Otimização do processo com o uso de brocas especiais

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Um estudo de caso comprovou que a furação com ferramentas distintas mostrou-se mais eficaz do que o mesmo processo com ferramenta combinada. Aspectos tribológicos (desgaste e lubrificação) também foram observados, para que a escolha correta de uma ferramenta contemple vida útil estável entre as diversas reafiações e/ou trocas. Este artigo pretende contribuir para a melhor escolha a ser feita pelos profissionais envolvidos com projeto e aplicação: ferramenta combinada ou combinação de ferramentas?

M. A. Rodrigues

Data: 20/05/2007

Edição: MM Maio 2007

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Entre os processos de usinagem praticados diariamente nas indústrias, o de furação seguramente ocupa uma posição de destaque junto com o de torneamento cilíndrico e o de fresamento de faceamento. As especificações de engenharia costumam combinar em apenas um perfil de furação diversas características, como chanfros, faces rebaixadas, cantos arredondados e outros detalhes, que devem ser produzidos com o menor número de ferramentas de corte, ou seja, com brocas que possibilitem a obtenção completa de todo detalhamento do furo. As ferramentas para esse tipo de operação são chamadas de brocas combinadas.

Ainda dentro da otimização do processo de furação, tem-se a aplicação de revestimentos metálicos, ou cerâmico-metálicos, que maximizam a eficiência da operação com aumento das velocidades de corte e de avanço empregadas.

A crescente utilização de ferramentas computacionais de simulação por elementos finitos faz com que o projeto de uma ferramenta de furação seja o mais eficiente possível em estabilidade durante o corte, fluxo do cavaco e resistência ao torque e às cargas axiais aos quais a ferramenta será submetida.

Uma análise econômica detalhada mostra que, em diversos casos, a furação com perfil combinado deverá ser feita de maneira conjugada (com uma única ferramenta). Mas, em muitos outros casos, o uso de ferramentas distintas para se obter um perfil combinado acaba sendo mais econômico para o processo, devido ao aumento da rigidez e das velocidades empregadas e da redução significativa do custo de obtenção destas ferramentas.

Revisão bibliográfica

O processo de furação combinada

Denomina-se furação combinada o processo no qual uma ferramenta rotativa, a broca combinada, realiza simultaneamente uma furação na qual é gerado mais do que um único perfil cilíndrico interno a uma superfície relativa. A partir dessa definição, tem-se que essas furações poderão ter variantes.

As possíveis combinações estão sempre voltadas a fazer chanframentos, furações cônicas, arredondamento de cantos e rebaixos de perfis furados. Outros tipos de furações que também têm importante participação no total de operações do tipo realizadas no chão de fábrica são a furação passante e a furação profunda. Esta última é feita com brocas especiais, que também poderão ser combinadas ou não.

Outra conclusão a ser tirada da análise de uma furação combinada é o aumento da área de corte, comparativamente a um furo cilíndrico simples. Se na furação cilíndrica simples necessita-se de um alinhamento cor reto da broca para que os desvios radiais e axiais sejam minimizados, esse detalhe é ainda mais preocupante na furação combinada. O não-alinhamento das arestas de corte que irão chanfrar ou rebaixar resultará em desgaste prematuro da ferramenta, além de outros efeitos colaterais, como a vibração excessiva ao longo do corte.

Qualidade do furo combinado

Os principais pontos que influenciam a qualidade do furo combinado são:

• Deformação devido às forças compressivas da fixação

  A explicação é dada pelo relaxamento do material da peça após a furação. Ou seja, a ferramenta realizou um furo cilíndrico, mas quando a carga de fixação da peça é retirada verificase que a deformação ocorrida não superou o limite plástico. Portanto, o volume tende a retornar à sua forma inicial e apresentar um perfil diferente do cilíndrico, que em muitos casos tende a uma elipse orientada pela direção da força aplicada.

• Desalinhamento da ferramenta

  Um deslocamento do eixo da ferramenta irá aumentar o diâmetro do furo, no caso de ferramentas de maior rigidez, ou flectir o eixo teórico do furo, com ferramentas de menor rigidez (chamado desvio do furo).

  Para ambos os casos, se a excentricidade possibilitar uma deformação que exceda o limite de rigidez à flexão (para o caso de uma ferramenta em rotação), a ferramenta irá entrar em colapso, quebrando no ponto em que o momento de flexão atinja o limite de resistência solicitado.

  É importante comentar que o desalinhamento poderá ser resultado tanto da produção quanto da fixação inadequadas da ferramenta.

• Expulsão ineficiente do cavaco produzido

  A explicação para a formação de sulcos na parede do furo baseia-se na hipótese de que o empacotamento que o cavaco sofre durante sua geração não é suficiente para que ele escoe sem entupimento dos canais, com o uso de uma relação pressão-vazão inadequada.

  Outro aspecto que também explica os riscos é a conicidade inadequada (back-taper) apresentada pela broca. Em excesso, essa conicidade permite que o cavaco saia do bolsão pela ação de forças centrífugas e sulque a peça ao longo do avanço ou retorno da ferramenta.

  Por outro lado, a falta de conicidade, associada aos desvios provenientes da dinâmica do processo, fará com que esses riscos ocorram pela fricção intermitente ou não entre o corpo da ferramenta e o furo.

• Afiação não-adequada

  Cada tipo de material apresenta uma afiação adequada, devido à resistência à penetração que oferece ao corte. A usinabilidade engloba, entre outros fatores que compõem o seu valor, a facilidade de penetração da ferramenta e o cisalhamento e alongamento do material no final do corte.

  Para uma furação contínua, ou mesmo com ciclo de quebra do cavaco, é possível aproximar as hipóteses do modelo que descreve a formação do cavaco em furação com aquele usado para o torneamento cilíndrico, uma vez que a aresta de corte permanece em contato com a peça durante uma revolução completa da ferramenta ou da peça.

  A formação do cavaco obedece todas as fases, conforme Diniz et al^[2]. Um caso limite a ser considerado é a furação de chapas que, ainda que tenham o mesmo material que uma peça sólida, não serão furadas com a mesma afiação de ferramenta.

• Diferenças estruturais micro e macroscópicas:

  As diferenças microscópicas estão voltadas às características internas da estrutura do material, como diferenças no tratamento térmico, heterogeneidade na composição, defeitos metalúrgicos e fases secundárias que alteram sensivelmente a resistência do material.

  Já as diferenças macroscópicas estão voltadas a defeitos de processamento, como as falhas de material (bolhas, rechupes), interrupção do fluxo do fluido refrigerante (condutor bloqueado) e decréscimo da capacidade de penetração em função do percurso de corte já realizado (desgaste da ferramenta).

• Projeto inadequado da ferramenta de corte:

  Dentro do aspecto do projeto da ferramenta, tem-se que esta deverá suportar os esforços axiais sem flectir ou flambar, e a mudança do ângulo de posição de corte não deverá ocasionar distorções na rigidez torsional e na flexão em virtude dos possíveis perfis combinados que serão gerados.

  Grandes mudanças de ângulo de posição (exemplo: broca que realiza furação e faceamento) tendem a gerar maior vibração e desbalanceamento ao longo e no final do corte. A concentração de tensão na mudança de diâmetro resulta na fragilização do corpo da ferramenta e, conseqüentemente, no seu colapso.

Ferramentas de corte para furação combinada

As brocas que realizam a operação de furação combinada podem ser produzidas com um único material (açorápido ou metal duro) ou podem ser intercambiáveis, ou seja, com pastilhas fixadas mecanicamente por parafuso ou grampo de fixação. Outro método de produção de brocas combinadas poderá ser com a utilização de plaquetas perfiladas de metal duro soldadas em um corpo em aço-ferramenta.

Esse último método, ainda muito utilizado, é a base para um projeto híbrido de confecção de brocas combinadas que utiliza plaqueta intercambiável perfilada sobre um corpo em aço. A figura 1 (pág. 127) apresenta as possíveis configurações de uma broca combinada.

Os principais aspectos a serem observados em um projeto eficiente de uma broca combinada são:

• Haste,
• seção transversal (núcleo e guias),
• canais (escoamento e refrigeração) e
• arestas de corte.

Projeto eficiente

Se a análise for concentrada nos três últimos pontos, para se montar um projeto eficiente de uma broca combinada, os principais detalhes a serem discutidos são:

• Seção transversal
  

  Thornley et al^[15] observaram as principais características da seção transversal de uma broca. Concluíram que o momento de inércia e a área são fundamentais para o desempenho adequado da ferramenta. Duas equações foram obtidas empiricamente por eles, que mostraram ser suficientes para uma comparação entre diferentes ferramentas por uma análise de regressão.

  
  
  Onde:
  L = largura do canal,
  Ro = raio da ferramenta,
  W = largura do núcleo,
  p = ângulo de ponta e
  θo = ângulo de hélice.
  

  A comparação entre duas brocas ainda em sua fase de concepção poderá levar em conta os parâmetros fornecidos, que resultarão em uma ferramenta mais ou menos rígida.

  As guias de uma broca combinada também devem obedecer aos mesmos preceitos das guias para uma broca cilíndrica simples (redução do atrito entre a parede do furo e o corpo da ferramenta e guiar a broca ao longo do furo).

  Conforme Ferraresi [3], dependendo do número de reduções de diâmetros, da relação entre essas reduções e do comprimento de cada escalonado, pode-se empregar construções mais simples, como é o caso de uma broca combinada de dois canais helicoidais.

  As brocas escalonadas de guias múltiplas são mais vantajosas, pois cada degrau apresenta duas guias diametralmente opostas que se estendem até o final do canal. Com isso, obtémse maior aproveitamento da ferramenta em cada reafiação a que ela deverá ser submetida. Possuir guia para cada escalonamento irá tornar o corte mais estável, também pela possibilidade de não ocorrer aumento súbito na força de atrito.

• Canais de escoamento
  

  Thornley et al^[15] afirmam que a área total dos canais não é um fator significante, uma vez que um cavaco típico de furação é cônico e o círculo inscrito dentro desse canal é o parâmetro fundamental para o projeto. Dessa forma, quanto maior o círculo inscrito, melhor será o escoamento do cavaco.

  No entanto, a rigidez decresce à medida que o diâmetro aumenta. Hanle et al[4] reforçam a tese de que o aumento da área irá resultar na diminuição do momento resistente, e a rigidez do sistema é um ponto fundamental para que canais mais profundos sejam utilizados com sucesso. A figura 2 ilustra essa análise^[15].

  Mellinger et al^[9] estudaram o torque e a força axial necessários para que ocorra o escoamento do cavaco em diversas geometrias, considerando o como um sólido granular. Verificaram que, mesmo com área de escoamento maior, as brocas convencionais necessitaram de torque maior, pois o cavaco gerado mostrou ser menos eficiente para um fluxo, quando comparado com um cavaco de uma broca com canal parabólico.

  As hipóteses válidas para o modelo de Mellinger et al, bem como para os demais modelos que avaliam o quão significativo é o fluxo, são:

  • O cavaco exerce pressão nas paredes do furo e nas paredes do canal.
  • O fluxo ocorre através dos canais.
  • Existe contato entre cavaco e canal.
  • Distribuição anisotrópica de tensões.
  • Forças de fricção proporcionais às forças normais.

  Um importante aspecto a ser observado na confecção dos canais para brocas combinadas é sua possibilidade de retificação com rebolos perfilados, que não necessariamente possuem o mesmo perfil da seção do canal. Essa possibilidade, garantida por máquinas CNC especiais, possibilitou que canais de escoamento pudessem contemplar mudanças significativas de diâmetro nas brocas, e ainda tornar diferencial a profundidade do canal em relação ao diâmetro e ao eixo da broca.

  Isso significa que a profundidade do canal, que deveria, no máximo, aumentar ou diminuir de maneira constante com máquinas afiadoras convencionais, evolui de forma diferente com máquinas CNC à medida que os diâmetros mudam ou o comprimento aumenta ou diminui.

• Canais de refrigeração
  

  Hanle et al^[4] realizaram diversas pesquisas sobre geometrias que facilitam o escoamento do fluido refrigerante em brocas. Concluíram que novas geo metrias dos canais de refrigeração garantem melhor escoamento do fluido, sem prejudicar o desempenho nem a rigidez torsional da ferramenta.

  Furos trigonais substituem furos cilíndricos, oferecendo menor perda de carga em função do comprimento da fer ramenta. A entrada do fluido tem uma grande importância, e comporta-se como o principal fator para a perda de carga.

  Jung et al[6] propõem que os principais parâmetros para a eficiente expulsão do cavaco são a pressão e volume de fluido que circulará ao longo do corte. As perdas de carga que ocorrem no sistema hidráulico que faz o fluido circular ao longo da broca e do furo da peça podem ser divididas em perdas principais por atrito ao longo de todo duto que o fluido circulará até atingir a atmosfera e secundárias, como os possíveis cotovelos e expansões dentro e fora da broca. Deverá ser considerado o diâmetro hidráulico, o comprimento do duto e a forma de entrada do fluido para um projeto eficiente de refrigeração do corte.

• Arestas de corte
  

  As arestas que formam a ponta de corte de uma broca são a aresta principal de corte e a transversal. As arestas principais de corte não se encontram. A razão para esta condição é a existência de um diâmetro de núcleo, usualmente igual a 0,16 x diâmetro da ferramenta^[2,3]. Caso ocorresse o encontro, a seção transversal teria um encontro com área nula no centro da ferramenta, e a dividiria em duas metades.

  

  Figura 2 – Seção transversal de uma broca helicoidal^[11]

  A geometria da ponta de corte de brocas helicoidais é o elemento-chave na determinação de duas características diretamente relacionadas com o desempenho no corte: o avanço ao longo do eixo da ferramenta e o torque necessário para realizar o corte^[11].

  Em 1972, Ferraresi^[3] afirmou que a afiação espiral da ponta da ferramenta era o maior avanço até aquela época. Mas o desenvolvimento dos sistemas CNC para as retificadoras permitiu que novas geometrias fossem exploradas e continuamente otimizadas (figura 3, pág. 136)^[11].

  Atualmente, a afiação helicoidal combinada, obtida com uma afiação que possui avanço helicoidal associado a um movimento de pivotamento, tem garantido resultados superiores aos usualmente obtidos com afiação helicoidal simples, graças ao aumento de resistência da ponta da ferramenta^[16].

  Uma condição também praticada nas afiações de brocas é o chanframento da aresta transversal de corte, que visa reduzir seu comprimento e, assim, diminuir a fase na qual a ponta da broca oferece ângulos negativos para o corte (figura 4, pág. 137)^[3]. Essa condição geométrica existe pela própria condição da não-união das arestas principais de corte.

  Atualmente, com a melhoria dos processos de sinterização, é possível reduzir quase totalmente o efeito da aresta transversal. As brocas com pontas moldadas, intercambiáveis ou não, possibilitam que a aresta transversal se reduza a valores menores que 1/10 do seu comprimento original.

  Uma forma conhecida para se atingir estes valores é a afiação cruzada, que ainda é praticada em furações nas quais se deseja reduzir as forças de avanço. Mas surge o inconveniente de assimetria, devido ao fato de o encontro das arestas não ser perfeitamente simétrico.

  No entanto, para a furação combinada, a preocupação deverá exceder a afiação da ponta da ferramenta e também garantir que as arestas formadoras do perfil escalonado também sejam afiadas de maneira a garantir um corte estável e isento de problemas como vibrações, excesso de contato da superfície de folga, aresta negativa ou frágil.

  É importante observar que os aspectos de deformação da peça são minimizados, pois o perfil combinado não se encontra (por questões geométricas óbvias) com o centro da broca. Por outro lado, a mudança no ângulo de posição das arestas do perfil combinado garante que os avanços praticados ao longo do furo combinado devam ser avaliados em função da espessura do cavaco formado.

  Mudanças bruscas ou excessivamente suaves garantem instabilidade no corte, tanto para a potência necessária quanto para o desgaste da ferramenta.

Revestimento para ferramentas de furação

As ferramentas atuais para furação utilizam revestimentos metálicos ou cerâmico-metálicos, para maximizar a vida, reduzir os tempos de ciclo e estabilizar o corte.

A maximização da vida é obtida com a redução do atrito entre as arestas de corte e o material que está sendo furado, e entre o cavaco gerado e as superfícies com as quais ele irá entrar em contato após ser cortado.

Um menor coeficiente de atrito sob altas temperaturas garantirá que a adesão na aresta principal de corte seja minimizada. Essa condição torna o corte mais estável, por garantir um fluxo contínuo do material que está sendo cortado, além da parcela de material que, devido à geometria da ferramenta de corte, está sendo extrudado.

Os canais que conduzem o cavaco para fora do furo também deverão oferecer fácil escoamento para o material já cortado, uma vez que a dificuldade de escoamento poderá levar ao entupimento dos canais. Além de prejudicar a estabilidade da operação, isso resulta, na maioria dos casos, em quebra da ferramenta, em virtude do aumento súbito no torque necessário para a operação (devido ao travamento) causado pelo aumento do atrito.

O uso de revestimento em ferramentas de furação torna possível o aumento das velocidades empregadas no processo, graças à maior resistência que a ferramenta passa a oferecer ao calor gerado durante a formação do cavaco (atritos internos e externos).

Em termos práticos, a região central da broca, que realiza a extrusão do material, beneficia-se das temperaturas elevadas, devido à redução do limite de resistência do material cortado. Mas essa geração de calor não é restrita ao material da peça (cavaco ou peça). Sua dissipação ocorrerá também sobre as superfícies e arestas da ferramenta. Assim, da mesma forma que ocorre com o material da peça, o calor também irá reduzir a resistência da ferramenta.

A estabilização do corte está associada à mudança microscópica do raio de canto da aresta de corte em sua seção transversal. A mudança do raio de canto ocorre sempre de maneira crescente, ou seja, o material com revestimento oferece um raio de canto maior do que o mesmo material sem revestimento, devido às características intrínsecas do processo de deposição e do percentual de material aglomerante empregado no material da ferramenta.

Tal estabilização tem relação com uma maior área de contato microscópico na raiz de formação do cavaco. Materiais dúcteis necessitam de maior penetração microscópica da ferramenta, enquanto os materiais frágeis toleram arestas pouco agudas para a penetração.

Sabe-se que o processo de revestimento por deposição química a vapor (CVD, de chemical vapour deposition) difere do processo de deposição física (PVD, de physical vapour deposition) pela maior temperatura empregada. Este fato resultará em uma aresta menos aguda em termos microscópicos, devido à fusão do aglomerante presente no material da ferramenta.

Armarego et al^[1] acrescentam que a aplicação de revestimentos de nitreto de titânio (TiN) e carbonitreto de titânio (TiCN) possuem um resultado mais significativo para ferramentas de aço-rápido do que para ferramentas de metal duro. Ainda dentro de sua revisão, comentam que a redução da força de avanço é mais significativa do que a redução na força de corte para o aço-rápido. No caso do metal duro, essa redução é estatisticamente pouco significativa.

Pesquisas atuais avançadas fazem referência ao revestimento de bissulfeto de molibdênio (MoS 2 ) melhorado com uma co-deposição de cromo, formando um revestimento híbrido do tipo MoS₂-Crx% como uma tendência de material de revestimento para furação a altas velocidades.

Também têm sido estudados processos de deposição de materiais com gradiente funcional (FGM, de functionally graded materials), conforme Kao^[7]. Em escala comercial, os revestimentos de nitreto de titânio alumínio (TiAlN), nitreto de cromo alumínio (AlCrN) e TiAlN com adição de carbeto de tungstênio (WC/C) ocupam lugar de destaque devido à alta resistência ao calor, bem como pela dureza superficial obtida.

Outra abordagem sobre a resistência ao calor oferecida pelo revestimento foi realizada por Kusiak et al^[8], que citam a existência do filme de revestimento como uma barreira para o fluxo de calor do meio externo para o núcleo da ferramenta. Os autores confirmam que a presença de revestimento altera o comportamento termomecânico que ocorre na interface peça-ferramenta, e que os revestimentos de base cerâmica, como o óxido de alumínio (Al₂O₃), devido ao seu perfil refratário, são os de maior influência na barreira térmica.

Análise do custo de uma operação de usinagem

Jalali et al^[5] apresentam, por meio de regressão exponencial, uma expressão para o tempo de vida num processo de furação, em função da velocidade de corte, da velocidade de avanço, do diâmetro da ferramenta e da dureza do material a ser furado. De acordo com os autores, esses parâmetros possuem um efeito inverso no tempo de vida. Isso significa que aumentar qualquer uma destas variáveis, individualmente ou combinadas entre si (exceto o diâmetro), resulta na diminuição do tempo de vida.

A abordagem do custo da operação de usinagem tem como objetivo conhecer o custo da fabricação de uma determinada peça em função de diferentes variáveis, independentes ou não. Conforme Nicolaou et al[10] , o critério no qual se deseja operar deverá ser bem definido (mínimo custo ou máxima produtividade) para a correta mensuração de quanto se gasta na fabricação. Portanto, deve-se conhecer os fatores de custo para se definir a velocidade de operação.

No caso da furação combinada, por definição ela irá reduzir o tempo da operação, já que unifica duas ou mais ferramentas de corte. A idéia é que seja realizado apenas um percurso e apenas uma troca de fer ramenta. Assim, quanto mais ferramentas são combinadas em uma só, maior será a redução de tempo no aspecto de movimentos em vazio.

A unificação não garante necessariamente que o corte será mais rápido. Porém, será reduzido o número de vezes das ocorrências de movimentos preparatórios, como função direta do número de ferramentas unificadas. Nicolaou et al[10], baseados na idéia de que o percurso a ser furado é, na grande maioria dos casos, sensivelmente menor do que as movimentações em vazio, afirmaram que não se deve analisar tal operação apenas pelo seu cômputo total, pois as movimentações em vazio efetivamente influem no tempo da operação.

Por outro lado, a formação do custo está relacionada não só com o tempo, mas também com o preço das ferramentas envolvidas na operação. Cabe acrescentar que o mínimo custo não é função da ferramenta mais barata. A máxima produtividade, de maneira geral, tende a utilizar ferramentas mais sofisticadas e de alto custo. Assim, fica claro que a decisão sobre o extremo em que se deve operar envolve desde a aquisição da ferramenta até todos os aspectos administrativos e técnicos que pertencem ao horizonte da fabricação, seja em pequena ou em larga escala.

Para a correta mensuração do custo, conforme a Sociedade de Engenheiros de Manufatura dos Estados Unidos (SME), deve-se avaliar de maneira completa os seguintes aspectos: tipo de operação, máquina, material da peça, ferramenta de corte, fluido refrigerante/lubrificante, parâmetros do processo e fatores componentes de um processo de fabricação (movimentações, fixações, manuseio etc.)^[13].

Formação do cavaco e análise dinâmica da furação combinada

Assim como na furação simples, o estudo da formação do cavaco para a furação combinada também tem importância sumária, uma vez que a mudança de seção transversal do cavaco irá gerar uma apara com aspecto diferente daquele produzido por um furo simples. Esse aumento pode ser gradual (chanfros e cantos arredondados) ou súbito (rebaixos planos). Outros aspectos que interferem na formação do cavaco são o início e o fim do furo.

O aumento gradual de área de corte ocorre quando a ferramenta realiza um chanfro ou um canto arredondado a uma velocidade de penetração igual ou menor do que aquela produzida pelo furo simples que antecedeu o perfil. Em muitos casos práticos, a velocidade é reduzida para que aspectos dinâmicos, como a vibração, sejam minimizados. Logo, com velocidade e ângulo de posição menores, o cavaco gerado tende a se formar de maneira diferente.

A figura 5 ilustra um furo com diversos perfis combinados. Dela, podem ser feitas as seguintes considerações:

• Seção de corte A: é a própria furação cilíndrica. A área de corte aumenta linearmente desde zero até o produto entre o avanço por volta, o comprimento da aresta e o número de arestas.
• Seções de corte B e D: a furação com perfil cilíndrico tem área de corte aumentada de maneira quadrática, tanto para o perfil côncavo quanto para o convexo. É importante destacar que a área de corte aumenta também pelo produto com o avanço por volta, porém a seção do cavaco tende a zero nos extremos (côncavo ou convexo). Essa condição tende a gerar um gradiente de tensões durante a formação do cavaco. Outro aspecto é o aumento do comprimento de contato e a dificuldade de obtenção de ângulos de folgas para as arestas que irão gerar este perfil.
• Seções C e F: no limite, um furo cônico é um chanfro em grandes dimensões com ângulos usualmente pequenos (0o a 15o). A área de corte aumenta da mesma maneira que para a seção A.
• Seção de corte F: o rebaixo plano possui um ângulo de posição que garante a maior espessura do cavaco. Essa condição favorece o corte, porém o contato súbito com ferramentas não-simétricas, seja por construção ou por diferenças tanto na afiação quanto na superfície a ser rebaixada, tornam o corte instável. A área de corte também aumenta linearmente desde zero até o produto entre o avanço por volta, o comprimento da aresta e o número de arestas.

O estudo do início do furo também deverá ser considerado para a formação do cavaco, pois é pelo correto posicionamento do início do furo que suas concentricidade e retilineidade serão garantidas. Caso ocorra desvio no início do furo, o eixo da broca não representará o eixo do furo desejado, e as arestas que realizam o corte combinado poderão executar um corte desbalanceado. Ou seja, uma aresta irá realizar uma parcela de remoção maior do que a subseqüente.

Uma prática comum que influi na formação do cavaco é a redução da velocidade de avanço no início do furo. Essa condição tem como objetivo procurar a melhor condição de penetração da ferramenta no furo. Mas com essa redução, as pressões elevam-se devido à espessura reduzida de cavaco, e sua forma não representará aquela obtida ao longo do furo.

Por isso, a redução da velocidade deverá obedecer à condição dinâmica de escoamento do cavaco, pois este poderá entupir os bolsões ou se enrolar no corpo da broca, tornando a continuidade do furo instável e com problemas de limpeza dos canais da broca.

As condições de fim do furo devem prever a não-formação de rebarba. Apesar de a furação combinada não influenciar diretamente nessa formação, a prática recomenda que a velocidade de avanço seja aumentada para que não se forme rebarba no final do furo. Assim, se uma broca combinada realiza um furo passante em material com tendência à deformação e formação de rebarba no final do furo, o aumento da velocidade de avanço causará um aumento súbito na área de corte combinado. Dessa forma, surge a necessidade de se avaliar se a formação de rebarba possui maior ou menor influência sobre a furação combinada e vice-versa.

Conforme Diniz et al^[2], o aumento do avanço facilita a quebra do cavaco e também faz com que o ângulo efetivo de folga diminua e, com isso, aumente a deformação plástica na região da ponta da broca, causando um aumento na força de avanço. Conseqüentemente, devido às deformações octaédricas geradas pela inserção de um sólido tridimensional em outro com referencial estático, deverá ocorrer um aumento no momento torçor necessário para o corte do material.

Uma consideração fundamental sobre a formação do cavaco é a inevitável formação de aresta postiça de corte (APC) durante o processo de furação. Devido à forma básica da ferramenta, ocorrerão regiões de altíssima deformação sob baixas temperaturas, que resultarão na formação da APC.

Os efeitos da velocidade nula estão voltados para o corte na ponta da ferramenta. Porém, para as arestas que irão gerar um perfil combinado, os efeitos do gradiente de velocidade ao longo da aresta são mais prejudiciais, o que garante que o cavaco saia em forma de cone e que, ao reduzir sua espessura, ocorrerá sua não-ruptura. Além disso, as taxas de desgaste serão sensivelmente influenciadas.

Análise dinâmica

Assim, pela análise da figura 5 e pela definição usu al de velocidade de corte, tem-se que no centro do furo a velocidade de corte será nula, enquanto no diâmetro máximo, definido pela ferramenta, a velocidade será máxima, para uma condição de rotação constante.

Pirtini et al^[12] afirmam que ao longo da aresta cruzada, ou seja, no centro da broca, o material é extrudado. Tal efeito é responsável por uma parcela substancial da força de avanço, e o torque necessário para o corte é gerado principalmente pelos efeitos proporcionados pela aresta principal.

Desta primeira consideração, tem-se para o processo de furação uma condição particular para a análise da potência de corte desenvolvida no processo. A validade da equação da potência de corte, independentemente do modelo utilizado, que é o produto entre a força de corte e a velocidade de corte, terá uma descontinuidade no centro e nas adjacências do centro da ferramenta, seja pela nulidade do diâmetro ou pelos efeitos de endentação proporcionados pela aresta transversal.

elos ângulos negativos da ponta da ferramenta levam a equações complexas que utilizam a plasticidade e a tribologia para o conhecimento da potência requerida na operação de corte no centro da ferramenta.

Diversos modelos propostos computam a força de corte, ou a potência de corte, por meio do conhecimento da pressão específica de corte ou de alguma grandeza que se refere à resistência do material à sua separação pela ação de uma ferramenta de corte.

A figura 6 (pág. 145) ilustra duas abordagens da pressão específica de corte^[3]. Nota-se, nessa figura, que o centro da ferramenta possui uma consideração diferente para o cálculo desta grandeza.

Uma importante consideração sobre as forças presentes na operação de furação é a simetria de esforços. Este efeito, como um binário gerador de momento torçor, possui componentes nas três direções, como pode ser visto na figura 7 (pág. 148).

Pela figura 7, é possível concluir que, havendo simetria nos esforços solicitantes, ou seja, nas componentes da força de usinagem, as parcelas radiais Fr se anularão. Esta condição garante que somente momento torçor e força de avanço estarão presentes para os efeitos de dimensionamento da ferramenta e do processo. As cargas radiais ficam excluídas.

Entretanto, a assimetria dos processos de afiação, bem como os desvios micro e macroscópicos presentes, tornarão esses esforços radiais presentes e de grande influência não somente para a integridade da ferramenta, mas também para a qualidade do furo gerado.

Pirtini et al^[12] também afirmam que, idealmente, as arestas de corte que realizam a furação simples ou mesmo a combinada deveriam ser perfeitamente simétricas, pois, dessa forma, as forças radiais se anulariam. Mas os efeitos do processo construtivo da broca e as irregularidades provenientes do próprio material^[5] resultam na existência de componentes radiais.

Otimização do processo de furação pela combinação de ferramentas

Este estudo de caso comprova as proposições já apresentadas neste artigo, que justificam, técnica e economicamente, que a utilização de ferramentas combinadas para uma furação de perfil escalonado pode não ser a mais adequada, seja pelo custo de fabricação e reafiação da ferramenta, seja pela própria dinâmica do processo de usinagem. Estas foram as condições do estudo realizado:

Dados operacionais da furação analisada

A figura 8 apresenta a ferramenta atual, a figura 9 (pág. 150) mostra as ferramentas propostas e a figura 10 (pág. 152) traz o detalhe da furação a ser realizada. A tabela 1 (pág. 150) exibe os dados operacionais da operação realizada conforme figura 10. A tabela 2 (pág. 154) resume os custos envolvidos na operação^[2,9].

O objetivo deste estudo é verificar se duas trocas de ferramentas são justificáveis ou não, uma vez que ao desmembrar a usinagem em duas ferramentas, a máquina realizará a cada ciclo completo de usinagem da peça, uma “ida e volta” a mais no magazine porta-ferramenta. Os dados citados nas tabelas foram medidos ao longo do processo produtivo. Uma importante colocação para essa análise é a flexibilidade de critério para a decisão de substituição da ferramenta. Ou seja, os valores obtidos serão a base para a decisão gerencial e não o sentido contrário.

A partir da tabela 1, podem ser calculados os valores da tabela 2, conforme a seqüência de equações proposta pela SME^[13] para definir o custo da operação.

Ainda para se tomar uma decisão segura sobre a mudança de processo, foi realizado um experimento que envolveu somente a ferramenta proposta sob condições extremas de parâmetros. A idéia era avaliar o desgaste neste tipo de ferramenta e suas causas. A partir deste resultado, ocorreu a tentativa de se obter o intervalo de eficiência de Taylor, como será visto na tabela 3 (pág. 156).

Foram realizadas medições de desgaste num microscópio com ampliação de 40 vezes. As regiões nas quais o desgaste de flanco foi observado estão identificadas na figura 12 (pág. 157).

A tabela 4 (pág. 157) apresenta detalhes sob as condições da aresta de corte em cada região em que o desgaste foi medido. Os resultados do desgaste são mostrados nos gráficos das figuras 13, 14 (pág. 158) e 15 (pág. 162).

Para a tentativa de definição do intervalo de eficiência do processo, avaliou-se, pelo processo proposto in loco, que uma vida de 210 furos em condições de processo representa um desgaste próximo ao obtido com 18 furos em condições extremas, conforme o experimento relatado.

A tabela 5 (pág. 160) traz os parâmetros para definição das velocidades de mínimo custo e de máxima eficiência. É válido lembrar que as condições de processo (máquina, geometria da peça, fluido refrigerante, tipo de refrigeração) são diferentes para as condições de velocidade impostas para definição dos coeficientes C e n da equação de Taylor. Outro aspecto importante é a fixação da peça e da ferramenta para ambas as condições.

Discussão

Dos resultados apresentados na tabela 2, é possível inicialmente observar que, além do alto custo de aquisição da ferramenta para o processo atual, ela consegue sofrer apenas cinco reafiações. A explicação para esse número reduzido está baseada no fato de que obrigatoriamente um retrabalho de todo perfil da broca deverá ser realizado a cada reafiação, uma vez que a precisão dimensional entre os rebaixos gerados não permite que uma região seja reafiada removendo mais sobremetal que as demais.

Conclui-se que quanto mais “cotas dependentes” existirem, mais cara e lenta será a reafiação. Por outro lado, a reafiação de uma broca helicoidal cilíndrica simples poderá ocorrer em processos mais simples, sem a necessidade de máquinas CNC para essa tarefa.

Outro ponto observado foi a não-utilização de refrigeração interna no processo atual. A explicação para tal fato está baseada na dificuldade de obtenção de matéria-prima que possua canais de refrigeração que contemplem a grande mudança de diâmetros existente na ferramenta. Isto significa que, para contemplar o maior diâmetro da ferramenta (25 mm) e ao mesmo tempo possuir canais para refrigeração no menor diâmetro da ponta (8,5 mm), a matéria-prima deverá ser confeccionada especialmente para esta aplicação, o que torna o custo com a aquisição da ferramenta ainda maior.

O emprego de duas ferramentas, dividindo a operação, tornou a usinagem mais rápida. Mas os tempos de movimentações foram dobrados, uma vez que a máquina passou a trocar uma ferramenta a mais no processo. É possível observar que a diminuição do comprimento usinado para cada ferramenta no processo proposto permite que o tempo de corte e o volume de cavaco por ferramenta seja reduzido.

Isso permite velocidades mais altas e elimina o problema de entupimento dos canais da broca, seja pelo tipo de cavaco obtido (com o aumento das velocidades e redução dos ângulos de saída, o cavaco formou-se como uma vírgula longa; no processo anterior, o cavaco saía em forma de fita) ou pela ausência de refrigeração interna.

Como foi apresentado na figura 10, existe na peça um corte interrompido no menor diâmetro da broca. Esta condição torna a ferramenta atual instável sob o ponto de vista das forças de flexão presentes em sua ponta. Ou seja, um momento de flexão gerado na ponta da ferramenta conduz ao seu colapso na primeira mudança de diâmetro, de 8,5 para 12 mm (figura 16, pág. 162).

A assimetria das forças e a concentração de tensões na interseção do escalonado tornava o projeto pouco rígido e, com isto, o processo ficava instável. Bastavam velocidades baixas para não ultrapassar o limite à ruptura da seção.

Outro ponto observado no processo atual é que as vibrações provenientes da usinagem dos diâmetros maiores também levavam ao colapso da ponta da ferramenta. Isso porque, ao vibrar, a ponta da ferramenta, que estava em uma condição de engajamento seccionado, também vibrava. A ocorrência levava ao contato súbito da aresta contra a parede da peça, causava um impacto superior ao permitido e, conseqüentemente, a quebra da ponta.

Uma importante colocação a ser feita sobre o desgaste na condição proposta, conforme apresentado nas figuras 14 e 15, é que dentro de uma mesma ferramenta de corte ocorrem mecanismos diferentes de desgaste, dependendo da velocidade à qual a aresta é submetida. O fenômeno deve-se ao fato de que, a baixas velocidades, ocorrem temperaturas menores e taxas de adesão maiores, enquanto a altas velocidades as taxas de adesão são menores e a de abrasão, maior, junto com temperaturas mais altas.

O desgaste triboquímico também se acentua em temperaturas elevadas, o que auxilia ou não na formação de óxidos de maior dureza sob temperaturas mais altas. Tudo depende dos materiais presentes e de se o desgaste abrasivo é de dois ou três corpos, conforme Suh & Saka^[14]. A figura 17 (pág. 162) ilustra esta colocação. É válido lembrar que a velocidade de corte triplica seu valor desde o menor ponto de contato (8,5 mm) até o maior (25 mm).

Conforme a tabela 5, a avaliação dos coeficientes e das velocidades econômicas foi válida para se conhecer os possíveis limites na comparação entre o processo proposto e as condições extremas para o mesmo processo. Porém, para a completa validade desta análise, devem ser mantidas todas as variáveis operacionais, alterando-se apenas as velocidades de corte da operação.

O estudo também foi válido para situar a proposta dentro desses limites de velocidade calculados, e determinar que os aspectos dinâmicos do corte deverão ser respeitados e avaliados na tomada de decisão entre um processo ou outro, uma vez que a velocidade de corte de máxima produtividade foi ultrapassada em virtude das condições dinâmicas da operação. A velocidades abaixo de 150 m/min, a ferramenta proposta apresentou vibração.

Um ponto importante é que mesmo sob condições acima do intervalo de máxima eficiência, o processo proposto é mais econômico do que o processo atual. Além disso, ao se comparar os resultados das duas propostas, a escolha fica baseada tanto técnica quanto economicamente.

Sugere-se analisar graficamente os resultados da operação de furação, além do ciclo completo da peça em sua usinagem, para que possíveis excessos em outras ferramentas possam vir a suprir a perda de produtividade oferecida pelo tempo de troca que foi acrescentado ao processo. O emprego de brocas cilíndricas, no lugar de brocas especiais para furos interrompidos, seguramente oferecerá um maior número de opções, tanto de geometria quanto de fornecedores.

Conclusão

A escolha entre a utilização de ferramentas combinadas ou combinação de ferramentas deve ser feita com base em um critério que considere tanto os aspectos econômicos quanto técnicos, uma vez que é possível prever quais serão os maiores custos e somente com a dinâmica do processo todos os detalhes técnico-econômicos serão mensurados.

Um projeto eficaz da ferramenta de corte irá contemplar todos os detalhes apresentados, e garantirá que os possíveis desvios ocorridos com a implementação do processo sejam passíveis de correção. Projetos rígidos normalmente bloqueiam a reação para correção de problemas pósimplementação, enquanto projetos flexíveis toleram mais ajustes para que o ponto ótimo do projeto-processo seja atingido.

O paradigma da unificação de ferramentas deve ser avaliado para toda e qualquer escolha durante o planejamento do processo, pois o impacto na função-custo poderá ser o pivô de decisão de custo do processo.

Os aspectos do desgaste para as ferramentas combinadas são tão importantes quanto a dinâmica do corte, uma vez que as diferentes regiões do corte combinado irão proporcionar taxas de desgaste e seções de cavaco diferentes, facilitando ou não a evolução sem custos excessivos do processo de fabricação.

A possibilidade de utilizar ferramentas nãoespeciais torna o processo passível de constantes evoluções. A metodologia para otimização do processo, baseada na equação de Taylor, auxilia de maneira direta a tomada de decisão, e todos dentro da organização que estão envolvidos com o processo devem saber quais são as variáveis importantes para a redução do custo de fabricação.

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