Comparação entre ferramentas com diferentes geometrias no processo de alargamento do aço endurecido AISI P20

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Furos produzidos em componentes mecânicos normalmente necessitam de tolerâncias apertadas que podem não ser atingidas apenas nas operações de furação. Nestes casos, o processo específico mais utilizado para garantir alta definição geométrica, dimensional e qualidade superficial, é o processo de alargamento. O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência dos parâmetros de corte, as forças de usinagem e a qualidade superficial do aço endurecido AISI P20 no processo de alargamento. As variáveis de entrada do processo foram a velocidade de corte, o avanço da ferramenta, o tipo de sistema de refrigeração e a geometria da ferramenta.

T. F. L. Melo, É. M. Arruda, S. L. M. Ribeiro Fo, R. B. Borba e L. C. Brandão

Data: 15/05/2017

Edição: MM Março 2017 - Ano - 53 N^o 614

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A obtenção de Furos por meio de uso de brocas é o processo mais utilizado na indústria devido a sua versatilidade, baixo custo e também à simplicidade da operação. No entanto, por ser uma operação de desbaste, a furação produz furos com elevados valores de tolerância que geralmente variam entre a qualidade ISO IT 11 a IT 14^[6,8].

Assim, para melhorar a qualidade dos furos, normalmente é empregado o processo de alargamento, quando comparado com a retificação, por exemplo. O uso de alargadores tem como objetivo proporcionar furos em uma tolerância dimensional e um acabamento superficial bem específicos, normalmente acima da qualidade produzida pelas brocas. Alargadores são Tainara Fernandes Lagoa Melo, Étory Madrilles Arruda, Sérgio Luiz Moni Ribeiro Filho, Rodrigo Barros de Borba e Lincoln Cardoso Brandão desenvolveram este trabalho pela Universidade Federal de São João del-Rei, MG. Este artigo foi originalmente apresentado como palestra técnica no 8o Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação (Cobef), realizado de 18 a 22 de maio de 2015 em Salvador (BA). Reprodução autorizada. ferramentas de múltiplas arestas de corte que, pelos movimentos rotativos e de avanço, melhoram o acabamento e definem com exatidão as tolerâncias dos furos^[2].

As ligas apresentam um conjunto de características que não seriam alcançadas em um único material, por isso, seu emprego é mais abrangente. Um exemplo de uma liga com grande aplicação é o aço AISI P20, uma liga composta por carbono, silício, manganês, cromo, molibdênio e níquel. É a mais utilizada para a confecção de moldes de injeção de plásticos em geral.

Fornecido no estado beneficiado (temperado e revenido) possui excelentes propriedades mecânicas. Especialmente importante para este segmento, possui boa polibilidade e resposta à texturização. A confecção de moldes de grandes dimensões pode ser realizada com facilidade devido à sua alta usinabilidade e homogeneidade de dureza ao longo de seções transversais elevadas.

Portanto, pode-se afirmar que, para atender o setor metalmecânico, a otimização de processos de usinagem, como o processo de alargamento, torna-se indispensável, para garantir uma melhor qualidade de seus produtos buscando sempre a diminuição dos custos de produção. Devido à grande variação de parâmetros que podem influenciar os processos de fabricação, a análise da influência de cada parâmetro permite uma melhoria contínua destes processos.

Revisão bibliográfica

O processo de alargamento

O alargamento é um processo utilizado em escala industrial devido ao baixo custo e a capacidade de atender às necessidades de um acabamento com o mínimo de irregularidades superficiais, sendo adequado para a aplicação na produção de lotes médios e pequenos e com o desafio de atender às especificações técnicas a custos competitivos [7]. Por definição, o alargamento pode ser descrito como um tipo de furação utilizando uma ferramenta que produz cavacos com pequenas dimensões e proporciona superfícies com alta qualidade superficial e precisão dimensional e de forma ^[9].

Mesmo ao se tratar de uma ferramenta de geometria definida, algumas características variantes da ferramenta influenciam no resultado final. Apesar de o alargador ter pouca influência para correção do erro de alinhamento do processo de desbaste anterior, esse processo ainda é capaz de otimizar o acabamento do furo corrigindo pequenas imperfeições deixadas, com ótima relação custo-benefício e eficiência para o produto final.

Uma das diferenças, entre outras, que podem ser encontradas entre os alargadores é o balanço da ferramenta, que é a diferença que se pode encontrar na distância entre a área de corte da ferramenta e o mandril. Quanto menor o balanço, maior rigidez a ferramenta possui e, com isso, a operação tende a uma menor ocorrência de erros.

Existem variações de geometria em relação ao tipo de hélice, como a hélice reta e hélice helicoidal. Os alargadores do tipo helicoidal são mais utilizados do que os retos. Podem ser aplicados em furos passantes ou nos que possuem sulcos, uma vez que os retos normalmente travam e quebram.

Os alargadores retos, por sua vez, são utilizados em furos cegos. O balanço de um alargador consiste na medida L2 da fi gura acima, a alteração dele pode ser responsável pelos efeitos gerados no processo, como pode ser observado na figura 1.

Fluido de corte

A utilização de fluidos de corte é necessária no alargamento, pois fluidos de corte aplicados em processo de usinagem proporcionam simultaneamente a lubrificação e arrefecimento, minimizando o calor produzido entre a superfície da peça e da ferramenta[5]. Existem diversos tipos de lubrificação, um mais adequado para determinado processo. Uma pesquisa significativa foi realizada com o objetivo de diminuir a quantidade de fluidos de corte na produção, devido ao fato da utilização de grandes quantidades de fluidos de corte apresentar várias desvantagens.

Fluidos de corte normalmente são difíceis de serem armazenados e reciclados, além disso, podem causar problemas na pele e doenças pulmonares nos operadores e poluição do ambiente. Outras razões para diminuir a quantidade de fluidos de corte são os custos relacionados com os fluidos que, geralmente, devem estar no intervalo 7-17 % dos custos totais de produção^[5].

Para minimizar a quantidade de fl uido, o MQL (mínima quantidade de lubrificação) pode ser utilizado como refrigeração alternativa. O MQL é um método de resfriamento em usinagem que fornece uma quantidade exata de lubrificação para a ponta da ferramenta na região de corte, quando o lubrificante é misturado com o ar comprimido e faz-se a mistura de aerossol de ar/óleo desejada^[5] .

A dimensão do bocal que expele o fluido pode não ser influente no resultado oferecido pelo MQL, como já observado em trabalho anterior por De Chiffre et al^[5]. Estes afirmaram que seus testes mostraram que a aplicação de MQL utilizando dois bicos na parte superior do processo fornece resultados tão bons como os da aplicação com um bico na parte superior e outro na parte inferior.

Rugosidade

Ao passar por um processo de usinagem, o objetivo é de se produzir peças com uma maior funcionalidade que atendam a necessidade do projeto. Para garantir o bom desempenho do componente mecânico, a qualidade superficial é de grande importância.

A rugosidade desempenha um papel muito importante no comportamento de componentes mecânicos, pois influencia no deslizamento destes, na resistência ao desgaste, na possibilidade de ajuste de acoplamento forçado, na resistência oferecida pela superfície ao escoamento de fl uidos e lubrificantes, na qualidade de aderência que a estrutura oferece às camadas protetoras, na resistência à corrosão e à fadiga e na vedação da peça ^[1].

A rugosidade média R_a é a média aritmética dos valores absolutos dos pontos mais altos com os mais baixos, acima e abaixo de uma linha média que podem medidos por um rugosímetro ao tocar mecanicamente uma superfície. A rugosidade média R_a é utilizada em controle contínuo de linhas de produção e para superfícies que exigem apenas acabamento estético. A figura 2 ilustra uma representação gráfica típica da rugosidade média R_a.

A rugosidade média R_z corresponde à média aritmética dos valores absolutos dos cinco valores da rugosidade parcial, medidos por um rugosímetro em uma superfície. Trata-se de um valor mais exato de alturas e vales do perfil. A figura 3 ilustra a representação gráfica da rugosidade média R_z.

A rugosidade média Rz é principalmente utilizada na medição de superfícies nas quais o perfil é periódico e conhecido. Pontos isolados não influenciam na função da peça^[1].

Esforços de corte

Velocidade de Corta

A velocidade de corte utilizada no processo, é basicamente definida Figura 3 – Definição de rugosidade média Rz[1] pelo manual do fabricante, e leva em consideração diversos parâmetros do processo de alargamento. Estes incluem o tipo de material (a dureza), o tipo de alargador, quantidade de material a ser retirado e o acabamento do furo. O uso de velocidades mais altas gera uma usinagem mais rápida e, consequentemente, um aumento de produção, porém, um acabamento com menor qualidade.

Por outro lado, com a diminuição de velocidade de corte, a produção torna-se mais lenta e, consequentemente, ocorre um aumento da qualidade superficial. Geralmente, a velocidade de corte utilizada deve estar entre 65 e 75% da equivalente para a furação do mesmo material. Quanto maior a quantidade de metal a ser removida, menor deverá ser a velocidade de corte empregada no processo de alargamento^[4].

Avanço

Assim como a velocidade de corte, o avanço depende de diversos fatores, que são facilmente encontrados nos catálogos de fabricantes e que foram definidos para se obter o resultado desejado. Os valores de avanço para o alargamento são de duas a três vezes maiores do que os avanços para furação, considerando um mesmo material^[4].

Assim, os valores de avanço no processo de alargamento estão diretamente relacionados com os de avanço no processo de furação. Pode-se definir que o uso de valores de avanço mais altos gera um aumento na vida da ferramenta, porém, eles irão gerar um acabamento com erros geométricos no formato de ondulações na superfície da peça. Por outro lado, valores de avanço menores levam a um maior desgaste da ferramenta e resultam em um melhor acabamento^[3].

Materiais e métodos

Os ensaios de alargamento foram realizados em um centro de usinagem Romi Discovery 560, com comando Siemens 840 D, rotação máxima do eixo-árvore de 10.000 rpm, potência do motor principal de 15 kW e três eixos acionados por servomotores independentes. Com objetivo de compreender a influência do balanço da ferramenta, da velocidade de corte, do avanço e do sistema de fluido de corte no processo de alargamento de aços endurecidos, foram confeccionados corpos de prova em aço AISI P20 com dureza média de 42 HRC e dimensões de 20 x 20 x 11 mm.

Os corpos de prova já apresentavam uma pré-furação de 9,5 mm de diâmetro, sendo, em seguida, realizados os experimentos de alargamento empregando-se ferramentas com diâmetro de 9,68 mm. Durante o processo de alargamento, os esforços de corte, força de avanço (F_z) e momento torçor (Mz ), foram obtidos por um dinamômetro da marca Kistler, modelo 9272, acoplado ao software Dynoware, com uma taxa de amostragem de 500 Hz.

Como sistemas de resfriamento, foram empregados um fluido emulsionável com concentração de 6% e MQL. Este último foi configurado com uma vazão de 60 ml/h, utilizando o óleo Vascomil MMS a apenas um bocal de saída. As ferramentas utilizadas foram alargadores com as hélices retas com dois comprimentos distintos de balanço, 45 e 90 mm, fixados em um porta-pinça modelo BT40 Hydro 10 x 90, para uso com rotação máxima de 12.000 rpm.

Os parâmetros de entrada foram a velocidade de corte, o avanço, o comprimento de balanço e o sistema de resfriamento. Já os parâmetros do processo foram definidos de acordo com informações do fabricante dos alargadores para a aplicação em materiais endurecidos. A tabela 1 mostra os parâmetros de entrada com os seus respectivos níveis de variação. Foram realizadas três repetições para cada condição experimental. Como respostas, foram analisadas a força de avanço (F_z), o momento torçor (M_z) e a rugosidade nos parâmetros R_a e R_z.

Análise de resultados

Buscando verificar a influência dos parâmetros de entrada e suas interações sobre as respostas força de avanço (F_z), momento torçor (M_z) e rugosidades R_a e R_z, foi realizada a análise de variância (Anova), considerando 95% de significância. Em uma análise de variância, os “P-valores” indicam quais efeitos no sistema são estatisticamente significantes, baseando-se nos resultados experimentais das réplicas.

Se o “P-valor” for menor ou igual a α, é possível concluir que o efeito é significativo. O valor de α igual a 0,05 indica o nível de significância, ou seja, a condição de 95% de probabilidade de o efeito ser significativo. O valor de R² (adj), também exibido na análise de variância, mede a proporção da variabilidade presente nas observações das variáveis resposta. Quanto mais próximo de 100% for R², melhor a capacidade preditiva da variável de resposta.

A tabela 2 mostra o resultado da análise de variância para as respostas força de avanço F_z, momento torçor M_z e rugosidades nos parâmetros R_a e R_z. Deste modo, é possível verificar que essas respostas são influenciadas pelo balanço da ferramenta e pela velocidade de corte. A variação do tipo de fluido de corte só não teve influência no momento torçor M_z. O avanço teve influência apenas na força de avanço F_z e no momento torçor M_z.

Considerando as interações, pode-se concluir que a interação “balanço vs. velocidade de corte” teve influência sobre as respostas R_a, R_z , F_z e M_z, a interação “balanço vs. fluido” teve influência apenas nas respostas R_a e R_z, a interação “balanço vs. avanço” teve influência apenas na resposta R_z , a interação “fluido vs. velocidade de corte” teve influência apenas na força de avanço F_z e a interação dos três parâmetros de entrada “balanço vs. avanço vs. velocidade de corte” teve influência nas respostas R_a e R_z .

Análise das rugosidades R_a e R_z

A figura 4 mostra os efeitos principais das variáveis de entrada sobre as rugosidades Ra e Rz. Deste modo, é possível verifi car que a ferramenta com 90 mm de balanço, o sistema MQL e a velocidade de 60 m/min apresentaram os menores valores de rugosidades R_a e R_z, e que o avanço não influenciou na variação de nenhum dos parâmetros de rugosidade.

Isto ocorre devido à dinâmica do corte do alargador, que ocorre com a aresta principal na face frontal ao furo e, em seguida, a aresta secundária melhora o acabamento do furo eliminando qualquer influência da hélice deixada pela variação do avanço durante o processo. Observa-se na tabela 2 que o fluido de corte teve influência sobre os valores de rugosidade e força de avanço F_z, para os quais o uso do MQL proporcionou valores menores. Pode-se considerar que isto ocorreu pelo fato de o MQL apresentar uma qualidade mais lubrificante do que refrigerante, o que leva a um deslizamento, principalmente da aresta secundária de corte, melhorando o acabamento do furo.

A figura 5 apresenta a interação entre as variáveis de entrada “balanço vs. fluido de corte” sobre as rugosidades R_a e R_z . Assim, verifica-se para ambas as respostas que a ferramenta com balanço de 90 mm apresentou menores valores de rugosidades R_a e R_z, independente do sistema de fluido utilizado, mas manteve os valores de rugosidade constantes.

Por outro lado, para a ferramenta com balanço de 45 mm, verifica-se que o sistema de fluido de corte utilizado influiu nas respostas, sendo os menores valores de rugosidades R_a e R_z obtidos quando se utilizou o sistema de MQL. Isto demonstra que a rigidez da ferramenta devido a um balanço menor aplicado conjuntamente com um sistema de lubrificação de excelente lubricidade como o MQL tem também uma tendência para gerar menores valores de rugosidade nos parâmetros R_a e R_z e, consequentemente, um acabamento melhor.

Da mesma forma, a figura 6 (pág. 30) mostra a interação entre as variáveis de entrada “balanço vs. velocidade de corte” sobre as rugosidades R_a e R_z. Deste modo, pode-se verificar novamente que a ferramenta com balanço de 90 mm apresentou menores valores de rugosidades R_a e R_z que a ferramenta com balanço de 45 mm, independentemente da velocidade de corte utilizada.

Com relação às velocidades de corte utilizadas no processo, a figura 4 mostra um decréscimo significativo nos valores das rugosidades R_a e R_z quando se altera a velocidade de corte de 30 para 60 m/min. O corte dos materiais é facilitado com o aumento da velocidade devido ao aumento da temperatura, pois esta provoca um amolecimento na região de corte que facilita a geração e remoção de cavaco com uma superfície menos rugosa e mais bem-acabada.

A figura 7 apresenta a interação das variáveis de entrada balanço e avanço sobre a rugosidade R_z. Assim, verifica-se novamente que a ferramenta com balanço de 90 mm apresentou menores valores de rugosidade R_z que a ferramenta com balanço de 45 mm.

Com relação ao avanço, a figura 7 mostra que o seu aumento influenciou de forma diferente as duas ferramentas utilizadas. Para a ferramenta com balanço de 45 mm, o aumento do avanço propiciou um aumento no valor de R_z, no entanto, para a ferramenta com balanço de 90 mm, o aumento do avanço resultou na diminuição de R_z.

A figura 8 (pág. 31) mostra a interação entre as variáveis de entrada “balanço vs. avanço vs. velocidade de corte” sobre as rugosidades R_a e R_z. Assim, é possível verificar que o aumento da velocidade de corte, para um mesmo avanço e uma mesma ferramenta, apresentou uma diminuição nos valores das rugosidades R_a e R_z.

Também é possível verificar uma diminuição nos valores de Ra e R_z quando se alteram os balanços das ferramentas de 45 para 90 mm, quando considerada a mesma velocidade de corte e o mesmo avanço. No entanto, por outro lado, para a ferramenta de 45 mm e velocidade de corte de 30 m/min, o aumento do avanço propiciou um aumento nos valores de R_a e R_z. Já para esta mesma ferramenta, porém com velocidade de corte de 60 m/min, o aumento do avanço praticamente não alterou os valores de Ra e Rz.

Quando se analisa a ferramenta com balanço de 90 mm, juntamente com a velocidade de 30 m/min, o aumento do avanço propiciou uma diminuição nos valores de R_a e R_z, no entanto, para esta mesma ferramenta e velocidade de corte de 60 m/min, o aumento do avanço praticamente não implicou em nenhuma alteração nesses valores. Pode-se dizer que o avanço tem pouca influência no acabamento e na rugosidade devido à aresta lateral de corte que, conforme mencionado anteriormente, consegue melhorar o acabamento do furo e eliminar as influências da variação do avanço, em relação à velocidade de corte, pode-se afirmar que a remoção de material é facilitada devido ao amolecimento do material e facilita a geração e remoção de cavaco.

A influência do balanço pode estar relacionada à facilidade que o fluido de corte tem para atuar no processo, pois balanços maiores possibilitam a penetração do sistema de lubrificação com mais eficiência, ao contrário do que ocorre com balanços menores. Devido à descida da ferramenta no sentido axial, balanços menores podem provocar em determinado momento do processo um estrangulamento da região de entrada do fluido, o que diminui sua eficiência de atuação.

Análise dos esforços de corte F_z e M_z

A figura 9 (pág. 32) mostra os efeitos principais das variáveis de entrada sobre os esforços de corte F_z e M_z. Deste modo, é possível verificar que a ferramenta com 45 mm de balanço, o uso de emulsão, o valor de avanço de 0,3 mm/rot e a velocidade de 30 m/min apresentaram os menores esforços de corte F_z e M_z.

Com relação ao fluido de corte, apesar da tabela 2 mostrar que este não influencia M_z , na figura 9, é possível verificar que há uma tendência da emulsão apresentar menores valores de M_z que o MQL. Assim, pode-se definir que, devido ao aumento da secção de corte com a elevação do valor do avanço, os valores de força axial Fz e momento Mz tem a mesma tendência a um aumento. O sistema de MQL foi eficiente nas respostas R_a e R_z, porém, demonstrou-se com baixa efi ciência para reduzir os esforços de corte. Em relação à força de avanço F_z, pode-se atribuir que o efeito lubrificante do MQL também auxilia na minimização do atrito durante a geração de cavacos, mas a emulsão foi mais eficiente.

As variações dos sistemas de resfriamento não tiveram influência sobre o momento torçor M_z devido ao fato do sentido de aplicação dos fluidos, que ocorre na direção axial de cima para baixo e, portanto, auxiliam mais na redução do atrito no sentido da força axial F_z do que no momento torçor M_z, que ocorre de forma radial. Em relação ao parâmetro de entrada “balanço”, nota-se que este tem influência na força axial F_z e no momento M_z. Em relação à força axial, pode-se definir que, como citado anteriormente, alargadores com maiores balanços permitem uma atuação mais efetiva do sistema de lubrificação, pois evitam o bloqueio da entrada do fluido no furo, como pode ter acontecido com os alargadores de balanços menores.

Em relação ao torque, os alargadores menores – ou seja, com menor balanço – tem maior rigidez e não permitem uma torção do alargador devido à sua relação diâmetro/comprimento. Dessa forma, os alargadores com menores balanços provocam uma remoção mais exata da secção de corte especificada. Este fato pode ter levado a maiores valores de torção nos alargadores com maiores balanços que tendem a torcer no sentido contrário do corte e, consequentemente, elevam o valor do torque final para a remoção de material.

A figura 10 (pág. 32) mostra a interação entre as variáveis de entrada “balanço vs. velocidade de corte” sobre os esforços de corte Fz e M_z. Deste modo, pode-se verificar que a ferramenta com balanço de 45 mm apresentou menores esforços de corte que a ferramenta com balanço de 90 mm, sendo estes valores menores ainda quando reduzida a velocidade de corte utilizada.

Com relação às velocidades de corte utilizadas no processo, a figura 10 mostra um acréscimo significativo nos valores F_z e M_z quando se altera a velocidade de corte de 30 para 60 m/min. Este aumento nas respostas força axial F_z e momento torçor Mz está diretamente relacionado com o aumento da velocidade de corte, uma vez que a distância (raio da do alargador) de atuação do binário é mantida constante e sua variação estará diretamente relacionada com a velocidade de corte.

Da mesma forma, como o alargador movimenta-se simultaneamente axial e radialmente, a variação da força axial de corte será influenciada pela resultante entre o vetor velocidade de corte e o vetor velocidade de avanço. Devido à velocidade de corte ser, para este estudo, em alguns casos 200 vezes maior que a velocidade de avanço, existe uma forte influência da variação da velocidade de corte sobre a resposta força axial F_z.

A figura 11 apresenta a interação das variáveis de entrada “fluido de corte vs. velocidade de corte” sobre a força de avanço F z. Assim, é possível verifi car, para a velocidade de corte de 30 m/min, que o fl uido de corte não apresentou influência sobre a resposta, isto é, para esta velocidade de corte, os valores de F_z foram os mesmos para ambos os fl uidos de corte. Com relação à velocidade de corte de 60 m/min, a emulsão apresentou menores valores de F_z que o sistema MQL. Pode-se afirmar que o efeito da lubrificação do sistema de emulsão é mais eficiente que o sistema de MQL. O sistema de MQL gerou um aumento de 17% na força axial Fz.

Conclusão

De acordo com os resultados obtidos neste trabalho, as seguintes conclusões podem ser definidas:

• Os menores valores de rugosidade encontrados foram de 0,19 μm para R_a e de 1,8 μm para R_z, ambos utilizando a ferramenta de 90 mm de balanço, emulsão, avanço de 0,3 mm/rot e velocidade de corte de 60 m/min.
• Os menores esforços de corte encontrados foram de 20,5 N para F_z e de 0,25 N.m para M_z, ambos utilizando a ferramenta de 45 mm de balanço, sistema MQL, avanço de 0,3 mm/rot e velocidade de corte de 30 m/min.
• O uso de ferramentas com valores maiores de balanço pode, em alguns casos, ser mais eficiente, pois permite uma atuação mais eficiente do sistema de resfriamento.
• Em relação ao efeito da minimização do atrito devido à lubricidade do fluido de corte, pode-se afirmar que a emulsão pode ter sido mais efi ciente devido à quantidade aplicada por área no processo. Entretanto, o uso do sistema de MQL pode ser promissor para a aplicação em alargadores, considerando que a diferença entre os dois sistemas foi mínima e que os problemas com a reciclagem de óleos, no caso do MQL, são menores.

Referências

1. Almeida, D. O.: Investigação de desvios geométricos no alargamento de ferro fundido com ferramenta revestida. 16° Posmec. Femec/UFU, p. 1-10, Uberlândia, 2008.
2. Bezerra, A. A.; Machado, A. R.; Souza Jr. A. M.; Ezugwu, E. O.: Effects of machining parameters when reaming aluminum-silicon (SAE 322) alloy. v. 112, (2/3), p. 185-198, 2001.
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4. Borille, A.V.: Análise do alargamento de ferro fundido cinzento GG25 com ferramentas de metal duro. Dissertação (mestrado), Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 153 p., Florianópolis, 2005.
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