UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE DA VARIAÇÃO DA FORÇA DE AVANÇO NO PROCESSO DE
FURAÇÃO DE LIGA INCONEL 718
Rodrigo Marques Rios
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA
MECÂNICA
DA
ESCOLA POLITÉCNICA
DA
UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
Prof. Anna Carla Monteiro de Araujo; DSc
Prof. José Luis Lopes da Silveira; DSc
Prof. Lavinia Maria Sanabio Alves Borges; Dsc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
DEZEMBRO DE 2014
Agradecimentos:
Agradeço em primeiro lugar a Deus por mais esta conquista em minha vida e
por todas as outras que ainda estão por vir.
À professora Anna Carla Araújo pela paciência durante este período, pelos
ensinamentos e total dedicação que não se restringiram a orientação do trabalho mas
também ao meu bem estar. Uma profissional altamente competente que certamente
servirá de inspiração no desenvolvimento de minha carreira.
Ao técnico Vladimir Calixto do CEFCON por seu comprometimento e dedicação
na preparação dos equipamentos e contribuições nos experimentos.
A minha noiva Ana Carolina, que acompanhou todo meu esforço no
desenvolvimento deste trabalho dando conselhos e incentivos fundamentais em minha
caminhada.
Aos meus pais, Ronaldo e Lourdes, que apesar das dificuldades, sempre
batalharam para me proporcionar melhores oportunidades de estudo.
À todos os meus familiares e amigos, que ansiosamente aguardavam este
momento, eu deixo aqui os meus agradecimentos.
i
Resumo:
O Inconel 718 é uma superliga a base de níquel amplamente empregada nas
indústrias nuclear, petrolífera e principalmente aeroespacial, onde é utilizado na
fabricação da seção quente de motores de turbinas a gás. As suas propriedades de alta
dureza, resistência a temperaturas elevadas e baixa condutividade térmica lhe
conferem a característica de baixa usinabilidade, onde se observa desgastes severos
na ferramenta durante o corte do material. A furação é um processo de usinagem com
velocidade de corte variável ao longo da aresta de corte e com dificuldades na remoção
de cavacos, o que a torna ainda mais difícil neste tipo de material. O estudo do
comportamento dos esforços de usinagem se faz necessário na busca das condições
de corte ideais, onde se tem o melhor aproveitamento da ferramenta e assim maior
eficiência na produção. A realização deste trabalho permitiu a compressão da variação
da força de avanço em função da velocidade de corte para o processo de furação em
uma peça de Inconel 718. A partir da variação da velocidade de corte foi possível
encontrar uma região ótima analisando-se a progressão do desgaste de cratera na
superfície de saída das brocas nos intervalos dos experimentos.
ii
Sumário:
1. Introdução.................................................................................................................. 1
2. Revisão Bibliográfica ................................................................................................. 3
2.1. O Processo de Furação ....................................................................................... 3
2.2. Broca Helicoidal .................................................................................................. 4
2.3. Materiais e Revestimentos das Brocas ................................................................ 8
2.4. Parâmetros de Corte na Furação ........................................................................ 9
2.4.1. Avanço ......................................................................................................... 9
2.4.2. Profundidade de Corte ................................................................................ 10
2.4.3. Velocidade de Corte ................................................................................... 10
2.4.4. Grandezas Relativas ao Cavaco ................................................................ 11
2.5. Forças e Torque na Furação ............................................................................. 11
2.5.1. Determinação Teórica da Força de Avanço e Toque .................................. 14
2.4.3. Determinação da Força de Avanço e Torque pelo Método de Kienzle ........ 15
2.6. Desgastes na Broca .......................................................................................... 16
2.7. Furação do Inconel ........................................................................................... 18
2.7.1. Principais Características do Material – Inconel 718.................................... 18
2.7.2. Condições de Corte do Inconel 718 ........................................................... 19
3. Materiais e Métodos ................................................................................................ 24
3.1. Corpo de Prova ................................................................................................. 24
3.2. Ferramenta de Corte ......................................................................................... 26
3.2.1. Furação ....................................................................................................... 27
3.2.2. Furação com Pré-furação com broca de centro .......................................... 27
3.3. Fluido de Corte ................................................................................................. 28
3.4. Parâmetros de Corte ......................................................................................... 28
3.5. Equipamentos ................................................................................................... 30
3.5.1. Centro de Usinagem ................................................................................... 30
3.5.2. Dinamômetro .............................................................................................. 30
3.5.3. Amplificador de Sinais ................................................................................ 30
3.5.4. Placa de Aquisição ..................................................................................... 30
3.6. Experimentos .................................................................................................... 31
iii
3.7. Análise do degaste ............................................................................................ 31
3.8. Estimativa dos Esforços de Corte ..................................................................... 33
4. Resultados e Discussão .......................................................................................... 35
4.1. Força de Avanço Medida nos Experimentos sem pré-furação .......................... 37
4.2. Força de Avanço Medida nos Experimentos com pré-furação com broca de
centro ....................................................................................................................... 42
4.3. Análise dos Resultados de Força de Avanço .................................................... 45
4.4. Comparação da Força de Avanço Experimental com o calculado utilizando o
modelo de Kienzle e pressão específica inicial ...................................................... 49
4.5. Desgaste da Ferramenta ................................................................................. 50
5. Conclusão ............................................................................................................... 53
6. Bibliografia .............................................................................................................. 54
Apêndice A .................................................................................................................. 57
iv
Figuras:
Figura 1: Processo de furação em cheio e furação de centro de acordo com DIN 8589
[8] ................................................................................................................................... 4
Figura 2: Broca helicoidal com haste cônica de acordo com DIN 1412 [8] ...................... 5
Figura 3: Gumes e superfícies de uma broca helicoidal [7] ............................................ 5
Figura 4: Ângulo de ponta de uma broca helicoidal [7].................................................... 6
Figura 5: Vida da ferramenta para os ângulos: (a) de ponta; (b) de incidência [5]........... 7
Figura 6: Grandezas de corte na furação [8]. ................................................................ 10
Figura 7: Forças em uma broca helicoidal segundo Spur [7]......................................... 13
Figura 8: Força de avanço em: (a) primeiro contato com a peça; (b) entrada total da
aresta transversal de corte; (c) entrada total da aresta principal de corte [12] .............. 13
Figura 9: Tipos de desgaste em uma broca helicoidal [2] ............................................. 17
Figura 10: Variação da Força de Avanço e Torque na furação do Inconel 718 [5]. ....... 20
Figura 11: Força de corte e avanço vs. velocidade de corte no processo de
torneamento de uma barra de Inconel 718 com ferramenta de metal duro sem
revestimento e avanço de 0,2 mm/rot [18]. ................................................................... 21
Figura 12: Corpo de prova fixado ao dinamômetro antes dos testes............................. 24
Figura 13: Posicionamento dos furos ............................................................................ 26
Figura 14: Dimensões (em mm) da broca A1244 [28]. .................................................. 27
Figura 15: Especificações da broca de centro para pré-furação [29]............................. 28
Figura 16: Dados de corte para broca A1244 [28]......................................................... 29
Figura 17: Equipamentos: A) Dinamômetro Kistler utilizado para medição da força de
avanço; B) Amplificador de sinais Kistler; C) Placa de aquisição de sinais ................... 31
Figura 18: Ciclo das brocas helicoidais 1 e 2 ................................................................ 32
Figura 19: Microscópio óptico Olympus BXM60 ............................................................ 33
Figura 20: Ajuste linear para determinação das constantes de Kienzle kz.1.1 e mz. .... 34
Figura 21: Corpo de prova após a realização dos testes .............................................. 35
Figura 22: Cavacos gerados em: A) Furo 1 (Vc=4 m/min); B) Furo 2 (Vc=2 m/min); C)
Furo 3 (Vc=6 m/min) ..................................................................................................... 36
Figura 23: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 2 m/min (furos 2 e 6) ....... 37
Figura 24: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 4/min (furos 1 e 5) ........... 38
Figura 25: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 6 m/min (furos 3 e 4) ....... 38
Figura 26: (a) primeiro contato da ponta da broca com a peça; (b) ponta da broca
totalmente inserida na peça usinada............................................................................. 40
v
Figura 27: Diferentes regiões ao longo da profundidade do furo para força de avanço
no processo de furação em cheio ................................................................................. 41
Figura 28: Força de Avanço para Vc = 2 m/min com pré-furação (furos 8 e 12). .......... 42
Figura 29: Força de Avanço para Vc = 4 m/min com pré-furação (furos 7 e 11). .......... 43
Figura 30: Força de Avanço para Vc = 6 m/min com pré-furação (furos 9 e 10). .......... 43
Figura 31: Diferentes regiões ao longo da profundidade do furo para força de avanço
no processo de furação com pré-furação ...................................................................... 44
Figura 32: Média e dispersão das forças de avanço para furação em cheio ................. 45
Figura 33: Média e dispersão das forças de avanço para furação com pré-furação...... 46
Figura 34: Variação da força de avanço com a velocidade de corte para furação com
pré-furação. Ajuste polinomial: = , + −, . + , . .................... 47
Figura 35: Variação da força de avanço com a velocidade de corte para furação em
cheio e com pré-furação. Ajuste polinomial: = , + −, . + , . 48
Figura 36: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 1: em a) aresta 1; b)
aresta 2 ........................................................................................................................ 50
Figura 37: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 1 após réplica dos
ensaios: a) aresta 1; b) aresta 2 ................................................................................... 50
Figura 38: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 2 em: a) aresta 1; b)
aresta 2 ........................................................................................................................ 51
Figura 39: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 2 após réplica dos
ensaios: a) aresta 1; b) aresta 2 ................................................................................... 52
vi
Tabelas:
Tabela 1: Participação nos esforços em uma broca helicoidal de forma geral [1]. .......... 12
Tabela 2: Recomendações para furação com broca helicoidal de aço rápido [16] .......... 19
Tabela 3: Parâmetros de corte utilizados para usinagem do Inconel 718 ....................... 22
Tabela 4: Composição química do Inconel 718 [17]........................................................ 24
Tabela 5: Propriedades mecânicas do Inconel 718 à temperatura ambiente [16] ........... 25
Tabela 6: Dados de corte e posição dos furos para os ensaios ...................................... 25
Tabela 7: Cálculo da rotação e da velocidade de avanço ............................................... 29
Tabela 8: Dados para determinação de kz 1.1 e mz [27] ................................................ 34
Tabela 9: Comparação do modelo experimental com o cálculo da previsão de força *49
vii
1. Introdução
O processo de furação é considerado um dos mais importantes dentre os
processos de usinagem. Na indústria manufatureira a grande maioria das peças
possuem pelo menos um furo, e somente uma parte muito pequena dessas peças já
chegam com o furo pronto oriundo do processo de obtenção da peça bruta, como a
fundição por exemplo [1]. Por ser normalmente realizada nos últimos estágios do
processo produtivo, a peça chega nesta etapa com um alto valor agregado, e com
isso, erros na execução do furo encarecem a produção devido a geração de refugos
[2]. Desta forma, é fundamental que se tenha pleno conhecimento do material a ser
usinado bem como dos parâmetros de corte que serão utilizados durante o processo
de furação, pois isto irá minimizar as chances de falha e permitirá redução de custos
e aumento da produção.
Dependendo da microsestrutura do material, o processo de usinagem pode
ser bem complexo, como é o caso das superligas de níquel. Este material é utilizado
principalmente em aplicações aeroespaciais e plantas de geração de energia, onde
se requer componentes com elevada resistência mecânica, boa resistência à fadiga,
à fluência e à corrosão, mesmo operando continuamente em elevadas temperaturas.
A aplicação também se estende a indústria petrolífera, na exploração de petróleo e
gás em poços de águas profundas, que normalmente estão submetidos a uma
combinação de altas pressões e altas temperaturas com a presença de elementos
corrosivos. Neste caso, a utilização de superligas garante que as altas taxas de
oxidação do meio não interfiram no funcionamento de válvulas, dutos, flanges e
bocais. A baixa taxa de usinabilidade dessas ligas confere a elas o rótulo de um
material difícil de usinar [3,4,5], isso em função de propriedades como alta
resistência e alta dureza a quente, afinidade para reagir com o material da
ferramenta e por sua baixa condutividade térmica, o que leva a altas temperaturas
na zona de corte. A Micro-soldagem também pode ocorrer na interface ferramentapeça levando a formação da aresta postiça de corte.
Dentre todas as superligas à base níquel, o INCONEL 718 está entre os mais
conhecidos. Ele possui uma microestrutura composta por uma matriz austenítica
cúbica de face centrada endurecida por precipitação, o que lhe confere alta
resistência mecânica em baixa, média e alta temperatura. Estudos [5,6] foram
realizados nos últimos anos visando à compreensão da vida da ferramenta a partir da
evolução do desgaste durante operações de furação do Inconel 718. Diferentes
1
geometrias de brocas resultaram em níveis de desgaste e tempos de vida distintos e
a evolução do desgaste promoveu o aumento gradual dos esforços de corte. Além da
ferramenta, mudanças em outros parâmetros de entrada como: avanço, velocidade
de corte e aplicação de fluido lubri-refrigente, promovem mudanças nos esforços
resultantes do processo de furação. Segundo eles, o campo de pesquisa para
investigação do processo de furação do Inconel 718 é bem amplo e ainda pouco
explorado. Quando comparada as operações de torneamento e fresamento, a
furação possui uma literatura bem limitada para este tipo de material apesar de sua
importância no processo de fabricação. É preciso entender as condições de corte
ideais para que se tenha o melhor aproveitamento da ferramenta e assim um menor
custo de produção.
O presente trabalho é uma contribuição na compreensão da variação da
força de avanço no processo de furação de uma barra de Inconel 718, quando se
utiliza diferentes velocidades de corte. As diferentes condições de velocidade de
corte serão analisadas e a progressão do desgaste na superfície de saída das
brocas será avaliada entre os intervalos dos experimentos para verificar sua
influência no comportamento da força.
2
2. Revisão Bibliográfica
Este capítulo irá apresentar os conceitos fundamentais sobre o processo de
furação de superligas à base de níquel, em específico o Inconel 718. Serão
abordadas as principais geometrias de brocas utilizadas neste caso, as condições e
os parâmetros de corte, as forças atuantes no processo e as principais
características de desgaste da ferramenta.
2.1. O processo de Furação
A furação é um dos processos de usinagem mais utilizados na indústria
manufatureira e um dos mais importantes na fabricação aeroespacial. Segundo
SHARMAN, AMARASINGHE e RIDGWAY [6] deve-se dar ênfase a confiabilidade do
processo de furação, considerando tolerância dimensional e qualidade do furo, pois
ele é último a ser executado e por isso possui altos custos já envolvidos. Em geral,
as peças têm que ser furadas em cheio ou terem seus furos aumentados pelo
processo de furação [1].
Conforme a norma alemã DIN 8589, a furação é definida como um processo
de usinagem com movimento de corte circular, ou seja, com movimento rotativo
principal, onde a ferramenta apresenta movimento de avanço apenas na direção do
seu eixo de rotação, o qual mantém sua posição em relação à ferramenta e à peça.
A furação de centro é normalmente utilizada em operações na qual a peça
será fixa para ser usinada “entre pontas” ou para melhorar a centragem da broca em
furações subsequentes. Os furos produzidos possuem uma parte escariada com
ângulo de 60° ou 90°, ou ainda um segundo ângulo, d e proteção, de 120° [7].
O processo de furação faz parte do grupo de operações de corte com
ferramentas de geometria definida, ou seja, arestas cortantes com formato e
tamanho conhecidos, assim como torneamento e fresamento. Estima-se que a
furação represente 30% de todas as operações de usinagem e 75% do volume de
material removido na usinagem [2]. Apesar de sua importância tal processo recebeu
poucos avanços nos últimos anos. Enquanto se desenvolvem com certa rapidez
ferramentas com materiais novos para processos como torneamento e fresamento,
como é o caso do cerâmico, nitreto de boro cúbico e diamante, na furação estes
3
materiais são raramente empregados e a ferramenta mais utilizada ainda é a broca
helicoidal de aço rápido, seguida da broca de metal duro [1].
Esta dificuldade em acompanhar a evolução tecnológica deve-se em partes
pelas condições severas nas quais o processo de furação é executado. Podemos
citar as seguintes particularidades [8]:
Variação na velocidade de corte: de zero no centro do furo a um valor
máximo na periferia;
Dificuldade de remoção de cavacos;
Distribuição inadequada de calor na região de corte;
Desgaste acentuado nas quinas com cantos vivos;
Atrito entre as guias, parede do furo e o próprio cavaco;
Figura 1: Processo de furação em cheio e furação de centro de acordo com DIN 8589 [8]
Dentre as variantes do processo de furação, pode-se afirmar que a furação
em cheio é o mais comum. Neste processo um furo cilíndrico é usinado na peça em
uma única passada atingindo uma profundidade normalmente compreendida entre
três a cinco vezes o diâmetro da broca. Quanto maior for a profundidade do furo
mais difícil será a remoção do cavaco, fazendo-se necessário em alguns casos a
interrupção do processo para remoção de cavaco e calor.
2.2. Broca helicoidal
Para a abertura de furos são empregadas ferramentas denominadas brocas.
Em função das características do furo, tais como diâmetro, profundidade, tolerâncias
(dimensionais e geométricas) e volume de produção, podem-se empregar diferentes
tipos de brocas, entre elas [8]: brocas chatas, brocas escalonadas, brocas com
dutos de refrigeração, brocas de centro, brocas canhão, brocas ocas e brocas
helicoidais. Esta última ocupa a posição de maior importância entre as ferramentas
4
de furação. Estima-se que ela represente de 20 a 25% de todas as operações de
usinagem, e hoje seja a ferramenta de usinagem produzida em maior escala e mais
difundida no mundo [8]. Como esta é a ferramenta utilizada neste estudo, as suas
características mais importantes serão tratadas adiante.
A nomenclatura das partes constituintes de uma broca helicoidal é definida
pela norma DIN 1412 (NBR 6176). Podem existir variações geométricas, tais como
ausência de rebaixo, haste cilíndrica ao invés de cônica, existência de canais para
refrigeração interna, e etc. [9]. A terminologia básica está ilustrada na Figura 2.
Figura 2: Broca helicoidal com haste cônica de acordo com DIN 1412 [8]
Pode-se observar que sua forma construtiva é composta basicamente de
uma haste cilíndrica e uma parte cortante. No que tange a dimensões, as brocas são
classificadas pelo seu diâmetro externo, que deve estar dentro da tolerância h8.
Quanto ao comprimento, distingue-se o comprimento total da broca, o comprimento
da hélice, o comprimento da haste (cone) [7], como mostra a Figura 2.
A Figura 3 apresenta a geometria da parte cortante de uma broca helicoidal.
De acordo com a definição [8], as arestas principais se mostram na direção de
avanço e a aresta transversal é também parte integrante do gume principal, apesar
de devido a seu ângulo de saída negativo quase não apresente corte, mas sim uma
deformação plástica do material com a extrusão na direção do gume principal.
Figura 3: Gumes e superfícies de uma broca helicoidal [7]
5
A broca helicoidal, assim como qualquer outra ferramenta de usinagem, tem
seu desempenho afetado por sua geometria. Os ângulos desempenham papéis
importantes na evolução do desgaste e força resultante atuantes no processo de
furação. A figura 4 ilustra o ângulo de ponta de uma broca helicoidal.
Figura 4: Ângulo de ponta de uma broca helicoidal [7]
O ângulo de ponta () é formado pelos dois gumes principais no plano que contém o
eixo da broca. Ele varia de acordo com o tipo de material e as dimensões da peça a
ser usinada. Ângulos de ponta grande prejudicam a centragem e provocam um
aumento no diâmetro dos furos. Por outro lado, reduzem o atrito das guias na
parede do furo minimizando o desgaste. Além disso, um grande ângulo de ponta
permite, usualmente, o aumento do avanço. Isto possibilita uma substancial redução
no tempo de usinagem. Ângulos de ponta pequenos proporcionam uma boa
centragem da broca e garantem furos com melhores precisões dimensionais, mas
ao mesmo tempo aumentam o atrito das guias na parede do furo. Para um mesmo
avanço, o aumento do ângulo de ponta da broca provoca a diminuição da espessura
do cavaco [2].
A figura 5 ilustra o procedimento de CHEN e LIAO [5] realizado com brocas
de metal de duro revestidas com TiAlN PVD onde o objetivo foi determinar os
ângulos ótimos de ponta e de incidência para o processo de furação de uma peça de
Inconel 718. A velocidade de corte e o avanço utilizados nos experimentos foram
13,2 m/min e 0,1 mm/rot respectivamente.
6
Figura 5: Vida da ferramenta para os ângulos: (a) de ponta; (b) de incidência [5].
O estudo concluiu que um número maior de furos pôde ser obtido com a
broca com ângulo de ponta igual a 140° e ângulo de incidência de 8° indicando uma
maior vida da ferramenta nestas condições. No presente trabalho foi utilizado um
ângulo de ponta igual a 130°. Esta é a condição pad rão fornecida pelo fabricante
para a broca utilizada.
A forma de afiação também é um fator decisivo no tempo de vida de uma
broca helicoidal. Uma geometria adequada de afiação reduz os esforços de corte
durante a furação. O tipo de afiação mais comumente usada é a afiação em cone de
revolução ou simplesmente afiação cônica, onde a broca é colocada em frente a um
rebolo de copo, de modo que seu eixo geométrico forme com a face do rebolo um
ângulo igual à metade do ângulo de ponta desejado e então a broca girada em torno
de seu eixo de rotação.
Outros tipos de afiações de brocas helicoidais foram desenvolvidos com
objetivo de melhorar a performance na usinagem de determinados tipos de
materiais. São eles [10]:
Afinação da aresta transversal de corte: objetivo principal é reduzir o
esforço axial na ferramenta a partir da redução da espessura núcleo;
Afiação cruzada: caracterizado pela eliminação parcial ou total do gume
transversal. Tem-se uma redução significativa da força axial;
7
Afiação com ângulo de ponta duplo: é afiado um segundo ângulo de
ponta com 90° na parte exterior da aresta principal de corte. Tem como
objetivo reduzir o desgaste ao aumentar o comprimento da aresta
principal de corte e do raio de quina;
Afiação em S: apresenta a aresta transversal com ponta em espiral.
Também tem como objeto a redução da força de avanço, além de melhor
acabamento da peça e menor geração de calor nas extremidades da
broca;
Os estudos de CHEN e LIAO [5] e SHARMAN, AMARASINGHE e RIDGWAY
[6] apontam uma melhor performance na furação do Inconel 718 para brocas com
afiação cruzada combinada com ângulo de ponta duplo. Para o segundo, pôde-se
observar uma vida da ferramenta até cinco vezes maior quando incluída a afiação de
ponta
secundária,
o
que
permitiu
uma
melhor
dissipação
de
calor,
e
consequentemente menor desgaste na parte mais externa da aresta de corte. Além
disso, outros estudos [6] apontaram que a aresta transversal com ponta em espiral,
afiação em S, levou a ganhos significativos na vida da ferramenta quando
comparada com a aresta transversal reta para experimentos com liga de titânio,
podendo ser uma alternativa para o Inconel 718. No presente trabalho manteve-se a
afiação cônica já fornecida pelo fabricante.
2.3. Materiais e revestimentos de brocas
Os materiais para brocas helicoidais, assim como a maioria dos materiais
para ferramentas, devem atender a características como resistência mecânica, alta
dureza, resistência a quente e tenacidade. No caso de brocas, por possuírem uma
geometria relativamente complexa, exige-se ainda um material com facilidade de
fabricação. Os principais materiais que satisfazem essas exigências são o aço
rápido e o metal duro. O segundo permite alcançar maiores níveis de dureza,
resistência ao desgaste e resistência a quente que o primeiro, mantendo a
tenacidade em níveis aceitáveis. Isto torna a broca de metal duro mais apropriada
para furação de materiais de dureza muito elevada como o Inconel 718, porém devese levar em conta que esta superioridade acarreta em custos mais elevados para as
brocas de metal duro em relação as de aço rápido.
8
A utilização de revestimentos nas brocas helicoidais promove melhorias nas
propriedades da ferramenta o que leva a um aumento de vida e consequentemente
um ganho de produtividade. Os revestimentos proporcionam maior resistência ao
desgaste, reduzem o atrito na superfície de saída do cavaco, funcionam como
isolante térmico e químico, aumentando a vida da ferramenta e reduzindo os
esforços de usinagem. [10] Atualmente os tipos de revestimentos mais utilizados em
brocas são: TiC, TiN, TiCN e o TiAlN, normalmente executados pelo método de
deposição física (PVD), onde é possível realizar a aplicação de uma nova camada
após a reafiação da ferramenta sem alterações de dimensão ou formato. O
experimento de SHARMAN, AMARASINGHE e RIDGWAY [6], apontou durante a
furação do Inconel 718, um rendimento (nº de furos) entre 60 a 180% superior com
uma broca helicoidal revestida com TiAlN multicamadas PVD, quando comparado
com uma broca helicoidal de mesma geometria de afiação porém sem o
revestimento. Este tipo de ferramenta não foi utilizada neste estudo em função de
seu alto custo de aquisição, optou-se por uma broca de aço rápido sem revestimento
com condições de corte apropriadas para furação do Inconel 718. Esta ferramenta
atende as expectativas de avalição da variação da força de avanço.
2.4 Parâmetros de Corte na Furação
Os parâmetros de corte são as grandezas definidas pelo operador e
ajustadas na máquina, direta ou indiretamente, para definir a maneira como o
processo de corte será realizado.
Os três parâmetros que devem ser definidos na furação são: avanço,
profundidade de corte e velocidade de corte.
2.4.1 Avanço
O avanço () é o percurso de avanço em cada volta ou curso da ferramenta
[1]. Na furação é o percurso linear por revolução numa direção paralela ou
coincidente com o eixo do furo [11]. O limite superior do valor utilizado para o avanço
é definido pelas características da máquina e a resistência mecânica da ferramenta.
Pode-se utilizar os valores entre 0,5 e 2% do diâmetro da broca como referências
para o avanço [8].
9
Entende-se por o percurso de avanço realizado por cada dente. Em
brocas helicoidais com duas arestas tem-se: = /2, como observado na figura 6.
A velocidade de avanço (௙ ) é uma grandeza proporcional ao avanço. É
calculada pelo produto do avanço (), em mm/rot, pela rotação da ferramenta (),
em RPM, conforme equação abaixo:
௙ = . [mm/min]
(2.3-1)
Figura 6: Grandezas de corte na furação [8].
2.4.2 Profundidade de Corte
A profundidade de corte (௣ ) é a profundidade de penetração do gume
principal medida perpendicularmente ao plano de trabalho. Na furação corresponde
à metade do diâmetro da broca, conforme observado na Figura 6.
2.4.3 Velocidade de Corte
A velocidade de corte (௖ ) é a velocidade instantânea de um ponto de
referência da aresta de corte, segundo uma direção e sentido de corte [2]. É
calculada em função da posição do ponto da aresta de corte em relação ao centro
de rotação da broca. Portanto, varia de um valor igual à zero no centro do furo até
um máximo em sua periferia. Pode-se afirmar que velocidades de corte muito
elevadas podem levar a um superaquecimento da ferramenta provocando perda de
10
capacidade de corte e redução da vida útil. Em contrapartida, velocidades de corte
muito baixas podem provocar problemas de acabamento na peça com a formação
da aresta postiça de corte.
A velocidade de corte máxima na broca é calculada a partir de seu diâmetro.
Tem-se então [8]:
=
.
. 2()
[m/min]
(2.3-2)
Onde:
= rotação da ferramenta [rpm].
()= posição de um ponto qualquer na aresta de corte [mm]. A
velocidade de corte é máxima em = /2.
2.4.4 Grandezas Relativas ao Cavaco
A partir dos parâmetros de corte, como observado na figura 6, pode-se
calcular a geometria do cavaco pela largura e espessura do cavaco.
A espessura do cavaco indeformado (ℎ) é medida perpendicularmente a
aresta de corte e pode ser calculada a partir do avanço por dente () e do ângulo
de ponta de ponta () da ferramenta conforme equação abaixo [7]:
ℎ = .
( )
[mm]
(2.4-1)
A largura do cavaco () é o comprimento do cavaco a ser retirado medido na
superfície de corte, segundo a direção normal à direção de corte. Na furação é
calculada através da equação [7]:
=
഑
మ
.
( )
[mm]
(2.4-2)
2.5 Forças e Torque na Furação
A estimativa de forças e toque atuantes nos processos de usinagem é de
fundamental importância para avaliação das condições de corte e desenvolvimento
11
de máquinas-ferramentas [1]. Como em todos os processos de usinagem, diversos
fatores influenciam nos esforços de corte na furação, dentre eles podemos destacar
como principais: o avanço, a profundidade de corte, a geometria da ferramenta, o
material da peça, o material da ferramenta e a velocidade de corte.
Durante o processo de furação verificam-se três regiões de reação à
penetração da broca:
a) Nas duas arestas principais de corte
b) Na aresta transversal de corte
c) Nas guias em contato com a parede do furo
De forma qualitativa, pode-se observar na tabela 1 a relação dos esforços
relacionados a cada região:
Tabela 1: Participação nos esforços em uma broca helicoidal de forma geral [1].
Arestas Principais
Aresta Transversal
Atritos
Força de Avanço
39 – 59%
40 – 58%
2 – 5%
Torque
77 – 90%
3 – 10%
3 – 13%
Pode-se observar através dos dados apresentados na tabela acima que as
arestas principais de corte exercem uma grande participação nos valores de torque
obtidos no processo de furação. Já para a força de avanço, a aresta transversal de
corte também exerce um papel de destaque. Isto deve-se a baixa rotação e ângulo
de saída negativo na região central da broca que leva ao esmagamento do cavaco e
encruamento do fundo do furo. Este efeito danoso pode ser amenizado aplicando-se
a afiação da aresta transversal ou a furação com pré-furação ou com furo de centro.
A força de usinagem que atua na aresta principal de corte durante a furação
com broca helicoidal pode ser decomposta em três componentes: força de corte
(௧ ), força de avanço (௭ ) e força radial (௥ ) como mostra a figura 7. A força de corte
(௧ ) está relacionada à resistência do material ao corte e ela a responsável pelo
momento torsor gerado no processo. As forças radiais (௥ ) atuantes nas duas
arestas principais de corte se anulam devido à simetria dos gumes em relação ao
eixo central. Por fim, a força de avanço (௭ ) é decorrente da resistência ao corte,
principalmente da aresta transversal, no sentido do avanço.
12
Figura 7: Forças em uma broca helicoidal segundo Spur [7]
A contribuição das arestas principais e transversal de corte na força de
avanço fica evidente quando analisamos o comportamento desta força no tempo
durante o processo de furação. A figura 8 evidencia três momentos distintos: a, b e
c, desde o instante em que a aresta transversal encosta na peça até a entrada total
do gume principal.
Figura 8: Força de avanço em: (a) primeiro contato com a peça; (b) entrada total da aresta
transversal de corte; (c) entrada total da aresta principal de corte [12]
Percebe-se um aumento gradual da força de avanço à medida que a
ferramenta penetra na peça, pois isso significa uma maior área de contato, ou seja,
maior resistência ao corte. No instante (a) a ferramenta toca a peça e o valor da
13
força sai rapidamente do valor nulo. A aresta transversal começa então a penetrar
na peça fazendo a força aumentar gradualmente até o instante (b). A partir deste
ponto se inicia o processo de penetração da aresta principal de corte até o instante
(c), onde a profundidade de corte é igual ao raio da broca (2,5mm) o que significa
que o gume principal está totalmente dentro da peça usinada e como consequência
a força de avanço é máxima neste ponto.
2.5.1 Determinação Teórica da Força de Avanço e Torque
A força de corte, neste caso a força tangencial (௧ ), atuante em cada aresta
de corte pode ser expressa pelo produto da pressão específica de corte (௖ ) pela
área da secção de corte (), onde:
= . ℎ
[mm²]
(2.5-1)
Então, tem-se que:
= ௖ . [N]
(2.5-2)
Substituindo-se os valores de e ℎ conforme equações (2.4-1) e (2.4-2),
chegamos a equação da força de corte em cada aresta de corte:
= ௖ .
.
2
[N]
(2.5-3)
O torque total () atuante na broca é encontrado considerando-se a
contribuição de cada aresta cortante. Tem-se então que:
= 2. (.
஽
)
ସ଴଴଴
[Nm]
(2.5-4)
Pode-se concluir então que:
= ௖ .
.²
4000
[Nm]
(2.5-5)
A força de avanço (௭ ) atuante em cada aresta é calculada de forma análoga
a força de corte. Neste caso deve-se considerar a pressão específica de avanço
(௭ ).
= ௭ . [N]
(2.5-6)
14
A pressão específica de corte na direção normal ao gume () pode ser
projetada da direção de avanço e assim a equação para força de avanço em cada
aresta pode reescrita como:
= ௡ . ( ).
ఙ
ଶ
7)
.
2
[N]
(2.5-
A força de avanço total (௧ ) atuante na broca é dada pelo somatório das
contribuições em cada aresta, podendo ser calculada através da equação:
௧ = ௡ .. . ଶ ఙ
[N]
(2.5-
8)
2.5.2 Determinação da Força de Avanço e Torque pelo Modelo de
Kienzle
O modelo de Kienzle oferece resultados mais precisos para o cálculo dos
esforços de corte, pois leva em consideração a variação da pressão específica com
a espessura do cavaco. É necessário que sejam experimentalmente determinadas
as constantes as constantes da equação: ௖ଵ.ଵ e 1 − ௖ , para o cálculo da força de
corte (௧ ). A constante . representa a pressão específica de corte para remover
um cavaco quadrado de área igual a 1 mm² e 1 − ௖ é o expoente que indica a
relação da espessura do cavaco indeformado com ௧ . Tem-se então [7]:
௧ = ௖ଵ.ଵ . . ℎ(ଵି௠೎ )
[N]
(2.5-9)
Substituindo-se os valores de e ℎ conforme equações (2.4-1) e (2.4-2),
chegamos a equação da força de corte em cada aresta de corte segundo Kienzle:
= ௖ଵ.ଵ . ሺଵି௠௖ሻ . ଶ .
஽
ଵ
(௦௘௡ቀ ቁ)೘೎
഑
మ
[N]
(2.5-10)
O torque total () pode ser calculado pela equação:
= 2. (௖ଵ.ଵ . . ℎ(ଵି௠೎ ) . ସ଴଴଴)
஽
[Nm]
(2.5-11)
Pode-se concluir então que o torque atuante na broca segundo Kienzle será
calculado através da equação:
= ௖ଵ.ଵ . ሺଵି௠௖ሻ .
஽మ
ଵ
.
ସ଴଴଴ (௦௘௡ቀ഑ቁ)೘೎
మ
[Nm]
(2.5-12)
15
Uma adaptação da equação de Kienzle pode ser utilizada para determinação
da força de avanço (௭ ). Para isso, deve-se determinar experimentalmente as
constantes ௭ଵ.ଵ e 1 − ௭ , que representam respectivamente a pressão específica
de avanço para remover um cavaco de área igual a 1 mm² e o expoente que indica a
relação da espessura do cavaco indeformado com a força de avanço. Tem-se a
equação abaixo para a força de avanço atuante em cada aresta de corte da broca:
௭ = ௭ଵ.ଵ . . ℎ(ଵି௠೥ )
[N]
(2.5-13)
Então, a força de avanço total (௧ ) atuante na broca pode ser calculada
através da equação:
௧ = ௭ଵ.ଵ . ሺଵି௠௭ሻ .
ଵ
(௦௘௡ቀ ቁ)೘೥
഑
మ
[N]
(2.5-14)
As constantes da equação de Kienzle são características da usinabilidade de
cada material e do processo de usinagem que será executado. Os fabricantes de
ferramentas de corte disponibilizam esses dados para consulta para que os esforços
possam ser estimados. Neste estudo foi utilizado o modelo de Kienzle para previsão
dos esforços na furação de uma peça de Inconel 718.
2.6 Desgastes na Broca
O desgaste pode ser definido como a perda gradual de material pela ação
mútua entre o cavaco e a ferramenta e entre a peça e a ferramenta, decorrentes de
solicitações mecânica, térmicas e químicas. Os principais mecanismos de desgaste
das ferramentas de corte são [1]: aresta postiça de corte, abrasão, aderência,
difusão e oxidação. Na furação, a variação da velocidade de corte e a dificuldade em
expulsar os cavacos da zona de corte caracterizam a abrasão mecânica como
principal mecanismo de desgaste [10].
No processo de furação, os desgastes usualmente mensurados são o de
flanco e de cratera, sendo estes utilizados como critério de fim de vida da
ferramenta. O desgaste de flanco ocorre em função do forte atrito dos flancos da
broca com a superfície da peça usinada. Normalmente a broca apresenta um
desgaste acentuado em sua periferia, onde a velocidade de corte é máxima. O
desgaste de cratera ocorre na superfície de saída da ferramenta causado pelo atrito
16
gerado durante o deslizamento do cavaco. Conforme apresentado na figura 9, além
dos desgastes de flanco e cratera, pode-se observar na broca: desgaste de aresta
transversal, desgaste de quina e desgaste das guias laterais [2].
Figura 9: Tipos de desgaste em uma broca helicoidal [2]
Uma das regiões de maior desgaste na broca é a aresta transversal, onde
ocorrem danos a partir do primeiro contato ferramenta-peça. Há um desgaste
progressivo pelo esmagamento do material em função de grandes solicitações
mecânicas associadas a velocidade de corte tendendo a zero nesta região. Nas
quinas também há um desgaste intenso devido as solicitações térmicas relacionadas
à maior velocidade de corte neste ponto e ao calor gerado pelo atrito do cavaco na
superfície de saída, assim como o atrito das guias contra a parede do furo.
No trabalho de CHEN e LIAO [5] sobre a furação do Inconel 718, a força de
atrito mostrou ser o fator determinante para a falha da ferramenta. Observa-se que a
avaliação do desgaste na broca pode ser dividida em quatro estágios. No primeiro,
nota-se uma remoção da camada de revestimento da ferramenta e desgaste de
flanco na faixa de 0,1mm. Em um segundo estágio percebe-se a formação da aresta
postiça de corte, micro-trincas na superfície da saída da broca e desgaste de flanco
de 0,2mm. Seguindo o processo de furação, observa-se no terceiro estágio o
lascamento da aresta de corte e desgaste de flanco de 0,3mm. Ao afinal, no ultimo
estagio nota-se um crescimento acelerado do desgaste de flanco, que ultrapassa a
faixa de 0,4mm, e desgaste de cratera, que promovem variações drásticas nos
esforços de usinagem, evidenciando a condição crítica e fim de vida da ferramenta.
O estudo aponta ainda que a utilização do fluido de corte é fundamental para reduzir
a força de atrito e aumentar a vida da ferramenta e que aplicação de um fluido
modificado com nano-partículas pode prolongar a vida da ferramenta em até três
vezes mais que a utilização de um fluido de corte tradicional.
17
2.7 Furação do Inconel
2.7.1 Principais Características do Material – Inconel 718
“Superliga” é a denominação dada às ligas a base de níquel, cobalto, ou
titânio, com características mecânicas, químicas e térmicas especiais. Entre elas:
alta resistência à corrosão, baixa perda de resistência em altas temperaturas e
adequação a aplicações de risco e de ordem médica [13].
O desenvolvimento das superligas a base de níquel se iniciou nos Estados
Unidos por volta dos anos 40. O objetivo era a fabricação de um material que
funcionasse por longos períodos em atmosferas altamente oxidantes e corrosivas,
submetidas a temperaturas acima de 650°C [14], e a aplicação principal seria em
paletas de turbinas de aviões a jato que no início do século passado já dispunham,
em estágio avançado, de sua teoria termo-mecânica, porém naquela época ainda
não se conhecia materiais que fossem capazes de suportar as condições impostas
para esse emprego [15]. Hoje em dia as superligas à base de níquel são
amplamente utilizadas na indústria aeroespacial e plantas de geração de energia,
onde se faz necessário à utilização de um material com elevada resistência
mecânica, boa resistência à fadiga, resistência à fluência, e baixa corrosão quando
opera por longos períodos a altas taxas de temperatura e pressão.
O Inconel 718 é um material conhecido como de difícil usinagem,
independente do processo de usinagem utilizado. Isso é devido a propriedades
como alta dureza, resistência a altas temperaturas, afinidade para reagir com o
material da ferramenta e baixa condutividade térmica [3,4,5,6]. Na usinagem do
Inconel 718 a temperatura no gume de corte cresce facilmente devido a
propriedades térmicas pobres, o que leva a deformações plásticas e desgaste
acelerado da ferramenta de corte. Estudos [6] revelam temperaturas em torno de
900°C na zona de corte para operações de torneament o com velocidade de corte
relativamente baixa, 30 m/min e mais de 1300°C para velocidades na faixa de 300
m/min. Ainda pode ocorrer micro-soldagem na interface cavaco-ferramenta levando
à formação da aresta postiça de corte. Somado a isto, a matriz austenítica
precipitada que compõe esta liga, junto com o rápido endurecimento que ocorre
durante a usinagem tornam as condições de corte ainda pior [5].
18
2.7.2 Condições de Corte do Inconel 718
Os fatores que caracterizam a baixa usinabilidade do Inconel 718 causam
desgaste severo na ferramenta durante o corte, tanto desgaste de flanco, desgaste
de cratera e falha catastrófica. Isto obriga um grande número de paradas para troca
de ferramenta e acerto da máquina o que significa diminuição da produtividade. Para
se assegurar a vida da ferramenta e a integridade da superfície usinada é
necessária a escolha correta da ferramenta de corte, com material adequado e
geometria indicada, além da correta definição dos parâmetros de corte, ou seja,
avanço e velocidade de corte. A tabela 2 apresenta recomendações de velocidades
de corte e avanços para furação com broca helicoidal convencional de diversos
grupos de superligas de níquel para diferentes diâmetros. O Inconel 718 pertence ao
grupo D-2, caracterizado pela presença de partículas duras precipitadas na matriz
de níquel o que dificulta a usinagem do material.
Tabela 2: Recomendações para furação com broca helicoidal de aço rápido [16]
Grupos de ligas
Diâmetro da
Velocidade de
Avanço [mm/rot]
de níquel
broca [mm]
corte [m/min]
A
<1.6
17 - 23
0.01 – 0.03
B
1.6 – 3.2
14 - 17
0.03 – 0.05
C
3.2 – 4.8
8 - 11
0.05 – 0.10
D-1
6.4 – 7.9
6-9
0.08 – 0.13
D-2
9.5 – 11
3-4
0.10 – 0.18
D-2 (envelhecida)
13 – 17
2-3
0.15 – 0.25
E
19 – 25
15 - 21
0.20 – 0.38
Sabe-se que as forças de corte estão correlacionadas a fatores como
acabamento da superfície, desgaste da ferramenta, temperatura na zona de corte,
atrito, vibração, etc. Assim, o monitoramento das mesmas se torna fundamental para
que se possa garantir qualidade de acabamento da peça e maior eficiência na
produção, na medida em que uma das fases mais críticas do processo de
manufatura é o monitoramento do desgaste da ferramenta assegurando o momento
ideal para sua substituição. As forças de corte são usadas então, como indicadores
de desgaste da ferramenta. Por esta razão, de acordo com ZHANG S., LI J.F e
WANG Y.W [17], o estudo da relação entre as forças de corte e o controle eficiente
do desgaste da ferramenta durante a usinagem do Inconel 718 é reconhecido como
19
um problema desafiador. O trabalho deles aponta que para o fresamento do Inconel
718 há uma correlação direta entre as variações das componentes da força de
usinagem e a dimensão do desgaste de flanco e pode-se concluir que a propagação
do desgaste na ferramenta é responsável pelo aumento gradual dos esforços
durante o corte. Estes esforços podem ser atenuados significativamente com a
aplicação de fluido pulverizado a alta pressão e ar comprimido a baixa temperatura,
minimizando o efeito do atrito e da adesão de material da peça nas faces da
ferramenta, o que resulta em um aumento de 57% na vida da ferramenta.
Para a furação do Inconel 718, o trabalho de CHEN e LIAO [5] testou o
comportamento da força de avanço e torque de uma broca de metal duro com
recobrimento TiAlN PVD a uma velocidade de corte de 13,2 m/min e avanço de 01
mm/rot. O estudo aponta um crescimento do torque significativamente maior que da
força de avanço em uma fase inicial de desgaste, como pode ser observado na
figura 10. Isto é resultado de uma força de atrito excessiva gerada pela remoção da
camada de revestimento da ferramenta.
Figura 10: Variação da Força de Avanço e Torque na furação do Inconel 718 [5].
Na fase seguinte, onde o desgaste de flanco observado é de 0,2mm, a
variação do torque torna-se mais suave e processo de furação é considerável como
estável. Na terceira fase nota-se uma flutuação nos valores de força de avanço e
torque causado principalmente pelo lascamento da aresta de corte. Na última fase
observa-se um crescimento acelerado da força de avanço e uma queda do torque,
nesta situação a ferramenta já apresenta desgaste severos e perde sua capacidade
de corte do material.
As variações dos parâmetros de corte exercem influência direta na
magnitude das componentes de força de usinagem do Inconel 718. Os estudos de
20
DEVILLEZ et al. [18] e FANG N., WU Q., [19] desenvolveram ensaios com diferentes
condições de corte a fim de avaliar os parâmetros de maior influência nas forças
atuantes durante o processo de torneamento do Inconel 718 e consequentemente
no desgaste da ferramenta. Em DEVILLEZ et al. [18] valores de velocidade de corte
entre 20 e 200 m/min foram testados para dois avanços distintos: 0,1 e 0,2 mm/rot,
com ferramentas de metal duro com e sem revestimento em processo sem fluido de
corte. Observa-se que para o avanço de 01, mm/rot as forças de avanço e corte
diminuem com o aumento da velocidade corte, se situando em um range de 200 à
1000 N para a ferramenta sem revestimento e 200 à 600 N para a ferramenta com
revestimento TiAlN. Este efeito favorável do revestimento não é observado para o
avanço de 0,2 mm/rot. Em ambas as condições testadas observa-se que tanto a
força de avanço quanto a força de corte decrescem com o aumento da velocidade
corte apresentando um valor mínimo.
Figura 11: Força de corte e avanço vs. velocidade de corte no processo de torneamento de
uma barra de Inconel 718 com ferramenta de metal duro sem revestimento e avanço de 0,2
mm/rot [18].
Como pode ser observado na figura 11, os valores mínimos de força de
avanço e de corte são iguais a 300 e 650 N respectivamente, indicando uma relação
experimental entre elas igual a 0,46. Ambos são encontrados em uma velocidade de
corte em torno de 50 m/min, o que corresponde a um valor limite para este
parâmetro. Na literatura disponível para o Inconel 718 nota-se que para uma
21
ferramenta sem revestimento os valores ótimos de velocidade de corte situam-se
entre 20 e 50 m/min.
A tabela 3 apresenta os materiais de ferramenta e parâmetros de corte
utilizados em diversas operações de usinagem com o Inconel 718 realizadas nos
últimos anos.
Tabela 3: Parâmetros de corte utilizados para usinagem do Inconel 718
Operação
Material
ferramenta
Vc
[m/min]
n [rpm]
f [mm/rot]
A. Devillez, et
al., [18]
Torneamento
Metal duro
revestida
20 - 200
25 - 245
0,1 - 0,2
A. Devillez, et
al., [20]
Torneamento
Metal duro
revestida
40 - 80
70 - 140
0,1
A. Kortabarria,
et al., [26]
Torneamento
Metal duro
30 - 70
190 - 445
0,15 - 0,25
Chen, Y. C.;
Liao, Y. S., [5]
Furação
Metal duro
revestida
13,2
400
0,1
J.L. Cantero, et
al, [24]
Torneamento
Metal duro
revestida
50 - 70
105 - 150
0,1
Lohithaksha M
Maiyar, et al.,
[22]
Fresamento
Metal duro
25 - 75
795 - 2390
0,06 - 0,12
Machining nickel
alloys, liga não
envelhecida [17]
Furação
Aço rápido
3-4
100 - 115
0,1 - 0,18
Machining nickel
alloys, liga
envelhecida [17]
Furação
Aço rápido
2-3
49 - 56
0,15 - 0,25
Muammer
Nalbant,
Abdullah Altın,
Hasan Gökkaya,
[25]
Torneamento
Metal duro
revestida
15 - 75
95 - 480
0,2
M.Z.A.Yazid, et
al., [23]
Torneamento
Metal duro
revestida
90 - 150
280 - 460
0,10 - 0,15
N. Fang, Q. Wu,
[19]
Torneamento
metal duro
revestida
58 - 174
370 - 1110
0,075 - 0,12
Referência
22
Tabela 3 (continuação): Parâmetros de corte utilizados para usinagem do Inconel 718
Operação
Material
ferramenta
Vc
[m/min]
n [rpm]
f [mm/rot]
Furação
metal duro
revestida
25
995
0,1
Fresamento
metal duro
revestida
55
875
0,1
T. Beno, U.
Hulling, [21]
Furação
metal duro
35
930
0,05
Valentim P., [27]
Furação
Aço rápido
com cobalto
10 - 15,6
374 - 583
0,04 - 0,06
Referência
Sharman,
A.R.C.;
Amarasinghe,
A.; Ridgwa K.,
[6]
S. Zhang, J.F. Li,
Y.W. Wang, [16]
Pode-se observar através da tabela 3 que a grande maioria dos
experimentos de usinagem do Inconel 718 é realizado com ferramenta de metal
duro, o que é bem usual na usinagem de materiais com elevada dureza, e
certamente permite a utilização de altas velocidades de corte, até 200 m/min. Neste
estudo porém, foi utilizada uma ferramenta de aço rápido, que com menor custo
permitiria as análises da variação da força de avanço assim como uma broca de
metal duro. Isto implicou na utilização de velocidades de corte relativamente baixas
já que o aço rápido suporta uma temperatura de corte de até algo em torno de
650°C.
A realização de experimentos com ferramentas de corte de diferentes
materiais, revestimentos e geometria, aliados a mudanças nos parâmetros: avanço e
velocidade de corte, e ambientes de corte já testados, tendem a proporcionar uma
literatura mais rica para compreensão do comportamento dos esforços durante a
usinagem do Inconel 718 e consequentemente um melhor aproveitamento da
ferramenta com maior eficiência no processo produtivo.
23
3. Materiais e Métodos
O presente trabalho tem como objetivo investigar a influência da variação da
velocidade de corte na força de avanço para operação de furação de uma peça de
Inconel 718. Cabe ressaltar que a literatura envolvendo o processo de furação de
superligas é bastante limitada, portanto este trabalho possui um caráter
investigativo.
Este capítulo apresenta todas as condições de realização dos experimentos,
como: as especificações do material, as ferramentas de corte, as condições de
corte, os equipamentos e metodologia para os ensaios.
3.1 Corpo de Prova
O corpo de prova utilizado nos ensaios foi uma peça cilíndrica de Inconel
718, com 106 mm de comprimento e 95 mm de diâmetro soldada a uma chapa para
correta fixação no dinamômetro conforme mostrado na figura 12. As tabelas 4 e 5
revelam a composição química e propriedades mecânicas típicas do material.
Figura 12: Corpo de prova fixado ao dinamômetro antes dos testes
Tabela 4: Composição química do Inconel 718 [17]
Ni
Cr
Nb
Mo
Ti
Al
Mín.
50,000
17,000
4,750
2,800
0,650
0,200
Máx.
55,000
21,000
5,500
3,300
1,150
0,800
Elemento
Co
Mn
Cu
P
S
Fe
% peso
≤0,350
≤0,350
≤0,300
≤0,015
≤0,015
17,000
Elemento
% peso
24
Percebe-se que a liga apresenta o níquel (Ni) e o cromo (Cr) como os
elementos principais, ambos com propriedade de boa resistência a oxidação. O
nióbio (Nb), titânio (Ti) e alumínio (Al) formam os precipitados endurecedores que
aliados ao molibdênio (Mo) e os demais elementos, aumentam a resistência
mecânica da liga a altas temperaturas. Altos teores de ferro (Fe) além de baixar o
custo e melhorar a maleabilidade da liga, tendem a aumentar seu ponto de fusão.
Em contrapartida, ligas ricas em ferro apresentam pior resistência a oxidação do que
as ricas em Níquel.
Tabela 5: Propriedades mecânicas do Inconel 718 à temperatura ambiente [16]
Resistência à
tração (Mpa)
Resistência ao
escoamento (Mpa)
Módulo de
elasticidade (GPa)
Dureza (HRc)
1240
1036
206
36
Observa-se que o Inconel 718 é um material que possui alta resistência
mecânica, e boa ductilidade e dureza quando comparado aos aços ligados tratados
termicamente.
As posições “X” e “Y” do centro de cada furo em relação ao centro da peça
também estão descritas na tabela 6 e ilustradas na figura 13. Como pode ser visto
no desenho, já havia um furo de 8,5 mm no centro da peça oriundo de um
procedimento [29] anterior.
Tabela 6: Dados de corte e posição dos furos para os ensaios
ࢉ
[mm/rot]
ࢌ
Y
[rpm]
X
[m/min]
[mm/min]
[mm]
[mm]
1
4
125
0,07
9
0
21,5
2
2
62
0,07
4
13,82
16,47
3
6
187
0,07
13
21,17
3,73
4
6
187
0,07
13
-21,17
3,73
5
4
125
0,07
9
-13,82
16,47
6
2
62
0,07
4
36,44
6,43
7
4
125
0,07
9
32,06
18,47
8
2
62
0,07
4
23,78
28,34
9
6
187
0,07
13
-36,44
6,43
10
6
187
0,07
13
-32,06
18,47
11
4
125
0,07
9
-23,78
28,34
12
2
62
0,07
4
0
37
FURO
25
X
Y
Figura 13: Posicionamento dos furos
A estrutura do código CNC desenvolvido para execução dos furos encontrase no apêndice A deste trabalho.
3.2 Ferramenta de Corte
O Inconel 718 é conhecidamente um material de baixa usinabilidade em
função de propriedades já citadas como alta dureza, alta resistência em
temperaturas elevadas, afinidade para reagir com o material da ferramenta e baixa
difisubilidade térmica. Isto significa que para que o processo de usinagem transcorra
bem é necessário que a ferramenta de corte possua alta dureza a quente e grande
resistência ao desgaste.
26
3.2.1 Furação
Optou-se por utilizar uma broca de aço rápido sem revestimento com uma
concentração de 5% de cobalto e com tratamento térmico para aumento de dureza,
referenciada por HSS-E. A composição química é dada por: 0,82%-C, 4,5%-Cr,
6,0%-W, 5,0%-Mo, 2,0%-V e 5%-Co. Segundo o fabricante, Walter Titex, esta broca
é apropriada para aplicações severas, particularmente com elevada carga térmica,
utilizada para furação de materiais de alta resistência e de rápido endurecimento,
aço inoxidável austenítico, aços resistentes ao calor, titânio, bronze duro e ligas
especiais. A broca modelo A1244 possui forma helicoidal com ângulo de ponta igual
a 130°, apropriado para furação do Inconel 718. Seu comprimento total é de 133 mm
e afiação cônica da parte cortante. A figura 14 ilustra outras dimensões relevantes
em milímetros, como diâmetro da haste e diâmetro da broca, igual a 10,2 mm.
Figura 14: Dimensões (em mm) da broca A1244 [28].
O valor do diâmetro selecionado foi escolhido para usinar furos de
preparação para roscas métricas de diâmetro nominal igual a 12 mm e passo 1,75
mm (M12x1,75), e conforme norma NBR 10625 – “Execução de Furos Roscados”,
este é o diâmetro apropriado para a broca nesta operação.
3.2.2 Pré-furação com broca de centro
A broca utilizada para etapa de pré-furação foi uma broca de centro de aço
rápido, modelo A200 do fabricante Dormer. Os parâmetros de corte utilizados foram
velocidade de corte igual a 4 m/min e avanço igual 0,019 mm/rot, conforme
27
recomendações do fabricante para furação do Inconel 718. A figura 15 ilustra as
dimensões e as demais grandezas de corte utilizadas na usinagem do material.
Figura 15: Especificações da broca de centro para pré-furação [29]
3.3 Fluido de Corte
Fazendo uso de uma ferramenta de aço rápido sem revestimento, a
utilização de um fluido lubri-refrigerante se torna indispensável para usinagem de um
material de elevada dureza como o Inconel 718. O fluido de corte utilizado foi o
Balxedot do fabricante Baltar Química. Este é um fluido solúvel de base vegetal com
etanol e óleo de soja em sua composição. Indicado para uso em operações de
usinagem de metais ferrosos e não ferrosos que segundo o fabricante, proporciona
uma economia de ferramental da ordem de 40 a 60% quando operando em centros
de usinagem de controle numérico. Com a elevação da temperatura pelo atrito na
interface peça-ferramenta, sua formulação promove uma reação com as partículas
metálicas removidas da peça produzindo micro-gotículas de graxa nesta interface, o
que impede a soldagem ferramenta/peça. O fluido foi utilizado na concentração 1:40
conforme recomendações do fabricante.
3.4 Parâmetros de Corte
Inicialmente os parâmetros de corte foram definidos a partir das
recomendações do fabricante. Conforme apresentado na figura 16 tem-se: ௖ =
2/, ou seja, = 62 e = 0,07/, ou seja, ௙ = 4/.
28
Figura 16: Dados de corte para broca A1244 [28]
Posteriormente analisou-se os experimentos que realizaram usinagem do
Inconel 718 nos últimos anos. Estes dados com os respectivos autores estão
apresentados na tabela 3.
Considerando as informações apresentadas, foi possível definir os
parâmetros de corte mais adequados e as variações de velocidades que seriam
testados neste trabalho:
Velocidades de corte: 2, 4 e 6 m/min
Avanço da ferramenta: 0,07 mm/rot
Profundidade do furo: 5 mm
A partir destes dados e das equações 2.3-1 e 2.3-2, foi possível calcular as
rotações e velocidades de avanço da ferramenta que seriam inseridas na
programação da máquina CNC. Tem-se então:
Tabela 7: Cálculo da rotação e da velocidade de avanço
Velocidade de
Rotação da
Velocidade de avanço
corte
ferramenta
da ferramenta
௖ଵ 2/
ଵ 62
௙ଵ 4/
ଶ 187
௙ଷ 13/
௖ଶ 4/
௖ଷ 6/
ଶ 125
௙ଶ 9/
29
3.5 Equipamentos
3.5.1 Centro de Usinagem
O centro de usinagem vertical Polaris V400 com trocador de pallet foi a
máquina utilizada para realização dos experimentos. A máquina opera com
linguagem CNC e seu lay-out de trabalho possui um curso de 700 mm em “X”, 420
mm em “Y” e 470 mm em “Z”. A rotação máxima do eixo é de 10.000 rpm e tem
capacidade para armazenar 24 ferramentas. A fixação da broca na máquina foi feita
através de um mandril com pinça de 10,0 mm.
3.5.2 Dinamômetro
A captação da força de avanço foi feita através do dinamômetro Kistler
modelo 9257BA que possui área útil de 100 x 170 mm. A figura 17A mostra o
equipamento preso à mesa da máquina CNC. A peça foi preparada para fixação nos
furos da parte superior do dinamômetro. Este modelo não mede torque.
3.5.3 Amplificador de Sinais
O sinal elétrico de força do dinamômetro é conectado a um amplificador de
sinais Kistler 5233A. A amplificação pode ser selecionada entre as quatro faixas de
medição disponíveis no equipamento: 0-500N, 0-1KN, 0-2KN e 0-5KN. A faixa
selecionada foi de 5kN, ou seja, 1,0 mV/N, uma vez que o microcomputador recebe
até 10 V. A figura 17B ilustra uma foto deste equipamento.
3.5.4 Placa de aquisição
Para o armazenamento e tratamento dos dados no computador, é necessário
transformar os sinais analógicos gerados no dinamômetro em sinais digitais. Para
isto, foi utilizada uma placa analógico-digital da National Instruments, apresentada
na figura 17C. A frequência de aquisição utilizada em todos os experimentos foi 500
Hz, assim tem-se no mínimo 160 pontos/rotação. O programa que realizou o
processamento de sinais foi o LabVIEW Signal Express fornecido pelo fabricante da
placa.
30
Figura 17: Equipamentos: A) Dinamômetro Kistler utilizado para medição da força de avanço;
B) Amplificador de sinais Kistler; C) Placa de aquisição de sinais
3.6 Experimentos
A sequência de ensaios a serem executados para investigação da força de
avanço foi planejada de forma aleatória com duas réplicas para cada experimento de
modo a minimizar a influência do desgaste da ferramenta nos resultados e aumentar
a confiabilidade dos gerados.
Foram então realizados doze experimentos no total com três velocidades de
corte distintas, com e sem pré-furação e duas réplicas para cada condição. Os furos
1 ao 6 foram executados sem pré-furação e os furos 7 ao 12 foram executados com
furação prévia.
3.7 Análise do desgaste
A avaliação do desgaste nas superfícies de saída da ferramenta foi realizada
em intervalos de três experimentos, ou seja, após a execução de três furos com as
31
três velocidades de corte distintas o processo era paralisado e broca levada para
análise em um microscópio. A figura 18 ilustra este ciclo para as duas brocas
helicoidais durante a fabricação dos doze furos.
Para as análises foram utilizados o microscópio óptico Pantec equipado com
câmera digital, disponível no Centro de Estudos de Usinagem e Comandos
Numéricos (CEFCON) do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRJ, e o
microscópio óptico Olympus modelo BX60M também equipado com câmera,
disponível no Laboratório de Processamento Termomecânico – Bio Materiais
(TERMIC 1) no Departamento de Engenharia Metalúrgica e Materiais da UFRJ. A
figura 22 ilustra a foto deste último com a broca em posição de análise.
Figura 18: Ciclo das brocas helicoidais 1 e 2
Após a aquisição das imagens foi utilizado um utilizado um software CAD
para medir o desgaste de cratera encontrado em cada superfície de saída da broca.
As imagens e as análises da evolução do desgaste serão apresentadas no próximo
capítulo.
32
Figura 19: Microscópio óptico Olympus BXM60
3.8 Estimativas dos Esforços de Corte com as Condições
Expostas
Antes dos experimentos terem início, foi feita uma estimativa teórica dos
esforços de corte utilizando-se as equações de Kienzle apresentas na seção 2.5-2.
Para as constantes da equação: ௖ଵ.ଵ e ௖ , foram utilizados respectivamente os
valores de 2900 N/mm² e 0,25, conforme indicação do catálogo do fabricante [20].
A partir das equações (2.5-10) e (2.5-12) foram calculados os esforços:
Força de corte: ௧ ≅ 1227
Momento torsor: ௧ ≅ 6,3 Para o cálculo da força de avanço (௭ ), como não havia informações do
fabricante a respeito das constantes ௭ଵ.ଵ e 1 − ௭ , foi feito uma análise dos dados
de força de avanço obtidos nos experimentos de Valentim [28], que realizou a
furação do Inconel 718 com uma broca de aço rápido com 8,5 mm de diâmetro e
ângulo de ponta de 130°. Conforme apresentado na ta bela 8, três avanços distintos
foram testados.
33
Tabela 8: Dados para determinação de kz 1.1 e mz [27]
[mm/rot]
௭ [N]
log(ℎ)
log( ೥ )
0,04
0,05
0,06
826
911
1006
-1,742
-1,645
-1,566
2,246
2,288
2,331
ி
௕
A linearização da equação (2.5-13) adaptada de Kienzle irá fornecer como
coeficientes as constantes ௭ଵ.ଵ e 1 − ௭ :
log( ௕೥ ) = 1 − ௭ . logℎ
+ log(௭ଵ.ଵ )
ி
(3.8-1)
Com os valores de logℎ
e log( ௕೥ ) apresentados na tabela 7, foi traçada a
ி
melhor reta, conforme apresentado na figura 20. A equação da reta é dada por:
log( ௕೥ ) = 0,45. logℎ
+ 3,03
ி
(3.8-3)
Figura 20: Ajuste linear para determinação das constantes de Kienzle kz.1.1 e mz.
Os coeficientes encontrados para equação acima nos levam a concluir que:
1 − ௭ = 0,45, então: ௭ = 0,55;
log௭ଵ.ଵ = 3,03, então: ௭ଵ.ଵ = 1072 /²;
Então, a partir da equação 2.5-14 pode-se calcular o valor esperado para
força de avanço total atuante na broca. Temos que: ௧ = 2552 .
34
4. Resultados Experimentais
Neste capítulo serão apresentados em forma de gráficos os resultados
obtidos nos ensaios de furação. Incialmente será apresentado o comportamento da
força de avanço a medida que a broca penetra na peça e como se dá sua variação
em relação a velocidade de corte. Na sequência, será apresentado um
comportamento previsto para força de avanço para outras faixas de velocidades
evidenciando a melhor condição de corte. Posteriormente, força de avanço
calculada será comparada com os resultados experimentais, e ao final, serão
apresentados os degastes de cratera encontrados nos intervalos dos experimentos
e a relação dos mesmos com as forças encontradas.
A figura 21 mostra o corpo de prova instantes após a fabricação do último
furo. É importante ressaltar que todos os furos apresentaram bom acabamento
superficial, sem a presença de rebarbas ou marcas nas paredes dos furos.
Figura 21: Corpo de prova após a realização dos testes
Pôde-se perceber a presença de ruído durante a execução de todos os
experimentos. Os de maior intensidade ocorreram na fabricação dos furos com a
35
velocidade de corte mais alta, 6 m/min, e consequentemente com a maior rotação da
ferramenta, 187 rpm, são eles: 3, 4, 9 e 10.
Não foi notado diferenças na intensidade do ruído entre a furação em cheio e
a furação com pré-furação com a broca de centro. Porém, ainda nesta condição de
velocidade de corte de 6 m/min, notou-se um ruído mais acentuado nas réplicas dos
experimentos, ou seja, furos 4 e 10, sendo estes então os que apresentaram ruído
mais acentuado dentre todos.
Para os furos fabricados com velocidade de corte igual a 4 m/min (furos 1, 5,
7 e 11) verificou-se um ruído moderado, e pouco ruído foi percebido para os furos
fabricados com velocidade de corte igual 2 m/min (furos 2, 6, 8 e 12).
Os cavacos gerados se apresentaram na forma helicoidal cônica para as três
faixas de velocidades testadas. A figura 22 contém as imagens de um dos cavacos
gerados nos três primeiros ensaios: furos 1, 2 e 3. Observou-se que o aumento na
velocidade de corte e a evolução do desgaste na broca tendem a aumentar o
comprimento do cavaco gerado no processo de furação do Inconel 718.
Figura 22: Cavacos gerados em: A) Furo 1 (Vc=4 m/min); B) Furo 2 (Vc=2 m/min); C) Furo 3
(Vc=6 m/min)
Após análise dos gráficos de força gerados para as velocidades de corte de 2
e 6 m/min, foi notada uma região com uma variação atípica da força de avanço
tendo início em um ponto que corresponde a penetração parcial da aresta principal
de corte. Para garantir que o fenômeno não influenciasse os resultados, foi realizada
36
a execução de mais seis experimentos com uma broca nova idêntica, e com a
mesma sequência e condições de corte, porém desta vez antecedidos por uma préfuração de 1,6 mm de diâmetro e 1,7 mm de profundidade eliminando assim esta
região de instabilidade. Estes gráficos são apresentados neste capítulo.
4.1. Força de Avanço Medida nos Experimentos sem préfuração
Os dados de força de avanço aquisitados durante a furação da peça de Inconel
718 com avanço constante igual a 0,07 mm/rot foram organizados para as três
velocidades de corte distintas, 2, 4 e 6 m/min, e são apresentados nas figuras 23 à 25. A
curvas indicadas por “R1” e “R2” referem-se respectivamente ao primeiro e segundo
ensaio com a velocidade de corte em questão. As retas indicadas por “Fz média”
indicam a força de avanço média durante o período de estabilização da força. Nos
eixos horizontais temos o tempo de corte do material () em segundos e a
profundidade do furo (!) em milímetros.
Figura 23: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 2 m/min (furos 2 e 6)
37
Figura 24: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 4/min (furos 1 e 5)
Figura 25: Força de Avanço na furação em cheio para Vc = 6 m/min (furos 3 e 4)
38
A cada intervalo de tempo de 0,002 s um valor de Fz foi medido. Para uma
melhor análise as forças foram plotadas em função das posições (!௙ ) do furo,
calculadas para cada instante de tempo através da relação [1]:
!௙ = ௏೑
଺଴
. (4.1-1)
As velocidades de avanços (௙ ) utilizadas no cálculo das posições (!௙ ) já
foram apresentadas na tabela 7, cada qual correspondente a uma rotação, ou a uma
velocidade de corte, diferente.
Analisando os gráficos, observou-se primeiramente que a força de avanço
apresentou para as três condições de corte um comportamento comum na usinagem
de materiais de elevada dureza, composto basicamente de: crescimento gradual da
força de zero a um valor máximo, seguido de um período de estabilidade da força e
finalmente uma queda acentuada até zero assim que atingida a profundidade
desejada do furo, finalizando o corte do material.
Entretanto, foi observada uma região de queda repentina da força de avanço
para as velocidades de corte de 2 e 6 m/min, com início em uma faixa de
profundidade do furo situada entre 1,7 e 2,2 mm. Esta posição corresponde a um
momento de entrada parcial da aresta principal de corte, mais especificamente algo
entre 71 e 93% da aresta dentro da peça usinada. A aresta principal de corte entra
em sua plenitude na peça a medida em que se é atingida a altura () correspondente
ao tamanho da ponta da broca. Este valor pode ser obtido pela relação do raio ()
com o ângulo de ponta () da ferramenta conforme ilustrado na figura 26 e
apresentado na equação abaixo:
= .(90° − ଶ )
ఙ
(4.1-2)
Temos então para a broca com raio igual a 5,1 mm e ângulo de ponta igual a
130°, um comprimento do “cone” igual a aproximadame nte 2,38 mm.
Ainda nesta região, foi possível notar que a queda e a posterior retomada na
força de avanço tiveram maior magnitude para velocidade de corte de 2 m/min que a
observada para a velocidade de corte de 6 m/min, tanto para o primeiro quanto para
o segundo ensaio. Uma hipótese é que esta variação na força esteja ligada a
mudança no regime de corte após a penetração do “cone” da broca.
39
Figura 26: (a) primeiro contato da ponta da broca com a peça; (b) ponta da broca totalmente
inserida na peça usinada.
Voltando ao início do processo de corte, onde há o crescimento gradual da
força de avanço, pode-se evidenciar duas regiões distintas. Na primeira, situada
entre 0 e 0,5 mm de profundidade do furo ("௙ ), há um crescimento acelerado de Fz
sob uma reta com inclinação de aproximadamente 72° para as três velocidades de
corte testadas. Isto significa que nesta região a evolução da força de avanço
independe da velocidade corte ou possui variações mínimas em função deste
parâmetro. Na segunda região, o crescimento de Fz se dá de forma bem mais
moderada sob retas com inclinação entre 20 e 30° de pendendo da velocidade de
corte utilizada. Percebe-se para a velocidade de corte de 4 m/min uma discrepância
muito grande entre o primeiro e segundo ensaio, com um incremento de força de
1200 N para R2 com relação a R1. Este fato pode estar ligado ao desgaste da
ferramenta. Ambas as regiões se encontram identificadas na figura 27, onde as seis
curvas de força de avanço aparecem juntas.
A região I representa o primeiro contato peça-ferramenta. É nela que ocorre a
entrada da aresta transversal de corte, que é responsável por mais da metade da
força de avanço decorrida no processo de furação, e se inicia a penetração das
arestas principais de corte. Na região II se mantém a penetração gradual das
arestas principais de corte. Nela ocorre uma mudança no regime de corte
representada pela diminuição na inclinação das curvas. Na medida em que a aresta
penetra na peça usinada, a área de contato peça-ferramenta aumenta e
consequentemente se tem um crescimento da força de avanço. Após a penetração
de toda a aresta cortante, ou seja, entrada total do “cone” da broca, situação
ilustrada na figura 26b, há uma tendência de estabilização da força de avanço.
Porém, para as velocidades de corte de 2 e 6 m/min este período de força constante
é precedido por uma região queda repentina de Fz, que foi comentada anteriormente
e é indica por “III” na figura 27.
40
A região IV, onde ocorre a estabilização dos valores de Fz, é a região que
mais nos interessa a título de estudo. É nela que se tem os maiores valores de força
por um maior período de tempo através dos quais as ferramentas são
dimensionadas para suportar. Os cálculos de força axial consideram o diâmetro total
da broca, ou seja, a região com penetração total do gume cortante. Por isso, o
completo entendimento do comportamento da força durante esta etapa é
fundamental para o bom rendimento do processo de furação.
Entrada
do cone
Figura 27: Diferentes regiões ao longo da profundidade do furo para força de avanço no
processo de furação em cheio
Apesar de ser de suma importância, a região IV foi a de menor tamanho
dentre as cinco mapeadas. Isto porque as curvas referentes as velocidades de corte
de 2 e 6 m/min apresentaram um curto período de estabilização da força axial, e
para que fosse possível entender corretamente a influência da velocidade de corte
era preciso que as forças fossem analisadas no mesmo ponto de profundidade do
furo. Tomou-se então o intervalo compreendido entre 4,25 e 4,5 mm de !௙ para o
cálculo das forças de avanço médias. Os resultados estão apresentados em forma
de um gráfico de barras na figura 32.
41
Fechando o processo de usinagem, temos a região V, onde ocorre a queda
abrupta da força de avanço até zero indicando que o corte foi interrompido e está
ocorrendo o movimento de saída da broca.
Os furos 2, 3 e 6 não atingiram a profundidade de 5 mm. Este fato deve-se a
uma inclinação na superfície da peça de aproximadamente 0,62° entre os centros
dos furos 6 e 9.
4.2. Força de Avanço Medida nos Experimentos com préfuração com broca de centro
Na tentativa de se eliminar a região de queda repentina de Fz (III) e obter
assim uma maior região de estabilidade (IV) da força de avanço, foi realizado um
procedimento de pré-furação com profundidade de 1,7 mm e diâmetro igual a 1,6
mm. Esta ação atenuou a força axial no início da operação de corte já que a aresta
transversal só entrou em contato com a peça usinada a partir da posição !௙ =1,7 mm,
o que certamente reduziu o desgaste nesta parte da broca. As curvas obtidas com
as três velocidades de corte estão apresentadas nas figuras 28 à 30, onde
novamente R1 refere-se ao primeiro ensaio e R2 ao segundo.
Figura 28: Força de Avanço para Vc = 2 m/min com pré-furação (furos 8 e 12).
42
Figura 29: Força de Avanço para Vc = 4 m/min com pré-furação (furos 7 e 11).
Figura 30: Força de Avanço para Vc = 6 m/min com pré-furação (furos 9 e 10).
43
Para as regiões de crescimento da força axial nota-se uma mudança na
inclinação da curva a partir de "௙ =1,7 mm. Isto é devido a entrada da aresta
transversal na peça a partir deste ponto, pois até 1,7 mm de profundidade do furo
apenas a aresta principal de corte manteve contato com o material usinado. Assim, o
crescimento da força de avanço nesta primeira etapa foi mais tênue que o
observado para os furos executados sem furação prévia. As inclinações das curvas
na região I da figura 31 variaram de 30 à 36,9° não indicando variações significativas
de Fz para mudanças na velocidade de corte. As curvas R1 das velocidades de
corte 2 e 4 m/min apresentaram um comportamento um pouco diferente das demais
nesta região, com inclinações de 26,5 e 18° respect ivamente, apresentaram
mudança de inclinação em um ponto anterior a 1,7 mm.
Pré-furo
Cone
Figura 31: Diferentes regiões ao longo da profundidade do furo para força de avanço no
processo de furação com pré-furação
Na região II (figura 31) tem-se a contribuição das arestas principais e da
aresta transversal de corte na força de avanço resultante. Por isso, o crescimento de
Fz se dá de forma mais acelerada que o observado na região I, onde as curvas
passam a assumir inclinações que variam de 44,3 à 68,5°. Observa-se que as
réplicas dos ensaios (curvas R2) possuem as maiores inclinações e portanto os
44
maiores valores de força nesta etapa. Notoriamente o desgaste da ferramenta
exerceu influência nas forças geradas.
A região III da figura 31 representa o período de estabilização de Fz. Como
esperado, houve um aumento desta área do gráfico que agora está compreendida
entre os pontos 3,5 e 4,5 mm de profundidade do furo, e é quatro vezes maior que a
obtida para furação em cheio. Neste intervalo novamente foi feito o cálculo das
forças médias e dispersão conforme apresentado na figura 33.
Por fim, tem-se que a região IV na figura 31 representa o fim do corte do
material e a saída da broca com a queda de Fz até zero.
4.3. Análise dos Resultados de Força de Avanço
A figura abaixo apresenta através de um gráfico de barras os valores médios
da força de avanço no intervalo de estabilização de Fz, o qual na furação em cheio
está compreendido entre 4,25 e 4,5 mm de ௙ .
Força de Avanço Média - Furação em cheio
3500
3000
R1_Vc=2 m/min
Fz (N)
2500
R2_Vc=2 m/min
2000
1500
1000
R1_Vc=4 m/min
2786
3226
3114
2731
2926
3140
R2_Vc=4 m/min
R1_Vc=6 m/min
R2_Vc=6 m/min
500
0
Figura 32: Média e dispersão das forças de avanço para furação em cheio
O gráfico da figura 32 mostra claramente um aumento das forças na
execução das réplicas dos ensaios. Os valores médios de força encontrados em R2
foram superiores aos encontrados em R1 para as três condições testadas: 2, 4 e 6
45
m/min, na seguinte proporção: 11,8, 18,1 e 7,3 %. O incremento de força se deu em
função do desgaste da ferramenta.
Os resultados acima não apresentaram um comportamento específico para a
força de avanço em relação a velocidade de corte já que a menor e a maior média
de forças foram identificadas durante a mesma velocidade de corte, igual a 4 m/min.
As variações de força de avanço não foram sensíveis às mudanças de velocidades
de corte, indicando que o crescimento da força foi muito mais influenciado pela
progressão do desgaste da broca do que propriamente pela velocidade de corte
testada.
A figura abaixo apresenta através de um gráfico de barras os valores médios
da força de avanço no intervalo de estabilização de Fz na furação com pré-furação.
O intervalo está compreendido entre 3,5 e 4,5 mm de ௙ .
Força de Avanço Média - Furação com pré-furação
4500
4000
R1_Vc=2 m/min
Fz (N)
3500
R2_Vc=2 m/min
3000
R1_Vc=4 m/min
2500
R2_Vc=4 m/min
4132
2000
1500
3115
3746
2904
3460
3724
R1_Vc=6 m/min
R2_Vc=6 m/min
1000
500
0
Figura 33: Média e dispersão das forças de avanço para furação com pré-furação
Analisando o gráfico de barras da figura 33 pode-se observar que novamente
o desgaste da ferramenta influenciou bastante nos valores de força gerados. O
incremento de força das réplicas R2 dos ensaios com relação a R1 foi de: 32,6, 28,9
e 7,6% para as velocidades de corte de 2, 4 e 6 m/min respectivamente. Todos os
valores de Fz obtidos na execução dos furos com pré-furação foram superiores aos
obtidos na furação em cheio. A explicação está na região de queda repentina de Fz
presente nos primeiros ensaios que veio a distorcer os resultados gerados.
46
A menor variação de força entre os testes R1 e R2 foi observada para
velocidade de corte de 6 m/min, tanto para furação em cheio quanto para furação
com pré-furação. Isto reforça a influência do desgaste da ferramenta nos resultados,
já que para essa velocidade o segundo ensaio foi realizado logo após o primeiro,
minimizando a influência do fator desgaste.
Apesar de ainda não caracterizar um comportamento muito claro de Fz com
relação as velocidades de corte testadas, o gráfico da figura 34 aponta uma
tendência de forças menores para velocidade de corte de 4 m/min. A força da
furação com furo de centro é apresentada na figura 34 em função da velocidade de
corte e foi realizado um ajuste polinomial ௭ = 4487,5 + −573,4. ௖ + 70,7. ௖ ଶ .
Figura 34: Variação da força de avanço com a velocidade de corte para furação com préfuração. Ajuste polinomial: ࢠ = , + −
, . ࢉ + , . ࢉ ૛
Através da figura 34 é possível visualizar que a força de avanço tende a
diminuir em um primeiro momento com o aumento da velocidade de corte e após um
ponto de força mínima tende a aumentar. Esta redução na força de avanço
normalmente está ligada a alterações microestruturais no material devido à elevação
da temperatura. A maior diferença de foi observado para #$ = 2/, sendo
igual 1017 N. Para #$ = 4/ nota-se uma diferença de 842 N e 264 N para
#$ = 6/.
47
Considerando o fato que os resultados obtidos nas curvas R2 foram
fortemente influenciados pela progressão do desgaste na ferramenta, a força de
avanço obtida nos primeiros ensaios (curvas R1) para a furação em cheio e furação
com pré-furação é apresentada na figura 35 com o ajuste polinomial realizado ௭ =
3592,0 + −447,9. ௖ + 63,6. ௖ ଶ
Figura 35: Variação da força de avanço com a velocidade de corte para furação em cheio e
com pré-furação. Ajuste polinomial: ࢠ = , + −, . ࢉ + , . ࢉ ૛
Observa-se uma diferença 3 vezes menor para os valores de obtidos com
a velocidade de corte de 2 m/min, ou seja, uma diferença de 329 N, e quase 5 vezes
menor com a velocidade de corte de 4 m/min, ou seja, 173. Isto indica uma maior
confiabilidade da análise ao se fazer esta combinação de resultados das curvas R1.
Para #$ = 6/ houve um aumento de duas vezes da diferença nos valores de
força, saindo de 264 N para 534 N.
A figura 35 evidencia que a força de avanço decresce com o aumento da
velocidade de corte, apresentando um valor mínimo em #௖ = 3,5/, Esta seria a
velocidade de corte ótima para o corte do Inconel 718 com avanço de 0,07 mm/rot.
Após este ponto a força passa a aumentar com aumento da velocidade corte pois há
uma aceleração do desgaste da ferramenta com a elevação da temperatura na zona
de corte. Nota-se ainda que a redução de é pequena na transição de velocidades
48
de 2 para 4 m/min, não ultrapassando 7,3%. O mesmo não acontece na transição de
4 para 6 m/min onde observa-se um incremento de força axial de até 19,1%.
4.4. Comparação da Força de Avanço Experimental com o
calculado utilizando o modelo de Kienzle e pressão específica inicial
Com os dados de força obtidos nos primeiros ensaios (R1), os mesmos
utilizados para plotar a curva que descreve o comportamento da força de avanço em
função da velocidade de corte (figura 35), foi calculado o valor da pressão específica de
avanço através da equação (2.5-13) e foi realizada a análise do erro percentual com os
valores medidos experimentalmente.
Tabela 9: Comparação do modelo experimental com o cálculo da previsão de força ௧ *
%ࢠ૚.૚
%ࢠ૚.૚ *
[N/mm²]
࢚
experimental
[N]
experimental
[N/mm²]
R1_Vc=2 m/min
2786
1170
9%
R1_c/p.f._Vc=2 m/min
3115
1308
22%
R1_Vc=4 m/min
2731
1147
R1_c/p.f._Vc=4 m/min
2904
1219
R1_Vc=6 m/min
2926
1228
15%
R1_c/p.f._Vc=6 m/min
3460
1453
36%
Curva de Fz
࢚ *
[N]
2552
1072
Erro %
7%
14%
Um erro de até 14% foi encontrado para melhor condição de corte (#௖ =
4/). Isto indica que os valores propostos, com constantes ௭ = 0,55 e ௭ଵ.ଵ =
1072 /², ssão valido para uma primeira estimativa da força de avanço através da
equação de Kienzle. Temos então a equação abaixo para cálculo da força de avanço
em cada aresta de corte na furação do Inconel 718:
௭ = 1072. . ℎ(଴,ହହ)
(4.4-1)
Como o modelo não leva em consideração a variação da pressão especifica de
avanço com a velocidade de corte, o erro percentual tende a aumentar na medida em
que se distancia das condições de corte recomendadas.
49
4.5. Desgaste da Ferramenta
A progressão do desgaste de cratera e a deformação da ponta da broca foram
inspecionadas durante os intervalos dos experimentos. A figura 36 mostra a condição
da broca 1 após a realização dos três primeiros furos com as três velocidades de corte
distintas. Logo abaixo, a figura 37 evidencia a condição da mesma ferramenta após a
repetição dos ensaios.
Figura 36: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 1: em a) aresta 1; b) aresta 2
Figura 37: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 1 após réplica dos ensaios: a)
aresta 1; b) aresta 2
50
Nota-se uma clara evolução do desgaste de cratera na superfície de saída da
ferramenta entre os primeiros ensaios e suas réplicas. Áreas que já apontavam
traços de desgaste tiveram-nos bem evidenciados após as réplicas dos
experimentos. Nesta segunda fase, nota-se que o desgaste de cratera nas
extremidades das arestas foi mais significativo, atingindo a marca de 0,27 mm,
quase três vezes maior que a condição no início do processo. Esta é uma região
crítica em função das altas temperaturas geradas com a máxima velocidade de corte
que vem a causar a diminuição da dureza da ferramenta.
O agente causador deste desgaste é atrito gerado com a passagem do
cavaco, composto de partículas muito duras do Inconel 718, pela superfície de saída
da broca, causando um efeito abrasivo nesta região. Como a ferramenta de açorápido utilizada não contava com um revestimento pata atenuar este efeito, a
progressão do desgaste se deu de forma rápida.
A figura 38 apresenta a condição da broca após os três primeiros ensaios
realizados com broca 2 na execução dos furos com pré-furação de 1,7 mm de
profundidade e 1,6 mm de diâmetro. Em seguida, a figura 39 apresenta os
resultados de desgaste da mesma ferramenta após a réplica dos ensaios.
Figura 38: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 2 em: a) aresta 1; b) aresta 2
51
É possível notar que a pré-furação minimizou o efeito de desgaste da aresta
transversal de corte como já era de se esperar. Os efeitos positivos na superfície de
saída da ferramenta não estão muito claros. O desgaste de cratera encontrado na
broca utilizada nos ensaios com pré-furação (figura 38) está similar ao encontrado
ao encontrado para furação em cheio (figura 36).
Figura 39: Deformação da ponta e desgaste de cratera na broca 2 após réplica dos ensaios: a)
aresta 1; b) aresta 2
Através da figura 39 pode-se observar que, como esperado, houve uma
evolução do desgaste de cratera para as réplicas dos experimentos, principalmente
nas periferias da broca com desgaste atingindo a marca de 0,22 mm. Porém, a
região da aresta transversal não manteve a progressão de desgaste como
observado para furação em cheio, houve uma estagnação do desgaste nesta região
indicando um aumento de vida da ferramenta.
Observa-se uma redução em torno de 20% nos valores de desgaste de
cratera obtidos nas as réplicas dos ensaios de furação com pré-furação (figura 39)
em relação aos obtidos nas réplicas dos experimentos de furação em cheio (figura
37), indicando um melhor aproveitamento da ferramenta com execução do furo de
centro onde se tem a estabilização do comportamento da força de avanço.
52
5. Conclusão
Este estudo forneceu uma contribuição para compreensão dos efeitos da
variação da velocidade de corte na força de avanço durante operações de furação
do Inconel 718 utilizando três condições de corte distintas. Constatou-se que para
um avanço igual a 0,07 mm/rot, o aumento da velocidade de corte causa uma
redução na força de avanço, até um ponto de velocidade de corte ótima que está
situado em torno de 3,5 m/min. A partir daí a força de avanço cresce de maneira
acentuada com o aumento da velocidade de corte. Este fato justifica-se pela
elevação da temperatura na zona de corte quando se trabalha com velocidades de
corte maiores, o que vem a acelerar o desgaste da ferramenta, dificultando assim o
corte do material e consequentemente aumentando as forças geradas no processo.
O desgaste de cratera foi observado nas duas brocas utilizadas nos ensaios.
Ocorreu uma evolução rápida do desgaste através do mecanismo de abrasão entre
os primeiros ensaios e suas réplicas, gerando forças até 32,6% maiores na
repetição dos testes. Como era de se esperar, a região mais crítica foi a de
velocidade de corte máxima, na periferia da broca, apresentando desgaste de até
0,27 mm na broca 1. A execução do furo de centro promoveu uma redução em
torno de 20% neste desgaste.
Para uma melhor compreensão da variação da
força avanço com a velocidade de corte foram considerados apenas os resultados
obtidos nos primeiros experimentos da furação em cheio e furação com pré-furação
minimizando a influência do desgaste nos valores de força analisados.
A comparação do cálculo utilizando o modelo de Kienzle com os valores
experimentais mostrou um erro percentual de até 14% para a condição de
velocidade de corte igual a 4 m/min.
Para projetos futuros seria interessante uma bateria de ensaios voltadas
para a determinação do tempo de vida da ferramenta e a execução de testes com
ferramentas de metal duro e outras geometrias, buscando soluções que combinem
menor custo e maior produtividade na furação do Inconel 718. Além disso, a
execução de ensaios que combinassem outras faixas de avanço e velocidades de
corte seriam importantes para determinação de uma função para o cálculo da
pressão específica de avanço em função destes parâmetros.
53
6. Bibliografia
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56
Apêndice A
Estrutura do programa para execução dos furos. Os dados de posição, rotação e
velocidade de avanço são referentes ao furo 3.
O0005;
N10 G21 G94 G97 G40;
N20 G90 G17 G57;
N30 S187 M3;
N35 G0 Z100;
N40 G0 X21.17 Y3.73;
N45 G0 Z1;
N50 G1 Z-5 F13;
N60 G1 Z1;
N70 G0 Z100;
N80 M30;
57