1

‘

FUNDAÇÃO TÉCNICO-EDUCACIONAL SOUZA MARQUES FACULDADE DE ENGENHARIA

Av. Ernani Cardoso, 335/345 – Cascadura

Telefone: (0xx21) 2128-4925

Internet: http//www.souzamarques.br

E-mail: ftesm@ism.com.br

INFLUÊNCIA DA PROFUNDIDADE DE USINAGEM NO TORNEAMEN TO DO

AÇO SAE 1045

_______________________ _____________________________ RENÊ MENDES GRANADO JHONATAN B. MENDES SIMÕES Orientador Orientado

2015

2

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 3

2. OBJETIVO ............................................................................................................................... 3

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................ 4

4. METODOLOGIA .................................................................................................................... 7

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................................................................... 11

6. CONSIDERAÇÕES ............................................................................................................... 15

AGRADECIMENTOS................................................................................................................... 15

7. REFERÊNCIAS ...................................................................................................................... 16

3

1. INTRODUÇÃO

A usinagem é algo presente e fundamental para a engenharia mecânica. Peças usinadas são

aplicadas em diversas situações dentro do universo não somente da engenharia mecânica, mas

também de outras especialidades da engenharia, entre elas a civil, mecatrônica, eletrônica, aplicadas

aos setores agrícolas, aero espacial, médico, alimentício, entre tantos outros que podemos citar. Nas

operações de usinagem mais comumente usadas como o torneamento a superfície final é condição

primordial para a qualidade das peças obtidos sendo os parâmetros de usinagem e a geometria da

ferramenta elementos fundamentais para este propósito.

Grande atenção tem sido dada aos efeitos da profundidade de usinagem no acabamento da

superfície. Os fatores que resultam na redução da rugosidade são muito complexos, em que a

dinâmica da máquina ferramenta, peça, material, geometria da ferramenta e parâmetros de

usinagem estão incluídos[1].

2. OBJETIVO

A rugosidade influencia grandemente a integridade da superfície de produtos, e é controlada

em partes usinadas, principalmente de materiais endurecidos. O método de avaliação da rugosidade

da superfície tem uma longa história. Primeiramente, foi utilizado um modelo sinusoidal da

desigualdade, quando uma quantidade HSK (analogia do valor eficaz da ondulação) foi usado como

um parâmetro para a avaliação. Mais tarde o parâmetro Ra (analogia do valor médio das ondulações

) foi preferido em conjunto com alguns outros parâmetros [3].

O objetivo deste trabalho é estudar a influência profundidade de usinagem sobre a

rugosidade da superfície das peças usinadas externamente.

4

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Para se obter um acabamento de qualidade é necessário analisar e considerar os fatores que

podem influenciar positiva ou negativamente cada processo e assim escolher ferramentas e

estratégias mais adequadas. No torneamento externo, por exemplo, o balanço da ferramenta não

deve ser afetado pelo comprimento da peça e o tamanho do porta-ferramenta deve ser escolhido

para suportar as forças e as tensões que normalmente surgem durante a operação. Já no torneamento

interno, a escolha da ferramenta é mais restrita devido ao diâmetro e ao comprimento do furo da

peça, uma vez que a profundidade determina o balanço. Por conta dessa restrição, podem surgir

combinações entre comprimento e diâmetro em que o corpo da ferramenta pode ficar frágil,

gerando assim instabilidade na usinagem. Para evitar essa instabilidade existem opções de

ferramentas com o corpo de aço, metal duro e antivibratórias [4].

Um esquemático de uma operação de torneamento externo pode ser visto na fig. 1. Durante

a operação de corte a ferramenta se desloca na direção de avanço com profundidade de usinagem e

rotação específicas da peça de trabalho. A vibração do conjunto pastilha/ferramenta é influenciada

por três parâmetros: avanço, profundidade de usinagem e velocidade de corte. As vibrações na

ferramenta estão localizadas na direção da velocidade de corte e profundidade de usinagem.

Figura 1. Vista esquemática de uma operação de torneamento externo [4].

Durante uma operação de torneamento externo a ferramenta é submetida a forças de corte

devido ao movimento relativo entre a ferramenta e a peça na direção da velocidade de corte e na

direção de avanço. O movimento dinâmico origina a partir do processo de deformação do material

de trabalho.

O movimento da ferramenta afeta o resultado da usinagem e o acabamento da superfície, em

particular. Pesquisas em corte de metal são intensivas. Com as novas tecnologias de corte,

5

especialmente usinagem de alta velocidade (HSM), onde a dinâmica da força de corte pode ser

significativa e com materiais "difíceis de corte" tal como ligas aeroespaciais, existe necessidade de

um conhecimento abrangente do processo de corte. O termo "chartter" é frequentemente usado em

vez de vibração no processo de corte [2].

As forças de corte na operação de torneamento externo podem ser decompostas em força de

corte tangencial (Ft), força de corte radial (Fr) e força de corte axial (Fa). A reação para a força

radial é a deflexão da ferramenta para o centro da peça enquanto que a força tangencial o faz para

baixo e, o que também reduz, por conseqüência, o ângulo de folga da ferramenta. Com isso, o

ângulo de folga da ferramenta tem que ser suficiente a fim de evitar o contato entre a ferramenta e a

parede indicado na fig. 2[5]. Conforme observação de [6], a existência das deflexões radial e axial

na ferramenta implica em uma profundidade de corte reduzida, o que pode induzir vibrações.

Figura 2. Forças de corte no torneamento [4].

. O acabamento da superfície é um fator importante para a avaliação do qualidade de

produtos. A rugosidade superficial Ra é usada principalmente como um índice para determinar o

acabamento superficial no processo de usinagem.Técnicas de modelagem para a previsão de Ra

podem ser classificadas em três grupos, que são modelos experimentais, analíticos e modelos

baseados em inteligencia artificial [5]. A ABNT recomenda o parâmetro Ra como uma das

avaliações da rugosidade em micrometro (µm). Ra (Rugosidade Média) é a média aritmética dos

valores absolutos das ordenadas dos afastamentos dos pontos do perfil de rugosidade, em relação à

linha média, dentro do percurso de medição lm. A fig. 3 apresenta a metodologia de avaliação do

parâmetro Ra.

6

Figura 3. Avaliação do parâmetro Ra [4].

Segundo [7] em uma operação de usinagem na qual a ferramenta é nova, existe pouco

contato entre as superfícies, não existe vibração e não há formação de aresta postiça de corte, então,

a rugosidade será, teoricamente, formadas pelas marcas de avanço deixadas pela ferramenta.

A profundidade de usinagem aumenta as forças e, portanto, há possibilidade de flexões. As

alturas das ondulações também são aumentadas com a profundidade de corte.

Em trabalho realizado por [8] a profundidade de corte não mostrou influência quanto ao

desgaste, logo, para que se possa reduzir o tempo de fabricação, deve-se usar os máximos valores

admitidos pela ferramenta e pela máquina.

7

4. METODOLOGIA

Os ensaios foram realizados em um torno marca Automatic Feed Bench Lathe, modelo

BV20L-1, fig. 4, com o potência de 520 W, comprimento máximo entre pontas de 500 mm com as

seguintes faixas de rotações: faixa 1 ( 140; 250; 390 rpm ) ; faixa 2 ( 600; 1080; 1710 rpm)

pertencente ao Laborátório de Usinagem da FTESM.

Figura 4. Torno marca Automatic Feed Bench Lathe modelo BV20L – 1

O corpo de prova, conforme ilustrado na fig. 5 foi usinado ( faceamento e torneamento

externo ) préviamente afim de definir a geometria do mesmo.

Figura 5. Desenho esquemático do corpo de prova

8

O material dos corpos de prova é o aço comercial SAE 1045 laminado, de média dureza, cuja composição é mostrada na tab. 1

Tabela 1 - Composição Química do Aço SAE 1045

Material C ( % máx. ) Mn (% máx.) P ( % máx. ) S ( % máx. )

Aço SAE 1045

0,45

0,75

0,040

0,050

Na usinagem foi utilizado insertos de metal duro: CNMG120408-M3 TP2500, fabricante

Seco Tools cujas características, conforme classificação da norma ISO são: área P25 e cobertura de

CVD (Chemical Vapour Deposition) com camadas de TiCN (carbonitreto de titânio), Al2O3 (óxido

de alumínio) e TiN (nitreto de titânio) totalizando 5,5 µm de espessura. Os insertos cujas

características são mostradas na fig. 6 foram montados no suporte DWLNR2525 M08 do fabricante

Seco Tools [9].

Figura 6. Insertos de metal duro CNMG120408-M3 TP2500, fabricante Seco Tools e suas

dimensões.

9

Para avaliar o nível de desgaste dos insertos foi feita a caracterização dos mesmos no

microscópio óptico marca Olympus, com aumento máximo de 1000X, com câmera marca

Tucsen, modelo S/N 3003118, cuja resolução é de 3.0 MP, montado no computador com

software para captura de imagem, instalado no Laboratório de Metalografia da FTESM,

conforme mostrado na fig. 7.

Figura 7. Microscópio Óptico que será utilizado - Marca Olympus

A integridade da superfície será caracterizada por rugosímetro portátil de contato apresentado na fig.

7.

Figura 8. Rugosímetro de bancada Mitutoyo Surftest SJ-201

Para a realização dos ensaios obedeceu-se a seguinte metodologia:

10

a) os corpos de provas 1,2,3 e 4, foram usinados com profundidade de corte de 0,50 mm e rotação de

140 rpm

b) os corpos de provas 5,6,7 e 8, foram usinados com profundidade de corte de 0,75 mm e rotação de

600 rpm

c) os corpos de provas 9,10,11 e 12, foram usinados com profundidade de corte de 0,80 mm e rotação

de 1080 rpm

Os parâmetros utilizados nos corpos de prova estão listados na tab. 2.

Tabela 2 – Dados do Experimento

Corpo de

Prova

Rotação (rpm)

Pastilha Aresta Profundidade

de corte (mm)

Rugosidade

Rugosidade

Média ( µm )

Rugosidade Média Geral

( µm ) 1ª

Medição 2ª

Medição 3ª

Medição

1 140 1 4 0,5 3,54 3,31 3,5 3,45

4,30

2 140 1 2 0,5 3,26 6,25 3,15 4,22

3 140 1 1 0,5 5,45 3,16 2,72 3,78

4 140 1 3 0,5 7,89 6,08 5,89 6,62

5 600 2 1 0,75 2,88 3,22 3,28 3,13

6 600 2 2 0,75 3,77 5,24 2,35 3,79

7 600 2 3 0,75 3,53 4,21 4,86 4,2

8 600 2 4 0,75 4,37 6,77 5,6 5,58

9 1080 3 1 0,8 4,32 3,13 4,64 4,03

10 1080 3 2 0,8 3,47 2,91 2,57 2,98

11 1080 3 3 0,8 6,89 5,38 4,4 5,56

12 1080 3 4 0,8 3,27 5,19 4,19 4,22

11

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Com base em toda metodologia descrita, este item demonstrará todos os resultados

envolvidos no experimento, tendo como principal foco a análise da rugosidade da peça em relação

aos parâmetros de corte (rpm e profundidade de usinagem).

Foi analisado a caracterização dos cavacos e dos insertos de corte, antes e ao final dos

experimentos.

Deve – se registrar alguns aspectos inerentes aos ensaios:

a) Para que o suporte fosse encaixado no castelo do torno, foi necessário alterar o cabo

do mesmo de sua forma original, cuja dimensão era 20 x 20 mm, para 19,05 x 19,05

mm;

b) Os parâmetros de corte, sendo eles ap (profundidade de usinagem) e rpm, foram

ajustados de acordo com a potência do motor do torno;

c) O torno utilizado no ensaio possuía apenas um avanço, padrão da máquina, não

permitindo alteração do mesmo;

d) Em alguns corpos de provas devem-se fazer algumas considerações, como:

o Corpo de prova 3: a peça se soltou, sendo necessário repetir a operação. O

motivo do corpo ter soltado das castanhas foi a má fixação do mesmo;

o Corpo de prova 9: inicialmente foi ajustado a profundidade de usinagem para

1 mm, porém sem êxito, pois a máquina parou (placa parou de girar), logo no

primeiro contato da ferramenta com a peça;

o Corpo de prova 10: a placa parou de girar nos primeiros 20 mm

(comprimento de usinagem). Foi interrompido o corte, retornado a posição

anterior de posicionamento da ferramenta e então foi posto no avanço

automático, tendo êxito no corte;

o Corpo de prova 11: em vários momentos a placa apresentou paradas em seu

giro fazendo que parte da usinagem tenha sido no avanço automático e parte

no manual;

o Corpo de prova 12: o torno não conseguiu realizar a operação. Todo o corte

foi feito manualmente.

12

De acordo com as considerações, fizemos as medições de rugosidades nos 12 corpos de provas e

sendo os resultados, apresentados na tab. 3

Tabela 3 – Rugosidade média e rugosidade geral dos corpos de prova

Condições de

Usinagem

Rotação (rpm)

Profundidade de corte

(mm)

RUGOSIDADE

( µm )

MÍNIMAS 140 0,50 4,52

MÉDIAS 600 0,75 4,17

MÁXIMAS 1080 0,80 4,20

No gráfico da fig. 9 podemos observar a variação da rugosidade nos corpos de prova onde o

maior valor encontrado foi no corpo de prova 4 usinado com 140 rpm e profundidade de usinagem

de 0,5 mm. A rugosidade mínima foi obtida no corpo de prova 10, usinado com 1080 rpm e

profundidade de usinagem de 0,8 mm.

Figura 9. Variação da rugosidade em relação a cada corpo de prova estudado

3,45

4,22

3,78

6,62

3,13

3,79

4,20

5,58

4,03

2,98

5,56

4,224,30

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

RUGOSIDADE

CORPOS DE PROVA

RUGOSIDADE

RUGOSIDADE MÉDIA

13

No gráfico da fig. 10 podemos observar a variação da rugosidade nos corpos de prova em

relação as condições de usinagem, apresentadas na tab. 3 onde o maior valor encontrado foi nas

condições mínimas usinado com 140 rpm e profundidade de usinagem de 0,5 mm. O menor valor

encontrado foi nas condições médias usinado com 600 rpm e profundidade de usinagem de 0,75

mm

Figura 10. Variação da rugosidade em relação a cada condição de corte imposta

Quando são de origem térmica ocorrem perpendicularmente à aresta de corte e de origem

mecânica paralelas à aresta de corte.

Observando a caracterização das arestas de corte utilizadas, pode ser verificado trinca

origem mecânica e térmica. Sendo estas causadas pela variação de temperatura e/ou pela variação

de esforços mecânicos.

Na pastilha 2, na aresta caracterizada como aresta 1 tivemos trincas de origem térmica e

mecânica, assim como pastilha caracterizada, como pastilha 2 e na aresta caracterizada como aresta

3. As fig. 11

4,52

4,174,20

3,90

4,00

4,10

4,20

4,30

4,40

4,50

4,60

MÍNIMAS MÉDIAS MÁXIMAS

CONDIÇÕES DEUSINAGEM ( CORTE )

RUGOSIDADE

14

a)

b)

Figura 11. Trincas mecânicas e térmicas. Ampliação 600 x. a) pastilha 2 aresta 1. b) pastilha 2 aresta 3.

A fig. 12 apresenta a caracterização dos cavacos obtidos na usinagem. Na fig. 12a

observamos o cavaco tipo contínuo gerado no regime dúctil em todas as condições de usinagem. Na

ampliação fig. 12b podem ser vistas as lamelas. A formação de cavaco durante esse tipo de

usinagem pode ser caracterizada pelo cisalhamento imposto pela ponta da ferramenta.

a)

b)

Figura 12. a) Cavaco tipo contínuo. b) lamelas ampliadas 600 x.

15

6. CONSIDERAÇÕES

Através das avaliações dos resultados obtidos nos experimentos verificou-se que os

melhores resultados foram obtidos com as condições de corte médias, ou seja, rotação de 140 rpm e

profundidade de usinagem de 0,75 mm.

As variações dos valores de rugosidade podem ser atribuídos as condições da máquina

ferramenta, devido a sua baixa robustez, que pode ter induzido a trepidações.

AGRADECIMENTOS

A FTESM pela aquisição da ferramenta para usinagem dos corpos de prova.

Aos professores Rubens Rodrigues da Silva pelas imagens no microscópio e Renê Mendes

Granado pela constante orientação para desenvolvimento deste relatório.

Ao técnico de laboratório da FTESM Mauro Sérgio Guimarães da Silva, por ter me

auxiliado na manuseio do torno onde foi realizado o experimento.

A firma Flowserve LTDA pela disponibilidade do técnico inspetor de qualidade Vinícius

Prata Garcia da Silva e pelo equipamento para medição das rugosidades.

16

7. REFERÊNCIAS [1] DELIJAICOV, S.; LEONARDI, S.F.; BORDINASSE, E.C.; BATALHA, G.F. 2002. Improved

model to predict machined surface roughness based on the cutting vibrations signal during hard

turning. Archives of Materials Science and Engineering, v.45, parte 2, pg. 102-107.

[2] PETTERSSON, L. 2002. Vibration Analysis of a Boring Bar. Dissertation. Department of

Telecommunications and Signal Processing Blekinge Institute of Technology. Ronneby, Sweden. 2

[3] VALICEK,J.; MULLEROVA, J.; HLOCH, S.2008. Interpretation of the roughness

measurement spectra of the surface profiles, Machines Technologies Materials, v. 2, pg.22-24.

[4] MORELO, F.; BELTRÃO. P, A, C. 2013. Ferramentas antivibratórias: soluções para o

acabamento superficial de qualidade na operação de torneamento interno. Mundo da Usinagem, n.

96, pg 4-11. 2

[5] DIMLA, D. E., 2004, The Impact of Cutting Conditions on Cutting Forces and Vibration

Signals

in Turning with Plane Face Geometry Inserts. Journal of Materials Processing Technology, v.155-

156, pg. 1708-1715.

[6] SIDDHPURA, M.; PAUROBALLY, R., 2012, A review of chatter vibration research in turning.

International Journal of Machine Tools & Manufacture, v. 61, pg. 27-47.

[7] MACHADO, A.R.; COELHO, R. T.; ABRÃO, A. M.; SILVA, M.B. 2009. Teoria da usinagem

dos Materiais. Edgard Blucher: São Paulo, SP.

[8] WRUBLAK. O; PILATTI, L.A.; PEDROSO, B, 2008, Parâmetros e métodos de usinagem e sua

relação com os custos do processo e o acabamento final do produto. 4° Encontro de Engenharia e

Tecnologia dos Campos Gerais.

[9] SITE http://www.secotools.com/br