspecto grosso ou estrutura grafítica, portanto, numa matriz frágil e assim reduz a usinabilidade do material; • O aumento do teor de silício resulta numa melhor usinabilidade e diminui a tendência de formação da APC; • O aumento do teor de perlita torna a região branca mais dura e resistente, e conseqüentemente exige mais da ferramenta de corte; • Um elevado teor de perlita lamelar fina e perlita com grão finos é particularmente indesejável porque a perlita prende as partículas de carbonetos na matriz. Portanto, a aresta da ferramenta encontra dificuldade de corte das partículas mais duras. a) b) c) d) Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 9 2.1.1 - Ferro fundido nodular A produção industrial do ferro fundido nodular, conhecido também como ferro fundido dúctil, teve início por volta de 1950 [Hasse et al., 2000] e vem crescendo a cada ano de forma que, atualmente, a utilização deste material tornou-se imprescindível para a indústria metal-mecânica, principalmente para o setor automotivo. Em 1993, no Brasil, foram produzidas cerca de 135.000 toneladas de produtos fundidos, das quais 90% eram ferros fundidos, incluindo os nodulares. Em 1995, o ferro fundido nodular correspondeu a 31% de todo ferro fundido beneficiado na Alemanha [Weingaertner et al., 1997]. Este tipo de material, como já visto no item 2.1, é uma liga de Fe-C-Si na qual a grafita encontra-se predominantemente na forma de nódulos esféricos, os quais afetam intensamente e de forma positiva a ductilidade do ferro fundido. Os processos de nodulização desse material consistem na adição, no metal fundido, de determinadas ligas contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio ou bário. A liga mais comum é magnésio/silício/ferro (Mg-Si-Fe), devido ao baixo custo do magnésio em relação aos outros elementos. Ao introduzir-se a liga na panela contendo o ferro fundido líquido ocorre uma violenta reação que causa fervura. O magnésio age como uma espécie de inibidor de curta duração da grafitização de modo que o ferro fundido se solidifica inicialmente com formação de cementita. Quando cessa a ação do magnésio, a cementita começa a decompor-se, originando uma grafita que se desenvolve em todas as direções, adquirindo uma forma próxima da esférica. A estrutura final apresenta-se, pois, como grafita esferoidal numa matriz perlítica, podendo apresentar igualmente ferrita e cementita livres. Um tratamento térmico de recozimento ou normalização decompõe a cementita em ferrita e produz mais grafita esferoidal. Além dessa ação, o recozimento ainda alivia tensões. Já a normalização produz melhores propriedades mecânicas e a têmpera e o revenido são igualmente empregados com o objetivo de melhorar a dureza, a resistência ao desgaste e a resistência mecânica. Outros tipos de tratamentos térmicos também são utilizados para conferir propriedades a outros tipos de ferros fundidos nodulares, como é o caso do ferro fundido nodular austemperado. Neste caso eleva-se a temperatura entre 840 e 930ºC com tempo necessário para formar a austenita e em seguida resfria-se rapidamente para a temperatura entre 220 e 440ºC de forma que se obtenha a estrutura chamada ausferrita, que é uma mistura de ferrita em finas agulhas e austenita. A combinação da alta resistência ao choque e boa ductilidade lhe Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 12 A Tabela 2.3 apresenta algumas características dos ferros fundidos nodulares, incluindo outras propriedades não presentes na Tabela 2.2, segundo a norma DIN 1693 [apud Weingaertner et al., 1997] das classes GGG 40 a GGG 80. Tabela 2.3 - Características dos ferros fundidos nodulares, segundo a norma DIN 1693 [apud Weingaertner et al., 1997] Classe Microestrutura Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento (MPa) Estricção (%) Dureza Brinell GGG 40 40 25 15 135-185 ferrítica GGG 50 50 32 7 170-220 GGG 60 60 38 3 200-285 GGG 70 70 44 2 235-285 GGG 80 80 55 2 270-335 ferrítica e perlítica 2.2 - FURAÇÃO E ALARGAMENTO DE FERRO FUNDIDO Na usinagem de furos alargados, geralmente a operação de alargamento é precedida pela operação de furação, que para este trabalho é conhecida como pré-furação. A pré-furação tem como objetivo abrir o furo, atuando como condição de desbaste, e retirar uma quantidade pré-determinada de material para que o alargador em seguida usine o furo de forma que consiga um melhor acabamento da superfície. Desta forma, a combinação de ferramentas de corte, brocas e alargadores, deve ser adequada na tentativa de se alcançar a melhor qualidade de acabamento e tolerâncias mais estreitas na produção de furos. 2.2.1 - Furação Segundo Gabor [1983], a furação com brocas é uma operação de desbaste e, basicamente, as ferramentas são classificadas em três tipos: chata, canhão e helicoidal. A broca helicoidal, também conhecida como broca rotativa, é a mais conhecida e definida como ferramenta que inicia e termina um furo através da facilidade com que suas guias helicoidais guiam-se dentro dos furos com boa formação e transporte de cavacos, e por isso compreende Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 13 a maioria das aplicações na produção das mais diversas formas de furos. Este tipo de broca é produzido numa ampla variedade e em diferentes dimensões, diferindo-se basicamente pelo tipo de haste, canal, geometria da ponta e material. Em certos casos, para um mesmo tipo de furo, podem ser utilizados vários tipos de brocas. Quanto ao tipo de haste, as brocas helicoidais podem apresentar a haste cilíndrica ou cônica. As brocas com haste cilíndrica são produzidas em três séries, baseadas na faixa de comprimento da haste: curta, média e longa. As brocas com haste cônica, que são as mais utilizadas também para as aplicações gerais em todos os tipos de máquinas, são produzidas com diâmetros, comprimentos, canais e tamanhos de haste distintos e por isso apresentam as seguintes vantagens em relação às brocas com haste cilíndrica: elevada rigidez da ferramenta, menores desvios de concentricidade e transmissão sem deslize. Para furos rasos, entretanto, brocas com haste cilíndrica são mais recomendadas devido ao custo inferior em relação às brocas com haste cônica. Uma desvantagem da broca com haste cilíndrica em relação à cônica, particularmente na furação de furos profundos, é que ocasionalmente ela se desprende do mandril ao retornar, principalmente em operações nas quais o eixo da máquina retrai-se automaticamente em intervalos para a retirada dos cavacos. Projetos de brocas para operações específicas dependem da aplicação desejada. Geralmente, o ângulo de ponta de uma broca helicoidal convencional é de 118º, o qual produz arestas retas. Para ângulos maiores que 118º, as arestas tornam-se côncavas, o que pode provocar o seu enganchamento ou quebra da ponta. Para ângulos menores que 118º, as arestas tornam-se convexas, produzindo vibrações na usinagem [Stemmer, 1995]. Em certos casos, a vida da broca pode ser melhorada pela aplicação de projetos que variam em relação ao padrão do fabricante. O projeto da broca e a rigidez do sistema máquina/ferramenta normalmente merecem maior atenção que a seleção do material da broca. Isto porque na maioria das operações de furação, a melhoria do projeto e a rigidez oferecem um grande potencial para aumentar a vida da broca e reduzir o custo do que modificar o material da mesma. Na sua maioria, as brocas são confeccionadas em aço rápido e em metal duro: • Aço rápido: o seu desenvolvimento se deu na virada do século XIX e revolucionou a prática da usinagem, representando ganhos de produtividade para as empresas. Com o passar dos anos, suas propriedades foram melhoradas através de combinações corretas dos elementos de liga e tratamentos térmicos adequados, garantindo assim certa competitividade com outros materiais de ferramentas. Encontra-se no mercado um variado grupo de aços rápidos, desde classes mais comuns à base de molibdênio (como M1, M2 e M10) até classes que apresentam revestimento (com camadas de TiN, TiC, HfN ou Al2O3) através dos processos deposição Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 14 química de vapor (CVD - Chemical Vapor Deposition) e deposição física de vapor (PVD - Physical Vapor Deposition), ou ainda classes de ferramentas em aço rápido sinterizadas, fabricadas pela metalurgia do pó [Machado e da Silva, 1999]. As classes mais comuns oferecem a baixo custo resistência à tração, tenacidade, e dureza a elevadas temperaturas, adequadas para a maioria das aplicações de operação de furação. Um tipo de aço rápido da classe M2, por exemplo, com composição (em peso) de 0,85% C; 4% Cr; 5% Mo; 6,5% W e 2% V apresenta dureza de 850 HV (à temperatura ambiente) e tenacidade de fratura igual a 17 MPa m1/2 [Brookes, 1992]. Para materiais excessivamente duros ou abrasivos, as brocas podem ser confeccionadas de altas ligas de aço rápido como por exemplo M3, M4, M6, M33 ou T15, mas são utilizados para fabricar somente um pequena fração das brocas produzidas; • Metal duro: embora as brocas de aço rápido ainda sejam bastante utilizadas, as brocas de metal duro vêm conquistando boa parcela do mercado das ferramentas de furação. O metal duro representou o segundo grande impulso na área dos materiais para ferramentas de corte. Por volta de 1920 o alemão Schröeter produziu o metal duro em laboratório a partir carboneto de tungstênio (WC) misturado ao cobalto. Na década seguinte foi lançado no mercado o grupo de materiais atualmente mais utilizados na usinagem de peças. Em 1990 o aço rápido representava 50% do mercado mundial de ferramentas contra 45% do metal duro. Em contraste, a estimativa para o ano 2000 foi de 40% para o aço rápido contra 52% do metal duro [Esford, 1999]. As ferramentas de metal duro são classificadas de acordo com a norma ISO R 513 em 3 classes: a classe P (WC + Co com adições de carboneto de titânio e tântalo (TiC e TaC) e às vezes carboneto de nióbio (NbC), geralmente indicada para a usinagem dos aços e materiais que produzem cavacos longos; a classe K (WC + Co puros) geralmente aplicadas à usinagem dos ferros fundidos e ligas não ferrosas que produzem cavacos curtos e a classe M, intermediária entre as duas primeiras, indicada para a usinagem de aços inoxidáveis. Ferramentas revestidas podem ser encontrados com camadas simples de TiC, nitreto de titânio (TiN), óxido de alumínio (Al2O3), nitreto de háfinio (HfN), carboneto de hafínio (HfC) e boreto de titânio (TiB2) ou como camadas duplas de TiC-TiN ou TiC-Al2O3, e até triplas de TiC-Ti(C,N)-TiN ou TiC-Al2O3-TiN, além de outras combinações, mas com espessura sempre inferior a 10 µm. Devido ao processo de fabricação por metalurgia do pó, estas ferramentas apresentam excelentes características de resistência ao desgaste, com um núcleo bastante tenaz, suportando altas velocidades de corte em usinagem de aços liga, ferros fundidos, super-ligas e aços inoxidáveis. Alguns especialistas afirmam que as classes K e P são as mais apropriadas para a furação. A classe K oferece melhor dureza e tenacidade do que a classe P, entretanto, a sua baixa resistência ao calor favorece a formação da aresta postiça Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 17 rápido, porque por este possuir menor rigidez do que o metal duro, sofre maior deformação elástica e leva à formação de trincas na camada de revestimento [Cselle, 1995]. Para a produção de furos, principalmente em ferro fundido, é necessário uma correta seleção das ferramentas de modo que possa otimizar o processo. Apesar de atuar como uma condição de desbaste, a escolha correta da broca é imprescindível. Caso não seja executada uma furação conforme projeto, os resultados refletirão na operação de alargamento, e desta forma a peça ficará prejudicada. Se uma broca produzir furos com boa exatidão, os alargadores de desbaste e de acabamento apresentarão melhor desempenho. O tipo de broca selecionado para uma dada aplicação depende dos seguintes fatores [Metals Handbook, 1989]: • Composição e dureza da peça: para materiais com dureza mais elevada e que oferecem maior resistência, como é o caso de aços tratados termicamente e de aços, por exemplo, há a necessidade de uma broca mais robusta e resistente; • Rigidez do sistema máquina/ferramenta: a necessidade de rigidez do sistema máquina/ferramenta também aumenta com a dureza e resistência do material da peça; • Dimensões dos furos a serem fabricados: o diâmetro, comprimento e razão do comprimento pelo diâmetro dos furos influenciam na escolha da broca uma vez que ferramentas mais curtas, por exemplo, podem ser usadas para operações que exigem máxima rigidez e mínima vibração. Na fabricação de furos não passantes (cegos), onde algumas vezes o comprimento é maior que o diâmetro, pode ser necessário o uso de brocas com canais de lubrificação ou outros tipos especiais; • Tipo de máquina: é importante que a máquina possua potência suficiente para executar os furos e que seja compatível com o projeto da broca atentando-se principalmente para o tipo de mandril, e indiretamente para a haste da broca; • Tolerâncias dos furos: embora a furação seja geralmente uma operação de desbaste, com a exatidão dependendo de operações subseqüentes como o alargamento ou mandrilamento, as tolerâncias influenciam na seleção da broca. As tolerâncias dimensional e de circularidade, são freqüentemente afetadas pela capacidade da broca de remover cavacos; • Número de operações: a utilização de brocas combinadas com outros tipos de operações como a escareação, alargamento, furação de centro, por exemplo, pode influenciar na escolha do tipo de broca e ser determinante para a otimização da operação; • Custo: dependendo da aplicação da broca, deve-se levar em conta seu custo, sendo necessária uma prévia análise no sentido de identificar quantos furos serão executados, e se Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 18 uma ferramenta com custo menor poderá ter desempenho semelhante a outra que tenha o custo mais elevado. As brocas podem ser agrupadas dentro de duas categorias: aplicações gerais e para condições pesadas. De projeto, as brocas para aplicações gerais possuem dois canais convencionais. Devido à sua versatilidade, baixo custo e disponibilidade em ampla faixa de medidas (dimensões) elas são muito utilizadas na furação convencional de ferros fundidos, aço e metais não ferrosos. Elas são adequadas para aplicações onde visa-se elevada produção e podem ser utilizadas sob várias condições. Alterações na geometria (geralmente ângulo de ponta), dureza do material da ferramenta, tipo de canal e forma podem ampliar a faixa de aplicação destas ferramentas. A Figura 2.2 apresenta o esquema de uma broca helicoidal muito utilizada em várias aplicações na operação de furação [Metals Handbok, 1989]. Figura 2.2 - Broca helicoidal convencional com haste cilíndrica Já as brocas para aplicações sob condições pesadas diferenciam-se exclusivamente pela variação do ângulo de ponta, canal e sentido de corte. Alguns dos principais tipos de brocas para aplicações especiais, segundo Metals Handbook [1989], são: broca com ângulo de hélice pequeno, broca com ângulo de hélice elevado, broca de haste cilíndrica com canal de refrigeração, broca para abrir roscas, brocas de núcleo com três canais, brocas com hélice à esquerda, broca com canal reto, broca escalonada, broca com filete de ranhuras e broca canhão. Para este trabalho torna-se importante o estudo das brocas do tipo escalonada, uma vez que essa geometria favorece a operação subseqüente de alargamento cônico. Este tipo de broca pode ter dois ou mais diâmetros, produzidos pela retificação de vários degraus no diâmetro da broca. Estes degraus normalmente apresentam a aresta de corte retangular ou angular. A broca escalonada é muito utilizada em aplicações para furos que tenham mais de Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 19 um diâmetro e para a produção de furos cônicos, onde ela é muito eficiente pois retira o material em forma de degraus deixando o mínimo de sobremetal para ser retirado no alargamento de desbaste. 2.2.2 - Alargamento Para Stemmer [1995], o uso de brocas helicoidais convencionais na operação de furação na condição de desbaste produz tolerâncias de fabricação que variam entre as qualidades ISO IT11 e IT14. E mesmo apesar de trabalhos recentes, como o de Cardoso et al. [2000], que utilizando brocas de metal duro integral revestidas com TiN e TiNAl para usinagem de furos cilíndricos em ferro fundido cinzento obteve tolerâncias com qualidade IT7, a operação de alargamento ainda é muito solicitada. Para produção de furos cônicos, por exemplo, onde a operação de furação seria inviabilizada frente à geometria e algumas limitações das brocas, utilizam-se alargadores de desbaste e de acabamento para se alcançar melhor qualidade de acabamento e menores desvios geométricos e dimensionais. Soratgar [apud Bezerra, 1998] conseguiu através da operação de alargamento melhorar o acabamento da superfície dos furos de diâmetro de 12,7 mm em 43% em relação à furação. A operação de alargamento é definida, segundo a norma DIN 8589 [apud Weinert et al., 1998], como um tipo de furação que utiliza uma ferramenta de alargar para produzir pequenas espessuras de cavacos e criar superfícies internas com alta qualidade dimensional e de forma. Segundo a mesma DIN 8589, os alargadores são divididos em alargadores multicortantes e monocortantes. Os alargadores multicortantes possuem lâminas que estão dispostas num único conjunto e encontram-se simultaneamente em contato com a peça. Normalmente, a vida desses alargadores é determinada pelo aumento da rugosidade acima do limite permissível ou por ter atingido a tolerância mais baixa. A usinagem é subdivida em duas operações: corte nas arestas principais e alisamento nas arestas laterais, sendo que estas últimas influenciam mais fortemente no resultado final. O resultado desta operação depende de vários fatores de extrema importância quando da determinação e da construção da ferramenta: aplicação manual ou mecânica, tipo, profundidade e qualidade do furo (furo não passante (cego) ou passante, espessura da parede da peça a ser usinada, furo interrompido, estado do furo pré-trabalhado etc.), acabamento da superfície, dimensões e tolerâncias do furo, resistência e usinabilidade do material [Gabor, 1982]. Aços com dureza inferior a 300 HV e ferros fundidos são mais freqüentemente usinados, entretanto, metais não ferrosos e Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 22 Ainda dentro da classificação de alargadores mecânicos cilíndricos, incluem-se aqueles com parte cortante fixa e os com parte cortante ajustável. Estes incluem os alargadores expansivos e outros com cortadores encaixados ou aparafusados. Além disso, o sistema de fixação classifica os alargadores mecânicos cilíndricos em: alargadores com haste cilíndrica (cone Morse) e alargadores ocos, que podem ser fixados na máquina através de uma haste de encaixe. Para Metals Handbook [1989], os principais alargadores padrões para máquinas incluem os seguintes tipos: a) Alargadores de canal reto: são disponíveis com haste cônica ou cilíndrica e podem ser fixados em pinças de torno ou buchas bipartidas, ou por parafusos de pressão. São encontrados com diâmetros que variam de 1,2 a 38,0 mm e normalmente são afiados com chanfro de 45°. São alargadores sólidos indicados para usinar quase todos os metais, projetados para uso em variadas máquinas, tais como furadeiras de coluna, tornos revólveres e máquinas de mandrilar. Entretanto, para furos com certas características como rasgos de chaveta ou furos não passantes (cegos), por exemplo, recomenda-se utilizar outros tipos de alargadores. Os que possuem aresta de corte muito curta são utilizados para a usinagem de furos muito curtos (em chapas), e a face de corte deve ser curta para que o alargador encontre a direção necessária dentro do furo o mais rápido possível; b) Alargadores de canal helicoidal: diferem dos alargadores de canal reto apenas nos canais, os quais são fresados em forma de hélice. Podem ser encontrados com hastes cilíndricas ou cônicas, nas mesmas dimensões dos alargadores de canal reto. As arestas de corte helicoidais proporcionam uma entrada suave nas irregularidades e isto minimiza vibrações a rugosidade da superfície e a variação da medida, prolongando desta forma, a vida do alargador. Segundo Gabor [1982], estes alargadores são recomendados para usinagem de furos profundos, geralmente passantes (exceto em casos onde os materiais produzem cavacos curtos) e podem ser utilizados a altas velocidades de corte e elevadas taxas de avanço, já que a remoção de cavacos é 1,5 vez maior do que com alargadores de canais retos. Os alargadores helicoidais podem ser encontrados com hélice à esquerda ou à direita. Stemmer [1995] e Gabor [1982] recomendam os alargadores com hélice à esquerda para o alargamento de furo interrompido por ranhuras longitudinais ou furos transversais, superfícies interrompidas de qualquer modo, como por exemplo, rasgos de chaveta ou canais de lubrificação. Isso se deve ao fato de que o cavaco é empurrado para frente, evitando que a superfície já usinada seja prejudicada. Rossi [1970] recomenda este tipo de alargador para furos com pequenas conicidades, já que ele atua de forma a reduzir o efeito do engripamento da ferramenta no furo. Já os alargadores com hélice à direita são recomendados para usinagem de furos não passantes (cegos), uma vez que Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 23 o cavaco é puxado para cima, no sentido da haste, não entrando desta forma para dentro do furo, evitando arranhões. O alargador com hélice à direita facilita o corte e exige uma força de corte menor que o de hélice à esquerda; c) Alargadores de corte frontal: podem ser com canais retos ou helicoidais e não possuem chanfro na extremidade para usar como guia. Em vez disso, a extremidade possui arestas de corte a ângulos retos ao eixo do alargador, assemelhando-se com as fresas de topo. Estes alargadores são utilizados para acabamento de furos não passantes (cegos) que devem ter pequeno ou nenhum raio na base. Uma aplicação muito importante é a correção de desvios de paralelismo que ocorrem no processo de furação de furos passantes. Um alargador possuindo uma extremidade chanfrada para o guia normalmente seguirá o furo já realizado. Um alargador de corte frontal, quando guiado por uma bucha, pode corrigir o paralelismo na casa de centésimos de milímetros. A principal desvantagem dos alargadores de corte frontal é que eles produzem um acabamento da superfície inferior em relação a outro que tenha chanfro. Eles são utilizados normalmente para condições de desbaste e também na correção de desvios dimensionais; d) Alargadores reguláveis: embora vários tipos diferentes de alargadores sejam considerados como reguláveis, incluindo os alargadores de lâminas flutuantes e os alargadores ocos, o termo alargador regulável ou expansivo é geralmente usado para se referir somente a um número limitado de tipos, dos quais os dois mais comuns tipos são os alargadores de lâminas inseridas e o ajustável com pino de expansão. Os alargadores de lâminas inseridas são fabricados com ou sem regulagem de medida. São porta-ferramentas nos quais os rasgos são fresados para receber lâminas planas. No tipo regulável, lâminas são montadas em ranhuras de profundidade variável presas por porcas ou parafusos de pressão que permitem variar o diâmetro a ser alargado dentro de certa faixa de valores. Os alargadores de lâminas inseridas são encontrados com canais retos ou helicoidais, com diâmetros que variam de 16,0 a 150,0 mm. São recomendados para aplicações nas quais o material da peça de trabalho é influenciado pelas variações de temperatura ou da falta de rigidez das máquinas, os quais dificultam manter a medida do furo. Os alargadores com pino de expansão utilizam um pino com certa conicidade para mover as lâminas e variar a dimensão do alargador. Estes alargadores são encontrados apenas com canais retos e com diâmetros que variam de 11,0 a 63,5 mm. Em muitas operações de produção em larga escala os alargadores de lâminas inseridas e com pino de expansão são mais econômicos que os alargadores sólidos porque as lâminas podem ser reafiadas várias vezes antes da substituição, e desta forma, pequenos ajustes podem prolongar a vida do alargador entre afiações. Para operações de baixa escala de Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 24 produção, maiores ajustes são necessários porque um única ferramenta pode ser ajustada para usinar furos com diâmetros poucos diferentes, reduzindo assim o número de ferramentas. Além desse ajuste de medida, os alargadores de lâminas inseridas possuem outras duas vantagens sobre os alargadores sólidos: materiais das lâminas podem ser substituídos de acordo com a necessidade, usando o mesmo corpo e a maior facilidade de modificação em termos de projeto da ferramenta e reafiação, incluindo detalhes como o ângulo de inclinação, largura dos guias cilíndricos e folga radial em relação a um alargador sólido. e) Alargadores ocos: são utilizados em árvores com hastes cilíndricas ou cônicas, com guias que apresentam ressaltos e que têm também canais retos ou helicoidais. A parte oca é uma parede de espessura fina com as arestas de corte de metal duro. A outra parte, que se acopla à parte oca é chamada de árvore, fabricada em aço endurecido. A expansão é realizada pelo toque com um martelo suave sobre uma bucha de metal macio que é inserido acima da extremidade saliente da árvore. O furo neste tipo de alargador possui certa conicidade para permitir que o alargador seja firmemente centrado na árvore cônica. Eles são geralmente utilizados somente quando a ferramenta permanece estacionária e a peça de trabalho é rotacionada, como num torno, por exemplo. Entretanto, podem ser utilizados em máquinas especiais onde tanto a ferramenta e a peça de trabalho estão em movimento. Como os alargadores ocos são um acoplamento de duas peças montadas sobre árvores, eles apresentam menor rigidez que os alargadores sólidos, contudo, são mais indicados para operações de acabamento que para desbaste. Diferentemente dos alargadores com lâminas inseridas, eles não são recomendados para usinar furos com ajustes de diâmetros pouco diferentes, mas sim para ajustes que compensam o desgaste da ferramenta; f) Alargadores de lâminas flutuantes: possuem arestas de corte intercambiáveis e ajustáveis, cujas lâminas de aço rápido ou de metal duro podem ser ajustadas para usinar furos com diâmetros limitados e também para compensar desgaste da ferramenta através da regulagem do parafuso na montagem da lâmina. Este tipo de alargador favorece a saída dos cavacos e, em casos especiais, pode cortar mais rápido que alargadores sólidos. Outras vantagens dos alargadores de lâminas flutuantes são: as lâminas podem ser substituídas, ou removidas para ajuste, sem remoção do porta ferramenta da máquina; o porta ferramenta não é consumível e pode ser utilizado para muitas lâminas e o custo da ferramenta é normalmente menor comparado aos alargadores sólidos de mesma dimensão. g) Alargadores canhão: possuem haste oca com uma aresta de corte, normalmente de metal duro, afastada da extremidade. Um canal permite que fluido de corte seja bombeado através Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 27 0,50 mm e 0,75 mm) sobre o acabamento da superfície e exatidão do furo, verificaram que, em geral, os melhores resultados foram produzidos pelo menor valor; Tabela 2.4 - Valores de sobremetal recomendados em função do diâmetro do alargador [Hurth Infer, 1998] Diâmetro (mm) Sobremetal (mm) até 10 0,20 10 a 18 0,25 18 a 30 0,30 30 a 50 0,40 50 a 100 0,50 • Tipo de fixação: determina se há ou não necessidade de um alargador guiado. Sistemas de embuchamentos ou guias são utilizados principalmente para corrigir o desalinhamento entre a árvore da máquina e a peça e também quando a relação do comprimento/diâmetro é maior que 1 ou ainda quando necessita-se de elevada exatidão do furo. Neste caso, buchas e pilotos com suportes rígidos são eficientes. Mas se estes não forem capaz de corrigir o desalinhamento, produzindo ainda furos com forma de “boca de sino” e elevada excentricidade, então aconselha-se a utilização de um suporte pendular que permita ao alargador um certo deslocamento angular e paralelo; • Produção: para a usinagem de poucas peças que possam ser produzidas com uma única afiação do alargador, o método de afiação mais simples é a escolha lógica. Para a produção em larga escala, alargadores do tipo ajustável devem ser considerados para diminuir o número de afiações e o tempo improdutivo; • Custo inicial e de manutenção: o custo do alargador deve ser considerado sob três pontos de vista: custo inicial, custo de manutenção e valor de revenda. O elevado custo inicial é freqüentemente compensado pelo baixo custo de manutenção. Por exemplo, alargadores com lâminas de metal duro inseridas custam mais que os alargadores sólidos de aço, porém podem usinar um número muito maior de furos por afiação sob condição de acabamento; • Valor de revenda: é comum se reafiar um alargador para dimensões que eliminem ajustes da ferramenta no decorrer da produção, ou retrabalhar um alargador já gasto para uma dimensão menor ao invés de vendê-lo como sucata. A economia do retrabalho depende Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 28 principalmente se há ou não equipamento disponível (a obtenção de tal equipamento depende da quantidade de ferramentas a serem retrabalhadas). Alargadores desgastados podem, em alguns casos, ser vendidos às ferramentarias onde eles serão retrabalhados para revenda. Se isto é feito, obviamente o retorno será muito maior do que a venda dos mesmos como sucata. O limite de redução do diâmetro do alargador pelo retrabalho é normalmente controlado pela profundidade do canal. Quando o diâmetro é muito pequeno, uma redução adicional exige um aprofundamento das estrias e assim o alargador é geralmente sucateado [Gabor, 1982]. 2.2.3 - Geometria de alargadores As ferramentas de corte são normalmente projetadas para executar operações específicas, logo, a geometria de cada ferramenta é selecionada de acordo com as funções desejadas. Além das características geométricas dos alargadores tais como o tipo de haste, canal, sentido da hélice de um alargador (item 2.2.2.2), é muito importante o estudo dos ângulos de saída e de folga, do guia cilíndrico e do número de lâminas, pois estes interferem principalmente no valores dos desvios geométricos. De um modo geral, prefere-se ângulos de saída (γ0) e de folga (α0) mais elevados, mas isso só pode ser encontrado nos alargadores de aço rápido. Os alargadores de metal duro, cerâmica e outros materiais mais duros possuem pequenos ângulos a fim de garantir maior resistência das arestas de corte, evitando, desta forma a ocorrência de fratura. Segundo Machado e da Silva [1999], para a maioria das ferramentas o ângulo mais influente é o de saída. Uma redução deste ângulo tende a aumentar a área de contato cavaco/ferramenta e impor uma maior restrição ao escorregamento do cavaco sobre a superfície de saída, aumentando a força de usinagem. Recomenda-se utilizar γ0 = 3º na operação de alargamento do ferro fundido nodular, e γ0 = 5º no alargamento do ferro fundido maleável e aços com médio teor de carbono [Pollack, 1988]. Segundo Metals Handbook [1989], γ0 = 3º produz valores de rugosidade (Ra) entre 1,0 e 1,2 µm usinando furos de 13 mm em aço baixa liga com alargadores de aço rápido. Quanto ao ângulo de folga, recomenda-se utilizar α0 = 15º para alargadores com diâmetros menores que 7 mm, e α0 = 7º para alargadores com diâmetro superior a este. O guia cilíndrico tem como função alisar a parede do furo, evitando engripamento da aresta lateral de corte e guiar o alargador durante a operação. Uma perfeita condição do guia minimiza os desvios geométricos de circularidade e cilindricidade, ajudando a garantir um Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 29 bom acabamento. Segundo Gabor [1982], ao se aumentar a largura do guia até certo valor e diminuir o ângulo de folga, dependendo do material a ser usinado menores desvios de circularidade poderão ser obtidos. Por outro lado, Metals Handbook [1989] recomenda a utilização de guias cilíndricos mais estreitos quanto possível a fim de minimizar o atrito entre peça e ferramenta. Para tanto, sabe-se que quanto melhor a qualidade de reafiação do guia, melhor será o acabamento da superfície. Ao utilizar alargador de aço rápido com largura de guia, bf = 0,23 mm na usinagem do ferro fundido cinzento, obteve-se valor de Ra em torno de 1 µm. Βezerra [1998], utilizando alargadores de metal duro, verificou que o menor valor de guia (bf = 0,2 mm) produziu os menores valores de Ra no alargamento de uma liga de alumínio-silício. O número de lâminas ou de arestas, que geralmente varia de 4 a 20, depende do diâmetro e do tipo de alargador. Quanto mais lâminas possuir um alargador, melhor será acabamento da superfície e menores desvios geométricos ele produzirá. Entretanto, se um alargador tem várias lâminas ele não possuirá espaço suficiente para a saída do cavaco. Por outro lado, se um alargador possui poucas lâminas, poderá induzir vibrações, principalmente se for um alargador de canal reto. Weinert et al. [1998] comprovaram em seus estudos que um alargador com uma única lâmina resultou numa maior eficiência em termos de integridade da superfície em relação a outro alargador multicortante. Para Schmalz e Von Poblotzki [apud Weinert et al., 1998] problemas tais como: desalinhamento do eixo da ferramenta, desvio angular da superfície da peça com relação ao eixo da ferramenta, desvios geométricos, erros de unidades de fixação e fuso da máquina e irregularidades nas arestas de corte conduzem ao fato de que as arestas de corte não cortam simultaneamente e nem regularmente. Para se minimizar alguns erros no processo irregular de corte da lâminas, geralmente fabricam-se alargadores multicortantes com distribuição não uniforme das lâminas para reduzir vibrações auto-excitadas. Uma distribuição uniforme das lâminas faz com as mesmas cortem sempre no mesmo lugar usinado anteriormente. Portanto, para que os desvios geométricos sejam minimizados e para que sejam atingidas as tolerâncias especificadas, é necessário que as arestas de corte estejam isentas de fissuras e retificadas à mesma altura da aresta de corte. Furos com má qualidade de acabamento são muitas vezes conseqüência de uma geometria de corte escolhida incorretamente. Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 32 das características dimensionais e quantidade de material a ser removido, e por isso acredita- se que um baixo valor de avanço resulta num bom acabamento da superfície. Geralmente o avanço é um parâmetro mais influente que a velocidade de corte em termos de acabamento. Por exemplo, ao usinar o ferro fundido cinzento com alargadores de metal duro utilizando fluido de corte, Ohgo et al. [1979] verificaram que ao aumentar a velocidade de corte de 8 m/min para 40 m/min a rugosidade da superfície praticamente não foi alterada, mas ao diminuir o avanço de 0,25 mm/rot para 0,065 mm/rot obteve-se um melhor acabamento. Segundo Stemmer [1995], em geral obtém-se um melhor acabamento da superfície com menores taxas de avanço e recomenda-se que, para furos em ferros fundidos com diâmetro até 20 mm sejam utilizadas velocidades de corte (vc) entre 6 m/min e 18 m/min, e avanço (f) entre 0,30 e 0,50 mm/rot. Hurth Infer [1998] recomenda vc = 19 m/min para ferramentas de aço rápido e vc = 27 m/min para o metal duro (ambas com f = 0,15 mm/rot) durante o alargamento de acabamento de ferro fundido nodular. Shunmugam et al. [1990] ao realizarem seus testes com três velocidades de corte (7,9 - 9,8 e 12,06 m/min) e três valores de avanço (0,30 mm/rot - 0,48 mm/rot e 0,62 mm/rot) verificaram que vc = 9,8 m/min e f = 0,48 mm/rot produziram os melhores resultados de acabamento da superfície e menores desvios de circularidade, além de boa exatidão do diâmetro. Bezerra [1998] conseguiu valores de Ra abaixo de 3 µm para vc = 25 m/min e f = 0,1 mm/rot utilizando alargadores de metal duro para a usinagem de uma liga de alumínio- silício. Il’in [1975], ao utilizar metal duro com vc = 78,4 m/min e f = 0,62 mm/rot (considerados valores elevados) observou que as arestas de corte apresentavam lascamento ou até mesmo fratura súbita. Ao reduzir a velocidade de corte pela metade e mantendo o avanço constante, notou o aparecimento de desgaste mais uniforme na superfície de folga da ferramenta, sem a ocorrência de lascamento. Mari et al. [1993] ao analisarem a influência da velocidade de corte na vida de ferramentas de metal duro em operações de corte contínuo e interrompido verificaram que a vida destas ferramentas decresceu levemente se utilizadas baixas velocidades de corte, em virtude do aparecimento da aresta postiça de corte (APC). Ao utilizarem uma velocidade mais elevada, perceberam que a vida da ferramenta decresceu rapidamente por causa de fatores associados à temperatura de usinagem. Para valores intermediários de velocidade de corte a vida da ferramenta foi mais longa. Na Tabela 2.5 Kress [1987] apresenta os parâmetros de corte em função da dureza do ferro fundido cinzento. Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 33 Tabela 2.5 - Valores de velocidade de corte e avanço recomendados para alargamento do ferro fundido cinzento [Kress, 1987] Dureza (HB) vc (m/min) F (mm/rot) ≤ 200 10 a 15 0,3 a 0,8 > 200 5 a 7 0,2 a 0,6 Segundo Machado e da Silva [1999], ao se aumentar a velocidade de corte as forças de corte diminuem, produzindo um melhor acabamento da superfície. Para materiais considerados dúcteis, esta melhoria é rápida até certa velocidade crítica, devido à contínua redução das dimensões da aresta postiça de corte (APC). Sabe-se que os ferros fundidos cinzento e maleável produzem cavacos curtos e estão propensos à formação da APC quando usinados sob baixas velocidade de corte, favorecendo o desenvolvimento do desgaste de flanco na ferramenta através do mecanismo da abrasão. Por isso recomenda-se trabalhar com velocidades de corte mais elevadas e empregar fluido refrigerante de forma abundante. O ferro fundido nodular por sua vez, é mais resistente e tenaz que o cinzento e produz cavacos da classe contínua. Desta forma, pode ocorrer o lascamento das arestas de corte da ferramenta quando usinando a baixa velocidade de corte devido também à formação da APC. Para o ferro fundido nodular, recomenda-se utilizar velocidades de corte mais baixas que para o cinzento [de Benedictis, 1997]. Em meio a todos estes resultados de trabalhos, Machado e da Silva [1999] chamam a atenção para o seguinte dilema: baixas velocidades de corte elevam o custo de usinagem ao passo que altas velocidades de corte reduzem tal custo, porém acarretam problemas de vibração e aceleram o processo de desgaste da ferramenta. Portanto, deve-se procurar utilizar valores de velocidades considerados intermediários, assim como Mari et al. [1993] e Shunmugam et al. [1990]. Na Tabela 2.6 são apresentados os parâmetros de corte utilizados na operação de alargamento de desbaste e de acabamento de furos com 12 mm de diâmetro de várias tipos de ferros fundidos, utilizando ferramentas de aço rápido das classes M1, M2 e M7; e metal duro integral da classe K20 [Metals Handbook, 1989]. Para operações de alargamento onde não se tem prévia experiência sobre qual velocidade de corte e avanço utilizar, o bom senso recomenda que se utilize inicialmente velocidade de corte e avanço moderados, de forma a observar se houve sinais de trepidação da ferramenta ou qualquer outro sinal anormal nas condições de usinagem. Caso não seja Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 34 observado nenhum problema pode-se aumentar um dos dois (ou ambos) parâmetros até que se note presença de vibração. Chegando-se a este ponto, então ele será o referencial, e recomenda-se manter a velocidade de corte e avanço abaixo dos valores pré-determinados para que se obtenha o melhor acabamento da superfície e vida da ferramenta mais longa. Tabela 2.6 - Parâmetros de corte para operação de alargamento de desbaste e de acabamento de ferros fundidos com ferramentas de aço rápido e metal duro [Metals Handbook, 1989] Desbaste Acabamento Tipo de ferro fundido Dureza (HB) Condição Material da ferramenta vc (m/min) f (mm/rot) vc (m/min) f (mm/rot) M1, M2, M7 37 20 0,40 Cinzento ferrítico 120-150 Recozido K20 60 0,30 27 0,25 M1, M2, M7 27 12 Cinzento perlítico 190-220 Estado bruto fusão K20 37 20 Recozido M1, M2, M7 21 14 Nodular ferrítico 140-190 K20 37 18 M1, M2, M7 20 12 0,30 190-225 Estado bruto fusão K20 34 0,25 15 M1, M2, M7 18 11 0,25 Nodular ferrítico / perlítico 225-260 Estado bruto fusão K20 30 0,20 14 0,20 M1, M2, M7 26 17 0,40 Maleável ferrítico 110-160 Maleabilizado K20 43 0,30 24 M1, M2, M7 24 14 160-200 Maleabilizado e com tratamento térmico K20 41 0,25 21 0,30 M1, M2, M7 18 11 0,25 Maleável perlítico 200-240 Maleabilizado e com tratamento térmico K20 30 0,20 18 0,20 2.2.6 - Fluidos de corte A restrição ao uso de fluido na produção metal mecânica tem sido um dos principais objetivos de pesquisas recentes. Segundo Heisel et al., Kalhofer e Klocke et al. [apud Machado e Diniz, 2000], os fatores que justificaram esta tendência incluem os custos Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 37 Quanto maior a velocidade de corte no alargamento, maior a necessidade de um fluido de corte para reduzir a temperatura da peça, para minimizar distorções e prevenir sobremedida no alargamento. Com alargadores de metal duro, emulsões de óleo solúvel e água são os fluidos de corte mais freqüentemente utilizados [Metals Handbook, 1989]. Ao avaliar a eficiência de três tipos de fluidos diferentes (óleo emulsionável, óleo sintético solúvel em ésteres e óleo vegetal emulsionável) com concentração de 5% na usinagem do aço inoxidável austenítico, Zeng [1996] verificou que o óleo vegetal produziu os melhores resultados de Ra, além de exigir forças de corte menores que os demais tipos de óleos. 2.3 - MECANISMOS DE DESGASTE Em geral, as formas de desgaste durante a usinagem, são similares para a maioria das ferramentas de corte. Também nos alargadores, as formas de desgaste se apresentam de forma mais progressiva nas superfícies de folga e de saída da ferramenta, podendo ocorrer também na ponta da ferramenta. A evolução do desgaste depende, principalmente, da relação de dureza e afinidade química entre a peça e a ferramenta, da velocidade de corte e do avanço. A respeito dos alargadores, são identificadas as três formas básicas de desgaste. São elas: desgaste de cratera na superfície de saída, desgaste de flanco na superfície de folga e desgaste de entalhe. • Desgaste de cratera: pode ser observado na superfície de saída da ferramenta. A sua evolução provoca um aumento do ângulo de saída, podendo resultar na diminuição da força de corte. Em contrapartida, quando este desgaste atinge proporções muito grandes pode provocar a quebra da ferramenta; • Desgaste de flanco: desenvolve-se quando a superfície de folga da ferramenta entra em contato com a superfície recém-usinada, provocando um desgaste progressivo da aresta principal de corte. Com isso o ângulo de folga é diminuído, intensificando o atrito entre a ferramenta e peça, aumentando as forças de usinagem. Este tipo de desgaste prejudica o acabamento da superfície e aumenta os desvios dimensionais da peça; • Desgaste de entalhe: mesmo para as operações de torneamento e furação ainda não se chegou a um consenso sobre a sua origem e a forma de desenvolvimento. No entanto, observa-se que ele é característico de operações de usinagem de materiais resistentes a altas temperaturas tais como ligas de níquel, titânio, cobalto e aço inoxidável. Geralmente, nas regiões onde ocorre este tipo de desgaste, as condições de escorregamento prevalecem e o Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 38 mecanismo de desgaste envolve, provavelmente, abrasão e transferência de material da ferramenta para a peça, além da forte influência das interações com atmosfera no corte a seco. A maioria dos trabalhos existentes na literatura referem-se principalmente a dois mecanismos de desgaste observados em operações de alargamento, além da fratura súbita da ferramenta, que conduzem às formas de desgaste descritas anteriormente. São eles: aderência e arrastamento e abrasão. • Aderência e arrastamento: não é dependente da temperatura e ocorre geralmente a baixas velocidades de corte, quando o fluxo de material sobre a superfície de saída da ferramenta é irregular. Pode haver o surgimento da aresta postiça de corte (APC), e se ela for instável o contato com a ferramenta se torna menos contínuo. Desta forma, fragmentos microscópicos da ferramenta são arrancados e arrastados com o cavaco [Trent, 1984]. Nos alargadores estas partículas aderidas danificam as arestas de corte prejudicando o acabamento da superfície. • Abrasão: também não é dependente da temperatura e envolve a perda de material por microcorte, microsulcamento ou microlascamento causados por partículas de dureza superior a da ferramenta. Essas partículas podem ser da própria peça ou da ferramenta (arrancadas por aderência ou arrastamento, por exemplo). Para Mari et al., [1993] o processo de desgaste depende da faixa de velocidade de corte utilizada e o principal fator que varia com esta é a temperatura de usinagem. Como a temperatura da ferramenta aumenta com a velocidade de corte, processos termicamente ativados conduzem à evolução do desgaste. Estes autores verificaram que para temperaturas de usinagem inferiores a 500ºC o desgaste estava relacionado com a característica frágil do metal duro. As formas de desgaste servem como um bom indicativo da necessidade de reafiação ou substituição da ferramenta de corte, visando alcançar o acabamento da superfície e intervalo de tolerância preestabelecido no projeto. Altas taxas de desgaste associadas a condições de vibração, choques térmicos e/ou mecânicos podem culminar na fratura súbita ou falha catastrófica da ferramenta (de Ávila, 1999). Em alguns trabalhos é bem comum a referência à presença de lascamentos das arestas de corte resultantes da utilização de elevadas velocidades de corte. Utilizando valores de velocidade de corte e avanço considerados elevados, Il’in (1975) verificou que as arestas de corte de ferramentas de metal duro apresentavam lascamento ou até mesmo fratura súbita. No entanto, Hann et al. [1997] ao usinar ferro fundido cinzento com brocas de metal duro Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 39 (considerada operação mais severa que o alargamento) empregando velocidades de corte que variaram entre 75 e 140 m/min não notaram a ocorrência de desgaste nas ferrramentas. 2.4 - QUALIDADE DE SUPERFÍCIES USINADAS Os sistemas de fabricação modernos são baseados no conceito de intercambialidade, o qual requer que cada peça ou conjunto de um produto final seja feito de acordo com as especificações definidas quanto às dimensões, forma e acabamento da superfície. Para resolver os problemas de intercambialidade, os conceitos e desenvolvimento dos sistemas de tolerâncias têm um papel fundamental. Não basta que o projetista indique nos desenhos as dimensões limites para que se obtenha peças intercambiáveis. Além disso, é preciso que o chão de fábrica produza peças dentro das tolerâncias indicadas nos desenhos, sendo para isso necessária a seleção correta de máquinas-ferramentas, e sobretudo, dotada de procedimentos de metrologia industrial que permitam controlar as dimensões indicadas. O conceito de tolerância é definido da seguinte maneira: quando se mede as dimensões de diferentes peças cujo funcionamento foi experimentado e considerado adequado, verifica- se que essas dimensões podem oscilar dentro de certos limites, mantendo-se as condições de funcionamento anteriormente previstas. A diferença entre as duas medidas limites admissíveis, ou seja, entre os valores máximo e mínimo, chama-se tolerância. As tolerâncias geométricas são geralmente enquadradas na categoria das tolerâncias específicas e, juntamente com as tolerâncias dimensionais garantem o cumprimento dos requisistos de funcionabilidade e intercambialidade da peça. Quando mal indicadas, tanto as tolerâncias geométricas quanto as tolerâncias dimensionais elevam demasiada e desnecessariamente os custos de produção, principalmente no que se refere ao controle de qualidade. Tolerâncias de 0,025 a 0,075 mm no diâmetro são comuns nas operações de alargamento para produção em larga escala. Tolerâncias menores que 0,025 mm podem ser alcançadas, mas isto requer um controle muito mais exato das dimensões do alargador, da velocidade de corte, do avanço e de todas as outras variáveis da operação de alargamento. Para o alargamento onde são exigidas tolerâncias muito apertadas, recomenda-se reduzir levemente a conicidade do alargador e alinhar a bucha guia com o alargador, de modo que uma folga mínima possa ser obtida [Metals Handbook, 1989]. Os valores das tolerâncias geométricas dependem principalmente da exatidão das tolerâncias dimensionais e/ou do ajuste entre peças acopladas. Os valores das tolerâncias geométricas devem ser, na maioria das Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 42 devendo, entretanto, serem confundidas com esses, sendo indicadas com anotações em separado no desenho. Segundo Metals Handbook [1989], ao usinar furos com 29,95 mm de diâmetro em ferro fundido cinzento com alargadores de metal duro integral, obteve-se desvio de conicidade máximo igual a 5 µm. Durante a furação do aço ABNT 1045 Furness et al. [1996] observaram que o desvio de conicidade aumentou com a velocidade de corte e avanço. Máquinas de medir por coordenadas são consideradas dispositivos de medição tridimensionais aclopados a microcomputadores que fornecem os valores de desvios de circularidade e de conicidade de furos, além de outros tipos de desvios. 2.4.3 - Desvio microgeométrico Quando se refere a requisitos de um ótimo acabamento da superfície, deseja-se que o chamado desvio microgeométrico seja o menor possível. Este desvio microgeométrico é quantificado pela rugosidade da superfície. A rugosidade de uma superfície é definida como a soma de diferenças de forma que se repetem, regular ou irregularmente, cujas distâncias são um múltiplo reduzido de sua profundidade, resultantes da ação da aresta de corte inerente ao processo de usinagem. Essas diferenças de forma (ranhuras ou sulcos) são provenientes de marcas de avanço e ocorrem devido ao contato entre a ferramenta e a peça durante o movimento de avanço, ou posicionamento da ferramenta no processo de usinagem. A altura ou profundidade média das irregularidades é medida em um pequeno comprimento chamado de “cut-off” (comprimento de rugosidade da amostra). Define-se rugosidade média Ra como sendo o valor médio aritmético de todos os desvios do perfil de rugosidade a partir da linha média dentro do comprimento de medição total (lm). Já a rugosidade média Rq é definida como sendo o valor médio quadrático de todos os desvios do perfil de rugosidade a partir da linha média dentro de lm. Ry corresponde ao valor de rugosidade máxima, isto é, a distância vertical entre o pico mais elevado e o vale mais profundo do perfil de rugosidade. Finalmente, a rugosidade média Rz é definida como sendo o valor médio das rugosidades máximas obtidas em cinco comprimentos de medição unitários (le) dentro do perfil de rugosidade (Mahr, 1999). O acabamento da superfície sofre influência de vários fatores inerentes ao processo de usinagem, incluindo: condições de corte, geometria da ferramenta e da peça, rigidez do sistema e material da ferramenta. Para tanto, considerando a necessidade de se obter menores Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 43 valores de rugosidade, e conseqüentemente um melhor acabamento possível da superfície da peça usinada pela operação de alargamento, é importante estabelecer um controle destes fatores. Além da forte influência da velocidade de corte e do avanço, a rugosidade das peças usinadas está ainda relacionada com a condição da ferramenta. Dependendo da magnitude do desgaste de flanco ou a eventual fratura da ferramenta, a rugosidade poderá aumentar consideravelmente. Portanto, a medição da rugosidade pode ser utilizada para monitorar o acabamento da superfície da peça e, indiretamente, a condição da ferramenta [Leão, 2000]. Durante o processo de usinagem, a superfície da peça se deforma a despeito do processo de produção empregado. Produzir peças com superfícies geometricamente ideais é quase impossível, mesmo para blocos padrões que devam possuir o melhor acabamento possível. Naturalmente deve-se realizar o controle do processo de forma efetiva para não se correr o risco de produzir refugos. Experiências mostram que as irregularidades nas superfícies não controladas no processo de usinagem comprometem cerca de 50% da tolerância, principalmente quando a faixa de tolerância é muito estreita (Mahr, 1999). Para diferentes acabamentos conseguidos por diversos processos de usinagem, supondo-se constante a resistência mecânica, a resistência à fadiga será maior quanto melhor for o acabamento da superfície. Outra vantagem de um bom acabamento está relacionada com o coeficiente de transmissão de calor entre duas superfícies metálicas, que é tanto maior quanto menor for a rugosidade, tendo em vista que ocorre o aumento da área de contato. Para que se possa realizar um controle eficaz da rugosidade e garantir elevado índice de confiabilidade dos valores registrados, deve-se atentar para uma correta escolha do sistema de medição, incluindo dispositivos de medição, filtros de rugosidade, “cut-off” e da definição dos parâmetros de rugosidade. Para aplicações mais comuns, o acabamento de superfícies resultantes da operação de alargamento geralmente se encontra entre valores de Ra de 1,6 µm e 3,2 µm, dependendo do material a ser usinado [Agostinho et al., 1977]. Para Ferraresi [1977], em operações de alargamento mais comuns são esperados valores de Ra entre 0,8 µm e 3,2 µm. Entretanto, uma boa combinação da geometria e material da ferramenta e material da peça, além parâmetros de corte ideais podem produzir valores de Ra abaixo de 1 µm. Ao usinar aço inoxidável austenítico com alargadores de aço rápido, Zeng [1996] obteve resultados de Ra bem abaixo de 1 µm. Outro exemplo é o trabalho de Ohgo et al. [1979], que ao usinar ferro fundido cinzento com alargadores de metal duro alcançaram seus melhores resultados obtendo valores de Ra próximos de 1 µm. Metals Handbook [1989] cita valor de Ra = 1,5 µm ao usinar furos Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 44 com 29,95 mm de diâmetro em ferro fundido cinzento com alargadores de metal duro integral. 2.4.4 - Desvio de batimento Na maioria das vezes é difícil separar os desvios de forma dos desvios de posição durante a fabricação e posterior controle das peças dentro do processo produtivo, já que estes se apresentam de forma composta e por isso devem ser previstos e limitados, pois podem interferir nos resultados dimensionais, geométricos e de acabamento da superfície da peça. O desvio de batimento é um desvio composto de forma e de posição de uma superfície de revolução quando medido a partir de um eixo ou superfície de referência. O desvio de batimento pode ser medido tanto na peça quanto na própria ferramenta de corte. No caso de brocas e alargadores verifica-se este desvio através da medida no sentido radial. O batimento radial é o quanto uma ferramenta rotativa está fora dos limites de simetria ou rotação [Hurth Infer, 1998]. Para a verificação do batimento, tanto em brocas como alargadores, é preciso que os mesmos sejam fixos em prismas com batentes, ou no próprio sistema de fixação da máquina, como em um mandril, por exemplo. Com o auxílio de um relógio comparador e base magnética, coloca-se o apalpador sobre a guia e faz-se a leitura. Repete-se a operação várias vezes, girando parcialmente a ferramenta fazendo a medição de todas as arestas de corte (ou guias) até ser alcançado o ponto mais interno de medição. A partir daí, zera-se o relógio e gira-se a ferramenta até alcançar o valor máximo e assim o batimento será igual à metade da leitura. A Tabela 2.8 mostra os valores de batimento admissíveis em função do diâmetro no guia do alargador [Hurth Infer, 1998]. A correta seleção do dispositivo de fixação da ferramenta é de fundamental importância a fim de minimizar o desvio de batimento. São encontrados vários tipos de dispositivos tais como mandril mecânico com pinças e mandril hidráulico. Bezerra [1998], em seus testes de alargamento de uma liga de alumínio-sílicio, utilizando um mandril hidráulico DIN 69871-B ISO 40 CONE MORSE 1 registrou valores de batimento que variaram entre 0,001 e 0,006 mm. Capítulo 3 - Procedimento Experimental 47 C Si Mn Cr Cu Sn S P Ti Mo Fe 3,60 2,56 0,27 0,02 0,17 0,020 0,011 0,048 0,02 0,01 Balanço Utilizou-se uma serra mecânica alternativa para secionar uma amostra do material da barra (dimensões 20 mm x 20 mm) a fim de se realizar a metalografia e determinar a sua dureza. Foram utilizadas lixas com as seguintes granulometrias: 100, 150, 220, 320, 400, 600 e 1200. Em seguida realizou-se o polimento com pasta de alumina de granulometria igual a 1 µm. Na seqüência, a amostra foi atacada com reagente Nital (2%). A microestrutura na seção transversal foi fotografada por uma câmera acoplada a um microscópio óptico Olympus BX 60M, com ampliação de 100 vezes, conforme Figura 3.1. Figura 3.1 - Microestrutura do ferro fundido nodular GGG 40 (x 100) Da Figura 3.1 percebe-se que os glóbulos (ou nódulos) de grafita e aglomerados de glóbulos na cor preta estão distribuídos pela matriz ferrítica ao fundo, na cor branca. Esta é uma característica marcante do ferro fundido nodular. A Figura 3.2 ilustra a foto do montante da suspensão fabricado pela empresa PROEMA Minas, e a seta indica o local em que foi feito a furação e o alargamento. Para determinação da dureza, utilizou-se o durômetro Mitutoyo modelo MVK-H1, com penetrador Vickers (piramidal de base quadrada), com carga de 1,0 kg aplicada durante 40 segundos. Procurou-se regiões de impressões mais uniformes e eqüidistantes a fim de que cada impressão não fosse afetada pela seguinte. Realizou-se 6 medições e obteve-se um valor médio de dureza igual a 285 HV. Capítulo 3 - Procedimento Experimental 48 a) b) Figura 3.2 – Montante da suspensão: a) vista superior b) vista lateral 3.1.2 - Ferramentas A operação de furação precedeu as operações de alargamento de desbaste e de acabamento. Tanto as brocas quanto os alargadores são de metal duro integral da classe K10, e foram fabricados pela empresa GUHRING. A Figura 3.3 apresenta as ferramentas utilizadas nos ensaios. Foram utilizadas brocas sem canais para refrigeração do tipo escalonada com três diâmetros: 10,9; 12,8 e 17,0 mm, com tolerância no diâmetro e haste iguais a h7 e h6, respectivamente (vide Anexo A). As brocas possuem a seguinte geometria: • Ângulo de ponta: σ = 118º • Ângulo de incidência: αf = 15º • Ângulo de hélice: δ = 18° • Ângulo da aresta transversal: ψ = 55º • Diâmetro do núcleo: 1,09 mm Capítulo 3 - Procedimento Experimental 49 Figura 3.3 - Foto das ferramentas utilizadas nos ensaios: a) broca escalonada (esquerda) b) alargador de desbaste (centro) c) alargador de acabamento (direita) Os alargadores de desbaste são do tipo cônico com canal helicoidal, diâmetros menor e maior iguais a 10,4 e 15,0 mm, respectivamente, comprimento igual a 110 mm, e tolerância da haste igual a h6 (vide Anexo B). Apresentam a seguinte geometria: • Ângulo de folga: α0 = 15º • Ângulo de saída: γ0 = 4º • Ângulo de hélice: δ = 7° • Conicidade: 1: 8 ou inclinação de 3º 34’ 34” • Guia cilíndrico: bf = 0,05 mm • Número de lâminas: z = 6 Os alargadores de acabamento são do tipo cônico com canal reto, diâmetros menor e maior iguais a 11,5 e 16,0 mm, respectivamente, comprimento igual a 100 mm e tolerância de haste igual h6 (vide Anexo C). Foram utilizados 14 alargadores de acabamento, dentre os quais 11 apresentam a seguinte geometria: • Ângulo de folga: α0 = 15º • Ângulo de saída: γ0 = 4º Capítulo 3 - Procedimento Experimental 52 Para se verificar o desgaste das ferramentas de corte foi utilizado um microscópio Mitutoyo modelo TM 510 (176-811 A), equipado com micrômetros digitais de resolução milesimal. Para a realização dos ensaios também foram utilizados os seguintes instrumentos: • Goniômetro Mitutoyo com resolução de 5 min para marcar e traçar o ângulo de inclinação (3º 35’) entre o diâmetro menor e o diâmetro maior do furo; • Relógio comparador Digimess com faixa de escala de 0 a 10 mm e resolução igual a 0,01 mm, o qual foi acoplado à mesma base magnética a fim de efetuar medição do batimento radial das ferramentas de corte; • Base magnética Mitutoyo modelo 70 10SN para acoplar o rugosímetro e o relógio comparador; • Calibre tampão cônico: dispositivo para avaliar a qualidade da superfície do furo através da aderência da pasta de ajuste. Ele é confeccionado em aço ABNT 4320 e após passar pelo processo de retificação da superfície apresenta uma rugosidade (Ra) igual a 0,8 µm. Possui diâmetro maior igual a 15,0 mm e conicidade igual a 12,5% (± 0,05%); • Pipeta de plástico graduada com capacidade máxima de 1000 ml, com menor escala de 10 ml, para determinar o volume de fluido de corte a ser adicionado à água; • Querosene e benzina: após o término dos ensaios de alargamento de acabamento estes produtos foram utilizados para lavar e limpar os furos; • Vaselina sólida para proteger e conservar as superfícies dos furos produzidos. • Pasta de ajuste: líquido com película homogênea que tem o objetivo de verificar o acoplamento entre partes em contato através de marcas ou área de contato, acusando pontos a serem ajustados. 3.3 - METODOLOGIA Antes da execução dos testes de alargamento de acabamento foi necessária a preparação dos corpos de prova, isto é, o fresamento, furação escalonada e alargamento de desbaste. Capítulo 3 - Procedimento Experimental 53 3.3.1 - Preparação dos corpos de prova Para o fresamento de topo dos corpos de prova foram utilizados 8 insertos de metal duro Sandivik classe 3020 (K20), código 245 - 12 T3M - KM acoplados à uma fresa de topo de diâmetro igual a 80 mm para retirar as irregularidades decorrente da camada bruta de fundição nas superfícies dos dois corpos de prova e deixá-los com as dimensões finais de 650 mm x 260 mm x 16 mm. Por se tratar de furos passantes, os corpos de prova foram montados sobre 5 tarugos cilíndricos. Estes tarugos foram devidamente distribuídos na mesa da fresadora e fixados por parafusos. Para a furação dos 2 corpos de prova foram utilizadas 2 brocas do tipo escalonada de metal duro integral, obedecendo-se a mesma seqüência de furação em ambos. Foram usinados 411 furos para corpo de prova n.º 1 e outros 250 furos para o corpo de prova n.º 2. Foi mantida uma distância de 60 mm entre a ponta da ferramenta e a pinça para todas as brocas. Para todas as operações foi utilizado um fluido sintético bioestável, com concentração de 4%. Utilizou-se o refratômetro manual para a controlar a concentração do fluido (verificada a cada 100 furos) e a distância do bocal à ponta da ferramenta foi mantida em 14 mm. Para esta operação foram empregados os seguintes parâmetros de corte: vc = 50 m/min e f = 0,15 mm/rot. Na operação de alargamento de desbaste foram utilizados 4 alargadores cônicos de metal duro integral, sem uso de bucha de guia. Ao utilizar cada alargador, manteve-se a distância de 62 mm entre a ponta da ferramenta e a pinça. Utilizando-se a mesma seqüência de usinagem da furação, o alargador de desbaste nº.1 usinou todos os furos do corpo de prova n.º 1. Para o corpo de prova n.º 2 foram utilizados 3 alargadores de desbaste, onde 2 deles usinaram 50 furos cada um e o terceiro usinou 150 furos. A Tabela 3.2 mostra os parâmetros de corte utilizados na operação de alargamento de desbaste. Observa-se que a profundidade de corte (ap) foi variada de modo a permitir a avaliação da influência desse parâmetro sobre a qualidade dos furos produzidos na operação final de alargamento de acabamento. Capítulo 3 - Procedimento Experimental 54 Tabela 3.2 - Parâmetros de corte para a operação de alargamento de desbaste Alargador desbaste n.º Corpo de prova n.º N.º de furos usinados vc (m/min) f (mm/volta) ap (mm) 1 1 411 20 0,30 0,2 2 50 0,1 3 50 0,3 4 2 150 20 0,30 0,2 3.3.2 - Testes de alargamento de acabamento Foram realizados 14 testes utilizando 14 alargadores cônicos de metal duro integral, sem uso de bucha de guia. Cada ferramenta usinou 50 furos seguindo a mesma seqüência do alargamento de desbaste, exceto o alargador do teste n.º 9, que usinou 11 furos somente, devido à limitação das dimensões do corpo de prova. Manteve-se a distância de 66 mm entre a ponta da ferramenta e a pinça para todos os alargadores de acabamento e a distância entre as paredes de furos igual a 3,0 mm. O furo alargado tem comprimento igual a 16 mm, é passante, sem chanfro e possui diâmetros nominais menor e maior iguais a 11,5 e 15 mm, respectivamente. Os testes foram divididos em duas etapas. Na primeira (testes 1 a 9) foram estudados os seguintes parâmetros: • Velocidade de corte (vc); • Avanço (f). Os demais parâmetros foram mantidos constantes. Finalizados os testes, mediu-se os valores de rugosidade (Ra) a cada 5 furos e identificou-se os parâmetros de corte (vc e f) que promoveram o melhor acabamento da superfície dos furos (vc = 16 m/min e f = 0,20 m/rot). Procedeu-se então à execução da segunda etapa (testes 10 a 14), em que os seguintes parâmetros foram estudados: • Profundidade de corte (ap); • Ângulo de saída (γ0); • Guia cilíndrico (bf) Capítulo 3 - Procedimento Experimental 57 3.3.5 - Medição por atributos A medição por atributos consiste em avaliar uma determinado perfil ou configuração do ponto de vista qualitativo. No caso dos furos, foi feita a avaliação da condição da área de contato a cada 5 furos. Inicialmente preparou-se os furos a serem inspecionados, e em seguida limpou o dispositivo de inspeção (calibre tampão). Fez aplicação da pasta de ajuste (em pouca quantidade e de maneira uniforme) em toda a superfície do calibre. Introduziu-se o calibre dentro de cada furo e em seguida girou-se primeiramente 360º no sentido horário e depois, 360º no sentido anti-horário. Retirado o calibre do furo verificou-se a homogeneidade da tinta impregnada na parede do furo. O critério para avaliação da área de contato determina que para a superfície do furo estar em conformidade com o projeto, a tinta deve estar impregnada em pelo menos 60 % da superfície uniformemente distribuída do furo. Após inspeção de cada furo o calibre era novamente limpo e submetido a nova aplicação da pasta de ajuste. 3.3.6 - Avaliação de ferramentas desgastadas As ferramentas utilizadas nos testes de alargamento de acabamento foram submetidas a avaliação da existência de possíveis mecanismos de desgaste, observando-se cada aresta de corte, muito embora fosse esperado um desgaste desprezível após o alargamento de 50 furos. Vale ressaltar que, no chão de fábrica, normalmente os alargadores são substituídos a cada 2.000 furos. Capítulo 4 - Resultados e Discussão 58 CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO De modo análogo à metodologia, os resultados dos testes serão apresentados em duas etapas. A primeira etapa consiste em avaliar a influência dos parâmetros de corte (velocidade de corte e avanço) sobre o desvio microgeométrico (rugosidade) e desvios macrogeométricos (conicidade e circularidade). A segunda etapa consiste em avaliar a influência do sobremetal, ângulo de saída e guia cilíndrico sobre os mesmos desvios, como ilustra a Figura 4.1. Também são apresentados o resultados da medição por atributos, no final deste capítulo. Os testes referentes à variação do sobremetal, ângulo de saída e guia cilíndrico foram executados após a determinação da condição de corte (velocidade de corte e avanço) que produziu os melhores resultados de Ra para os nove primeiros testes, de acordo com a Tabela 3.3. Figura 4.1 - Esquema de apresentação dos resultados Convém ressaltar que foram realizados 14 testes, utilizando-se para isto 14 alargadores de acabamento (vide Tabela 3.3), cada qual usinando 50 furos (exceto o alargador do teste n.º 9 que usinou somente 11 furos em virtude da limitação dimensional do corpo de prova n.º 1). A rugosidade foi medida a cada 5 furos, a partir do primeiro furo. O desvio de PRIMEIRA ETAPA - Velocidade de corte - Avanço SEGUNDA ETAPA - Sobremetal - Ângulo de saída - Guia cilíndrico Desvio microgeométrico: - Rugosidade Desvios macrogeométricos: - Conicidade - Circularidade Capítulo 4 - Resultados e Discussão 59 conicidade foi medido em duas seções (0,6 e 14,5 mm em relação à entrada do furo) dos furos 5 e 20 de cada teste. O desvio circularidade foi medido também em duas seções (8,0 e 14,5 mm em relação à entrada do furo) dos furos 5 e 20. Para este último serão apresentados valores somente das medições efetuadas na seção a 14,5 mm, uma vez que para esta seção os resultados, de modo geral, foram melhores. Além disso, esta seção coincide com uma das seções em que foi medido o desvio de conicidade. A escolha do furo 5 e 20 deve-se ao fato de que estes dois furos, em geral, apresentaram os menores valores de rugosidade e os valores de desvios padrão mais satisfatórios ao longo dos 50 furos usinados nos nove primeiros testes, como mostra a Figura 4.2. Nesta figura as barras hachuradas representam os valores de rugosidade e as barras sem preenchimento representam os valores de desvio padrão (indicados acima das respectivas barras).Verifica-se que os valores de rugosidade aumentam com o número de furos e os menores valores de Ra são obtidos nos furos 1 e 5 com Ra = 0,29 µm e Ra = 0,57 µm, respectivamente. A rugosidade alcança seu valor máximo no furo 35 com Ra = 1,27 µm. O menor valor de desvio padrão foi encontrado no furo 15 (0,02), e o maior no furo 45 (0,23). Os outros resultados para as outras condições de corte se encontram no Anexo F. A Figura 4.3 apresenta os menores valores de rugosidade, em geral abaixo de 1µm, e de desvios padrão mais satisfatórios entre os últimos cinco testes da Tabela 3.3. Nota-se que o menor valor de rugosidade (Ra = 0,64 µm) ocorre no furo 20, e o maior valor (Ra = 0,99 µm) no furo 10. O menor e o maior valor de desvio padrão ocorre nos furos 45 (0,07) e 10 (0,54), respectivamente. Apesar dos valores de desvios padrão elevados, percebe-se que esses valores são relativamente menores que os apresentados na Figura 4.2, e esse comportamento está relacionado com o valor de sobremetal que será analisado posteriormente (Figura 4.12). Os resultados para os outros quatro testes se encontram no Anexo F.