INFLUENCIA DO SOBREMETAL NA CIRCULARIDADE DE FUROS APÓS ALARGAMENTO DE FERRO FUNDIDO VERMICULAR

Alcione dos Reis¹, Rosemar Batista da Silva², Lucas Gonçalves Silva³, Rosenda Valdes Arencibia4 1, 2, 3 e 4 - Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campus Santa Mônica, Uberlândia – MG, Brasil. Autor para correspondência: rsilva@mecanica.ufu.br (2)

Palavras chave: Alargamento, sobremetal, cilindricidade, ferro fundido vermicular.

Resumo

A operação de alargamento possui grande importância para a indústria que trabalha com operações para produção de furos

com tolerâncias mais estreitas. Esta operação é precedida da operação de furação que influencia na eficiência da operação de

alargamento. Dentre vários fatores que exercem influência, o sobremetal é aquele considerado o mais importante e

normalmente investigado em vários estudos na literatura a fim da seleção correta para a eficiência na produção de furos de

melhor qualidade dimensional.

Neste sentido, este trabalho tem como objetivo apresentar os resultados obtidos após a operação de alargamento cilíndrico

de furos pré-furados com brocas de dois diferentes diâmetros. Foi investigada a influência do valor do sobremetal no erro

de cilindricidade de furos cilíndricos de 25 mm de profundidade produzidos em chapa de ferro fundido vermicular. Todas

as ferramentas são de metal duro integral. Os testes foram feitos na condição a seco. A velocidade de corte e avanço

empregados na operação de alargamento foram, respectivamente, 15 m/min e 0,10 mm/rot. Os valores de sobremetal

empregados foram 0,5mm e 0,30 mm. Foram também obtidas imagens das arestas das ferramentas após usinagem.

Os resultados mostraram que a circularidade aumenta com aumento do sobremetal deixado pela broca nas condições

investigadas. Notou-se a ocorrência de lascamento mais acentuado na superfície de saída do alargador que usinou pré-furos

com o menor sobremetal de 0,3mm.

1. Introdução

Em dias atuais é cada vez maior a pressão recente para uma melhora da produtividade, em muitas vezes exigindo redução do tempo de produção e/ou custos, o que nãoé uma tarefa fácil de ser conseguida. Além das exigências de produtividade, existem ainda os requisitos de aumento da qualidade para assegurar a funcionalidade e intercambiabilidade das unidades mecânicas e realizar soluções inovadoras, de aprimorar técnicos ou processos de produção que são geralmente necessários para se alcançar este padrão [1], o que em outras palavras garante competitividade e sobrevivência das empresas, principalmente do setor metal mecânico. Dentre essas operações a execução de furos é a mais comum, e exige operações posteriores a fim de melhorar a qualidade superficial, a precisão de forma e dimensional. Isso é conseguido empregando-se, entre outras, a operação de alargamento [2] Por alargamento entende-se a operação de usinagem na qual uma ferramenta rotativa com geometria diferente da broca usina um furo já pré-usinado com o objetivo de melhorar a precisão dimensional de um furo e produzir desvios menores desvios geométricos [3]. A quantidade mínima de metal a ser removido é influenciada por vários fatores, dentre eles pela composição e dureza da peça de trabalho. Por ser uma operação de usinagem, a formação do cavaco é um fator importante para a eficiência da operação. Se for pouco material a ser removido, a ferramenta irá apenas atritar a peça, ao invés de cortá-la, o que resulta em danos tanto para o alargador como para a superfície usinada. Para metais considerados de menor dureza, a remoção de 0,20mm do diâmetro por passe é próximo do mínimo, dependendo do comprimento do furo e da rigidez da máquina. Se a ferramenta for de metal duro, essa diferença pode ser reduzida para 0,13mm. Para remoção menor do que 0,13mm de metal, o brunimento ou outro processo de usinagem é preferível [3]. Os erros geométricos (ou de forma) e dimensionais, a presença de rebarbas e a textura superficial definem usualmente a qualidade de um processo. Entre os erros de forma comumente usados como avaliadores da qualidade de furos usinados, destaca-se o erro de cilindricidade [4]. Em aplicações mecânicas onde é requerida elevada exatidão, as tolerâncias dimensionais nem sempre são suficientes para garantir os requisitos de funcionalidade das peças. Segundo Almeida [2], o resultado da operação de alargamento vai depender de vários fatores, entre eles a aplicação manual ou mecânica do alargador, o tipo, a profundidade e a qualidade do furo após a operação de furação, tipo e rigidez da máquina-ferramenta, fixações da ferramenta e da peça, propriedades do material do alargador, propriedades do material da peça, condições de usinagem (velocidade, avanço, profundidade de corte), efeitos térmicos, etc.

2 - Procedimento Experimental

A máquina-ferramenta utilizada para os ensaios foi um Centro de Usinagem Vertical CNC linha Discovery modelo 760 com potência do motor principal de 9 KW, rotação máxima de 10.000 rpm da marca ROMI. As ferramentas utilizadas foram brocas de metal duro com 2 entradas, sem revestimento, e alargadores cilíndricos de metal duro, fornecidos pelo fabricante ISCAR, conforme descrito na Fig.1. Foi empregado o tipo de furação intermitente com corte a seco. Os testes de furação foram realizados na posição vertical, sentido descendente, sem pré-furo e sem furo de centro. Os furos usinados não foram passantes, proporcionando uma relação do comprimento pelo diâmetro do furo igual a 3 (L/D = 3), em amostras de Ferro Fundido Vermicular.

Brocas Metal Duro,3xD sem refrigeração interna,

inteiriça com 2 entradas, do tipo N Ø9, 5 e Ø 9,7

mm.

Alargador de Metal Duro sem revestimento –

Ø 10 mm - H7 com canal reto.

Figura 1 - Especificação das ferramentas utilizadas

Para uma melhor fixação e menor batimento na realização do processo de furação e alargamento, as ferramentas

forma acopladas à máquina através de um mandril hidromecânico de alta precisão Corogrip®, fabricado pela Sandvik

Coromant®.A Tab. (1) mostra os parâmetros de corte utilizados nos testes, de acordo com a ferramenta e o material

usinado.

Tabela 1 – Parâmetros de corte utilizados nos testes

Operação

Velocidade de corte -Vc (m/min)

Avanço - f (mm/rot)

Profundidade do furo (mm)

Ciclo de operação

Furação 70 0,25 3xD = 30 Continuo

Alargamento 15 0,10 25 Continuo

Foram utilizadas nos ensaios de usinagem barras de ferro fundido vermicular (CGI), em forma de blanques retangulares com dimensões de 500 mm X 200 mm X 50 mm, este tipo de ferro fundido vermicular tem sido recentemente empregado em grande escala para fabricação de motores a combustão devido à sua grande resistência mecânica se comparado aos ferros fundidos tradicionais. Apresenta grafitas em forma de “vermes”, ou seja, corpo com característica lamelar com as extremidades arredondadas. A Tab. (2) mostra a composição química do ferro fundido vermicular (CGI).

Tabela 2 – Características do ferro fundido vermicular (CGI) [2].

Grafita

Tamanho (%)

Matriz Forma Nodular Partículas

p/mm² 8 7 6 5 4

Dureza

Brinell

(HB 5/750)

Microdureza

na Perlita

(HV 01)

Perlita com

-2% de Ferrita

III-VI

7%

218

22,0

37,0

33,0

7,0

1,0

237

321 a 366

A peça foi apoiada diretamente na mesa do centro de Usinagem e fixada por um conjunto de mordentes (Fig. 2). A variável

de saída analisada foi o erro de forma (cilindricidade). Imagens das ferramentas após a usinagem foram também obtidas para

análise dos mecanismos de desgaste envolvidos.

Foram realizados um teste e duas repetições sempre com ferramentas novas. Foi adotado o critério de parada dos testes de

furação como sendo 25 furos. Este critério foi baseado naquele adotado para os testes realizados por Almeida [2], que

considerou este número representativo em termos de desgaste e geração dos erros de forma. Foram utilizadas ferramentas

novas para cada teste.

Figura 2 - Montagem de corpo de prova e mandril/ferramenta para os testes de furação.

As medições dos desvios de cilindricidade foram realizadas em uma máquina de medir a três coordenadas (MM3C), do

fabricante Mitutoyo, modelo BR-M443, tipo ponte móvel, resolução de 0,001 mm e volume de trabalho de 400 x 400 x

300 mm³, para os eixos x, y e z, respectivamente. Utilizou-se uma ponta única de esfera de rubi com diâmetro de 2 mm ,

o mesmo foi utilizado com ângulo zero para a medição dos desvios, e em todos os casos admitiu-se o desvio de

calibração de no máximo 2 µm, e chegando a obter em algumas calibrações 0,8 µm, o que promove maior confiabilidade

dos resultados.. Para cada furo foram feitas três medições em um intervalo pré-determinado á cada 5 furos, onde se

calculou a media aritmética. O monitoramento dos desgastes das brocas e alargadores foi feito por meio de

estereomicroscópio SZ6145TR – OLYMPUS, ao qual está acoplado com software de captura de imagens Imagem Pro-

Express ( Fig.3 ).

Figura 3 – Estereomicroscópio SZ6145TR – OLYMPUS

3. Resultados 3.1. Erros de Forma – Cilindricidade

A Fig. 4 apresenta os valores dos erros de cilindricidade em função do diâmetro das brocas empregadas. Normalmente, espera-se que um furo com maior diâmetro apresente maiores desvios, sob as mesmas condições de usinagem. Mas não foi o ocorrido nos testes realizados neste experimento. O mesmo foi observado por Santim [5], que atribuiu os melhores resultados de cilindricidade à broca de maior diâmetro. Segundo este autor, a broca de diâmetro em geral promove maior atrito com a superfície do furo, causando uma maior deformação plástica do material em corte que é arrastado sobre a superfície gerada, apresentando um aspecto alisado contribuindo para um menor erro de forma e consequentemente uma ligeira diferença nos valores de cilindricidade.

Figura 4 - Erros de forma (Cilindricidade) em função do diâmetro das brocas de metal duro.

A Fig.5 apresenta os valores dos erros de cilindricidade medidos nos furos prontos, após a operação de alargamento para os diferentes valores de sobremetal deixados pelas brocas de 9,5 e 9,7mm. Observa-se que os erros de cilindricidade aumentam com o sobremetal. Segundo Almeida [2], que também realizou trabalhos de furação e alargamento de ferro fundido vermicular, devido ao ferro fundido vermicular ser um pouco mais dúctil que o ferro fundido cinzento, o processo de nucleação e propagação de trincas é mais controlado neste tipo de material, que não possui lamelas, e sim vermículos de grafita para direcionar as trincas. O processo de deformação plástica é relativamente mais dominante que o ferro fundido cinzento, alterando as regras de controle de qualidade dos furos. Ao se aumentar o sobremetal, ocorre o aumento da profundidade de corte a ser realizada pelo alargador, o que implica em aumento dos esforços de corte, gerando vibrações, o que pode piorar os desvios de forma [4]. Machado et al. ([6] reportam que um maior valor de sobremetal promove maior

Esteriomicroscópio SZ6145TR – OLYMPUS

Posicionamento da ferramenta para o monitoramento de

desgaste.

Computador com software para captura de

Imagem Pro- Express.

atrito com a parede do furo, aumentando consequentemente a temperatura, e resultando assim em um maior erro de cilindricidade do furo. A geração de calor na parede do furo é um dos grandes responsáveis pelos erros de forma e dimensionais em furos.

Figura 5 – Erro de forma (cilindricidade) nos furos após alargamento em função do diâmetro deixado pelas brocas de diâmetro 9,5 mm (sobremetal 0,5mm) e diâmetro 9,7mm (sobremetal igual a 0,3mm).

3.2. Desgaste das ferramentas As Figuras 6 a 10 mostram as imagens das arestas de corte das ferramentas após a usinagem para este trabalho. Em geral são apresentadas as imagens de desgaste no flanco, VBmax. As Figuras 6(a) e (b) apresentam os valores de desgaste para as duas arestas (indicadas pelas setas) da broca de Ø 9,5 mm ao final do furo de número 25 (último furo). Em geral o desgaste foi uniforme ao longo da aresta de corte para as duas arestas da broca.

Figura 6 – Arestas da broca de 9,5mm: a) Aresta 1; b) Aresta 2. Na Figura 7 é apresentada a imagem da aresta transversal da broca de 9,5mm. Observa-se que a aresta sofreu deformação plástica causada pelo atrito com a peça durante a usinagem.

Figura 7 - Aresta transversal de corte broca Ø 9,5 mm.

As Figuras 8 (a) e 8 (b) apresentam os valores de desgaste de flanco das arestas 1 e 2 da broca de Ø 9,7 mm após usinagem do último furo, número 25 . Na Fig. 9 é mostrada a imagem da aresta transversal da broca de Ø 9,7 mm. Das Figuras 6 e 8 não se pode afirmar, por meio das imagens, que houve diferença significativa no valor de desgaste das arestas nas condições investigadas. Em geral, as formas de desgaste durante a usinagem foram bem similares para ambas as brocas empregadas, de diâmetros de 9,5 e 9,7 mm.

Figura 8 – Arestas da broca de 9,7 mm: a) Aresta 1; b) Aresta 2.

Figura 9 - Aresta transversal de corte broca Ø 9,7 mm.

Nas Figuras 10 (a) a (d) são apresentadas as imagens das arestas de corte dos alargadores empregados no trabalho após usinagem do furo 25 em função do sobremetal deixado pelas brocas.

Da Figura 10(a), alargador empregado após pré-furo com sobremetal igual a 0,5mm observa-se que houve pequeno lascamento da aresta de corte e o desgaste foi relativamente maior que aquele observado para aquele que usinou o furo com sobremetal igual a 0,3 mm (Figura 10 (b)). Mas ao observar as imagens obtidas da superfície de saída dos mesmos alargadores, Figuras 10 (c) e (d), observa-se a presença de lascamento no alargador empregado no pré-furo deixado com sobremetal igual a 0,3mm.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 10 – Imagens das arestas de corte dos alargadores: a) superfície de folga– sobremetal = 0,5mm; b) superfície de folga sobremetal = 0,3mm; c)

superfície de saída – sobremetal = 0,5mm; d) superfície de saída– sobremetal = 0,3mm.

4. Conclusões

As seguintes conclusões podem ser retiradas deste trabalho da influência de diferentes valores de sobremetal no erro de cilindricidade após alargamento de ferro fundido vermicular com ferramentas de metal duro integral: - O maior valor de sobremetal 0,5 mm gerou maiores valores de cilindricidade quando comparados com o sobre metal de menor valor 0,3 mm, tanto nos desvios de forma (cilindricidade); - Os valores de sobremetal na usinagem a seco do ferro fundido vermicular foram significativos para a qualidade dos furos, os quais indicaram que os níveis selecionados afetam a qualidade final dos mesmos. - Os parâmetros de corte e metodologia empregados neste trabalho permitiram quantificar com apenas 25 furos a influência do sobremetal da furação no desvio de forma (cilindricidade) e também gerar desgaste relativamente considerável nos alargadores. - Ocorreu lascamento de forma acentuado na superfície de saída dos alargadores que usinaram os furos com sobremetal igual a 0,3mm. 5. Agradecimentos

Um dos autores agradece a FAPEMIG pelo apoio financeiro recebido via PPM-VII, Processo Nº: PPM-00265-13.

6. Referências

[1] Abele, E., Elsenheimerl. J., Hohensteinl, J., Tschannerll, M. Influence of Drill Dynamics on Bore Quality, Institute of Production Management, Technology and Machine Tools, Darmstadt University of Technology, Darmstadt, Germany.(2005). [2] Almeida, D.O., Investigação de Desvios Geométricos no Alargamento de Ferro Fundido com Ferramentas Revestidas. 2008. 100 f. Dissertação de Mestrado – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia. [3] Metals Handbook – Volume 16, 1989, Machining, ninth edition, ASM International. [4] Bezerra, A.A., 1998, Influência dos principais parâmetros no processo de alargamento de uma liga de alumínio-silício, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, 139 p. [5] Santin, R.; Vidor,

G.; Mandelli, F.L.; Besutti, K.; Veja ,P.; Rocha ,E.C.; Nicola, G.L.; Zeilmann ,R.P. Desempenho de

Brocas de Aço Rápido com Diferentes Revestimentos na Usinagem a Seco e com Mínimas Quantidades de Fluido de Corte. III Prêmio Universitário Brasimet de Tratamento Térmicos e Engenharia de Superfícies Rio Grande do Sul 2005 - Universidade de Caxias do Sul/ Centro de Ciências Exatas e Tecnologia/ Departamento de Engenharia Mecânica/ Grupo de Usinagem [6] Machado, A.R.; Abrão, A.M.; Coelho, R.T.; Da Silva, M.B. Teoria da Usinagem dos Materiais, 1. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2009. 371p.