A furação é um dos processos de usinagem mais importantes no segmento metalmecânico, e tem importantes aplicações que vão desde o seu uso doméstico até complexas cirurgias na área médica. Em algumas indústrias, o número de operações de furação e o tempo utilizado nelas pode superar 50% do total dos processos de usinagem, principalmente quando comparado com os totais do torneamento e do fresamento. No setor aeronáutico, o processo de furação é de enorme importância devido à sua utilidade na fabricação de grandes componentes, como asas de aviões que, em alguns casos, podem ter mais de 45 mil furos. Na indústria automotiva, o processo também é muito empregado, por exemplo,

Figura 1 – Corpo de prova obtido na parada súbita do processo de furação com broca helicoidal (a), corpo de prova cortado e embutido em baquelite (b)

 

na fabricação de blocos de motor e outros inúmeros componentes [12,14].

Atualmente, devido à natureza bastante competitiva dos mercados metalmecânicos, o meio produtivo percebeu a importância de fabricar produtos de alta qualidade, baixo custo e em grandes quantidades. Para enfrentar e adaptar-se a este cenário com todas as variáveis que envolvem os processos de usinagem, é cada vez mais importante o emprego de modelos matemáticos que sirvam como ferramenta para a tomada de decisões, que vão desde a seleção de ferramentas e parâmetros de corte, projeto de novas máquinas-ferramenta, predição de forças de corte, entre outros aspectos[6].

A modelagem e a simulação de aspectos relacionados à formação de cavacos durante uma operação de usinagem têm, neste contexto, grande importância. Todavia, diferentemente de outros processos, como os de torneamento e de fresamento, na furação não é possível observar a formação do cavaco, fato que a torna mais difícil de modelar e, portanto, um dos processos tecnologicamente menos compreendidos[11]. Neste sentido, os dispositivos de parada súbita, mesmo não permitindo a observação da formação de cavaco dentro do furo em tempo real, possibilitam obter amostras para a análise da microestrutura dos cavacos e inferir como a broca corta o material. A partir destas informações torna-se possível uma maior compreensão de como as variáveis do processo afetam o desempenho da broca helicoidal durante a furação[2,4,9,10].

Fundamentação téorica

Dispositivos de parada súbita para processos de usinagem

O bom desempenho dos processos de usinagem com ferramentas de geometria definida e sua modelagem dependem do entendimento dos mecanismos de formação do cavaco. Com este objetivo podem ser aplicadas técnicas de interrupção súbita do processo com posterior aplicação de técnicas de metalografia para a verificação do

Figura 2 – Raiz de cavaco na região do centro do furo

grau de deformação do material durante o corte[13]. Os dispositivos de parada súbita, conhecidos pela sigla QSD (do inglês, quick-stop device), são instrumentos de pesquisa desenvolvidos para a coleta de amostras de raízes de cavaco. Estas amostras, obtidas pela interrupção súbita do processo, são cavacos parcialmente formados aderidos aos corpos de prova, tal como apresentado na figura 1^a (pág. 44)[10,13].

O material que está na proximidade da raiz do cavaco é retirado por meio de outros processos de usinagem, como o serramento, o fresamento, ou a eletroerosão. Qualquer que seja o processo utilizado, deve-se considerar a seleção do sobrematerial de usinagem adequado, para que fatores como temperatura e deformações plásticas não modifiquem a microestrutura da raiz do cavaco, uma vez que o objetivo principal é estudar apenas as alterações no material provocadas pelo processo anterior [1,2,3].

Terminada a remoção do material próximo à raiz do cavaco, o corpo de prova é embutido em baquelite, conforme a figura 1b, para que seja realizada a análise metalográfica da microestrutura da raiz do cavaco. Esta análise servirá para estudar a relação da deformação plástica do material na região do centro do furo, com o consumo de energia no processo de usinagem, além das magnitudes das forças de corte, a temperatura gerada no processo, a vida da ferramenta, o grau de encruamento do material e outros aspectos úteis na validação e formulação de modelos preditivos aplicados aos processos de usinagem[1].

Depois de embutido, o corpo de prova deve passar por várias etapas de lixamento, nas quais são utilizadas lixas número 80 até 1.200, além de uma etapa de poli mento com pó abrasivo de alumina com granulometria 0,3 e 0,1 μm. Uma vez terminado o processo de lixamento e polimento, a microestrutura é revelada mediante um ataque químico com uma solução de Nital 2%. O resultado é uma micrografia na qual é possível distinguir as regiões com alto grau de deformação, que podem então ser caracterizadas quantitativamente por medições de microdureza Vickers [3] . A figura 2 apresenta uma micrografi a correspondente à região do centro de um furo feito com uma broca helicoidal, sendo perceptíveis as indentações feitas com uma ponta de diamante piramidal no processo de medição da dureza nas áreas com a microestrutura mais deformada.

Funcionamento do QSD

Segundo Satheesha et al [10], existem dois métodos utilizados na obtenção de cavaco que podem ser divididos entre o que provoca a fratura da própria ferramenta de corte ou de um pino de sacrifício, e o baseado em eliminar o movimento relativo entre a peça e a ferramenta. Geralmente, o primeiro método é utilizado quando os testes experimentais envolvem o uso de peças com grande inércia, que dificilmente podem ser aceleradas instantaneamente, enquanto que o método de reduzir o movimento relativo é o mais aplicado nos casos em que o corpo de prova tem dimensões e peso reduzidos.

Na literatura existem relatos de diversos projetos de QSD que utilizam o método de redução da velocidade relativa para sua aplicação em diferentes processos de usinagem, a maioria deles para o torneamento[4]. Um grande número destes projetos se destaca pela sua complexidade, devido ao número de peças que formam o dispositivo e ao emprego de tecnologia custosa como sistemas hidráulicos, sistemas magnéticos, ou recursos perigosos, como a pólvora, para garantir um acionamento instantâneo. Neste caso, comumente é feito mediante a ruptura de um pino de sacrifício que deve ser substituído toda vez que seja acionado o QSD. A figura 3 (pág. 47) apresenta diferentes métodos de abertura propostos por diversos pesquisadores para a sua aplicação em processos de torneamento e furação[13].

Requerimentos fundamentais do QSD

Para que um QSD funcione satisfatoriamente em qualquer processo, deve-se cumprir os seguintes requerimentos gerais[2,4]:

• O tempo transcorrido desde o acionamento do dispositivo até a parada total do processo deve ser pequeno;

• a distância de separação relativa entre a ferramenta e o corpo de prova deve ser pequena;

• as modificações geométricas e metalúrgicas na raiz do cavaco, induzidos pela ação do dispositivo, devem ser mínimas;

• as vibrações induzidas pelo corte do material e o acionamento do dispositivo devem ser mínimas;

• o dispositivo deve ter boas caraterísticas dinâmicas e estáticas para a fixação da ferramenta ou do corpo de prova;

• a ferramenta não deve ser danificada pelo processo de acionamento e

• o dispositivo deve ser seguro e fácil de usar, além de ser confiável e oferecer boa reprodutibilidade nos resultados.

 

Não é possível projetar um QSD que possa cumprir com todos os requisitos anteriores ao mesmo tempo, o que signifi ca que são necessárias algumas relações de compromisso.

Para o caso específico da furação com brocas helicoidais, já existem alguns aspectos práticos a serem levados em conta no projeto de um QSD para este processo de usinagem. Um deles é usar um sistema de abertura bilateral para evitar um desequilíbrio nas forças que atuam sobre o sistema peça-ferramenta de corte que possa quebrar a broca, principalmente para ferramentas de materiais frágeis, como metal duro. O uso de massas pequenas e bem distribuídas ajuda na diminuição do momento de inércia rotacional, o que favorece uma abertura súbita do dispositivo. Para o corpo de prova é recomendado o uso de geometrias cilíndricas [1] .

Desenvolvimento do dispositivo de parada súbita (QSD)

Optou-se por seguir, de modo geral e com algumas adaptações, o Processo de Desenvolvimento

Figura 3 – Diferentes métodos de abertura[1,4,9]

Integrado de Produtos (Prodip) do Núcleo de Desenvolvimento Integrado de Produtos (Nedip), grupo da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) da área de gerenciamento de projetos. O Prodip consiste na aplicação de um método sistemático, com um sólido embasamento científico, que permite ao projetista definir e incluir os requerimentos do usuário no processo de desenvolvimento de produtos, que neste caso seria o dispositivo de parada súbita QSD. O processo de desenvolvimento consistiu em três macrofases conhecidas como Projeto Informacional, Projeto Conceitual e Projeto Preliminar[8].

Projeto informacional

Entre as diversas atividades referentes às pesquisas sobre furação com brocas helicoidais, um primeiro dispositivo de parada súbita foi desenvolvido no Laboratório de Mecânica de Precisão da UFSC. Este dispositivo, fabricado inteiramente de aço ABNT 1045, foi montado em uma morsa hidráulica fi xada na mesa da máquina-ferramenta escolhida para realizar os testes de furação, uma fresadora CNC Romi Polaris F400.

Conforme aparece na figura 4 (pág. 48), o princípio de funcionamento do dispositivo estava baseado na compressão de duas molas helicoidais (11) e no disparo do gatilho (7) que permite o deslocamento do mordente móvel (5), liberando o corpo de prova (8) e interrompendo assim o processo de furação.

O dispositivo foi testado e validado, permitindo a obtenção de resultados satisfatórios apenas para baixas velocidades de corte,

Figura 4 – Protótipo do QSD desenvolvido

porque para essas velocidades, a abertura do dispositivo acontecia com a rapidez suficiente. Além disso, devido à abertura unilateral do mordente do dispositivo, foram apresentadas rupturas frequentes nos testes com brocas de metal duro. Uma hipótese sobre a fonte desse problema foi o desequilíbrio momentâneo das forças laterais sob a broca, grande o suficiente para provocar a falha catastrófica da ferramenta. Estas quebras tornavam os ensaios custosos e de baixa reprodutibilidade.

Foi verificada também deformação plástica do pino e do gatilho, pois a área de contato entre os componentes reduz paulatinamente no processo de disparo, gerando grandes tensões localizadas que deformam os componentes plasticamente.

Frente a esses problemas, foi elaborada uma compilação de toda a informação referente aos inconvenientes apresentados no QSD anterior, bem como um levantamento das informações relevantes sobre os demais requisitos que um novo dispositivo deveria ter para que este pudesse se adaptar a todas as exigências do laboratório.

Aplicando a metodologia da Casa da Qualidade, os requisitos foram classificados em diferentes categorias baseadas em aspectos cinemáticos, dinâmicos, construtivos, de fixação, de segurança e de operação, e em seguida foram avaliados do ponto de vista da sua importância. No total, foram compilados 20 requisitos diferentes que foram transformados em especificações de engenharia, para que sejam de mais utilidade nas seguintes etapas do processo de desenvolvimento do novo QSD.

Este dispositivo deve ser fabricado com os materiais e a geometria mais convenientes para que a sua vida útil seja ampla (mais de 3 anos); sua dureza seja suficiente para evitardeformações nos componentes sujeitos a maiores solicitações mecânicas; com alta rigidez para diminuir as vibrações e evitar que interfiram na formação do cavaco no processo de furação, ou provoquem a quebra da ferramenta de corte. No entanto, o dispositivo deve ter um baixo peso (15 kg) e pequeno volume (0,05 m3) para que, caso necessário, este possa ser transportado e instalado em qualquer outra máquina-ferramenta. O dispositivo também deve ser simples no seu funcionamento, para que sua operação e manutenção sejam fáceis. Não deve ser necessária muita força para armar o dispositivo (menos de 5 kN) e a velocidade de abertura deve ser alta (tempo de abertura 1 ms).

Projeto conceitual

Foram apresentadas diferentes ideias e opções para projetar um dispositivo que pudesse cumprir com as especificações do projeto definidas na fase anterior. Foi elaborada uma matriz morfológica na qual foram listadas as diferentes propostas de solução para cada uma das funções do QSD. Estas propostas foram também analisadas e escolhidas as que satisfaziam a maioria das especificações do projeto.

A escolha das propostas resultou em um cenário mais claro de como deveria estar constituído o QSD. A tabela 1 apresenta as diferentes caraterísticas que definem a concepção do dispositivo.

A figura 5 (pág. 50) apresenta as partes do projeto conceitual do novo dispositivo. Para melhor entendimento, é apresentada a visão explodida dos componentes para evidenciar a montagem do QSD. Primeiramente, o dispositivo ressalta sua simetria geométrica, consequência do conceito de abertura bilateral. Os dois lados do dispositivo são iguais e opostos.

Para compor o dispositivo,parafusa-se o mordente em V (2), o batente (6) e o pino (7). O gatilho (9) é posicionado dentro do batente de perfil U (11) e este rotaciona em torno do parafuso (8). O dispositivo é armado ao elevar o gatilho (9) impedindo o movimento do pino (7), e, por conseguinte, do mordente como um todo. A morsa é então fechada comprimindo as molas de abertura (3), que agem sobre os batentes (6).

Conforme a figura 6 (pág.51), é possível verificar que, ao disparar o gatilho, aplicando um golpe sobre sua extremidade, este é rotacionado para baixo, permitindo que os mordentes transladem. Visto que estão sendo pressionados pelas molas helicoidais, os mordentes se abrem rapidamente, o que permite que o corpo de prova gire livremente com a broca.

Projeto preliminar

Com o objetivo de implementar no novo QSD os requerimentos estabelecidos na etapa informacional, foi planejado um procedimento que envolve, principalmente, determinar as forças atuantes sobre o dispositivo para calcular o valor necessário para fixar o corpo de prova, realizar a escolha adequada dos materiais dos e das molas de abertura, além de calcular o total necessário para ativá-lo. O procedimento está composto por quatro partes: determinar a força necessária para fixar o corpo de prova durante os testes de furação; analisar as solicitações mecânicas dos componentes do dispositivo; calcular a força necessária para seu acionamento e, por último, calcular seu tempo de abertura.

FORÇA DE APERTO

Para que o corpo de prova permaneça estático na furação,

Figura 5 – Componentes do QSD

a força de atrito entre os mordentes e o corpo de prova deve ser igual à força de avanço, como aparece na equação 1, na qual Fap é a força de aperto, μ é o coeficiente de atrito entre os mordentes e o corpo de prova, e Ff é a força de corte no sentido do avanço.

Segundo Norton[7], assume-se que o coeficiente de atrito μ depende das propriedades mecânicas dos materiais em contato e das tensões de Hertz. Este conceito foi usado para determiná-lo aplicando as fórmulas de engenharia disponíveis na literatura sobre projeto de máquinas. O valor de μ entre o corpo de prova e os mordentes é aproximadamente de 0,59.

Para calcular a força de avanço, foi utilizado o modelo empírico apresentado na equação 2. Desenvolvido por Shawn e Oxford[5], o modelo é função do material do corpo de prova, da velocidade de avanço e do diâmetro da broca.

Inserindo os seguintes valores na equação 2, fica determinado que a força de avanço para a qual deve ser projetado o QSD é 3,6 kN.

A dureza Brinell (HB) dos corpos de prova usados nos testes de furação (AISI 1045) era de 165. A velocidade de avanço (F) era de 0,3 mm e o diâmetro das brocas (d) usadas nos testes de furação, de 10 mm.

Ao inserir o resultado da equação 2 e o coeficiente de atrito na equação 1, a força de aperto resultante é 6,1 kN, conforme aparece na equação 3.

Como a morsa disponível fornece até 14 kN, é possível gerar a força de aperto suficiente para manter

Figura 6 – Estados do dispositivo, armado (a) e aberto (b)

fixo o corpo de prova nos testes de furação.

ANÁLISE DAS SOLICITAÇÕES MECÂNICAS

A partir do cálculo da força de aperto da equação 3, para determinar se o pino e o gatilho reagem sem deformação plástica quando submetidos às forças de aperto, foram analisadas as tensões que atuam nestes componentes do QSD com o método de elementos finitos usando o software Ansys, conforme a figura 7 (pág. 52).

Os resultados da análise de elementos finitos indicaram que, enquanto no gatilho era possível estimar uma tensão máxima de 477 MPa, a estimativa da tensão máxima do pino foi 1.146 Mpa. Estas tensões atuam intensamente nas bordas dos componentes, como visto na figura 7. Devido ao resultado desta análise, foi decidido optar pelo aço AISI 4340 ao invés do aço AISI 1045 para que os componentes tivessem maior dureza e limite de escoamento mais elevado.

CÁLCULO DA FORÇA DE ACIONAMENTO

Para determinar a força de acionamento do dispositivo, primeiro foi analisada a equação 4 que expressa o momento angular de inércia do gatilho.

Quando aplicada uma força de acionamento com um golpe de martelo, atuam dois momentos de torsão, conforme aparece na figura 8 (pág. 53): o momento causado pela força de acionamento Fac o momento de torsão recorrente da força de atrito Fat .

O termo da força de atrito Fat e o termo da velocidade angular do gatilho W são expandidos para transformar a equação 4 na equação 5.

Da equação 5, a força de acionamento Fac pode ser calculada conforme aparece na equação 6.

Onde:

I = 9,82.10-3 kg.m2 Momento de inércia do gatilho. Material: aço AISI 4340.

Figura 7 – Análise das tensões sobre o gatilho e no pino de aço AISI 1045

θ = 8,726.10-2 rad Ângulo de posicionamento do gatilho em relação à horizontal.

Fap = 6,1.103 N Força de aperto entre o pino e o gatilho.

Μ = 0,23 Coeficiente de atrito entre o pino e o gatilho.

dat = 53,8.10-3 m Comprimento do braço de alavanca medido entre o eixo de rotação do gatilho e a força de atrito.

dac = 194,3.10-3 m Distância do eixo de rotação do gatilho até o ponto de aplicação da força de acionamento.

t = 0,005 s Tempo de descida do gatilho.

Da equação 6, a força de acionamento F ac é 740,5 N para um tempo de descida do gatilho de 5 ms.

TEMPO DE ABERTURA DOS MORDENTES

Segundo Norton[7], é possível calcular a deformação entre o corpo de prova e o mordente. Isto permitirá a determinação do tempo de separação durante o disparo. Fazendo os cálculos para um corpo de prova com 20 mm de diâmetro e 15 mm de comprimento, com uma força de aperto de 6 kN e considerando também a rugosidade, é possível estimar as tensões que ocorrem na região, o que possibilita o cálculo do valor máximo de deformação, que na direção de abertura é de xt = 0,114 mm.

O tempo de abertura do dispositivo pode ser estimado pelas equações de movimento retilíneo uniformemente variado e a segunda lei de Newton, de acordo com a equação 7 (pág. 53).

Figura 8 – Diagrama de corpo livre aplicado ao gatilho

A distância xt foi definida anteriormente e a massa das par tes móveis possuem um valor de projeto de 0,6 kg. A força fornecida pelas molas F mol deve propiciar uma alta aceleração e, ao mesmo tempo, ter um valor que não dificulte a armação do dispositivo e que seja simples de acionar o gatilho. Analisando os valores de tem função de F mol, foi possível dimensionar as molas para que o par forneça 2,8 kN à abertura, resultando num tempo deaproximadamente 0,1 segundo.

PROTÓTIPO

O QSD defi nitivo teve seu pino e gatilho fabricados em aço AISI 4340 e demais componentes em aço AISI 1045, sendo usinados e posteriormente submetidos à zincagem. O dispositivo foi montado em uma morsa hidráulica, conforme figura 9, que apresenta a disposição final do QSD em estado armado, com suas molas comprimidas e corpo de prova posicionado ao centro.

Testes com o dispositivo de parada súbita (QSD)

Para os ensaios de furação, foram utilizadas brocas helicoidais de 10 mm de diâmetro, sendo brocas de aço rápido da fabricante Irwin, sem afiação da aresta transversal e sem revestimento, além de brocas helicoidais de metal duro da fabricante Sphinx, com três tipos de afiação da ponta, uma delas standard e as demais afiações com alívio das arestas transversais, do tipo A e tipo C, revestidas com AlCrN. Como corpo de prova foram empregados os aços ABNT 1045, ESP 65 e ETG 100, sendo que os ensaios foram realizados em uma fresadora CNC marca Romi Polaris F400.

A devida preparação do dispositivo foi feita anteriormente ao ensaio para assegurar a reprodutibilidade. Diversos procedimentos foram utilizados, entre eles a verificação contínua dos componentes, a lubrificação das superfícies de escorregamento e a centralização do eixo da máquina com o corpo de prova, com a utiliza-

Figura 9 – Dispositivo de parada súbita (QSD)

 

Furação

Figura 10 – Testes do QSD para brocas tipo A e tipo C, com corpos de prova de aço ABNT 1045

 

ção de um relógio comparador. Foram produzidas amostras segundo uma matriz de ensaios, contendo 24 testes diferentes, variando avanço, velocidade de corte, material da peça e, por fim, material e tipo de afiação da ponta da broca.

Na figura 10, para o mesmo parâmetro de 10 m/min e avanço de 0,03 mm, nota-se a diferença na formação do cavaco entre uma broca standard e uma broca com afiação especial tipo A. A deformação dos grãos da microestrutura do material e medições de microdureza Vickers sugerem um aumento da dureza do material na região do centro do furo por conta da deformação plástica e, ligado a isso, um aumento na força de avanço.

Conclusões

Com base nos testes realizados, é possível concluir que o QSD desenvolvido permite a obtenção de raízes de cavaco pra diferentes parâmetros de corte, distintas geometrias de broca helicoidal e corpos de prova de diferentes materiais. Foram testados com êxito velocidades de avanço desde 0,01 até 0,4 mm, e velocidades de corte entre 10 e 120 m/min, sem fluido refrigerante.

Os artigos compilados destacam a importância da velocidade de interrupção do processo de usinagem para obter raízes de cavaco adequadas, cuja microestrutura represente fidedignamente as alterações provocadas pelo processo de usinagem.

Ressalta-se a conveniência da abertura bilateral do QSD e de realizar os furos o mais centralizadamente possível no corpo de prova para evitar a quebra da broca, principalmente quando usadas as de metal duro. Estas medidas evitam o desequilíbrio das forças radiais que atuam sobre a ferramenta de corte no instante da abertura do QSD, responsável pela quebra da broca neste tipo de testes experimentais.

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