8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
ESTUDO COMPARATIVO ENTRE A INFLUÊNCIA DO RAIO DE PONTA
NO TORNEAMENTO DA LIGA AL2011F
Marcos Roberto Nascimento, [email protected]
Felipe Ribeiro Toloczko, [email protected]
Daniel Iwao Suyama, [email protected]
Amauri Hassui, [email protected]
1
Faculdade de Engenharia Mecânica – Unicamp – FEM – Rua Mendeleyev, 200 – CEP 13083 – 860 – Cidade
Universitária “Zeferino Vaz” Barão Geraldo – Campinas – SP.
2
Faculdade de Tecnologia Mecânica – FATEC-SP – Praça Coronel Fernando Prestes, 30 – CEP 01124-060 Bom Retiro – São Paulo – SP.
Resumo: Com a evolução tecnológica e a necessidade de melhoria contínua, as ligas de alumínio tem ganhado
destaque principalmente nas indústrias automobilística e aeroespacial, devido às suas características como baixa
densidade, boa relação resistência/peso, receptividade a vários tipos de tratamento térmico e fácil fabricação. Este
trabalho tem como objetivo a análise da influência do raio de ponta da ferramenta (rε ) e profundidade de usinagem
(𝑎𝑝) no acabamento superficial de componentes de liga aeronáutica 2011F. No torneamento da peça foram utilizados
dois raios de ponta (0,2 e 0,4 mm) e três profundidades de usinagem (0,15; 0,30 e 0,60 mm). Foram medidos os perfis
de rugosidade superficial e os parâmetros de interesse (𝑅𝑎 , 𝑅𝑦, 𝑅𝑡, 𝑅𝑞, 𝑅3 𝑍), que possibilitaram uma análise detalhada
do comportamento da rugosidade em função da geometria do inserto. Análises em Microscopia Eletrônica de
Varredura (𝑀𝐸𝑉) permitiram verificar a geometria da ferramenta antes e depois dos ensaios realizados. No final é
feita uma correlação entre os dados obtidos para determinação da melhor condição de usinagem com base nos
resultados adquiridos. Verificou-se que o maior raio de ponta resultou em um valor de rugosidade superficial mais
baixo, com a maior profundidade de corte foi observado também um aumento nesta variável.
Palavras-chave: Acabamento Superficial, Parâmetros de Rugosidade, Al 2011F, Torneamento, Raio de Ponta
1. INTRODUÇÃO
Frente às mudanças ocorridas nos últimos tempos no transporte aéreo e com o desenvolvimento de novos produtos,
exige-se uma disponibilidade maior de novos materiais sobre os quais se tenha informações suficientes para o
processamento (Heinz et al, 2000). O alumínio tem sua aplicação industrial facilitada e incentivada, pois pode ser
processado por diversas vezes sem perder ou alterar sua qualidade. Desta forma, são mantidas as mesmas propriedades
que o metal obtido a partir de seu minério, contribuindo de maneira mais eficiente para a sustentabilidade e diminuição
do consumo de recursos naturais (Ambroziak, 2010).
Segundo a ABAL (2014), os componentes automotivos de alumínio são tipicamente 50% mais leves e ainda
garantem maior rigidez estrutural, fornecendo uma boa relação peso/resistência. Isto permite a utilização em estruturas e
outras aplicações como componentes de aviões e trens. Por esse motivo empresas do ramo automobilístico e
aeronáutico desenvolveram diversas ligas com propriedades diferenciadas em resistência mecânica e corrosão, possível
através da adição de elementos de liga específicos e tratamentos térmicos adequados.
Uma das características interessantes da liga Al 2011F é a presença de cobre, que segundo Weingaertner e
Schroeter (1991), contribui para o aumento da elasticidade e da resistência à tração, outro elemento importante é o
silício que melhora o processo de fundição, aumentando a resistência à abrasão. Ligas de Al-Si-Cu com mais de 4% de
cobre, ou aquelas contendo magnésio, podem ser tratadas, termicamente.
Segundo Santos e Sales, (2007), no início da década de 1960 ocorreram falhas prematuras de peças, as quais foram
motivo de investigações por não apresentarem erros de execuções de projeto ou defeitos na matéria-prima utilizada. Isto
levou ao estudo mais profundo da possibilidade dessas falhas terem sido provocadas pelas alterações nas características
do material da peça durante a usinagem.
A usinagem é um processo que envolve deformações elásticas e plásticas, geração de calor, ruptura, recuperação
elástica, vibrações e, às vezes, reações químicas. Todos esses fatores apresentam efeitos diferenciados na geração de
cada nova superfície. Surge então o termo “integridade superficial”, que é aplicado para descrever a qualidade de uma
superfície e que engloba um grande número de alterações sofridas por ela (Machado et al., 2009; Santos e Sales, 2007).
Griffiths, (2001) afirma que a integridade superficial pode ser associada ao desempenho funcional da superfície usinada
relacionada as propriedades mecânicas, químicas e metalúrgicas.
A integridade superficial engloba basicamente 2 objetos de estudo: alterações superficiais (ou acabamento) e
alterações subsuperficiais. A Fig. (1) a seguir apresenta um esquema com os diferentes fatores avaliados na integridade
superficial.
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
Figura 1. Classificação da integridade superficial. Machado et al. (2009).
O estudo do acabamento superficial é importante devido à sua grande influência nas condições de funcionamento,
vida e confiabilidade do produto. Estes fatores estão ligados diretamente à integridade superficial dos componentes
fabricados (Vogl, 2007). Segundo Diniz, Marcondes e Coppini (2008), por se tratarem de materiais dúcteis, o
acabamento obtido na maioria das ligas de alumínio é insatisfatório e bons acabamentos superficiais podem ser obtidos
se a velocidade de corte for suficientemente alta e a escolha da geometria da ferramenta for adequada. Ainda segundo
estes autores, a relação entre o avanço e o raio de ponta da ferramenta é fundamental para o acabamento. A Fig. (2)
mostra a relação entre raio de ponta e avanço na concepção do perfil teórico de rugosidade.
Figura 2. Perfil teórico de rugosidade de peça torneada. Modificado de Diniz, Marcondes e Coppini (2008).
A rugosidade teórica pode ser estimada através de duas equações muito utilizadas, estas equações levam em conta
as variáveis: avanço e raio de ponta (Machado et al., 2009).
𝑅𝑎 =
𝑅𝑡 =
𝑓2
31,2.𝑟𝜀
𝑓2
8.𝑟𝜀
(1)
(2)
Segundo Sharma et al., 2008, este modelo matemático não leva em conta as imperfeições no processo como
vibração ou adesão do cavaco, podemos citar também como desvantagem a não consideração do retorno elástico do
material.
Segundo Machado et al. (2009), a peça usinada pode ser avaliada em termos macrogeométricos (orientação, forma
e dimensão) e microgeométricos (rugosidade). Dependendo da rugosidade especificada no projeto, a peça pode ser
examinada antes ou depois do processo de usinagem. Um grande número de variáveis afeta a rugosidade, podendo ser
avaliada por diversos parâmetros, sendo eles: parâmetros de espaço determinado pelo espaçamento do desvio do perfil
ao longo da superfície, parâmetro de amplitude (determinado por alturas dos picos, profundidades dos vales ou pelos
dois, sem considerar os espaçamentos entre as irregularidades ao longo da superfície) e o parâmetro híbrido
(determinado pela combinação dos parâmetros de amplitude e de espaço).
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1. Materiais
Foi utilizada uma liga de alumínio-cobre aeronáutico 2011F na forma de barra redonda extrudada. Com o objetivo
de verificar a composição química do material, realizou-se análise em um espectrômetro e o resultado é apresentado na
Tab. (1) a seguir.
Tabela 1. Composição da liga Al2011F (% peso)
Si
0,26
Cu
7,13
Mg
0,01
Fe
0,57
Mn
0,01
Pb
0,41
Al
Balanço
A partir daí, foram confeccionados corpos de prova com dimensões apresentadas na Fig. (3).
Figura 3. Esquema dos corpos de prova utilizados nos experimentos.
Para verificar a dureza do material foram realizados testes de dureza nos ensaios com uma esfera de 2,5 mm de
diâmetro e carga de 31,25 kgf. Para que os erros inerentes ao processo fossem minimizados, as medições foram
repetidas dez vezes obtendo-se um valor médio de 117 HB, por se tratar de uma liga de alumínio, esse valor alto de
dureza se deve ao fato de uma quantidade elevada de cobre encontrada no material, que por sua vez melhora
substancialmente a dureza, a resistência mecânica da liga e proporciona uma melhora na usinabilidade das peças.
2.2. Ferramentas
Com o objetivo de avaliar o desempenho de cada inserto no processo de torneamento de alumínio aeronáutico,
foram escolhidos dois raios de ponta diferentes, mostrados na Fig. (4).
(a)
(b)
Figura 4. Ferramentas utilizadas no ensaio. a) dimensões dos insertos e b) dimensões do suporte
Os insertos possuem código VCGT 1103XX - AS IC520 da ISCAR. Os valores de XX correspondem ao raio de
ponta (neste caso 0,2 e 0,4 mm). A classe possui cobertura do tipo TiCN (Carbonitreto de Titânio), depositado pelo
processo PVD (Phisical Vapor Deposition), esta é muito usada devido suas propriedades serem semelhantes ao TiC
(Carboneto de Titânio), como dureza, resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito.
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
2.3. Metodologia
Todos os ensaios de torneamento foram realizados em um Torno CNC Hardinge, modelo GS – 150, com 11 kW de
potência, 175 Nm de torque e 6000 RPM disponíveis no eixo árvore.
Para o estudo foi escolhido o torneamento longitudinal, onde foi usinado um comprimento de corte de 150 mm, no
qual foram utilizados 6 corpos de prova adotando-se um corpo de prova para cada profundidade de usinagem e também
para os raios de ponta. A velocidade de corte foi de 736 m/min (mantida constante). Esta escolha foi feita com o
objetivo de atingir a máxima rotação da máquina no último passe do corpo de prova (menor diâmetro), alternando a
profundidade de corte em três níveis (0,15; 0,30 e 0,60 mm) a fim de avaliar se profundidades de usinagem maiores e
menores que o raio de ponta teria influência na rugosidade. Neste trabalho foram utilizados os raios de ponta de 0,2 e
0,4 mm e avanços de 0,1 e 0,2 mm/rot. Além disso, nota-se material aderido sobre a superfície de saída. O formato e as
dimensões do raio de ponta foram medidos em um software de CAD a fim de avaliar alguma mudança no raio de ponta
e geometria da ferramenta. Um resumo dos parâmetros de usinagem é mostrado na Tab. (2) a seguir.
Tabela 2. Parâmetros de usinagem
Velocidade de corte (m/min)
736
Avanço (mm/rot)
0,1 e 0,2
Profundidade de Usinagem (mm)
0,15; 0,3 e 0,6
Raio de Ponta (mm)
0,2 e 0,4
Foi utilizado para medir o perfil de rugosidade da superfície usinada um rugosímetro portátil Mitutoyo SJ – 301
(Fig.5), com cut-off de 0,8mm, a avaliação foi feita na direção do avanço da ferramenta. Mediram-se os parâmetros de
rugosidade Ra, Ry, Rq, Rz e R3z, que conectado a um computador e com o auxilio do programa Surf Test SJ-301
permitiu a aquisição dos pontos adquiridos e levantamento do perfil de rugosidades. Os ensaios foram divididos em
dezenove passes para cada profundidade de corte, e a rugosidade medida a cada passe.
Figura 5. Rugosímetro.
As ferramentas foram analisadas antes e depois de realizados os ensaios no Microscópio Eletrônico de Varredura
(MEV), marca JEOL, modelo JCM – 6000.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Nas Figs. (6) e (7) são apresentados os resultados de rugosidade média e rugosidade máxima (respectivamente),
para dois raios de ponta (rε ) e em três profundidades de usinagem (ap) diferentes. O avanço foi constante e igual a 0,1
mm/rot.
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
Figura 6. Rugosidade média (Ra) em função da profundidade de usinagem para 2 raios de ponta diferentes.
Observando a Fig. (6), verifica-se que não houve alteração significativa da rugosidade média em função da variação
da profundidade de usinagem, pois ocorre sobreposição dos desvios. Entretanto, ocorreu uma alteração significativa em
relação ao raio de ponta. Os menores valores de Ra foram obtidos com raio de ponta maior, isso pode ser constatado
conforme a afirmação feita por Machado (2009), onde um raio de ponta deve ser suficientemente grande para diminuir
os efeitos das marcas de avanço.
De acordo com a Eq. (1), a utilização de um raio de ponta com o dobro do tamanho deveria reduzir os valores de
rugosidade pela metade. No entanto, os valores obtidos se mostraram ainda melhores.
Figura 7. Rugosidade máxima (Rt) em função da profundidade de usinagem para 2 raios de ponta diferentes.
O comportamento da rugosidade máxima é o mesmo da rugosidade média apresentada na Fig. (6). No entanto, este
parâmetro apresenta desvios maiores, o que pode ser um indício de uma superfície mais irregular.
As Figs. (8) e (9) apresentam os resultados de rugosidade média e rugosidade máxima (respectivamente), para dois
avanços (f) e em três profundidades de usinagem (ap) diferentes. O raio de ponta foi constante e igual a 0,4 mm.
Figura 8. Rugosidade média (Ra) em função da profundidade de usinagem para 2 avanços diferentes.
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
Novamente, o comportamento da rugosidade média está de acordo com a Eq. (1) e a utilização de um maior avanço
conduz à rugosidades maiores. No entanto, quando valor do avanço é dobrado, a rugosidade deveria ser cerca de 4
vezes maior.
Figura 9. Rugosidade máxima (Rt) em função da profundidade de usinagem para 2 avanços diferentes.
As análises feitas para a rugosidade média podem ser estendidas para a rugosidade máxima. Uma vez que a
utilização do dobro do avanço fez com o que os valores de rugosidade fossem mais do que quadruplicados, há indícios
de que a usinagem é fortemente influenciada, mas não depende exclusivamente dos fatores geométricos.
Em grande parte, os valores obtidos para essas condições são interessantes por resultarem em um valor de
rugosidade próximo ao valor teórico quando a análise é feita simultaneamente ao avanço e ao raio de ponta. Esses
resultados são provenientes de diversos fatores dentre os quais é possível destacar: a rigidez da máquina e do sistema de
fixação e baixo desgaste da ferramenta devido aos parâmetros de usinagem utilizados. Outro fator importante a citar é a
presença de cobre na composição química da liga Al2011F que favorece a usinabilidade do material, evitando a
aderência de material na superfície de saída e facilitando a quebra do cavaco fig. (10). Isto pode gerar um menor atrito
na superfície de saída, podendo ser um indicador da obtenção de baixos valores resultantes dos experimentos práticos.
Figura 10. Cavacos de alumínio provenientes do ensaio
Uma análise foi realizada também para os parâmetros Ry, Rz, Rq e R3Z Tab. (3).
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
Tabela 3. Rugosidades Ry, Rz, Rq e R3Z.
𝒓𝜺 (mm)
f (mm/rot)
0,1
0,2
0,2
0,1
0,4
0,2
ap (mm)
0,15
0,30
0,60
0,15
0,30
0,60
0,15
0,30
0,60
0,15
0,30
0,60
Rugosidade (um)
Ry
Rz
Rq
R3 Z
6,935 6,49 1,89 6,09
6,97
6,45 1,86 5,88
6,64
6,17 1,80 5,51
28,69 27,11 8,22 25,58
29,74 28,12 8,28 26,47
36,21 31,44 8,99 26,67
2,53
2,25 0,50 1,86
2,60
2,30 0,47 1,77
2,45
2,08 0,40 1,39
13,35 13,01 3,91 12,39
13,52 13,23 4,02 12,68
13,13 12,74 3,87 12,05
A verificação de outros parâmetros como Ry, Rz, Rq e R3Z é importante, pois fornecem informações adicionais
sobre as condições da superfície. Os parâmetros Ry e Rz consideram riscos isolados e são fundamentais para a predição
do comportamento em fadiga, pois irregularidades mais profundas podem atuar como entalhes concentradores de tensão
e se tornarem locais propícios ao surgimento de trincas. Já o parâmetro R3Z não considera picos e vales que sejam
pouco representativos na superfície, além de caracterizar bem superfícies com regularidade de perfil, e por fim, a
rugosidade quadrática média Rq acentua a influência dos valores do perfil que estão longe da média.
Uma vez que a rugosidade é também fortemente influenciada pelo estado da ponta da ferramenta, foram realizadas
análises em microscopia eletrônica de varredura, apresentada na Fig. 11 a seguir:
(a)
(b)
Figura 11. Microscopia eletrônica de varredura. a) superfície de saída da ferramenta nova, b) superfície de saída
após os ensaios
É possível notar uma variação na aresta principal de corte da ferramenta relacionado com o desgaste de flanco.
Apesar do desgaste não ser um ponto de restrição na usinagem de ligas de alumínio, a presença do silício (mesmo que
em baixa quantidade) pode ser a causa do desgaste abrasivo. Além disso, nota-se material aderido sobre a superfície de
saída. Verificou-se uma pequena redução no raio da ferramenta (fig. 11b) na região onde houve contato com a peça, foi
notada uma mudança no perfil ao longo da aresta principal de corte.
4. CONCLUSÃO
Em função dos resultados coletados na usinagem da liga Al2011F utilizando uma ferramenta de metal duro
revestida pode-se concluir:
A combinação entre o maior raio de ponta com o menor avanço produz os melhores acabamentos superficiais;
Foi verificado que para os parâmetros utilizados, o avanço tem maior influência na rugosidade superficial;
A profundidade de usinagem (ap) não afetou a rugosidade superficial, mesmo esperando-se que houvesse deflexão
ou vibrações da ferramenta;
As equações teóricas permitem ter uma noção do acabamento superficial, porém para que a previsão se aproxime
dos valores reais, outras variáveis devem ser consideradas (vibrações ou desgaste, por exemplo).
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Faculdade de Tecnologia de São Paulo por ceder seu espaço, máquinas e equipamentos e a
ISCAR do Brasil por fornecer as ferramentas para a realização deste trabalho.
6. REFERÊNCIAS
ABAL – Associação Brasileira do Alumínio, site: http://www.abal.org.br/aluminio/vantagens-do-aluminio/. Acessado
em: 25/11/2014.
Ambroziak, A., Korzeniowski, M., 2010, “Using Resistence Spot Welding for Joing Aluminum Element in Automotive
Industry”. Wroclaw University of Technology, Lukasiewicza 5, Wroclaw, Poland.
Diniz, A.E, Marcondes, F.C., Coppini, N.L., 2008, “Tecnologia da Usinagem dos Materiais”, Ed. Artiliber, São Paulo,
Brasil.
Griffiths, B., 2001, “Manufacturing Surface Technology. London, Ed. Penton Press.
Heinz, A., Haszler, A., Keidel, C., Moldenhauer, S., Benedictus, R. e Miller, W. S., 2000, “Recent development in
aluminum alloys for aerospace applications”. Materials Science & Engineering, v.A, n. 280, p. 102-107.
Machado, A.R., Abrão, A.M., Coelho,R.T., Silva, M.B., 2009, “Teoria da usinagem dos Materiais”, Ed. Blucher, São
Paulo, Brasil.
Santos, S. C., Sales, W. F., 2007, “Aspectos Tribológicos da Usinagem dos Materiais”, Ed. Artiliber, São Paulo, Brasil.
Sharma, V.S. Dhiman, Sehgal, R., Sharma, S.K., 2008.”Estimation of Cutting Forces and Surface Roughness Network.
Journal of Intelligent Manufacturing”, pp. 473-483.
Vogl, F.W., 2007, “Estudo do comportamento da liga AA7050-T74 em operações de usinagem por torneamento”,
Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade de Taubaté.
Weingaertner, W.L., Schroeter, R.B., 1991. “Tecnologia de Usinagem do Alumínio e suas Ligas. 2. Ed. Alcan –
Alumínio do Brasil - São Paulo.
8º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação
18 a 22 de maio de 2015, Salvador, Bahia, Brasil
Copyright © 2015 ABCM
COMPARATIVE STUDY BETWEEN THE INFLUENCE OF THE NOSE
RADIUS ON TURNING AL2011F ALLOY
Marcos Roberto Nascimento, [email protected]
Felipe Ribeiro Toloczko, [email protected]
Daniel Iwao Suyama, [email protected]
Amauri Hassui, [email protected]
1
Faculdade de Engenharia Mecânica – Unicamp – FEM – Rua Mendeleyev, 200 – CEP 13083 – 860 – Cidade
Universitária “Zeferino Vaz” Barão Geraldo – Campinas – SP.
2
Faculdade de Tecnologia Mecânica – FATEC-SP – Praça Coronel Fernando Prestes, 30 – CEP 01124-060 Bom Retiro – São Paulo – SP.
Abstract: With the evolution of technology and the need for continuous improvement, aluminum alloys have gained
prominence mainly in the automotive and aerospace industries due to its characteristics such as low density, good
resistance/weight ratio, responsiveness to several types of heat treatment and good machinability. This work aims to
study the influence of tool nose radius (rε) and depth of cut (ap) in the surface finish of aeronautical aluminum alloy
2011F. It was used two nose radii (0.2 to 0.4 mm) along with three different cutting depths (0.15, 0.30, 0.60 mm) in
turning operation using coolant. Surface roughness profiles and parameters of interest (Ra, Ry, Rt, Rq, R3Z) were
measured and allowed a detailed analysis of the behavior roughness as a function of tool geometry. Scanning Electron
Microscopy (SEM) analysis permitted verifying the condition of the tool before and after the tests. In the end there is a
correlation between the data obtained to determine the best machining condition based on the results acquired. It was
found that the largest nose radius resulted in a value lower surface roughness, with higher depth of cut was also
observed an increase in this variable.
Keywords: Finish surface, Roughness parameter, Al 2011F, Turning, Nose radius