Universidade Federal do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Mecânica

Monitoramento de Processos de Usinagem

ESTUDO DO FIM DE VIDA DA FERRAMENTA DE METAL-DURO UTILIZADA NO TORNEAMENTO A SECO DO AÇO AISI 420C

ENDURECIDO PARA DIFERENTES VELOCIDADES DE CORTE.

Giovani Rodrigues Pereira, giovanirp@gmail.comMarco Ismael Wilchen Becker, marcowb@gmail.com

Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS, Departamento de Engenharia Mecânica – DEMEC,Laboratório de Automação em Usinagem – LAUS, R. Sarmento Leite, 425, Porto Alegre, RS, CEP 90050-170.

1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1.1. Processo De Torneamento Longitudinal Externo

Torneamento é o processo mecânico de usinagem destinado a obtenção de superfícies de revolução com auxílio de uma ou mais ferramentas monocortantes. O processo consiste em fazer a peça girar em torno do eixo principal de rotação da máquina enquanto a ferramenta se desloca simultaneamente segundo uma trajetória coplanar com o referido eixo. Dentre os tipos mais comuns de torneamento, o torneamento longitudinal externo consiste em avançar a ferramenta de forma paralela ao eixo de rotação da máquina [Ferraresi, 1969].

1.2. Aço Inoxidável AISI 420C

Trata-se de um aço ligado ao cromo, inoxidável, martensítico, temperável, magnético com alta resistência mecânica até a temperatura de 400°C e boa resistência a oxidação até 610 °C. Quando temperado e revenido alcança durezas até 55HRc. Não apresenta boa conformabilidade a frio, sendo necessário um pré-aquecimento entre 200 e 400 °C. A característica inoxidável pode ser melhorada mediante a utilização de superfícies limpas e polidas, sendo necessário, portanto, a remoção de carepas formadas nas operações de soldagem, tratamentos térmicos, ou conformações a quente. Deve-se evitar revenimento na faixa de temperatura entre 425 e 525 °C, onde ocorre a fragilização do material [Favorit, 2015].

O Aço AISI 420C é geralmente aplicado na fabricação de peças que necessitam alta resistência mecânica combinada com ductilidade e resistência a corrosão e desgaste. A Tabela (1) apresenta a composição química deste aço.

Tabela 1. Composição química de massa do aço AISI 420C [Favorit, 2015].

Carbono (C) [%]

Manganês (Mn) [%]

máx.

Fósforo (P) [%]

máx.

Enxofre (S) [%]

máx.

Silício (Si) [%]

máx.

Cromo (Cr) [%]

0,30-0,42 1,00 0,040 0,030 1,0012,00-

14,5

1.3. Ferramenta De Corte

Segundo Ferraresi (1969) o metal-duro é o material mais importante para ferramentas, visto que a mesma combina dureza à temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade, apenas pela variabilidade de sua composição.

Essencialmente as ferramentas de metal-duro possuem dois constituintes combinados através da metalurgia do pó: carboneto de tungstênio que pode ser associado a outros carbonetos conferindo dureza à temperatura ambiente e altas temperaturas, além de resistência ao desgaste. O segundo constituinte é um elemento aglomerante, geralmente cobalto, com função de unir as partículas duras dos carbonetos conferindo tenacidade ao material. Outras características que alteram a capacidade de corte dessas ferramentas são a porosidade e a microestruturas e por isso devem ser monitoradas.

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O metal-duro é geralmente apresentado em formas de pastilhas intercambiáveis fixadas de forma mecânica em hastes, formando assim chamada ferramenta de corte, essas por serem intercambiáveis facilitam o processo de troca em caso de desgaste. Atualmente tais pastilhas são revestidas pelos processos de CVD ou PVC para proporcionar maior durabilidade à aresta de corte aumentando a capacidade de suportar os esforços de corte em operações de desbaste e grandes velocidades em operações de acabamento.

1.4. Vida Da Ferramenta De Corte

Segundo Tschätsch (2009) a vida da ferramenta é o período de tempo, expresso em minutos, para qual a aresta de corte, afetada pelo processo de usinagem, mantém sua capacidade de corte durante a operação, permanecendo funcional até uma certa quantidade de desgaste.

Davim (2008) ressalta que o desgaste da ferramenta é muitas vezes utilizado como critério de fim de vida pela sua facilidade de ser determinado quantitativamente. O desgaste de flanco, por sua vez é frequentemente utilizado como critério por sua influência na rugosidade e na precisão dimensional da peça. Smith (2008) complementa que o mecanismo de desgaste de flanco é considerado como um comportamento tribologicamente normal. Este desgaste pode ser tolerado, e subsequentemente tratado através de uma estratégia de troca de ferramenta, baseada em uma expectativa de vida. A partir do padrão de desgaste de flanco, F.W. Taylor, o pioneiro a realizar um estudo de vida da ferramenta em usinagem, relacionou o tempo de vida da ferramenta em função da velocidade de corte, apresentada na Eq. (1):

V C Tn=C (1)

onde, Vc é a velocidade de corte, em m/min, T é a vida da ferramenta, em min, tomada para desenvolver um valor de desgaste de flanco predeterminado, n é um expoente que depende dos parâmetros de corte, e C é uma constante. Cada combinação de ferramenta com material usinado, e cada parâmetro de corte tem seus próprios valores de n e C, valores estes, determinados experimentalmente [Davim, 2008]. Diniz et al. (1999) sugere que para a execução da curva deve-se construir em primeiro lugar gráficos auxiliares, que forneçam os desgastes de flanco da ferramenta para diferentes velocidades e tempos de trabalho, em determinadas condições de usinagem, conforme a Fig. (1).

Figura 1. Curvas de desgaste para diversas velocidades de corte (a) e curva do tempo de vida (b). [Davim, 2008].

A progressão do desgaste é influenciada principalmente pela velocidade de corte, depois pelo avanço e por último pela profundidade de usinagem [Diniz et al. 1999].

Diniz et al. (1999) menciona que o desgaste de flanco, quando é usado ferramentas de metal duro, cresce lentamente devido à alta resistência ao desgaste as camadas de cobertura da ferramenta, até atingir valores de desgaste de flanco, Vb, da ordem de 0,3mm a 0,4mm. Neste momento, as camadas de cobertura já estão quase que totalmente consumidas pelo desgaste, e então, o corte passa a ser realizado pelo substrato da ferramenta, que é bem menos resistente ao desgaste, o que faz com que o desgaste de flanco passe a crescer rapidamente, chegando a valores da ordem de 0,8 mm a 1,0 mm em um curto espaço de tempo.

1.5. Integridade Superficial

O acabamento de uma superfície usinada é a combinação de vários fatores que podem ser divididos em rugosidade e ondulações. Ondulações consistem de irregularidades superficiais ou erros geométricos cujos espaçamentos são maiores que as irregularidades consideradas rugosidades. Podem ser causadas por vibrações e flexões da ferramenta e/ou peça devido à força de usinagem, temperatura de corte ou erros de fixação da peça ou ferramenta. [Machado et al. 2009].

Marco Filho et al. (2009) definem como rugosidade superficial um conjunto de irregularidades, pequenas saliências e asperezas que caracterizam uma superfície, podendo ser medidas através de um rugosímetro. Segundo Machado et al. (2009) os fatores que podem contribuir com a rugosidade gerada são: marcas de quina da ferramenta ou

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de fragmentos da mesma, as quais podem apresentar natureza periódica para alguns processos e aleatórias para outros; geração de rebarba do material durante a operação de corte; restos de aresta postiça de corte de uma ferramenta na superfície usinada; forma geométrica do quebra-cavaco na quina da ferramenta.

Entre os parâmetros para a avaliação da rugosidade, o mais utilizado é o da rugosidade média, R a, amplamente empregado como parâmetro de controle de processo, uma vez que alterações no seu valor apresentam alterações no processo, em especial no desgaste da ferramenta. Como representa um valor médio, é um parâmetro estável, que não recebe influência de efeitos ocasionais. Embora bastante vantajoso, o parâmetro Ra, isoladamente, não é suficiente para identificar algumas características importantes da superfície. Neste caso, pode-se empregar o parâmetro de rugosidade total, Rt, pois é influenciado por qualquer defeito ou irregularidade na superfície [Machado et al. 2009].

De acordo com Davim (2010) as dimensões de rugosidade em uma superfície de acabamento são influenciadas pela combinação do raio de ponta, r, em mm, do avanço, f, em mm/volta, e da estabilidade da peça e ferramenta.

Machado et al. (2009) cita que no processo de torneamento, se o avanço é menor que o raio de ponta da ferramenta, os valores de rugosidade média e rugosidade total teóricos são calculados, respectivamente elas Eq. (2) e Eq. (3), abaixo:

Ra=f 2

31,2 rε (2)

Rt=f 2

8 rε

(3)

onde Ra e Rt são expressos em mm.Os perfis de rugosidade média e total são ilustrados na Fig. (2), abaixo.

Figura 2. Rugosidades Ra e Rt na superfície de uma amostra de comprimento L [Azambuja, 2012].

Davim (2010) aponta as diferentes variações da rugosidade média, Ra, para várias operações de usinagem tradicionais sob condições normais para acabamento. A Figura (3) ilustra as variações.

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Figura 3. Variação da rugosidade média para diversos processos de usinagem [Davim, 2010].

1.6. Monitoramento Da Usinagem

O acompanhamento das forças de usinagem pode ser realizado através do uso de uma plataforma dotada de sensores piezoelétricos. Klocke (2011) define que o sinal piezoelétrico é causado através da interação entre o estado mecânico e elétrico dos cristais. Ao deformar a malha de cristais através do eixo, os elementos positivos e negativos são deslocados relativamente entre si, gerando um momento do dipolo elétrico. A carga gerada pode ser convertida em um sinal de voltagem através de um amplificador de sinal. Os sinais analógicos de voltagem são lidos e convertidos para digitais em uma placa de aquisição de dados com resolução de 10 Volts. A partir dos sinais de voltagem, pode-se plotar a força para cada ponto obtido.

O aparelho empregado na medição da rugosidade é chamado rugosímetro. É composto por quatro partes, sendo elas o apalpador, unidade de acionamento, amplificador e registrador. O apalpador tem a função de deslizar sobre a superfície que será verificada, levando os sinais da agulha apalpadora de diamante até o amplificador. A unidade de acionamento desloca o apalpador sobre a superfície numa velocidade constante e por uma distância desejável, mantendo-o na mesma direção. O amplificador contém a parte eletrônica principal, dotada de um indicador de leitura que recebe os sinais da agulha, amplia-os e os calcula em função do parâmetro de rugosidade escolhido. O registrador é um acessório do amplificador e fornece a reprodução do corte efetivo da superfície [Marco Filho et al., 2009].

Marco Filho et al. (2009) explicam que o processo de determinação da rugosidade consiste em percorrer a superfície a ser avaliada com um apalpador de formato normalizado, acompanhado de uma guia em relação ao qual ele se move verticalmente. Enquanto o apalpador acompanha a rugosidade, a guia acompanha as ondulações da superfície. O movimento da agulha é transformado em impulsos elétricos e registrado no mostrador.

O comprimento de amostragem, lr, é definido, segundo a norma ABNT NBR ISO 4287 (2002), como sendo o comprimento na direção do eixo usado para identificar as irregularidades características do perfil sob avaliação. Já o comprimento de avaliação, ln, é entendido como sendo o comprimento na direção do eixo usado para estabelecer o perfil sob avaliação e pode conter um ou mais comprimentos de amostragem. É recomendado um comprimento de avaliação equivalente a cinco vezes o comprimento de amostragem de forma a obter uma maior confiabilidade nos dados [Machado et al. 2009]. A Tabela (2) apresenta os valores de comprimento para a faixa de rugosidade média, Ra.

Tabela 2. Valores de comprimento indicados para diferentes rugosidades médias [Machado et al. 2009].

Faixa de Ra(μ m)Comprimento de

amostragemlr (mm)Comprimento de

avaliaçãoln (mm)

até 0,02 0,08 0,4

de 0,02 a 0,1 0,25 1,25

de 0,1 a 2 0,8 4

de 2 a 10 2,5 12,5

de 10 a 80 8 40

2. REFERÊNCIAS

ABNT, 2002, (Associação Brasileira de Normas Técnicas), “NBR ISO 4287 - Especificações Geométricas do Produto (GPS) - Rugosidade - Método do Perfil- Termos, Definições e Parâmetros de Rugosidade”, Rio de Janeiro, 4p.

Azambuja, A. S., 2012, "Análise comparativa da vida das ferramentas de corte alisadora (wiper) e convencional (standard) no torneamento de acabamento do aço SAE 4140", UFRGS, Porto Alegre.

Davim, J. P., 2008, "Machining Fundamentals and Recent Advances", Springer-Verlag London Limited.Davim, J. P., 2010, "Surface Integrity in Machining", Springer-Verlag London Limited.Diniz, A.; Marcondes, F. C.; Coppini, N. L., 1999, "Tecnologia de usinagem dos materiais", 1.Ed., mm editora.Favorit, Aço AISI 420 C, http://www.favorit.com.br/produtos/acos-inoxidaveis/aco-aisi-420-c, acessado em

24/08/2015.Ferraresi, D., 1969, "Fundamentos da Usinagem dos Metais", Edgard Blucher LTDA, São Carlos, 2p, p. 330-339.Klocke, F., 2011, "Manufacturing Processes 1, Cutting", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 357p.Marco Filho, F, de.; Stockler Filho, J., 2009, "Apostila de Metrologia", UFRJ, Rio de Janeiro, 52p.Smith, G. T., 2008, "Cutting Tool Technology", Springer-Verlag London Limited, 334p.Tschätsch, H., 2009, "Applied Machining Technology", 8. Ed., editora LCC, 25p.

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