Análise dos esforços de corte nas operações em cheio e com pré-furo do aço endurecido AISI P20

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Na fabricação e moldes e matrizes, a furação de materiais endurecidos ainda representa um desafio. O objetivo desse trabalho foi analisar a influência da presença de pré-furo na análise dos esforços de corte durante o processo de furação do aço endurecido AISI P20. Foram utilizadas brocas de metal duro com revestimento de TiAlN e os parâmetros de entrada foram a presença ou não de um pré-furo nos corpos de prova, o sistema de lubrificação, a velocidade de corte e o avanço da ferramenta. Deste modo, foi possível perceber que a furação em cheio apresentou maiores esforços de corte que a furação com pré-furo, assim como a utilização do sistema MQL. Além disso, os experimentos mostraram que a variação da velocidade de corte e do avanço da ferramenta e suas interações também exerceram influência sobre os esforços de corte.

É. M. Arruda, S. L. M. Ribeiro F.º, R. B. Borba e L. C. Brandão

Data: 20/08/2016

Edição: MM Agosto 2016 - Ano 52 - N^o 607

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Moldes e matrizes são utilizados na fabricação de peças próximas à forma final, antes da usinagem de acabamento para adquirir as tolerâncias e rugosidades exigidas nos produtos. Alguns exemplos de processos de fabricação que utilizam moldes e matrizes são o forjamento; a fundição e o processo de injeção.

Analisando o processo de injeção, por exemplo, observa-se que a utilização de produtos de plástico cresceu exponencialmente nas últimas décadas. De acordo com Daré^[3], essa utilização é responsável por cerca de 35% do consumo de polímeros produzidos no país. Boujelbene et al.1] investigou os custos dos produtos de plástico e concluiu que 30% do custo dos produtos está relacionado com a fabricação de moldes, 25% com o processo de in- jeção, 25% com o material plástico e 20% relacionado com design, simulação e outros custos. Portanto, a fabricação de moldes é o item mais representativo para o custo de um produto plástico.

O desenvolvimento tecnológico das ferramentas de corte permitiu a usinagem de materiais endurecidos, eliminando, assim, perdas relacionadas à interrupção dos processos de fabricação devido ao tratamento térmico. No entanto, alguns processos, tais como a furação, ainda apresentam um desafio ao se trabalhar com aços endurecidos^[10].

Entre os processos de usinagem utilizados em moldes e matrizes, a furação está entre os mais importantes, e é um dos mais utilizados no setor metalmecânico brasileiro. Apesar de sua importância, este não progrediu com a mesma velocidade dos processos de torneamento e fresamento, por exemplo.

No entanto, alguns avanços tecnológicos foram notados nos últimos anos, principalmente no desenvolvimento de brocas de metal duro. Além disso, foram estabelecidos novos conceitos de geometria e desenvolvidos novos revestimentos de alta resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito para a usinagem de materiais endurecidos e de baixa usinabilidade^[5,10].

Na furação com brocas helicoidais, os esforços atuantes estão ligados à geometria da broca e às condições de corte do processo (avanço, velocidade de corte e rigidez do conjunto peça/máquina-ferramenta). De acordo com Ferraresi^[6] e Diniz et al.5], a força de avanço (F_f) e o momento torçor (M_t) são compostos pelos seguintes esforços parciais: resistência devido ao corte do material nas duas arestas principais de corte; resistência devido ao corte e ao esmagamento do material (deformação plástica do material) na aresta transversal; e atrito nas guias e entre a superfície de saída da broca e o cavaco.

As equações 1 e 2 representam, respectivamente, as expressões para a força de avanço (F_f) e para o momento torçor (M_t), assim como os índices a, b e c representam a resistência das arestas principais, a resistência da aresta transversal e os atritos nas guias e entre a superfície de saída da broca e o cavaco, respectivamente.

Observa-se que, no caso da furação com pré-furação, as parcelas Ffb, da força de avanço (F_f), e Mtb, do momento torçor (M_t), não existirão. Para Ferraresi^[6] e Diniz et al.^[5], a participação percentual de cada parcela nos esforços totais é variável, dependendo do material furado, do avanço, da afiação da broca, da profundidade do furo, da refrigeração etc.

Esses valores variam dentro de alguns limites. A parcela relacionada às arestas principais corresponde de 39-59% (F_f) e de 77-90% (M_t); a parcela da aresta transversal de 40-58% (F_f) e de 3-10% (M_t); e a parcela do atrito nas guias de 2-5% (F_f) e de 3-13% (M_t).

Camargo^[2] realizou um trabalho visando comparar, por meio do processo de furação, a usinabilidade dos aços inoxidáveis ABNT 304 com o similar V304 UF. Neste trabalho, o autor observou que tanto a força de avanço como o momento torçor são influenciados pelo material furado, pelo avanço da ferramenta e pela velocidade de corte. Além disso, os menores valores de avanço da ferramenta corresponderam aos menores valores de força de avanço para ambos os materiais e, por fim, comprovou-se que o aço V304 UF apresentou melhor usinabilidade.

Hamade et al.7] utilizaram o alumínio 6061-T6 no processo de furação com pré-furo para desenvolver uma metodologia capaz de estimar as equações dos esforços de corte do processo, bem como as pressões específicas de corte associadas. Por meio dos experimentos realizados, verificou-se a influência do pré-furo nos esforços de corte. Assim, com o aumento do diâmetro do pré-furo percebeu-se que a força de avanço e o momento torçor diminuíram, e que, ao se variar também o avanço da ferramenta, o momento torçor apresentava maior variação que a força de avanço.

Ke et al.8] desenvolveram um modelo analítico capaz de prever os esforços de corte causados pela variação da espessura do cavaco, durante o processo de furação profunda. Além disso, os autores observaram que o aumento dos esforços de corte, devido ao aumento da profundidade de furação, é causado pelo atrito do cavaco com o canal da ferramenta e com a parede do furo e pelo aumento da espessura do cavaco.

Pirtini e Lazoglu^[11] desenvolveram um modelo matemático baseado nos mecanismos e na dinâmica do processo de furação capaz de prever os esforços de corte para várias condições de corte durante o planejamento do processo. Também permite a determinação, simulação e visualização dos perfis dos furos em três dimensões.

Segundo Pirtini e Lazoglu^[11], as propriedades e a geometria da broca, o material a ser furado e os parâmetros do processo de furação influenciam não só os esforços de corte como a qualidade dos furos, sendo os esforços de corte os principais responsáveis por problemas relacionados com o processo de furação, como erros de forma, vibração, desgaste de ferramentas etc. Desta forma, o objetivo desse trabalho é analisar a influência da presença de pré-furo na análise dos esforços de corte durante o processo de furação do aço endurecido AISI P20, levando em consideração o sistema de lubrificação, a velocidade de corte e o avanço da ferramenta.

Metodologia

Os experimentos foram realizados no Laboratório de Usinagem do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ). Os ensaios de furação consistiram na produção de furos passantes de 9,5 mm de diâmetro e foram realizados no centro de usinagem Discovery 560, que tem rotação máxima de 10.000 rpm e potência de 15 kW (figura 1a, pág. 30).

Os corpos de prova utilizados foram de aço-ferramenta para injeção de plástico, AISI P20 (DIN 1.2738) tratados termicamente, com têmpera a 800°C por 30 minutos e revenimento por 60 minutos, para obter uma dureza média de 42 HRC. As dimensões dos corpos de prova eram de 20 x 20 x 11 mm (comprimento x largura x altura), e tiveram as faces superior e inferior retificadas para eliminar saliências e produzir um paralelismo preciso.

Os experimentos foram aleatorizados por níveis em um planejamento estatístico fatorial (2k) e cada condição experimental foi repetida três vezes, somando um total de 48 experimentos. Os parâmetros de entrada foram a presença ou não de um pré-furo nos corpos de prova, o sistema de lubrificação (emulsão ou mímina quantidade de lubrificante - MQL), a velocidade de corte e o avanço da ferramenta.

Para a produção dos pré-furos foi utilizada uma broca de metal duro com 3,5 mm de diâmetro e revestimento de TiAlN da fabricante Dormer, código R4583.5. Os furos de 9,5 mm de diâmetro foram realizados utilizando uma broca de metal duro de 9,5 mm de diâmetro e revestimento de TiAlN da fabricante Mitsubishi, código MZS0950MB, classe VP15TF.

A técnica MQL foi empregada com 60 ml/h do fluido Vascomill MMS, da Blaser. A emulsão utilizada apresenta 6% em concentração de óleo e foi aplicada de modo convencional. Foram utilizados dois níveis para a velocidade de corte e dois níveis para o avanço da ferramenta. A tabela 1 mostra os parâmetros de entrada com seus respectivos níveis.

As variáveis de resposta do processo de furação foram a força de avanço média (F_fm) e o momento torçor médio (M_tm). Para medição das variáveis de resposta foi utilizado um dinamômetro piezoelétrico estacionário Kistler 9272 com quatro canais, um amplificador de sinais Kistler 5070A e o software Dynoware também fornecido pela Kistler. Os dados das respostas foram analisados estatisticamente com o software Minitab e, para a geração dos gráficos dos esforços de corte e obtenção de seus valores médios, empregou-se também o software Matlab.

Resultados

A influência dos parâmetros de entrada e suas interações sobre as respostas força de avanço média (F_fm) e momento torçor médio

(M_tm) foi verificada usando-se a análise de variância (Anova), considerando-se 95% de significância. Nela, o parâmetro F representa a relação-F, que é calculada dividindo a média quadrada ajustada de cada fator pela média quadrada ajustada do erro.

Os P-valores indicam quais efeitos são estatisticamente significantes no sistema, baseando-se nos resultados experimentais das réplicas. Se o P-valor for menor ou igual a α é possível concluir que o efeito é significante. 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 resposta.

A tabela 2 mostra o resultado da análise de variância para as respostas força de avanço média (F_fm) e momento torçor médio (M_tm). Deste modo, verifica-se que todos os fatores exercem influência sobre Ffm e Mtm nas análises individuais, assim como a maioria das interações entre os fatores.

As interações “Condição de furação*Fluido”, “Condição de furação*Fluido*Avanço”, “Condição de furação*Avanço*Velocidade de corte” e “Condição de furação *Fluido*Avanço*Velocidade de corte” não apresentam significância para nenhuma das respostas. Já a interação “Condição de furação*Fluido*Velocidade de corte” apresenta significância apenas para Mtm.

Influência da condição de furação e do avanço

Os dados dos experimentos podem ser agrupados de tal forma que se tenha quatro grupos, classificados pelas condições de furação e pelos avanços utilizados. Cada grupo com 12 experimentos é composto por forças de avanço médias e momentos torçores médios obtidos com as duas velocidades de corte (25 e 50 m/min) e com os dois sistemas de lubrificação (emulsão e MQL) utilizados. A figura 2 mostra a análise dos dados desses quatro grupos.

Analisando os dados apresentados na figura 2 é possível verificar que a condição de furação com pré-furo apresenta menores valores de força de avanço média e momento torçor médio que a furação em cheio. Assim, como verificaram Yamada^[15], Camargo^[2] e Diniz^[4], a maior parcela da força total de avanço é proporcionada pela resistência que a aresta transversal de corte sofre durante a furação, e, como na furação com pré-furo a aresta transversal de corte não estava em trabalho, uma considerável parcela da força de avanço foi reduzida.

Com relação ao momento torçor médio, como há uma menor quantidade de material a ser retirada no processo de furação com pré-furo, apesar de se ter um braço de alavanca maior, menor também foi o valor do momento torçor médio. Ainda de acordo com a figura 2, verifica-se para a força de avanço média que a variação do avanço é mais sensível para a furação em cheio que para a furação com pré-furo.

Como citado, na furação com pré-furo, a aresta transversal de corte não estava em trabalho, o que justifica a furação em cheio ser mais sensível a esta alteração. Para ambas as condições de furação, o aumento do avanço ocasiona o aumento da força de avanço média.

Para o momento torçor médio, o aumento do avanço também provoca uma elevação em seu valor, no entanto, esse aumento é sentido da mesma forma pelas duas condições de furação. Segundo Camargo^[2] e Diniz et al.^[5], o aumento do avanço ocasiona o aumento da seção do cavaco e, consequentemente, dos esforços de corte. No entanto, isso não ocorre na mesma proporção, pois o aumento do avanço diminui a pressão específica de corte.

Influência da condição de furação e da velocidade de corte

Assim como citado na seção anterior, os dados dos experimentos podem ser agrupados de tal forma que se tenha quatro grupos, classificados pela condição de furação e pelas velocidades de corte utilizadas. Cada grupo com 12 experimentos é composto por forças de avanço médias e momentos torçores médios obtidos com os dois sistemas de lubrificação (emulsão e MQL) e com os dois avanços (0,08 mm/rot e 0,12 mm/rot). A figura 3 (pág. 34) mostra a análise dos dados desses quatro grupos.

Analisando os dados apresentados na figura 3, é possível verificar que a condição de furação com pré-furo apresenta menores valores de força de avanço média e momento torçor médio que a furação em cheio, independente da velocidade de corte utilizada. Isso se deve ao fato da aresta transversal de corte não estar em trabalho, como citado anteriormente.

Com relação à alteração da velocidade de corte, a figura 3 mostra que o aumento da velocidade de corte proporcionou um aumento na força de avanço média e uma diminuição no momento torçor médio para ambas as condições de furação.

Influência do sistema de lubrificação e do avanço

Como citado anteriormente, os dados dos experimentos podem ser agrupados de tal forma que se tenha quatro grupos, classificados pelo sistema de lubrificação e pelo avanço utilizados. Cada grupo com 12 experimentos é composto por forças de avanço médias e momentos torçores médios obtidos com as duas condições de furação (em cheio e com pré-furo) e com as duas velocidades de corte (25 e 50 m/min) utilizadas. A figura 4 mostra a análise dos dados desses quatro grupos.

Analisando os dados apresentados na figura 4, verifica-se que o sistema de lubrificação com MQL apresentou maiores valores de força de avanço média e de momento torçor médio que o sistema de lubrificação com emulsão. Segundo Sreejith e Ngoi^[14] e Camargo^[2], a aplicação da mínima quantidade de lubrificante externamente pode ser comparada com a furação à seco, pois o filme de lubrificante aplicado apresenta um efeito máximo de lubrificação que pode não ser capaz de lubrificar totalmente as guias da ferramenta.

Apesar de Zeilmann^[16] e Rahim e Sasahara^[12] conseguirem menores esforços de corte com a aplicação do MQL na furação de ligas de titânio, isso não ocorreu com o aço AISI P20 nos experimentos deste trabalho. Mesmo que o MQL tenha apresentado maiores esforços de corte que a emulsão, exigindo mais potência de corte da máquina-ferramenta e gerando maiores gastos com energia elétrica, a utilização deste sistema pode se tornar benéfica a longo prazo, pois, além do fluido lubrificante ser reciclável e menos agressivo ao meio ambiente, este é utilizado a baixas vazões, o que provavelmente reduz custos na produção.

A figura 4 também mostra que a força de avanço média e o momento torçor médio aumentam quando o avanço é elevado, independente do sistema de lubrificação. Como citado anteriormente, a elevação do avanço ocasiona o aumento da seção de corte do cavaco e, consequentemente, dos esforços de corte.

Influência da velocidade de corte e do sistema de lubrificação

Os dados dos experimentos podem ser agrupados de tal forma que se tenha quatro grupos, classificados pela velocidade de corte e os sistemas de lubrificação utilizados. Cada grupo com 12 experimentos é composto por forças de avanço médias e momentos torçores médios obtidos com as duas condições de furação (em cheio e com pré-furo) e com os dois avanços (0,08 e 0,12 mm/ rot). A figura 5 mostra a análise dos dados desses quatro grupos.

Pelos dados apresentados na figura 5, verifica-se, para a força de avanço média, que seus valores foram maiores quando se utilizou o sistema MQL. O aumento da velocidade de corte, juntamente com a utilização desse sistema, não influiu na força de avanço média, no entanto, reduziu o momento torçor médio. Quando se analisa o aumento da velocidade de corte com a utilização de emulsão, percebe-se que ambos os esforços de corte aumentaram.

Segundo Ning et al.9], Sharman et al.13] e Zeilmann et al.17], o material removido durante a usinagem pode apresentar algumas alterações como deformações plásticas, aumento de dureza e formação da chamada camada branca. O atrito entre as regiões de elevada dureza com a parede do furo provoca dificuldades no escoamento do cavaco, aumentando seu volume e, consequentemente, comprometendo o escoamento do mesmo para fora do furo.

Desse modo, pode-se supor que o aumento da velocidade de corte gerou um aumento na temperatura do aço, o que facilitaria a remoção de material. No entanto, o sistema de emulsão apresentou melhores condições de lubrificação e refrigeração que o sistema de MQL, contendo esse aumento de temperatura e, consequentemente, propiciando o aumento dos esforços de corte.

Influência da velocidade de corte e do avanço

Os dados dos experimentos podem ser agrupados de tal forma que se tenha quatro grupos, classificados pela velocidade de corte e avanço utilizados. Cada grupo com 12 experimentos é composto por forças de avanço médias e momentos torçores médios obtidos com as duas condições de furação (em cheio e com pré-furo) e com os dois sistemas de lubrificação (emulsão e MQL) utilizados. A figura 6 (pág. 36) mostra a análise dos dados desses quatro grupos.

Analisando os dados apresentados na figura 6, verifica-se, para a força de avanço média, que tanto o aumento do avanço como o aumento da velocidade de corte propiciaram um aumento no valor da resposta, sendo esta mais sensível para a variação da velocidade de corte.

Com relação ao momento torçor médio, também apresentado na figura 6, verifica-se uma forte influência do avanço na resposta. O aumento do avanço proporcionou um aumento significativo no momento torçor médio, devido ao aumento da seção de corte do cavaco. No entanto, o aumento da velocidade de corte para o avanço de 0,08 mm/rot não influenciou a resposta.

Para o avanço de 0,12 mm/ rot, o aumento da velocidade de corte apresentou uma diminuição no valor do momento torçor médio. Ainda de acordo com a figura 6, pode-se dizer que os menores valores de avanço e de velocidade de corte propiciaram os menores esforços de corte.

Influência da velocidade de corte, do avanço e do sistema de lubrificação

Os dados dos experimentos podem ser agrupados de tal forma que se tenha oito grupos, classificados pela velocidade de corte, avanço e os sistemas de lubrificação utilizados. Cada grupo com seis experimentos é composto por forças de avanço médias e momentos torçores médios obtidos com as duas condições de furação (em cheio e com pré-furo) utilizadas. A figura 7 (pág. 37) mostra a análise dos dados desses oito grupos.

Por meio dos dados apresentados na figura 7, pode-se verificar, para a força de avanço média, que o sistema MQL apresentou maiores esforços de corte que a emulsão, independente da velocidade de corte e do avanço utilizados. Para o momento torçor médio, isso só ocorreu quando se utilizou a menor velocidade de corte e o menor avanço juntos.

De acordo com a figura 7, também é possível verificar que o aumento do avanço gerou um aumento nos esforços de corte, independente do sistema de lubrificação. Isso pode ser justificado pelo aumento da seção de corte do cavaco.

Como citado anteriormente, é bem possível que o aumento da velocidade de corte tenha proporcionado um aumento na temperatura do aço, sendo que a emulsão foi capaz de conter esse aumento, diferentemente do sistema MQL. Assim, verifica-se, para o uso do sistema MQL, que o aumento da velocidade de corte não foi tão significativo para a força de avanço média como foi para o momento torçor médio. Com o uso de emulsão é possível que tenha ocor rido uma melhor lubrificação e refrigeração do aço, inibindo o aumento de temperatura e gerando maiores esforços de corte com o aumento da velocidade de corte.

Conclusão

Os dados experimentais deste trabalho mostraram que os esforços de corte durante a furação do aço AISI P20 são influenciados pela condição de furação, pelo sistema de lubrificação, pela velocidade de corte e pelo avanço da ferramenta. A condição de furação com pré-furo apresentou menores esforços de corte que a furação em cheio.

Apesar do sistema de MQL apresentar maiores esforços de corte que a emulsão, a utilização deste sistema pode se tornar interessante a longo prazo, pois, além de ser menos agressivo ao meio ambiente, há a possibilidade da reciclagem do fluido e a vazão utilizada ser baixa, o que pode reduzir custos no processo. Com relação às velocidades de corte e avanço da ferramenta, os menores esforços de corte encontrados foram com a utilização destas variáveis em seus níveis mínimos.

Assim, os menores esforços de corte encontrados foram de 568,7 N para a força de avanço média e 4,9 Nm para o momento torçor médio, quando se utilizou a furação com pré-furo, o sistema de emulsão, a velocidade de corte de 25 m/min e o avanço da ferramenta de 0,08 mm/rot. Já os maiores esforços de corte encontrados foram de 2.733,2 N para a força de avanço média e 9,2 Nm para o momento torçor médio, quando se adotou a furação em cheio, o sistema MQL, a velocidade de corte de 25 m/min e o avanço da ferramenta de 0,12 mm/rot.

Referências

1. Boujelbene, M.; Moisan, A.; Tounsi, N.; Brenier, B.: Productivity enhancement in dies and molds manufacturing by the use of C1 continuous tool path. International Journal of Machine Tool & Manufacture, Amsterdam, Holland, v. 44, nº 1, p. 101-107, 2004.
2. Camargo, R.: Verificação da usinabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos