A usinagem é usada como meio de fabricação de peças pela remoção de cavaco, conferindo características geométricas com determinadas tolerâncias aos componentes usinados. O fresamento consiste na aplicação de uma ferramenta de corte rotativa, que remove cavaco pela combinação de rotação, avanço e profundidade de corte. Este processo tem como característica o movimento da peça em relação à ferramenta rotativa, e o eixo de sua rotação é perpendicular em relação ao avanço. A geometria que se espera obter por meio desse tipo de operação é a de uma superfície plana ou dotada de rasgos, rebaixos, entre outros. Por se tratar de um processo que envolve muitos tipos de peças que podem ser criadas, o fresamento é um dos métodos de fabricação mais usados⁽⁴⁾. A remoção de material é feita pelo recalque e cisalhamento, um processo que gera calor. Consequentemente, a temperatura da ferramenta de corte aumenta, de acordo com o calor específico e a condutibilidade térmica dos corpos em contato⁽³⁾. O desgaste pode ocorrer devido a altas temperaturas e ao alto acúmulo de cavaco, carecendo de métodos que promovam o aumento da vida da ferramenta de corte nessa situação⁽⁵⁾.

Tradicionalmente, a remoção de cavaco ocorre também graças à lubrificação/refrigeração, o que permite a redução da temperatura nas regiões próximas à área de corte e prolonga a vida da ferramenta. A aplicação de fluidos de corte tem papel importante na remoção de cavacos na interface de contato, permitindo que uma maior quantidade de fluido atinja a ferramenta e a peça de trabalho⁽²⁾. Apesar de proporcionar benefícios, o uso de fluidos de corte leva ao aumento dos custos de usinagem, e também devido ao seu descarte correto. E no que tange ao desenvolvimento de materiais cada vez mais resistentes e às atuais demandas da indústria, a aplicação tradicional de fluidos de corte tem se mostrado ineficiente, levando assim ao estudo de métodos mais eficientes⁽⁶⁾.

A usinagem com alta velocidade tende a ser realizada em condições a seco, principalmente no fresamento de materiais endurecidos. Um dos motivos é o fato de que para alguns formatos côncavos de peças há dificuldade em retirar o fluido da região de corte, diminuindo a visualização do operador da máquina durante o processo e aumentando os custos⁽¹⁾. Outros estudos sobre fresamento já abordaram a ineficiência da aplicação de fluidos refrigerantes do ponto de vista da vida da ferramenta^{(1, 7)}.

O principal motivo de se aprimorar a usinagem a seco ou com mínima quantidade de fluido é a necessidade de proteger o meio ambiente e reduzir os custos de produção. Entretanto, a falta de lubrificação/refrigeração na usinagem leva à redução da produtividade. Caso se queira eliminar totalmente os fluidos refrigerantes, é necessário que as ferramentas de usinagem contem com revestimentos que melhorem o seu desempenho, ou que apresentem características que permitam a ausência do fluido refrigerante, ou ainda, que possuam microestruturas mais resistentes, como é o caso de ferramentas compostas por diamante, cerâmicas ou CBN (ferramentas galvânicas de nitreto de boro cúbico). O uso de diferentes ferramentas pode contribuir para a melhora do desempenho delas, bem como de processos usados atualmente. Assim, métodos alternativos de refrigeração devem ser pesquisados, além do desenvolvimento de ferramentas que suportem altas taxas de calor e que mantenham o efeito da lubrificação usada atualmente, além de outras características⁽¹⁾. Este trabalho tem como objetivo apresentar a análise do fresamento de aço ABNT 1020 com ferramentas de aço rápido sem revestimento, usadas no fresamento de topo de canais. Foram realizados ensaios com o uso de ar comprimido e com fluido de corte, comparando-os a um processo a seco. Foram usados os seguintes parâmetros: medição da temperatura na peça de trabalho, medição da corrente consumida, observação da remoção de cavacos e verificação do desgaste da ferramenta. Todos os ensaios foram realizados mantendo-se a velocidade de corte e a velocidade de avanço.

Materiais e métodos

Aqui serão abordadas as metodologias e os equipamentos usados nos ensaios, bem como a especificação dos pré-ensaios e a determinação final dos ensaios de usinagem.

Máquina-ferramenta e peça de trabalho

Todos os ensaios de fresamento foram realizados no Laboratório de Processos de Fabricação do Centro Universitário das Faculdades Integradas de Ourinhos (Unifio). A máquina-ferramenta usada foi uma fresadora do tipo universal, modelo VH 1, da Clever (figura 1). Ela possui mesa de trabalho de 800 x 240 mm, com curso longitudinal (eixo X) de 400 mm, curso transversal (eixo Y) de 220 mm e curso vertical (eixo Z) de 330 mm, contando com painel digital para controle do posicionamento.

 

Figura 1 – Fresadora universal Clever VH-1

 

A fresadora foi usada na posição vertical, tendo em vista a aplicação de um sistema de fixação do tipo pinça no sistema de eixo principal por cone ISO-40. O fresamento de topo foi feito com fresas de HSS (High Speed Steel) com 6 mm de diâmetro, da marca Rocast, com quatro cortes e sem revestimento. Por se tratar de uma investigação científica inicial, a escolha do diâmetro e do material da fresa foi feita de acordo com a velocidade de corte e de avanço adotada, assim como devido aos possíveis danos às ferramentas.

O material de trabalho foi o aço ABNT 1020, laminado a frio, adquirido no formato de barra com seção quadrada de 30 x 30 mm e comprimento de 100 mm. A escolha deste material se deve ao fato de os aços de baixo teor de carbono serem usados no fresamento de topo com fresas de HSS para a fabricação de estrias, rasgos de chaveta, entre outros, sendo submetidos posteriormente a tratamentos de endurecimento superficial. A composição química do aço usado é mostrada na tabela 1. Os parâmetros de corte adotados para os ensaios estão na tabela 2, os quais foram escolhidos de acordo com informações técnicas fornecidas pelo fabricante, em conformidade com a norma DIN 844. Assim, foram verificados os parâmetros permissíveis na fresadora, sendo usados conforme a viabilidade da máquina-ferramenta.

 

 

 

Setup, fresamento e aquisição de dados

Durante o fresamento foram inseridos termopares na peça, os quais foram posicionados em furos com 3 mm de diâmetro e 10 mm de profundidade, distantes 6 mm da superfície da peça e 75 mm entre os mesmos. A representação da peça e do posicionamento dos termopares é mostrada na figura 2. Esse posicionamento garantiu que o termopar ficasse a 2 mm da região fresada. Tendo sido realizados furos de 3 mm, e considerando o diâmetro da junta soldada dos termopares de 2 mm, os furos foram preenchidos com pasta térmica, reduzindo a presença de bolsas de ar e aumentando a relação de contato entre termopar e peça. Os termopares foram fixados com auxílio de um gabarito posicionador, permitindo maior facilidade no posicionamento do conjunto em todas as peças avaliadas (figura 3).

 

Figura 2 – Detalhamento das peças de trabalho

 

Figura 3 – Gabarito para fixação dos termopares

Os termopares usados foram do tipo K, compostos por Chromel e Alumel, com faixa de operação de -200 a 1.260 ºC, com erro de ± 2,2 °C. Para a aquisição de dados de temperatura, eles foram ligados a um módulo de aquisição de dados fabricado pela National Instruments, modelo USB 6008, que foi conectado a um notebook. Os dados foram obtidos pelo software de aquisição, sendo os dados transmitidos posteriormente para o software Excel. Além disso, o consumo de corrente elétrica foi avaliado pela aplicação de um alicate amperímetro da marca Calmon. Os dados foram registrados por vídeo e posteriormente inseridos em uma planilha pela observação em pontos de 10 segundos de gravação. Apesar de não ser o método mais preciso para avaliação, este recurso foi aplicado devido à simplicidade de sua implementação. Para esta avaliação foi aplicado o fresamento a seco, com jato de ar comprimido e com fluido de corte. O ar comprimido foi fornecido por um compressor de 10 PCM, com motor com potência de 2 cv e tanque de 100 litros, da marca Atlas Copco, sendo aplicada vazão máxima no bocal. Para o fresamento com fluido de corte, fez-se um óleo solúvel semissintético ME-1, da fabricante Quimatic, em emulsão de 1 para 20. O fluido de corte emulsionado foi bombeado pelo próprio conjunto de lubrificação/refrigeração da fresadora, dotada de um reservatório e uma bomba de recalque com potência de 1/8 cv, com vazão máxima de 12 l/min. O posicionamento do bocal do ar comprimido e do bocal do fluido de corte é mostrado nas figuras 4a e 4b, respectivamente.

As ferramentas de corte foram observadas em um microscópio tipo Lupa, da marca Opton, com ampliação de 20 vezes. As imagens foram capturadas por uma câmera digital juntamente a um software de aquisição de imagens, presentes no Laboratório de Metalografia do Centro Universitário das Faculdades Integradas de Ourinhos (Unifio).

 

Figura 4 – a) bocal de ar comprimido; e b) bocal de fluido de corte

 

Resultados e discussões

Aqui serão abordados os resultados experimentais obtidos, frente à análise de dados e das ferramentas de corte.

Temperatura

As temperaturas médias mensuradas durante o fresamento são mostradas na figura 5. Pode-se observar que a temperatura mais estável nos dois termopares foi obtida no método a seco, enquanto a temperatura mais baixa foi percebida no método com uso de fluido de corte. O valor da temperatura média observado no método com ar comprimido ficou entre os valores referentes aos outros dois métodos. Entretanto, nota-se que o fluido de corte realmente fez seu papel em dissipar o calor na área da usinagem e manter uma temperatura mais baixa durante o processo. Todavia, algumas ferramentas que têm contato com fluido de corte apresentaram danos, significando que, para este caso, a temperatura não é o principal fator relacionado ao desgaste, indicando que o acúmulo de cavaco pode ter sido o fator decisivo na análise.

 

Figura 5 – Temperatura média para as condições avaliadas

No método a seco o acúmulo de cavaco é mostrado na figura 6a. O alto volume de cavaco colaborou para o aquecimento da região, visto que isso prejudicou a troca térmica da interface de corte com o ar ambiente. A figura 6c mostra um cavaco mais claro, indicando que a sua variação de temperatura foi bem menor devido à presença do fluido de corte. Ressalta-se que a vazão do fluido de corte adotada não permitiu uma grande taxa de remoção dos cavacos dentro do canal fresado, o que pode ter levado aos danos observados em algumas ferramentas de corte, como será abordado a seguir. O método com ar comprimido gerou menor acúmulo de cavaco (figura 6b), permitindo que a ferramenta trabalhasse com menor presença de detritos na região de corte.

Figura 6 – Acúmulo de cavaco na peça de trabalho em diferentes condições

Desgaste da ferramenta

A geração de calor durante a usinagem sem fluido reduz a resistência mecânica do volume de material na formação do cavaco, aumentando sua ductilidade de tal forma que a adesão do cavaco na aresta de corte desgastada é facilitada. Segundo Brito (2012), na usinagem sem fluido de corte o desgaste de flanco da ferramenta é exponencial, devido à energia direcionada pelo fresamento. Entretanto, o amolecimento térmico, que é benéfico em algumas condições para a remoção de material, fica limitado à resistência térmica suportada pelo material da ferramenta de corte. Neste caso, ferramentas de aço rápido apresentam resistência até 600° C(2).

As fresas de topo que não foram limpas por jato de ar comprimido ou fluido de corte estavam sujeitas a maiores danos térmicos. Na figura 7 é mostrada uma das três fresas usadas no fresamento a seco. A visível alteração na cor permite inferir que houve danos térmicos significativos nessas condições. Aliada a isso, a presença de cavacos na região do canal fresado culminou com a falha catastrófica da ferramenta de corte. A aplicação do jato de ar comprimido pode remover boa parte dos cavacos na região do canal fresado, e, com isso, permitiu que o ar comprimido atingisse as arestas de corte e a peça, ambas com altas temperaturas. A fresa mostrada na figura 8 demonstra menores danos térmicos se comparada à usada no corte a seco.

 

Figura 7 – Fresa de topo no fresamento a seco

Figura 8 – Fresa de topo usada no fresamento com ar comprimido

 

Para a aplicação do fluido de corte, as ferramentas apresentaram menores danos se comparadas às anteriores (figura 9a). Apesar disso, a aplicação de fluido de corte não se mostrou apta a altos índices de repetibilidade, tendo em vista que em um dos três ensaios, o canal fresado apresentou grande quantidade de cavaco, culminando em alto desgaste térmico e nas arestas de corte (figura 9b). Assim, fica evidente que o correto posicionamento do bocal de aplicação do fluido de corte, juntamente à vazão adequada, é ponto decisivo para a eficácia da usinagem com fluido de corte, visto que nesta avaliação apenas a refrigeração não foi suficiente para melhorar a condição final da fresa.

 

Figura 9 – Fresas aplicadas ao fresamento com fluido de corte

 

Corrente elétrica

Durante o fresamento a seco, as correntes mantiveram-se constantes nos 4,4 A para todas as condições, sendo observado um pico de 4,9 A no momento da quebra da aresta de corte do segundo ensaio. Para a aplicação de jato de ar comprimido durante o fresamento, a corrente consumida esteve entre 3,9 e 4,0 A. Entende-se que essa estabilidade ocorreu pelo fato de a quantidade de cavaco acumulada ser mínima, a temperatura permanecer estável e o desgaste da ferramenta ter sido uniforme. Usando fluido de corte, a corrente consumida apresentou valores médios de 4,2 a 4,3 A, devendo-se considerar um consumo de 0,5 A devido ao sistema de bombeamento. Assim, o fluido fez seu papel de facilitar a remoção de cavaco, diminuir o atrito na área de corte e aumentar a vida da ferramenta. Entretanto, durante o fresamento com a ferramenta mostrada na figura 9b, a corrente obteve picos de 4,4 A devido ao desgaste severo apresentado. Essas variações nas correntes consumidas estão diretamente ligadas às forças de corte, indicando que variações na lubrificação/refrigeração afetam diretamente este parâmetro.

Conclusão

Nos ensaios feitos sem o uso do sistema de refrigeração, o acúmulo de cavaco foi considerado o principal fator por diminuir drasticamente a vida da ferramenta devido aos danos térmicos. A cada passe realizado a temperatura aumentou exponencialmente, diminuindo a eficiência das ferramentas de usinagem. Em relação às ferramentas que não contaram com refrigeração, houve quebra de três delas, podendo ser visualizado com clareza o momento da ruptura com o uso do alicate amperímetro.

Nos testes com refrigeração de ar comprimido foi notável que sua eficiência foi a mais alta em comparação aos outros métodos, pois observando as ferramentas nota-se menor desgaste e menores alterações de cor. Em relação à variação da corrente durante os ensaios com ar comprimido, verifica-se um padrão bem estável, demonstrando que os cavacos não se acumularam no canal e o percurso da ferramenta não foi comprometido. Durante a aplicação de fluido de corte, concluiu-se que mesmo com a aplicação do fluido em abundância na região de corte, conforme os parâmetros usados, as fresas de topo demonstram dificuldade para usinar, pois observando as imagens dos desgastes nota-se mudança de coloração e até quebra da ferramenta. Além disso, com o alicate amperímetro, observou-se o maior consumo energético da máquina fresadora, pois o uso da bomba de fluido aumentou consideravelmente a corrente analisada.

Os desgastes das ferramentas foram fortemente influenciados pela questão da remoção do cavaco na região de corte. O fluido de corte nas condições avaliadas, apesar de gerar menor temperatura na mensuração, não foi capaz de reduzir a temperatura na aresta de corte devido à grande presença de cavaco na região. Somada a isso, a perda de dureza das fresas, característica no desgaste térmico, somada ao menor amolecimento térmico do material de trabalho, culminou em maior desgaste das fresas de topo.

Referências

1] Brandão, L. C. Estudo experimental da condução de calor no fresamento de materiais endurecidos utilizando altas velocidades de corte. 2006. 198f. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006. 

2] Diniz, A. E.; Marcondes, F. C.; Coppini, N. L. Tecnologia da usinagem dos materiais – 8a Edição. São Paulo: Editora Artliber, 2013. 

3] Ferraresi, D. Fundamentos da usinagem dos metais. São Paulo: Editora Blucher, 1970. 

4] Groover, M. P. Introdução aos processos de fabricação. Rio de Janeiro. Grupo GEN, 2014. 

5] Machado, Á. R.; Coelho, R. T.; Abrão, A. M. Teoria da usinagem dos materiais. São Paulo: Editora Blucher, 2015. 

6] Ribeiro, F. S. F.; Lopes, J. C.; Garcia, M. V.; de Moraes, D. L.; da Silva, A. E.; de Angelo S., L. E.; Bianchi, E. C. (2020). New knowledge about grinding using MQL simultaneous to cooled air and MQL combined to wheel cleaning jet technique. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 109(3), 905-917. 

7] Vieira, J. M.; Machado, A. R.; Ezugwu, E. O (2001). Perfomance of cutting fluids during face milling of steels. Journal of Materials Processing Technology. v.116, n.2/3, p. 244-251, Oct.