Melhoria da furação do ferro fundido cinzento com brocas helicoidais de metal duro

---

Neste trabalho foram avaliados dois processos de furação específicos, empregados na fabricação de blocos de ferro fundido cinzento GG 25. Foram definidas seis diferentes combinações de parâmetros de corte para cada processo de furação ensaiado, utilizando-se brocas helicoidais de metal duro com pontas intercambiáveis e inteiriças. O objetivo foi analisar esses dois processos de furação e determinar as melhores condições econômicas de usinagem, bem como o melhor tempo de fabricação por peça.

F. G. Ebersbach, R. Pimentel e R. B. Schroeter

Data: 19/12/2016

Edição: MM Dezembro 2016 - Ano - 52 N^o 611

Compartilhe:

---

Componentes de ferro fundido apresentam ampla utilização, devido às suas propriedades mecânicas, custo relativamente baixo e facilidade de fabricação ¹⁴. Dentro desse contexto, nota-se em âmbito mundial um crescimento acentuado e constante da realização dos serviços de usinagem em indústrias de fundição, agregando a estes componentes um maior valor. Esta tendência resulta no aumento da competitividade entre as empresas para que sobrevivam em um mercado dinâmico e cada vez mais acirrado.

A racionalização dos processos de fabricação se destaca como um dos fatores cruciais e que mais influenciam nos custos e qualidade dos produtos. No entanto, tornar os processos de usinagem mais rápidos, práticos e efi cientes têm sido o principal desafio de engenheiros, pesquisadores e demais profissionais da área.

Na fabricação de blocos de fer ro fundido cinzento como, por exemplo, os de compressores herméticos para refrigeradores, boa parte das operações clássicas da usinagem convencional são empregadas, tais como furação, fresamento, alargamento, rosqueamento, rebaixamento e chanframento. Dentre estas, as operações de furação representam aproximadamente 35% do tempo efetivo de corte, o que a torna impactante sobre os custos de fabricação deste tipo de produto^[4].

Normalmente, o processo de furação é realizado nos últimos estágios de fabricação de uma peça, quando uma grande quantidade de tempo e dinheiro já foi empregada, devendo assim apresentar confi abilidade^[17]. O domínio do processo de furação é, portanto, de suma importância, visto que tem um papel de destaque na qualidade e nos custos dos produtos, principalmente para grandes lotes de peças usinadas.

O uso otimizado de máquinas e ferramentas exerce uma infl uên cia importante nos custos de fabricação das empresas. Isso porque se o aproveitamento do equipamento não for otimizado, resultará em custos mais elevados para a produção e, nesta cadeia, novos recursos serão exigidos, com investimentos na produção de bens que poderiam ser utilizados adequadamente em novas oportunidades de negócios.

Este trabalho tem por objetivo estudar duas operações de furação com brocas helicoidais de metal duro em blocos de ferro fundido cinzento GG25, empregados em compressores herméticos. A cada ensaio realizado, foi avaliado o comportamento do erro de circularidade dos furos com o aumento do comprimento usinado. Por fim, com os dados obtidos do tempo de vida de cada ensaio, foram verifi cados o tempo e o custo de fabricação por peça.

Materiais e métodos

Os ensaios de furação foram realizados em um centro de usinagem horizontal 4 eixos, modelo MCi 16, fabricado pela empresa Heller. A máquina-ferramenta apresenta rotação máxima de 8.000 rpm e potência de acionamento no eixo-árvore de 30 kW, gerando um torque máximo de 143 Nm.

Material ensaiado e corpos de prova

O material ensaiado foi o ferro fundido cinzento GG25, que apresenta resistência à tração mínima de 250 N/mm². Foi realizado um ensaio de dureza Brinell nos corpos de prova, chegando a uma média de 200 HB para 10 medições

Os corpos de prova utilizados foram blocos de ferro fundido cinzento GG25, empregados em compressores herméticos, cuja geometria e localização dos furos são apresentadas na figura 1. Antes das furações, as faces da placa de válvula e do mancal dos blocos de compressores herméticos foram fresadas com passes de desbaste e acabamento, retirando-se em média 4 mm de metal, visando eliminar a zona que possui uma camada de maior dureza e melhorar a planeza nas regiões de entrada de cada furo, sendo que tais aspectos poderiam interferir nos resultados dos ensaios.

Os corpos de prova foram fixados em um dispositivo de fixação hidráulico, com pontos de apoio e planos de posicionamento definidos, conforme referências obtidas no projeto da peça. Esta fixação permitiu uma maior rigidez e estabilidade das peças, favorecendo a segurança e a precisão das operações de furação estudadas.

Caracterização das ferramentas, critério de fim de vida e parâmetros de corte

Nos ensaios foram utilizados dois tipos de brocas helicoidais, com geometrias, fabricantes e revestimentos diferentes. O primeiro tipo tem diâmetro de 15,5 mm, corpo de aço e ponta intercambiável de metal duro, com revestimento multicamada de TiAlN. A outra broca é inteira de metal duro escalonada, com diâmetro de 4,2 e 5,4 mm, e revestimento nanocomposto multicamada de nitreto de titânio alumínio, em matriz de nitreto de silício (nc-TiAlN)/(a-Si3N4) – comercialmente denominado nACo.

Para a fixação de ambas as brocas, foram empregados suportes com cone SK40, conforme a norma DIN69871. A broca com ponta intercambiável foi montada em um suporte do tipo Weldon e a broca helicoidal inteiriça foi por fixação térmica.

O critério de fi m de vida estabelecido nos ensaios foi o erro de circularidade dos furos, cujos diâmetros são 15,5 e 5,4 mm, respectivamente. Tendo em vista tal aspecto, estabeleceram-se os limites dimensionais para cada tipo de ensaio, conforme a tabela 1 (pág. 26). O sistema de medição empregado para averiguação do erro de circularidade nos furos com 15,5 mm foi um circularímetro, da fabricante Mitutoyo, modelo 211-843D, com exatidão de 2x10^-5 mm. Para a medição do erro de circularidade nos furos com 5,4 mm foi utilizada uma máquina de medição por coordenadas (MMC) com comando numérico computadorizado, da fabricante Carl Zeiss, modelo Contura G2, com exatidão de 2x10^-4mm.

Os parâmetros de corte utilizados nos ensaios foram definidos em conjunto com as fabricantes das brocas, bem como com base na experiência da empresa colaboradora. Outro aspecto importante foi que as escolhas destes parâmetros de corte levaram em conta as recomendações dos fabricantes quanto à máxima e mínima velocidade de corte indicada para a furação de ferro fundido cinzento. Foram adotados três valores diferentes de velocidade de corte e dois diferentes avanços para cada uma das brocas. Destaca-se que o termo avanço (f), utilizado a partir desta seção, se refere a uma das maneiras como ele pode ser expresso (mm). Neste caso, o avanço se refere ao percurso linear realizado em cada rotação da ferramenta em uma direção coincidente com o eixo do furo. A tabela 2 mostra os parâmetros de corte utilizados nos ensaios.

As velocidades de corte (v_c) de 130 e 90 m/min e os avanços (f) de 0,27 e 0,21 mm (para a broca de ponta intercambiável e helicoidal inteiriça, respectivamente), representam as condições atuais empregadas na linha de produção da empresa colaboradora. Devido à questão relacionada ao tempo, bem como ocupação dos recursos envolvidos, foi somente possível realizar uma réplica de cada ensaio.

Para todos os ensaios de furação, utilizou-se a lubrificação/refrigeração sintética Ken SS-370, com 7% de concentração, da fabricante Yushiro. Em todos os ensaios, a pressão de aplicação do lubrificante/refrigerante foi de 40 bar, sendo que as brocas utilizadas possuem canais de refrigeração interna.

Planejamento experimental

Os ensaios foram divididos em duas séries, sendo que a primeira compreendeu os ensaios de 1 a 6, abrangendo os furos com diâmetro de 15,5 mm. Já no que se refere à segunda série, realizaram-se os ensaios de 7 a 12, envolvendo os furos com diâmetro de 5,4 mm. Para avaliar a excentricidade total, que é a soma dos erros da máquina-ferramenta (spindle), suporte de fixação e da própria ferramenta de corte, foi realizada uma verifi cação do batimento radial do conjunto, colocando-se um relógio apalpador com resolução de 0,001 mm na ponta da broca e girando-a manualmente em 360°. Esta verificação foi realizada em todos os ensaios, sendo que o limite estabelecido foi de 0,005 mm, seguindo a recomendação das fornecedoras das brocas.

As avaliações da circularidade dos furos foram efetuadas no decorrer dos ensaios a cada 5 metros usinados para os furos de 15,5 mm e a cada 9 metros para os furos de diâmetro 5,4 mm. Estes valores diferentes nos intervalos de medições foram necessários devido às diferenças de profundidade entre ambos os furos estudados.

Na figura 1 são mostrados esquematicamente os planos de medição da circularidade, os quais foram usados nos furos de 15,5 mm e 5,4 mm, respectivamente. As medições da circularidade dos furos foram realizadas em três regiões, distribuídas ao longo da seção de cada furo, com o intuito de avaliar este erro de forma no início, meio e fim dos furos. Para os furos de 15,5 mm, as profundidades medidas foram 8, 24 e 41 mm, enquanto nos furos de 5,4 mm foi de 1,5, 3,5 e 5 mm. Em ambos os casos se obtiveram os valores médios e a medição foi por varredura (scanning), com uma geração aproximada de até 3.500 pontos de verificação.

Os corpos de provas medidos no circularímetro foram fi xados em um dispositivo especial que garantiu o alinhamento e o paralelismo entre o furo do mancal e o eixo do equipamento. Já para os corpos de provas medidos na MMC utilizou-se o procedimento de alinhamento dos furos em relação ao sistema de coordenadas do equipamento.

Resultados obtidos

Sobre os resultados obtidos nos ensaios, eles estão divididos em duas etapas, sendo que na primeira são mostrados os de circularidade obtidos para os furos de 15,5 e 5,4 mm. Já na segunda etapa estão as considerações econômicas dos dois processos de furação.

Circularidade dos furos com diâmetro de 15,5 e 5,4 mm

Na figura 2a (pág. 28) observa-se o comportamento da circularidade média dos furos com diâmetro de 15,5 mm para cada condição de usinagem ensaiada. A análise estatística, de acordo com os valores de “p” (v_c85m/min = 2,33x10^-46, v_c130m/min = 2,78x10^-29, v_c150m/min = 0,002, f_0,27mm = 8,96x10^-55, f_0,32mm = 1,27x10^-19) obtidos no teste de Anova, indicou que, para um intervalo de confi ança de 95%, o aumento do número de furos apresentou diferença significativa nos valores de circularidade para todos os parâmetros de corte (v_c x f).

Um aspecto importante a ser abordado é o problema que o batimento total, em razão da elevada relação L/D do conjunto ferramenta-cone-máquina pode causar no comportamento dimensional de um furo, de modo que se entende que quanto mais elevada for a relação L/D, maior será a influência no aumento da variação dimensional do furo usinado. Quando o resultado da circularidade na furação de ferro fundido vermicular foi estudado, sendo avaliadas duas profundidades e três velocidades de corte diferentes, foi afirmado que uma relação L/D superior a cinco vezes o diâmetro resulta em um maior erro de circularidade dos furos^[15].

Já outros estudiosos concluíram em seus experimentos sobre a usinagem do aço SAE1045, com barras de mandrilar internas com corpo de aço, metal duro e antivibratória, que a estabilidade da barra de aço ficou comprometida com o balanço de quatro vezes o diâmetro[3]. Porém, com dois milímetros a menos de balanço, sua estabilidade retornou e a rugosidade ficou muito próxima da verificada, com valores mais baixos.

Por sua vez, nos furos com 15,5 mm avaliados neste trabalho e produzidos com brocas de pontas intercambiáveis, montadas em barra de corpo de aço, a maior relação L/D foi de até três vezes o diâmetro, o que provavelmente contribuiu para o aumento da rigidez, favorecendo ainda o comportamento verificado no erro de circularidade desses furos.

Na análise do gráfico da figura 2 nota-se que, sob as velocidades de corte de 85 e 130 m/min, o comportamento evolutivo da circularidade na condição de início de vida é semelhante. Após este estágio, as curvas de velocidade de corte de 130 m/min apresentam praticamente o mesmo desempenho em ambos os avanços aplicados até atingirem o critério de fim de vida estabelecido.

Já as curvas com velocidade de 85 m/min evoluíram de forma diferente, ou seja, com o avanço de 0,27 mm obteve-se um maior número de furos produzidos do que com avanço de 0,32 mm. Este fato pode estar relacionado à diminuição do avanço, o que ocasiona sua redução da velocidade e, consequentemente, o tempo de corte efetivo no furo acaba sendo maior, possibilitando uma grande permanência da fer ramenta e alcançando uma melhor correção contínua do erro de forma^[10]. Outra possibilidade é que o avanço está diretamente associado à força de usinagem. Desta maneira, a sua redução provocou uma diminuição na força de usinagem, resultando em uma menor solicitação de esforços na broca e, provavelmente, este aspecto pode ter minimizado o erro de circularidade^[12].

Além disso, a velocidade de corte de 85 m/min foi a mais baixa entre as ensaiadas, de modo que as temperaturas geradas no processo foram menores, aumentando a vida da broca. Em situação oposta está a velocidade de corte de 150 m/ min, na qual se verificou o menor número de furos produzidos, pois o erro de circularidade cresceu rapidamente. Este comportamento era aguardado, visto que a elevação da velocidade de corte está relacionada ao aumento das temperaturas geradas, acelerando assim o desgaste das brocas^[16].

A circularidade média obtida para a velocidade de corte de 85 m/min foi 0,0087 mm, com índices de capacidade e de desempenho potencial de processo (C_p = 2,82, C_pk = 2,38, P_p = 0,76 e P_pk = 0,64) mostrando sua capacidade e estabilidade. A circularidade média para a velocidade de cor te de 130 m/min foi de 0,009 mm, com índices de capacidade e de desempenho potencial de processo (C_p = 1,7; C_pk = 1,36; P_p = 0,79 e P_pk = 0,63) sinalizando que ele também é capaz e estável. A circularidade média para a velocidade de corte de 150 m/min foi 0,0142 mm, com índices de capacidade e de desempenho potencial de processo (C_p = 0,25; C_pk = 0,02; P_p = 0,24 e P_pk = 0,02) indicam que o processo não é capaz de reproduzir furos com circularidade estável.

As análises consideraram os índices de capacidade C_p e C_pk como referências para a avaliação do comportamento do erro de circularidade. Além disso, é importante destacar que a circularidade é conceituada como uma grandeza unidirecional. O valor mínimo recomendado para a capacidade (C_p e C_pk) de um processo é 1,33^[1].

Este estudo não apresentou valores de circularidade muito dispersos que ultrapassassem o limite máximo estabelecido, demonstrando a estabilidade do processo. Outro aspecto importante a ser considerado foi o fato dos ensaios de furação terem sido realizados propositalmente até que a circularidade ultrapassasse o limite máximo estabelecido, o que caracterizava o fim do ensaio. Esta condição gerou valores de circularidade indesejados, que poderiam ter sido evitados caso o processo fosse interrompido previamente.

O aspecto funcional envolvendo o erro de circularidade do furo de 15,5 mm está diretamente ligado às operações subsequentes, com destaque ao processo de brunimento. Nesta situação, variações dimensionais indesejadas podem ocasionar falhas no brunimento realizado posteriormente na seção deste furo passante.

A figura 2 traz o comportamento da circularidade média dos furos com 5,4 mm de diâmetro para cada condição de usinagem avaliada. A análise estatística, de acordo com os valores de “p” (v_c70m/min = 4,97x 10_-57, v_c90m/min = 6,64x10^-44, v_{c125m/ min} = 6,13x10^-10 , f_0,21mm = 8,21x 10^-63, f_0,28mm = 3,25x10^-44) obtidos por meio do teste de Anova mostrou que, para um intervalo de confi ança de 95%, o aumento do número de furos apresentou diferença estatisticamente significativa nos valores de circularidade. Isso, para todas as combinações de velocidade de corte e avanço.

Em estudos comparativos entre os processos de alargamento e mandrilamento em ferro fundido nodular, a velocidade de corte e o avanço apresentaram influência significativa sobre os resultados de circularidade dos furos mandrilados^[6].

Na indústria, não é comum a prática da medição do erro de forma em furos com diâmetros relativamente pequenos, como os produzidos neste experimento. No entanto, para este estudo de caso específico, por exemplo, uma variação dimensional indesejada pode gerar um problema de montagem no assentamento do cilindro do bloco.

Em geral, na condição de início de vida, pode-se afirmar que a maioria dos parâmetros de corte avaliados apresentaram uma tendência de maior concentração do erro de circularidade na faixa média do limite especificado para os experimentos. Este comportamento já era aguardado, devido ao histórico do processo mantido pela empresa colaboradora ao longo dos anos. Da metade da vida da ferramenta em diante, observou-se uma tendência no aumento da amplitude dos resultados, comportamento este que pode indicar o acentuado desgaste na aresta da broca a partir daquele momento, afetando o erro de forma dos furos evolutivamente^[5].

Os dados empregados no gráfi co da fi gura 2 representam a média das medições feitas nas profundidades de 1,5; 3,5 e 5 mm, sendo que, com base nos resultados, entende-se que provavelmente a excentricidade do conjunto ferramenta-cone-máquina tampouco exerceu influência negativa sobre esta operação de furação, visto que a relação L/D máxima foi aproximadamente de até 3,5 vezes o diâmetro.

A circularidade média obtida com velocidade de corte de 70 m/ min foi 0,0137 mm, com índices de capabilidade e de desempenho potencial de processo (C_p = 6,26; C_pk = 3,98; P_p = 1,03 e P_pk = 0,66), indicam que ele é capaz e estável. A circularidade média sob velocidade de corte de 90 m/ min foi 0,0167 mm, com índices de capabilidade e de desempenho potencial de processo (C_p = 2,63; C_pk = 0,87; P_p = 1,31 e P_pk = 0,43) indicam que não está capaz, sendo necessário o deslocamento do erro de circularidade para próximo dos limites inferiores. A circularidade média sob velocidade de corte de 125 m/ min foi 0,018 mm, com índices de capabilidade e de desempenho potencial de processo (C_p = 1,25; C_pk = 0,25; P_p = 1,24 e P_pk = 0,25), que indicam que não há necessidade de ajustar o erro de circularidade para próximo dos limites inferiores.

Em estudos sobre a influência do revestimento em brocas usadas na furação de ferro fundido vermicular, afirma-se que a maioria das brocas apresentou os melhores resultados de circularidade no início da sua vida do que no seu final, mantendo-se a mesma velocidade de corte^[2]. Os resultados das circularidades dos furos produzidos neste trabalho corroboram tal afirmação.

Considerações econômicas

BROCA HELICOIDAL COM PONTA INTERCAMBIÁVEL DE 15,5 MM

No gráfico da fi gura 3 (pág. 30) são representados os números de furos produzidos e o comprimento usinado para as brocas de ponta intercambiável de diâmetro 15,5 mm. Estes resultados são correspondentes à vida total das brocas até o critério de fim de vida estabelecido para este experimento.

Nos ensaios com velocidade de corte de 85 m/min e avanço 0,27 mm, a broca completou o número de furos produzidos, com a mudança do avanço para 0,32 mm. Mantendo-se esta mesma velocidade de corte, observou-se uma expressiva redução na quantidade de furos produzidos. Este compor tamento era esperado, uma vez que o aumento do avanço provoca o crescimento da força de usinagem e aumenta as solicitações mecânicas na ponta da ferramenta, fazendo com que o seu conjunto, composto pela pastilha, haste de fixação e cone adaptador, estejam sujeitos a deformações provenientes do aumento destes esforços, que impactam na rigidez da broca^[6,13].

Já para as brocas ensaiadas na velocidade de corte de 130 m/ min, não foi verificada diferença significativa na quantidade de furos produzidos em função da mudança do avanço, sendo que essa velocidade é a recomendada pela fabricante e a utilizada pela empresa colaboradora. A replicação dos ensaios apresentou uma boa repetibilidade, considerando-se um intervalo de confiança de 95%, e diferença de até 5% entre os números de furos totais produzidos em cada experimento revalidado.

Nos ensaios com a velocidade de corte de 150 m/min, verificou-se o menor número de furos produzidos. As razões para tal comportamento podem ser a elevação da temperatura de corte e o alto nível de vibração devido ao aumento da velocidade de corte, uma vez que a força centrífuga (Fc) causadora da vibração é proporcional ao quadrado do aumento da velocidade angular (ω). Este aumento da vibração provoca uma diminuição da qualidade do furo e consequente perda de vida, tendo em vista que o movimento descrito pela ponta da ferramenta quando submetido ao processo vibratório é transferido para a parede do furo^[7]. Esta hipótese da vibração é menos provável pelo fato das brocas serem balanceadas pelos fabricantes.

Na figura 4 (pág. 30) é representado o gráfico do tempo de vida em função de cada avanço (0,27 e 0,32 mm) combinado com as três velocidades de corte distintas (85, 130, 150 m/min). Os resultados para o avanço de 0,27 mm (figura 4) mostram a tendência da redução da vida em função do aumento da velocidade de corte^[9].

Porém, os resultados gráficos da vida da ferramenta encontrados nos ensaios com avanço de 0,32 mm, mostram percepções diferentes, ou seja, o aumento da velocidade de corte de 85 para 130 m/min resultou na redução do tempo de vida. Em contrapartida, este mesmo aumento na velocidade de corte refl etiu-se no incremento do número de furos. Este fato pode ser explicado considerando a análise do tempo de vida, visto que a velocidade de avanço (mm/ min) empregada nos ensaios, com velocidade de corte de 130 m/min, foi 35% superior à velocidade de avanço utilizada nos ensaios com velocidade de corte de 85 m/min.

Neste caso, como a diferença nos números de furos entre ambos os ensaios (85 e 130 m/min) foi relativamente baixa (inferior a 35%), a broca sob velocidade de corte de 130 m/min produziu em média 580 furos a mais do que com velocidade de corte de 85 m/min. No entanto, em um intervalo de tempo menor.

De acordo com os valores de “p” (f_0,27mm = 0,014; f_0,32mm = 0,007), obtidos no teste Anova, é possível verificar que a velocidade de corte dentro da faixa estudada, para um intervalo de confiança de 95%, apresenta influência significativa nos resultados do tempo de vida das ferramentas para os dois valores de avanço.

Nos ensaios com avanço de 0,27 mm, foi realizada a regressão linear que permitiu a definição das constantes para a obtenção da equação de vida da ferramenta. O gráfico da figura 4 ilustra esta curva de vida linearizada, bem como a equação da reta, na qual o coeficiente angular encontrado foi de k = -4,6 e o coeficiente de determinação foi R² = 0,913. Apesar de poucos pontos, isso torna aceitável a regressão linear aplicada. Sendo assim, a equação da vida da ferramenta para os ensaios com avanço de 0,27 mm é descrita pela equação 1:

Para a curva de vida do ensaio sob avanço de 0,32 mm não foi aplicada a regressão linear, devido aos seus resultados não serem aceitáveis para a adaptação de tal procedimento, visto que o coeficiente de determinação encontrado foi R²= 0,54. A constante “k” para ferramentas de metal duro situa-se entre -2,5 a -8^[11]. Com isso, os ensaios realizados apresentaram o valor de “k” conforme relatado pelos autores. Outro aspecto é que foi utilizada a equação de Taylor simplificada devido às condições específicas propostas para os ensaios.

Na tabela 3 (pág. 33) são mostrados os valores obtidos do custo e tempo de fabricação por peça para todos os ensaios realizados com a broca de 15,5 mm. Para isso, foram considerados os tempos reais de vida das ferramentas obtidos nos respectivos experimentos. Os resultados demonstram que as condições de usinagem utilizadas no ensaio 4 (v_c =130 m/ min; f =0,32 mm) são mais favoráveis em relação às demais, pois o seu custo e tempo de fabricação por peça são os menores entre os seis ensaios realizados.

Avaliando somente o tempo de fabricação por peça, nota-se que os ensaios 3, 4 e 5 se destacaram dos demais, pois notadamente possuem os menores tempos, ou seja, a melhor produtividade. Este comportamento favorável nestes ensaios também foi observado em relação ao custo de fabricação por peça.

De fato, os piores desempenhos econômicos foram constatados nos parâmetros de corte empregados nos ensaios 1 (v_c =85 m/min; f =0,27 mm) e 6 (v_c = 150 m/min; f = 0,32 mm), já que o custo e o tempo de fabricação por peça foram os maiores. No caso do ensaio 1, o tempo principal de usinagem foi o mais elevado entre os demais ensaios, logo, contribuindo para o aumento do tempo de fabricação por peça.

Já quanto ao ensaio 6, embora o tempo principal de usinagem deste ensaio seja o menor de todos, a perda acentuada na vida da ferramenta sob estes parâmetros de corte, como mostra a figura 6 (pág. 36), impactou no aumento expressivo do tempo de troca da ferramenta, resultando em um maior período de máquina parada. Esta circunstância remete ao aspecto que a maior parcela do custo de fabricação por peça está na eficiência na qual a máquina-fer ramenta é aproveitada no chão de fábrica. Por consequência, existe uma velocidade de corte em que os tempos e custos de fabricação são ideais para o melhor desempenho econômico do processo^[8,12].

Portanto, diante dos resultados discutidos pode-se concluir que, dentre os parâmetros ensaiados, os adotados no ensaio 4 acarretaram nos melhores resultados econômicos. Estes parâmetros de corte permitem uma produção a baixo custo e a bons tempos de manufatura em relação às outras condições analisadas.

BROCA HELICOIDAL INTEIRIÇA DE DIÂMETRO 5,4 MM

No gráfico da figura 5 (pág. 34) são apresentados os ensaios de vida das brocas helicoidais inteiriças. Eles foram representados em número de furos e comprimento usinado influenciado pelos parâmetros de corte de cada experimento. Na análise deste gráfi co, pode-se observar que o maior número de furos produzidos foi com a velocidade de corte de 70 m/min, combinada com o avanço de 0,21 mm. Esta mesma velocidade de corte, combinada com o avanço de 0,28 mm, resultou em um número de furos mais baixo, comparativamente. No entanto, a menor quantidade de furos produzidos ocorreu para a velocidade de corte de 125 m/min. Este aspecto evidencia a infl uência da velocidade de corte sobre a vida da ferramenta. Nisso, o aumento da velocidade resulta no acréscimo da energia gerada (calor) e acarreta, assim, um menor tempo de vida da ferramenta^[11].

O estudo estatístico dos ensaios mostrou que os resultados apresentam uma boa repetibilidade, considerando um intervalo de confiança de 95% e uma diferença de até 4% entre os números de furos totais produzidos em cada experimento revalidado. Por sua vez, o gráfico da figura 6 representa os resultados do tempo de vida de cada ensaio, influenciados pelos dois avanços (0,21 e 0,28 mm) e as três velocidades de corte distintas (70, 90, 125 m/ min). O tempo de vida com avanço de 0,21 mm apresentou uma curva decrescente na medida em que a velocidade de corte aumentou. Por outro lado, com o avanço de 0,28 mm, o maior tempo de vida foi verificado na velocidade de corte intermediária (90 m/min).

Este comportamento encontrado na velocidade de corte de 90 m/ min, combinada com o avanço de 0,28 mm pode estar relacionado à presença de vários fatores, entre os quais, ao fato de que, com o aumento do avanço, o corte se torna mais dinâmico, o que auxilia no cisalhamento do cavaco^[8]. Outro aspecto é que o aumento da velocidade de corte eleva a temperatura gerada no processo contribuindo para a redução da resistência do material da peça, fazendo também com que a força de corte diminua^{[9, 11]} . Porém, este aumento na velocidade de corte atinge um limite no qual a temperatura afeta também a ferramenta, neste caso, contribuindo para a elevação do desgaste e a incapacidade de corte^[3,12]. Por este motivo, a velocidade máxima de corte ensaiada (125 m/min) não alcançou a maior vida.

Estudos sobre a influência dos parâmetros de corte, aplicados em diferentes geometrias de brocas helicoidais na usinagem de alumínio mostraram que, o aumento do avanço combinado com algumas velocidades de corte intermediárias provocou em algumas geometrias de brocas um maior tempo de vida, adotando-se o erro de circularidade dos furos como critério de fim de vida^[10]. Este comportamento foi relacionado à rigidez da broca e à menor deformação gerada pela aresta de corte transversal.

De acordo com os valores de “p” (f^0,21mm = 0,04; f_0,28mm = 0,014), obtidos no teste Anova, nota-se que a variação da velocidade de corte, para um intervalo de confiança de 95%, apresenta influência significativa nos tempos de vida das ferramentas para os dois valores de avanço.

Nos ensaios sob avanço de 0,21 mm, foi realizada a regressão linear que permitiu definir as constantes de Taylor para a obtenção da equação de vida da ferramenta. O gráfico da figura 6 ilustra esta curva de vida linearizada e a equação da reta, a qual apresentou como coeficiente angular o valor de k= -5,4 e coeficiente de deter minação R² = 0,98; tornando assim aceitável a regressão linear aplicada. Estudos sobre a furação do ferro fundido cinzento utilizando brocas de metal duro apontaram um valor médio de -5,79 para a constante k de Taylor; valor este muito próximo ao encontrado no presente estudo^[5]. Com isso, a equação da vida da ferramenta para os ensaios com avanço de 0,21 mm é descrita pela equação 2 . Para a curva de vida do ensaio sob avanço de 0,28 mm não foi aplicado o mesmo critério da regressão linear, pois o coeficiente de determinação encontrado foi R² = 0,45.

Na tabela 4 é mostrada a análise econômica abrangente dos custos e tempos de fabricação por peça de todas as condições de usinagem, empregadas nos ensaios das brocas com diâmetro de 5,4 mm. Tendo em vista tais aspectos, os resultados apresentados mostram que a condição de usinagem empregada no ensaio 12 (v_c =125 m/min; f =0,28 mm) é a mais vantajosa em relação às demais, pois o seu custo e tempo de fabricação por peça são os menores valores entre os seis ensaios realizados.

No que se refere aos avanços empregados nos ensaios, verifica-se um destaque para o avanço de 0,28 mm (ensaios 8, 10 e 12), analisando a perspectiva dos menores valores para o custo de fabricação e também tempo de operação em relação às demais. Este panorama de aumento do avanço, considerando as mesmas velocidades de corte, resultou na redução dos custos e tempos de fabricação por peça em todos os ensaios comparados. Tal comportamento pode ser justificado por alguns aspectos, entre os quais está o fato do avanço possuir menor influência na perda de vida da ferramenta.

A velocidade de corte e o aumento do avanço mantendo a mesma constante provoca o acréscimo na velocidade de avanço (mm/min) que, consequentemente, reduzirá o tempo principal de fabricação. Desta maneira, seguindo a tendência de elevar o avanço mantendo a mesma velocidade de corte, a expectativa é que ocorra uma redução no custo e no tempo de fabricação, conforme mostraram os resultados deste estudo.

O desempenho menos favorável pode ser atribuído ao ensaio 7 (v_c = 70 m/min; f = 0,21 mm), devido aos maiores valores no custo e tempo de fabricação, simultaneamente. Embora esta condição de usinagem tenha possibilitado a maior vida da ferramenta, comparativamente, o seu tempo principal de usinagem foi igualmente o mais elevado, acarretando um acréscimo do tempo e custo de fabricação por peça.

Conclusão

Na avaliação do erro de circularidade, os menores resultados foram obtidos na furação com brocas de ponta intercambiável em estado inicial de vida, para todos os parâmetros de corte empregados. Uma das hipóteses para tal resultado é a geometria calibradora da broca com ponta intercambiável. Por outro lado, as duas geometrias de broca estudadas apresentaram semelhança de comportamento, devido ao aspecto que, em ambos os ensaios, houve uma evolução crescente do erro de circularidade na medida em que os tempos de vida das brocas aumentavam.

Neste caso não foram verificados valores de circularidade dispersos que ultrapassassem o limite máximo definido para cada ensaio de furação. No fim da vida da ferramenta ocorreram os maiores valores de circularidade, evidenciando uma tendência de aumento do erro de forma, devido à condição de corte prejudicada da broca, possivelmente pelo maior desgaste. Portanto, observou-se de maneira geral uma correlação entre o erro de forma (circularidade) e os parâmetros de corte testados.

Concernentes aos resultados das análises econômicas, os menores custos de fabricação foram encontrados para os maiores avanços, dentre os propostos, e as velocidades de corte de 125 e 130 m/min. Vale destacar que os parâmetros de corte influenciam diretamente os custos de fabricação, uma vez que, combinando os resultados de vida e econômicos, constatou-se que os casos que utilizaram baixas velocidades de corte apresentaram vidas longas, porém, com custos variáveis elevados em função dos valores gastos com máquina e operador. Já para os ensaios nos quais foram aplicadas altas velocidades de corte, o tempo principal (th ) apresentou redução, mas como a vida da ferramenta se mostrou muito baixa, o tempo de máquina parada para substituição da ferramenta cresceu significativamente.

Referências

1. American Society for Quality Control (ASQC). Statistical process control manual. Milwaukee, EUA, 1986.
2. Andrade, C. L. F. D.: Análise da furação de ferro fundido vermicular com brocas de metal duro de canais retos revestidas com TiN e TiAlN. Dissertação 154 p. (Mestrado em Engenharia Mecânica), Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, 2005.
3. Beltrão, P. A. C.; Morelo, F. M.: Ferramentas antivibratórias: soluções para o acabamento superficial de qualidade na operação de torneamento interno. Revista O Mundo da Usinagem, publicação da Sandvik Coromant do Brasil, 2013.
4. Boeira, A. M. G.: Modelagem e simulação das forças na furação com brocas helicoidais a partir de dados obtidos no torneamento de segmentos cilíndricos. Tese 190 p. (Doutorado em Engenharia Mecânica), Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, 2011.
5. Castillo, W. J. G.: Furação profunda de ferro fundido GG25 com brocas de metal duro com canais retos. Dissertação 134 p. (Mestrado em Engenharia Mecânica), Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, 2005.
6. Clímaco, M.: Análise comparativa entre alargamento com ferramenta de gume único regulável e mandrilamento em ferro fundido nodular GGG40. Dissertação 136 p. (Mestrado em Engenharia Mecânica), Departamento de Engenharia Mecânica. Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, 2011.
7. Dimla, D. E.: The impact of cutting conditions on cutting forces and vibration signals in turning with plane face geometry inserts. Journal of Materials Processing Technology, 2004.
8. Diniz, A. E.; Marcondes, F. C.; Coppini, N. L.: Tecnologia da usinagem dos materiais. 3a edição, Artliber, São Paulo, SP, 2008.
9. Ferraresi, D.: Fundamentos da usinagem dos materiais. Blücher, São Paulo, SP, 1970.
10. Gomes, J. O.; Souza, J. F.; Zanatta, A. M.: Avaliação de diferentes geometrias de brocas de aço rápido na furação de alumínio e latão. Revista Máquinas e Metais, Aranda Editora, São Paulo, SP, março, 2011.
11. König, W.; Klocke, F.: Tecnologia da usinagem com ferramenta de corte de geometria definida Parte I. Traduzido por Prof. Dr.-Ing. Walter Lindolfo Weingaertner e Prof. Dr. Eng. Rolf Bertrand Schroeter, livro Fertigungsverfahren Drehen, Bohren, Fräsen. Universidade Federal de Santa Catarina
12. Machado, Á. R.; Abrão, A. M.; Coelho, R. T.; Silva, M. B.: Teoria da usinagem dos materiais. 1a edição, Blücher, São Paulo, SP, 2009.
13. Mühle, H. B.: Mandrilamento com cabeçotes de excentricidade regulável e sistema de balanceamento. Dissertação 115 p. (Mestrado em Engenharia Mecânica), Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, 2000.
14. Norton, R. L.: Projeto de máquinas. 2a edição, Bookman, São Paulo, SP, 2004.
15. Oliveira, V. V.: Influência da geometria de brocas na furação do ferro fundido vermicular. Dissertação 153 p. (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba, PR, 2008.
16. Stemmer, G. E.: Ferramentas de corte II. 4 a edição, Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, 2005.
17. Tönshoff, H. K.; König, W.: Machining of holes, development in drilling technology. Annals of the CIRP, v. 43, 1994.