Influência do sobremetal na circularidade de furos após o alargamento do FoFo vermicular

Este trabalho apresenta os resultados obtidos em testes que visaram à análise da influência do valor do sobremetal no erro de cilindricidade de furos com 25 mm de profundidade, produzidos no ferro fundido vermicular. No caso, a operação de alargamento cilíndrico foi realizada com brocas de diferentes diâmetros.


Alcione dos Reis, Rosemar Batista da Silva, Lucas Gonçalves Silva, Rosenda Valdes Arencibia

Data: 29/05/2017

Edição: FS Abril 2017 - Ano 27 - No 292

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Fig. 1 Montagem do corpo de prova e mandril. Ferramentas para os testes de furação.

A pressão pela melhora da produtividade é cada vez maior, exigindo muitas vezes a redução do tempo de produção e/ou custos, o que não é uma tarefa fácil.
Além das exigências relativas à produtividade, existem ainda os requisitos de aumento da qualidade, para assegurar a funcionalidade e intercambiabilidade das unidades mecânicas, e de aprimoramentos técnicos ou de processos de produção, os quais são necessários para se alcançar este padrão.
Entre eles, a execução de furos é a mais comum, exigindo operações posteriores a fim de melhorar a qualidade superficial, a precisão de forma e também dimensional. Para tanto, uma opção é a operação de alargamento.
Por alargamento, entende-se a operação de usinagem na qual uma ferramenta rotativa com geometria diferente da broca usina um furo préusinado, com o objetivo de melhorar a sua precisão dimensional e produzir desvios geométricos menores.
A quantidade mínima de metal a ser removido é influenciada por vários fatores, a exemplo da composição e da dureza da peça de trabalho.
Por ser uma operação de usinagem, a formação do cavaco é um fator importante para a eficiência da operação. Se for pouco material a ser removido, a ferramenta irá apenas atritar a peça, ao invés de cortá-la, resultando em danos tanto para o alargador como para a superfície usinada.
Para metais considerados de menor dureza, a remoção de 0,20 mm do diâmetro por passe é próximo do mínimo, dependendo do comprimento do furo e da rigidez da máquina. Caso a ferramenta seja de metal duro, essa diferença pode ser reduzida para 0,13 mm.
Para remoções inferiores a 0,13 mm de metal, o brunimento ou outro processo de usinagem é preferível.
Os erros geométricos (de forma) e dimensionais, a presença de rebarbas e a textura superficial normalmente definem a qualidade do processo.
Entre os erros de forma comumente usados como avaliadores da qualidade dos furos usinados, destaca-se o erro de cilindricidade.
Em aplicações mecânicas onde é requerida elevada exatidão, as tolerâncias dimensionais nem sempre são suficientes para garantir os requisitos de funcionalidade das peças.

Fig. 2 - Erros de forma, em função do diâmetro das brocas de metal duro.

Em sua dissertação de mestrado (Investigação de desvios geométricos no alargamento de ferro fundido com ferramentas revestidas), Almeida afirma que o resultado da operação de alargamento depende de vários fatores, como a aplicação manual ou mecânica do alargador, o tipo, a profundidade e a qualidade do furo, o tipo e rigidez da máquina-ferramenta, as fixações da ferramenta e da peça, as propriedades do material do alargador e da peça, as condições de usinagem (velocidade, avanço, profundidade de corte), e os efeitos térmicos.

Procedimento experimental

A máquina-ferramenta utilizada nos ensaios foi um centro de usinagem vertical CNC com potência do motor principal de 9 kW e rotação máxima de 10 mil rpm.
As ferramentas usadas foram brocas de metal duro com duas entradas, sem revestimento, e alargadores cilíndricos de metal duro.
Foi empregado o tipo de furação intermitente, com corte a seco.
Os testes de furação foram realizados na posição vertical, sentido descendente, sem pré-furo e furo de centro. Os furos usinados não foram passantes, proporcionando uma relação do comprimento pelo diâmetro do furo igual a 3 (L/D = 3).
As amostras eram de ferro fundido vermicular.
Para uma melhor fixação e menor batimento na furação e alargamento, as ferramentas forma acopladas à máquina por meio de um mandril hidromecânico.
A tabela 1 reúne os parâmetros de corte utilizados nos testes.
Nos ensaios de usinagem foram utilizadas barras de ferro fundido vermicular na forma de blanques retangulares, com dimensões de 500 x 200 x 50 mm. A sua composição química é apresentada na tabela 2.
A peça foi apoiada diretamente na mesa do centro de usinagem e fixada por um conjunto de mordentes (figura 1). A variável de saída analisada foi o erro de forma (cilindricidade).
Imagens das ferramentas após a usinagem também foram obtidas, visando à análise dos mecanismos de desgaste em questão.
Foram realizados um teste e duas repetições, sempre com ferramentas novas. O critério de parada adotado foi de 25 furos.
As medições dos desvios de cilindricidade foram feitas com o auxílio de uma máquina de medir por coordenadas, com resolução de 0,001 mm e volume de trabalho de 400 x 400 x 300 mm3 (eixos X, Y e Z, respectivamente).
Utilizou-se uma ponta única de esfera de rubi, com 2 mm de diâmetro. O mesmo foi utilizado com ângulo zero, para a medição dos desvios. Em todos os casos admitiu-se o desvio máximo de calibração de 2 μm.
Em algumas calibrações, chegouse a 0,8 μm, o que garante uma maior confiabilidade dos resultados.

Fig. 3 - Erros de forma nos furos após o processo de alargamento, em função do diâmetro deixado pelas brocas com 9,5 e 9,7 mm de diâmetro (sobremetal 0,5 e 0,3 mm, respectivamente)

Para cada furo foram feitas três medições, em um intervalo predeterminado a cada cinco furos. Em seguida, calculou-se a média aritmética.
O monitoramento dos desgastes das brocas e alargadores foi feito com o uso de um estereomicroscópio acoplado a um software de captura de imagens.

Resultados

Erros de Forma – Cilindricidade

A figura 2 apresenta os valores dos erros de cilindricidade em função do diâmetro das brocas empregadas.
Normalmente, espera-se que furos com diâmetro maior apresentem desvios maiores sob as mesmas condições de usinagem. No entanto, não foi o que ocorreu nos testes realizados.
O mesmo foi observado por Santin em Desempenho de brocas de aço rápido com diferentes revestimentos na usinagem a seco e com mínimas quantidades de fluido de corte. Neste trabalho, os melhores resultados de cilindricidade foram atribuídos às brocas de maior diâmetro.
Segundo o autor, elas em geral promovem um maior atrito com a superfície do furo, causando uma maior deformação plástica do material, que é arrastado sobre a superfície gerada, apresentando um aspecto alisado. Isso contribui para um menor erro de forma e, consequentemente, para uma ligeira diferença nos valores de cilindricidade.

A figura 3 apresenta os valores dos erros de cilindricidade medidos nos furos prontos após a operação de alargamento, para os diferentes valores de sobremetal deixados pelas brocas de 9,5 e 9,7 mm.
Na ilustração, é possível observar que os erros de cilindricidade aumentam com o sobremetal.
Segundo Almeida, que também realizou trabalhos de furação e alargamento do ferro fundido vermicular, devido a este material ser um pouco mais dúctil do que o ferro fundido cinzento, o processo de nucleação e propagação de trincas é mais controlado. Adicionalmente, ele não possui lamelas, mas sim vermículos de grafita para direcionar as trincas.
Neste caso, o processo de deformação plástica é relativamente mais dominante do que no ferro fundido cinzento, alterando as regras de controle da qualidade dos furos.
Ao se aumentar o sobremetal, há um aumento da profundidade de corte do alargador, o que implica no aumento dos esforços de corte, gerando vibrações. E isso pode piorar os desvios de forma.
Em Teoria da Usinagem dos Materiais, Machado et al. reportam que um maior valor de sobremetal promove um atrito maior com a parede do furo, aumentando a temperatura, o que resulta em um maior erro de cilindricidade do furo.
A geração de calor na parede do furo é um dos grandes responsáveis pelos erros dimensionais e de forma dos furos.

Desgaste das ferramentas

Os valores de desgaste para as duas arestas da broca com 9,5 mm de diâmetro, ao final do furo de número 25 revelaram um desgaste uniforme.
Já a aresta transversal da broca de 9,5 mm sofreu uma deformação plástica, a qual foi causada pelo atrito com a peça durante a usinagem.
As imagens obtidas nos ensaios não permitiram afirmar se houve diferenças significativas no valor de desgaste das arestas nas condições investigadas. Em geral, as formas de desgaste durante a usinagem foram bem similares para ambas as brocas empregadas (diâmetros de 9,5 e 9,7 mm).

Também foram feitas imagens das arestas de corte dos alargadores empregados após a usinagem do furo 25, em função do sobremetal deixado pelas brocas.
Com o alargador utilizado após o pré-furo com sobremetal igual a 0,5 mm, notou-se que houve um pequeno lascamento da aresta de corte. Nesse caso, o desgaste foi relativamente maior do que o observado naquele que usinou o furo com sobremetal igual a 0,3 mm.
No entanto, ao observar as imagens obtidas da superfície de saída dos mesmos alargadores, observa-se a presença de lascamento no alargador empregado no pré-furo deixado com sobremetal igual a 0,3 mm.

Conclusões

Este trabalho foi dedicado à análise da influência de diferentes valores de sobremetal no erro de cilindricidade, após o alargamento do ferro fundido vermicular com ferramentas de metal duro integral.
As seguintes conclusões foram tiradas: